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20世紀90年代后期，隨著(zhù)全光接入技術(shù)的發(fā)展和人們對高速無(wú)線(xiàn)寬帶通信的要求，一種信息容量大和部署靈活、維護方便、安全保密的無(wú)線(xiàn)光通信技術(shù)，得到了人們的極大關(guān)注，它為無(wú)線(xiàn)寬帶接入的快速部署提供一種靈活的解決方案，其應用范圍已從軍用和航天領(lǐng)域邁入民用領(lǐng)域。

　　近幾年來(lái)，被譽(yù)為“綠色照明”的半導體(LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛，利用半導體(LED)器件高速點(diǎn)滅的發(fā)光響應特性，將信號調制到LED可見(jiàn)光上進(jìn)行傳輸，使可見(jiàn)光通信與LED照明相結合構建出LED照明和通信兩用基站燈，可為光通信提供一種全新的寬帶接入方式。

　　1 LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信的現狀

　　LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信分室外通信和室內通信兩大類(lèi)。

　　室外LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)目前主要應用在智能交通系統(ITS)中，香港大學(xué)G.Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示燈為車(chē)輛傳輸語(yǔ)音廣播信號，將語(yǔ)音信號通過(guò)OOK調制加至LED光源，實(shí)現了低速的無(wú)線(xiàn)LED可見(jiàn)光傳輸。日本KEIO大學(xué)Kitano等人在2003年提出了LED公路照明通信系統。Pang等人只對利用LED交通燈進(jìn)行語(yǔ)音傳輸展開(kāi)研究，Kitano等人只在LED公路照明通信系統中分析了在不同的接收方向角和視場(chǎng)角下信噪比的好壞，以及在一定誤碼率下信噪比和接收數據率的關(guān)系，認為L(cháng)ED可見(jiàn)光公路照明通信系統優(yōu)于紅外公路交通通信系統。

　　隨著(zhù)智能交通系統研究的深入，又出現了LED交通燈、汽車(chē)前后LED燈之間構成的交通燈至汽車(chē)和汽車(chē)前燈至汽車(chē)尾燈這兩類(lèi)可見(jiàn)光通信系統。Okada等人提出利用二維LED陣列組成發(fā)射機和二維圖像傳感器組成接收機，來(lái)構成并行LED可見(jiàn)光通信系統，并利用接收圖案的空間頻率分量特征對車(chē)輛進(jìn)行定距。Wook和Komine等人對交通燈至汽車(chē)的LED可見(jiàn)光通信系統進(jìn)行了分析后，認為在系統中采用二維圖像傳感器的接收機性能優(yōu)于采用雪崩光敏二極管的接收機，并指出在一定條件下一盞交通燈最佳的LED單元燈數目是50×50。

　　室內LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)主要應用在室內無(wú)線(xiàn)寬帶接入網(wǎng)中，日本KEIO大學(xué)的Tanaka等人和SONY計算機科學(xué)研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無(wú)線(xiàn)傳輸的室內通信系統。他們以Gfeller和Bapst的室內光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，并認為L(cháng)ED光源滿(mǎn)足Lambertian照射形式，且以強度調制直接檢測(IM-DD)為光調制形式進(jìn)行了建模仿真，獲得了數據率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系，認為當傳送數據率在10Mbps以下的系統是可行的，碼間干擾(ISI)和多徑效應是影響系統性能的兩大因素。2001年，Tanaka等人在原來(lái)的基礎上分別采用OOK-RZ調制方式與0FDM調制方式對系統進(jìn)行了仿真，結果表明：當傳送數據率在100Mpbs以下時(shí)這兩種調制技術(shù)都是可行的，當數據率大于100Mpbs時(shí)，0FDM調制技術(shù)優(yōu)于OOK_RZ調制技術(shù)。

　　2002年，Tanaka和Komine等人對LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統展開(kāi)了具體分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內不同位置的信噪比分布等，求出了系統所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以OOK-RZ、OOK-NRZ、m-PPM調制方式進(jìn)行仿真分析，得到了不同條件下的誤碼率大小。同年，Komine等提出了一套結合電力線(xiàn)載波通信和LED可見(jiàn)光通信的數據傳輸系統，以SC-BPSK調制方式進(jìn)行了系統仿真，結果表明：系統在數據率為1Mbps條件下是可行的。同年，Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應對LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)系統造成的影響，分別以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調制方式進(jìn)行仿真，結果表明：8-PPM調制方式性能最佳。在數據率小于60Mbps，接收視場(chǎng)角小于50度的條件下，采用8-PPM調制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應。

　　2003年以后，Komine等繼續對LED單元燈的設計布局、可見(jiàn)光傳播信道(分直達信道和反射信道兩部分)、室內人員走動(dòng)導致的反射陰影、墻壁反射光，碼間干擾對系統性能的影響等展開(kāi)研究，并得出了不同接收視場(chǎng)角和不同數據傳送率下各因素對系統性能的影響曲線(xiàn)。同年，NTT公司的Douseki提出了光能LED無(wú)線(xiàn)通信系統，LED光既作為數據傳播的載體又作為能量源給系統供電。2005年，Komine等利用基于最小均方誤差算法的自適應均衡技術(shù)來(lái)克服ISI，仿真表明在數據率為400Mbps以下時(shí)，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效減少I(mǎi)SI的影響，當數據率高于400Mbps時(shí)，DFE均衡器更能有效克服碼間干擾(ISI)。

　　2 LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)

　　LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統分為發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分包括：信號輸入和處理電路、LED可見(jiàn)光發(fā)射系統及其驅動(dòng)電路。接收部分包括：接收光學(xué)系統、光電探測器、信號處理和輸出電路。LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信主要包括以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)光信號接收技術(shù)。在LED可見(jiàn)光通信系統中，存在著(zhù)強烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，同時(shí)隨著(zhù)傳輸距離的加大，接收機接收到的信號十分微弱，常常會(huì )導致接收端信噪比小于1。為了精確地接收信號，需要有選擇靈敏度高、響應速度快、噪聲小的新型光電探測器;對所接收的信號進(jìn)行前置處理，需采用高效的光濾波器，以抑制背景雜散光的干擾，對信號進(jìn)行整形和去噪聲。

　　(2)調制、編碼以及解調技術(shù)。目前LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統大多采用強度調制(IM)的直接檢測(DD)非相干系統，編碼方式大多為二進(jìn)制OOK(開(kāi)關(guān)鍵控)編碼。在實(shí)際光通信系統中，曼切斯特編碼的性能優(yōu)于OOK編碼;此外，二進(jìn)制OOK編碼通過(guò)光學(xué)鏈路一次只能發(fā)送一個(gè)比特，但比特流的傳送也可以以組的形式發(fā)送而不是一次一個(gè)，因此可采用光學(xué)組編碼形式如脈沖位置調制(PPM)來(lái)達到更高的發(fā)送速率，但PPM系統在解碼時(shí)對時(shí)鐘同步性要求較高。

　　(3)碼間干擾克服技術(shù)。在室內LED可見(jiàn)光通信系統中，LED光源具有較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角，光線(xiàn)分布在整個(gè)房間。OOK編碼器輸出的矩形脈沖在傳播過(guò)程中，由于LED單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導致了不同的傳輸延遲，光脈沖會(huì )在時(shí)間上延伸，每個(gè)符號的脈沖將加寬延伸到相鄰符號的時(shí)間間隔內，產(chǎn)生碼間干擾(ISI)，導致系統性能惡化。通過(guò)可控的方式將ISI引入發(fā)射信號，采用抗擾動(dòng)濾波器的相關(guān)電平編碼，可降低ISI的影響。

　　(4)自動(dòng)切換技術(shù)。在室外LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統中，當接收機(如汽車(chē))從一個(gè)基站燈移動(dòng)到另一個(gè)基站燈時(shí)，需要接收機能夠自動(dòng)切換。切換操作既要能夠識別一個(gè)新基站又要將信令信號分派到新基站的信道上，設計者必須指定一個(gè)啟動(dòng)切換的最恰當的信號強度，選擇恰當的切換時(shí)間以避免不必要的切換同時(shí)保證在由于信號太弱而通信中斷之前完成必要的切換。為了保證這一點(diǎn)，基站在準備切換之前先對信號監視一段時(shí)間來(lái)進(jìn)行信號能量的檢測，這需由接收機輔助切換來(lái)完成。高速車(chē)輛只要幾秒就駛過(guò)了一個(gè)基站燈的覆蓋范圍，切換中心很快會(huì )因為不停地有高速用戶(hù)在不同基站燈間切換而不堪負荷，必須采用輔助切換技術(shù)減少切換中心介入切換的次數。

　　(5)無(wú)線(xiàn)信道傳輸技術(shù)。LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統的信號傳輸信道是隨機信道，LED可見(jiàn)光的波長(cháng)與大氣中的塵灰、氣體分子、大霧、雨滴的尺寸相近甚至更小，容易產(chǎn)生光的散射及吸收造成信號的嚴重衰減，陽(yáng)光等背景光也會(huì )對系統的性能產(chǎn)生影響。要保證在隨機信道下的正常工作，還必須對LED可見(jiàn)光傳輸信道作更深入的研究。目前在對室內信道進(jìn)行分析時(shí)，都是采用Gfeller和Bapst的分析模型，將信道分成直射信道和墻壁反射信道兩部分進(jìn)行研究，但對背景光、散射等未作分析。因此建立恰當的室外傳輸模型和室內傳輸模型將有助于對系統展開(kāi)深入的研究。

　　(6)信道復用技術(shù)。為了使多個(gè)終端能共享一條高速信道，須采用信道復用技術(shù)。在光通信領(lǐng)域，主要有光波分多址技術(shù)(OWDMA)、光時(shí)分多址技術(shù)(OTDMA)及光碼分多址技術(shù)(OCDMA)。OCDMA是在光域內的一種擴頻技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)分配帶寬資源實(shí)現光信號的直接復用與交換，保密性好，抗干擾能力強，是具有廣闊前景的多址技術(shù)。在LED可見(jiàn)光通信中可采用非相干OCDMA系統。

　　高速LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統還包括相應的電路結構優(yōu)化設計、噪聲抑制等技術(shù)。對于光通信系統來(lái)說(shuō)，接收光場(chǎng)采用非相干檢測。由于光電檢測本質(zhì)上是隨機性的，在建立光探測器的輸出模型時(shí)，電子釋放時(shí)間、電子計數以及增益都是隨機變量，這種過(guò)程是散彈噪聲過(guò)程，接收機噪聲通過(guò)獲得散彈噪聲極限的條件來(lái)克服。

　　3 LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信的發(fā)展趨勢

　　LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信，現階段主要應用在室內局域網(wǎng)和智能交通系統中，未來(lái)LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將向以下幾方面發(fā)展。

　　(1)室內LED可見(jiàn)光通信采用OFDM調制技術(shù)、CDMA接入技術(shù)及分組編碼技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，但采用OFDM調制技術(shù)時(shí)，幅度不斷變化的OFDM信號工作在大信號幅度時(shí)可能會(huì )驅動(dòng)功放進(jìn)入非線(xiàn)性區產(chǎn)生失真。其次，目前LED燈分多芯片和單芯片兩種，采用OFDM調制技術(shù)、CD-MA接入方式下采用何種芯片能達到更高的傳信率和更少的誤碼率還有待研究。還有目前LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信系統研究主要是針對下行鏈路，系統上行鏈路研究還有待深入。

　　(2)由于LED照明基站燈安裝在天花板、公路兩旁或交通樞紐上，鋪設新的通信電纜成本太高，如與電力線(xiàn)載波通信結合在一起，利用電力線(xiàn)來(lái)傳輸通信信號可大幅降低投資成本。在日本等發(fā)達國家已得到了廣泛應用，南京聯(lián)通也在一些小區里開(kāi)通了10M帶寬的電力線(xiàn)上網(wǎng)業(yè)務(wù)。LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信與電力線(xiàn)載波通信相結合將是未來(lái)的發(fā)展趨勢。

　　(3)LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)可為城市車(chē)輛的移動(dòng)導航及定位提供一種全新的方法。汽車(chē)照明基本上都采用LED燈，將光接收機安裝在道路邊或汽車(chē)上，組成汽車(chē)至交通控制中心(連接著(zhù)道路邊的光接收機)、路燈至汽車(chē)或汽車(chē)至汽車(chē)的通信鏈路，可為夜間行駛車(chē)輛進(jìn)行導航、定位，并且能夠讓駕駛員即時(shí)知道各條道路的車(chē)輛流量，這也是LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信在智能交通系統中的發(fā)展方向。

　　4 結束語(yǔ)

　　面對用戶(hù)的迅速增加及人們對高速、寬帶的多媒體通信的需求，電磁波的可用頻帶范圍已變得越來(lái)越有限，而LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信使用光頻段傳輸信息具有寬廣的通信帶寬，避免了電磁干擾沖突又無(wú)需申請頻段使用執照，能滿(mǎn)足下一代多媒體通信的要求。隨著(zhù)具有節能、環(huán)保、使用壽命長(cháng)等優(yōu)點(diǎn)的LED照明燈的普及，以及各種關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信有望成為新的通信傳輸方式及下一代室內無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。是一個(gè)有待大力進(jìn)行研究并具有極大應用價(jià)值的領(lǐng)域。