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可见光通信技术

可见光通信技术,是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的,将高速因特网的电线装置连接在照明装置上,插入电源插头即可使用。利用这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围,电脑不需要电线连接,因而具有广泛的开发前景。

与目前使用的无线局域网(无线LAN)相比,"可见光通信"系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号,其通信速度可达每秒数十兆至数百兆,未来传输速度还可能超过光纤通信。利用专用的、能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端,只要在室内灯光照到的地方,就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据。该系统还具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线,信息就不会外泄至室外,同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信,对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。

无需WiFi信号,点一盏LED灯就能上网。一种利用屋内可见光传输网络信号的国际前沿通讯技术在实验室成功实现。研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠,灯光下的4台电脑即可上网,最高速率可达3.25G,平均上网速率达到150M,堪称世界最快的"灯光上网"。可见光通讯被称为Lifi 。

无线电信号传输设备存在很多局限性,它们稀有、昂贵、但效率不高,比如手机,全球数百万个基站帮助其增强信号,但大部分能量却消耗在冷却上,效率只有5%。相比之下,全世界使用的灯泡却取之不尽,尤其在国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片,便可让灯泡变成无线网络发射器。

可见光通讯安全又经济。科研人员不仅在实验室环境中利用可见光传输网络信号,并且实现能够"一拖四",即点亮一盏小灯,4台电脑即可同时上网、互传网络信号。光和无线电波一样,都属于电磁波的一种,传播网络信号的基本原理是一致的。

给普通的LED灯泡装上微芯片,可以控制它每秒数百万次闪烁,亮了表示1,灭了代表0。由于频率太快,人眼根本觉察不到,光敏传感器却可以接收到这些变化。二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。灯光下的电脑,通过一套特制的接收装置传输信号。有灯光的地方,就有网络信号。关掉灯,网络全无。与现有WiFi相比,未来的可见光通讯安全又经济。WiFi依赖看不见的无线电波传输,设备功率越来越大,局部电磁辐射势必增强;无线信号穿墙而过,网络信息不安全。这些安全隐患,在可见光通讯中"一扫而光"。而且,光谱比无线电频谱大10000倍,意味着更大的带宽和更高的速度,网络设置又几乎不需要任何新的基础设施。

LED照明光通信技术

目前室内无线通信能满足要求的最好选择就是白光LED。白光 LED在提供室内照明的同时,被用作通信光源有望实现室内无线高速数据接入。目前,商品化的大功率白光LED功率已经达到5W,发光效率也已经达到90lm/W,其发光效率(流明效率)已经超过白炽灯,接近荧光灯。白光LED的光效超过100lm/W并达到200lm/W(可以完全取代现有的照明设备)在不久的将来即可实现。因而LED照明光通信技术具有极大的发展前景,已引起人们的广泛关注和研究[4-5]。

经工业和信息化部测试认证,我国"可见光通信系统关键技术研究"近日获得重大突破,实时通信速率提高至50Gbps(比特每秒),相当于0.2秒即可完成一部高清电影的下载。

可见光通信是利用半导体照明(LED灯)的光线实现"有光照就能上网"的新型高速数据传输技术。可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信,还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点,快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。

我国信息领域著名专家、中国工程院院士邬江兴介绍说,目前,全球大约拥有440亿盏灯具构成的照明网络,数百亿的LED照明设备与其它设备融合将构筑一个巨大的可见光通信网。可以设想,未来实现大规模可见光通信后,每盏灯都可以当做一个高速网络热点,人们等车的时候在路灯下就可下载几部电影,在飞机、高铁上也可借助LED光源无线高速上网,满足室内网、物联网、车联网、工业4.0、安全支付、智慧城市、国防通信、武器装备、电磁敏感区域等网络末端无线通信需求,为互联网+提供一种崭新的廉价接入方法。

邬江兴预测,在未来数十年内,信息的传输量将超出现有无线电频谱的承载能力,可见光通信技术可有效突破无线电频谱资源严重匮乏的困局,是具有广阔应用前景的下一代无线通信技术之一,可形成万亿级年产值的战略性新兴产业。

高速传输一直是可见光通信领域研究的焦点课题之一,解放军信息工程大学于宏毅研发团队采用光学和电学相协同的处理方法,突破了可见光空间通道互干扰高效抑制等关键技术,进入集成化、微型化设计与实现阶段。这所大学是国内较早从事可见光通信技术研发的科研单位,2013年牵头承担了我国首个可见光863计划项目,并组建了"中国可见光通信产业技术联盟"。经过3年多的科技攻关,先后研发成功"可见光点播电视业务""可见光新型无线广播""可见光精确定位"等应用示范系统。

LED无线通信的研究在日本首先开展

将LED照明灯组成可见光无线通信系统的研究工作,在日本首先开展,并得到日本政府的重视。在2006-11-28发布的科技日报报道:"日本总务省计划与NTT研究所及NEC公司等联手,共同开发一种利用照明灯光传输高速信息的"可见光通信"系统。日本政府将把这一技术作为下一代宽带网普及,预计在5年内实用化"。

室内白光LED无线通信的研究在日本首先开展。日本大学的日本KEIO大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统[4]。他们以Gfeller和Bapst的室内光传输信道为传输模型,将信道分为直接信道和反射信道两部分,并认为LED光源满足朗伯(Lambertian)照射形式,且以强度调制直接检测(IM-DD)为光调制形式进行了建模仿真,获得了数据率、误码率以及接收功率等之间的关系。认为当传送数据率在10Mbps以下的系统是可行的,码间干扰(InterSymbol Interference, ISI)和多径效应是影响系统性能的两大因素。2001年,Tanaka等人在原来的基础上分别采用OOK_RZ调制方式与OFDM调制方式对系统进行了仿真[6],结果表明::当传送数据率在100Mbps以下时这两种调制技术都是可行的,当数据率大于100Mbps时,OFDM调制技术优于OOK_RZ调制技术。

Tanaka和Komine等人的具体分析

2002年, Tanaka和Komine等人对LED可见光无线通信系统展开了具体分析[7],包括光源属性信道模型、噪声模型、室内不同位置的信噪比分布等,求出了系统所需的LED单元灯的基本功率要求,并分别以OOK_RZ、OOK_NRZ、m-PPM调制方式进行仿真分析,得到了不同条件下的误码率大小。同年Komine等研究了由墙壁反射引起的多径效应对可见光无线系统造成的影响,分别以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM调制方式进行仿真,结果表明:在数据率小于60Mbps,接收视场角小于50度的条件下,采用8-PPM调制方式可有效克服墙壁反射引起的多径效应。以后, Komine等继续对LED单元灯的设计布局、可见光传播信道(分直达信道和反射信道两部分)、室内人员走动导致的反射阴影、墙壁反射光,码间干扰对系统性能的影响等展开研究[8],并得出了不同接收视场角和不同数据传送率下各因素对系统性能的影响曲线。同年,Komine等提出了一套结合电力线载波通信和LED可见光通信的数据传输系统[9]。2005年, Komine等利用基于最小均方误差算法的自适应均衡技术来克服码间干扰(ISI) [10]。仿真表明在数据率为400Mbps以下时,FIR均衡器和DFE均衡器都可有效减少ISI的影响,当数据率高于400Mbps时,DFE均衡器更能有效克服ISI。

应用前景非常看好

国内在这方面的研究刚刚起步,暨南大学光电工程系的陈长缨教授对LED发光特性、室内通信链路和信道模型进行了初步的研究 [11]。

总之,LED照明光无线通信在国外也还出在起步和摸索阶段,但其应用前景非常看好,不仅可以用于室内无线接入,还可以为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。汽车照明灯基本都采用LED灯,可以组成汽车与交通控制中心、交通信号灯至汽车、汽车至汽车的通信链路。这也是LED可见光无线通信在智能交通系统的发展方向。

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