对LED可见光通信技术应用的分析

张志 沈剑

摘要：通信在我们的生活中越来越普遍和重要，通信技术深刻地影响着我们的生活，它的每一个技术进步都会引发关注，我们对光纤通信、对宽带、对无线通信都耳熟能详。在我国，基于LED可见光通信的智能家居系统和上网系统已经在上海世博会和最近的广州高新技术展示会上展示，并引起了观众的强烈好奇灯光

在提供照明的同时，是如何实现通信功能的呢？

关键词：LED 可见光通信技术 应用

中图分类号： E271.7文献标识码：A文章编号：

1可见光通信技术的定义与特点

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。2可见光通信的应用领域

可见光通信由于具有众多的优点，因此在很多领域具有巨大的应用前景。

（1）照明与通信

白光LED可以同时被用于照明与通信，因此信息可以在室内环境下进行广播，并同时满足照明的需求。此外，可见光通信还可以实现手持终端之间的点对点通信，由于发散角较小，因此可以有效地降低传输损耗，实现高速通信。

（2）视觉信号与数据传输

信号灯在航海和地面交通等领域有着非常广泛的应用，它通过颜色的变化来给人们提供信号，而将数据通信与信号灯相结合则可以为交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可见光通信的信号灯已有若干演示系统，如将数据由交通灯传递给汽车，或将数据在汽车与汽车之间传递等。

（3）显示与数据通信

阵列常常被用于信息显示，如广告牌、信息板等。若将相应的信息调制到这些LED阵列上，则可便捷地将数据传递给用户手持终端。

这种显示与通信相结合的系统在机场、博物馆等场所有着巨大的应用前景。

（4）室内定位

传统的卫星定位方法很难实现室内移动用户的精确定位，而可见光通信则可以将用户的位置信息通过照明设施来进行传递，从而实现精准的室内定位。目前，基于可见光通信的诸多室内定位方案已经被提出，日本的VLCC则已经实现了基于超市环境下的室内定位实验。

3可见光通信的技术应用研究趋势

虽然可见光通信具有巨大的应用前景，但在实用过程中还有很多关键问题需要解决。目前限制可见光通信发展的主要因素有：受限的调制带宽、LED器件的非线性效应、可见光通信室内信道的多径效应等等。因此，为了实现可见光通信高速的数据传输，以下几个方面已经成为了可见光通信的研究趋势。

3.1高调制带宽的LED光源

目前商用白光LED的调制带宽有限，只有约3~50MHz.这是因为白光LED设计的初衷是用于照明，而并非用于通信，其结电容很大，限制了调制带宽。因此，在保证大功率输出的前提下，开发出具有更高调制带宽的LED光源，将极大地促进可见光通信的发展。

3.2LED的大电流驱动和非线性效应补偿技术

在可见光通信系统中，LED的工作电流较大，需要进行大电流驱动，而LED的非线性效应则会使可见光信号发生畸变。因此在实际使用中需要合理地控制偏置电压、信号动态范围、信号带宽等参数，并且根据的非线性传输曲线的特征有意识地对调制信号进行预畸变处理等等，以提高调制效率，提升传输容量。

3.3光源的布局优化

在可见光通信系统中，白光光源需要同时实现室内照明和通信的双重功能，而单个LED的发光强度比较小，因此在实际系统中光源应采用多个LED组成的阵列。LED阵列的布局是影响可见光通信系统性能的重要因素之一。一方面，为了满足室内照明的要求，首先要考虑室内照明度的分布；另一方面，为了保证通信的性能，还需要考虑室内信噪比的分布，避免盲区和阴影的出现。一般来说，LED的数目越大，室内的照明度越高，系统接受到的光信号的功率也越大，但由不同路径造成的符号间干扰也越严重。因此，在对可见光通信系统的研究中，应对LED阵列进行合理的布局。

此外，对于不同的室内环境，如何迅速地建立光功率与信噪比分布模型，实现快速的智能布局也是可见光通信研究中需解决的关键问题。

3.4光学MIMO技术

与射频系统相似，通过采用多个发射和接收单元的并行传输可以提高可见光通信的性能。此外需要指出的是，一个典型的室内照明方案需要采用白光LED阵列来满足一定的照明度，这恰好使MIMO技术更具有吸引力。

3.5光学OFDM技术

为了在有限带宽的条件下实现高速传输速率，OFDM成为了一个极具吸引力的高频谱效率的调制技术。OFDM技术为信道色散提供了一个简单的解决方法，而且可以完全在数字域实施，它将信道的可用带宽划分为许多个子信道，利用子信道间的正交性实现频分复用，并可以在子载波上通过对比特和功率的分配来实现信号传输对信道条件的调节适应。由于降低了子载波的传输速率，延长了码元周期，因此具有优良的抗多径效应性能；此外OFDM还可以使不同用户占用互不重叠的子载波集，从而实现下行链路的多用户传输。

3.6高灵敏度的广角接收技术

室内光通信系统大多数工作在直射光条件下，当室内有人走动或者在直射通道上有障碍物时，将会在接收机处形成阴影效应，影响通信性能，甚至出现通信盲区，使通信无法继续。而采用大视场的广角光学接收系统可以解决这一问题，其大视场角的特性可以保证同时接收直射和散射光信号，这样就避免了“阴影”和“盲区”现象的发生。同时，室内光通信系统采用MIMO技术要求接收机能够接收到发端LED光源阵列发出的光信号，以解析出多个独立的通信信道。这也需要接收光学系统具有大视场特性。

3.7消除码间干扰的技术

在室内可见光通信系统中，光源通常由多个发光LED阵列组成，另外为了达到较好的照明和通信效果，防止“阴影”影响，一个房间通常要安装多个LED光源。由于LED单元分布位置的不同以及墙面的反射、折射及散射，不可避免的产生码间干扰，极大降低了系统的性能。自适应均衡技术以及前面提到的OFDM技术已经在高速无线通信中得到了广泛的应用。在可见光通信系统中，也可以采用这些方式降低符号间干扰。目前，应用于可见光通信的均衡和OFDM技术的研究已经成为可见光通信研究中的热点。

可见光通信与现有网络的融合接入技术目前，全球已经开展了光纤到户的工作，并取得很大的进展。光纤到户后，可为单用户提供300Mbit/s的下行带宽，在此网络带宽下，目前的微波无线低频段广播覆盖的频谱资源不够，无法满足如此高的带宽需求，因此，在最后10m距离内的高速接入将成为宽带通信的瓶颈。可见光波段位于380~780nm，属于新频谱资源。室内可见光通信由于具有诸多优点，已经成为了理想的短距离高速无线接入方案之一。将可见光通信系统与光纤到户系统融合，例如，可以通过“光电—电光”的转换将信息调制到LED光源发射到用户终端，实现高速率、高保密性的无线光接入。此外，可见光通信可与电力线通信（PLC）技术相融合，利用现有的电力线设备传输信号并驱动LED光源，将会大幅度降低成本，因此，这种技术融合在未来也将会成为可见光通信的研究趋势。

4结语

可见光通信能够同时实现照明与通信的功能，具有传输数据率高，保密性强，无电磁干扰，无需频谱认证等优点，是理想的室内高速无线接入方案之一。可见光通信在全球已经成为了研究的热点，特别是日本、欧洲和美国对可见光通信的研究投入了大量的人力和物力，并取得了一定的进展。在可见光通信的研究中，高调制带宽的LED光源、LED的大电流驱动和非线性效应补偿技术、光源的布局优化、光学MIMO与技术、高灵敏度的广角接收技术、消除码间干扰的技术以及可见光通信与现有网络的融合接入技术等已经成为了研究趋势。可见光通信在未来的通信领域中将会占据重要的地位，并将大大地推动信息化社会的发展。

参考文献：

[1]中国安防展览网.10年内LED将占商用照明一半以上份额[EB/OL].

（2012-06-13）.

［2］范国良.无线光通信技术及其应用.中国无线电，2007，3.