基于VLC的无线局域网系统关键技术研究＊

王 涛，胡文芳

（1.青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海 西宁810007；2.西宁市第二十八中学 ，青海 西宁810007）

基于VLC的无线局域网系统关键技术研究＊

王 涛1，胡文芳2

（1.青海民族大学物理与电子信息工程学院，青海 西宁810007；2.西宁市第二十八中学 ，青海 西宁810007）

可见光通信(VLC)技术具有诸多优点，尤其在室内无线信号接入方面，能够满足用户大数据量、高速率获取的需求，基于VLC的无线局域网应用潜力巨大。对VLC技术的发展现状及研究成果进行了简述，对基于VLC的无线局域网系统中需要解决的关键技术及解决方案进行了分析探讨，提出在青藏高原地区发展应用基于VLC的无线局域网具有经济效益和环保效应。

可见光通信；白光LED；无线局域网；电力线通信

1 概述

白光LED具有寿命长、光效高、无辐射等诸多优点，同时响应时间短，可进行高速调制，从而催生了可见光通信技术 （Visible Light Communication，VLC）。VLC技术在380～780nm可见光谱段进行数据通信,与传统的射频通信相比较，有很多优势：(1)无线电频谱很多频段已被占用，可见光频谱不受使用许可证限制；(2)可见光波长在定位上具有明显优势；(3)收发器件设备简单，价格低廉；(4)VLC可用于对电磁干扰敏感的特定场合，如飞机、医院等场所；(5)可见光不能穿透建筑墙，安全性高，保密性好。因此，VLC技术应用前景广阔，尤其在室内无线信号接入方面，能够满足用户大数据量、高速率获取的需求，基于VLC的无线局域网应用潜力巨大。

2 国内外发展状况

日本是可见光通信技术研究的先行者，2000年日本庆应义塾（KEIO）大学的Tanaka等人率先提出了室内VLC技术[1]。2001年，Tanaka等人对比了可见光通信系统的OOK-RZ（on-off keying return-to-zero，归零开关键控）和OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用)调制技术[2-3]。2003年，Komine提出了一个复用电力线的可见光通信系统[4]。同年，日本成立了可见光通信联盟，旨在促进可见光通信的产业化。2009 年，可见光通信联盟展出了基于VLC技术的LED广告牌。2012年Casio发布了一个苹果应用程序，利用该程序用户可以利用VLC技术分享照片[5]。

美国和西欧也十分重视VLC技术的研究，其中英国爱丁堡大学、英国牛津大学、德国不莱梅大学、德国海因里希·赫兹通信工程研究所，德国弗朗霍夫电信研究所等科研机构在提升传输速率和增加LED的调制带宽等方面取得了许多突破。2008年，美国政府资助成立“智能照明”项目，投资1.85亿美元，为期10年；2011年德国海因里希·赫兹通信工程研究所设计的VLC系统已经达到500Mbps[6-7]。2011年，德国弗朗和夫电信研究所的Vucic等人利用DMT和QAM技术，单信道通信速率达到803Mbps[8]。2012年，意大利的圣安娜高等研究学院Khalid等人基于 DMT技术和1024QAM技术，采用雪崩光电二极管作为接收机，实现了1Gbps的VLC数据传输最大速率[9]。

我国VLC技术的研究起步较晚，大多处于实验阶段。2006年，暨南大学的陈长缨、胡国永等设计并实现了点对点的可见光通信系统[10]。2008年，该研究组利用白光LED阵列光源成功实现4Mb/s带宽的数字视频信号传输[11-12]。2007年，西安理工大学的丁德强、柯熙政设计了四光源最优布局方案[13]。2010年5月，在上海世博会上，中国科学院展示了一套VLC系统，可以同时接入3个用户，传输速率2Mbps。2013年，复旦大学基于单载波频域均衡（SC-FDE）技术实现了传输速率3.75Gb/s的VLC系统[14]。2015年，我国“可见光通信系统关键技术研究”获得重大突破，实时通信速率提高至50Gbps。这些成果表明我国正在快速迈入可见光通信国际竞争的大舞台。

3 需要解决的关键技术

3.1 发射接收模块及专用芯片的压缩和产业化

针对VLC系统发送端，需要研究如何设计LED光源模块、LED光源驱动模块、主控模块、调制和编码模块、耦合模块、接口转换模块、信号放大模块等，其中电源设计是LED光源驱动的关键技术，选用合适的主控模块以获得稳定的电流和电压变化范围，是保证LED光源安全工作和稳定的关键。

针对VLC系统接收端，需要研究如何设计光电检测模块、主控模块、信号放大模块、滤波与整形模块、解调与解码模块、接口转换模块。其中光电检测模块是完成光电转换的关键模块，分别有基于PIN的、基于APD的、基于图像传感器的。基于PIN的接收机响应快、灵敏度高、价格低廉。基于APD的接收机响应更快、灵敏度更高、具有更高的信噪比、但价格较高。基于图像传感器的接收机响应速度较慢、灵敏度相对较低，但是可以同时接收来自多个光源发送的数据。

目前室内可见光通信实验中发射接收系统非常庞大，还没有专用芯片组，所以相关模块及芯片的压缩和产业化，是VLC技术商用化的的首要难题。3.2 商用LED光源存在的问题及解决

LED是一种固体发光器件，工艺结构上，通常采用荧光粉LED与红绿蓝(RGB)LED。荧光粉LED是利用蓝光激发黄色荧光粉产生白光，成本和调制复杂度相对较低，但是调制带宽也很低。RGB-LED是将红、绿、蓝三色LED芯片封装在一起，将它们发出的光混合在一起得到白光。RGB-LED调制带宽高，但成本和调制复杂度也相对较高。商用LED光源更多考虑照明使用，调制带宽只有约3～50MHz，给系统容量的提升带来很大限制，因此，提升LED调制带宽也是要解决的关键技术。可以考虑从LED驱动电路的预均衡技术、光源处的蓝光过滤、接收端的后均衡技术、光MIMO技术等方面来解决。

3.3 支持高速率的调制技术

VLC中用到的调制技术有开关键控(OOK)、脉冲宽度调制（PWM）、脉冲位置调制(PPM)、多脉冲位置调制(MPPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)、正交频分复用（OFDM）、色移键控（CSK）等。OFDM是一种高效调制技术，具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配等优点，采用OFDM结合MIMO是VLC目前的研究热点技术，但是解决OFDM技术的自身缺陷仍然是关键问题：例如如何降低其峰均功率比等。适用于VLC中的OFDM技术主要有ACO-OFDM技术和DCO-OFDM技术，可以考虑在ACO-OFDM技术或DCO-OFDM技术的基础上寻求性能更好的改进方法。

3.4 电力线通信与可见光通信的融合技术

电力线通信 (PowerLine Communication，PLC)是指依托电力线及其输、配电网络作为传输介质的通信技术和系统应用。只有将PLC技术融合到VLC系统中，才能真正将基于VLC的无线局域网推广应用。PLC和VLC两种技术相结合，可构建新的宽带接入系统。PLC的可靠性问题，PLC与VLC的融合技术，是需要解决的关键技术，可以考虑将电力线通信中的QCA6410芯片融合到可见光通信系统中，实现两种技术的结合。

3.5 数据的双向传输技术

要实现基于VLC的无线局域网，设备或多用户的接入是一个亟待解决的问题。目前VLC 技术主要解决了下行链路。上行链路如何更好实现，还有待研究，解决方案有以下几种：（1）文献[15]提出在笔记本或手机等移动设备安装LED灯及调制、发射模块，建立双向VLC。（2）文献[16]提出了以RGBLED中红绿2个通道作为下行、蓝色通道作为上行的波分双工(WDD)可见光通信系统。（3）文献[17]提出不需要对现有移动设备做太多硬件升级，上行链路仍然采用无线（Wi-Fi）通信的方式。（4）文献[18]提出采用下行VLC、上行红外光通信的方案。

3.6 灯光受阻或无灯光时的数据传输解决方案

当室内灯光受到阴影影响时，或者不需要打开灯光时，VLC系统如何解决数据传输的问题？已提出的解决办法有：（1）在LED灯不发光等情况下，研究通过接通弱电流实现上网功能。（2）让WiFi作为VLC无线局域网系统的补充技术，当灯光信号被阻挡的时候，实现无缝地切换至射频通信系统。

4 结论

作为一种极具发展潜力的新兴技术，VLC技术在实用化中还有许多技术难题需要解决，但不论基于VLC的无线局域网的应用面临什么困难，都不能阻挡这一新技术的发展，随着我国半导体照明应用工程的推进，LED灯的应用区域越来越大。在青藏高

原地区，为落实科学发展观，为建立一个节能环保，电磁辐射少的高原生态环境，需要大力推广绿色照明，研究和发展应用基于VLC的青藏高原地区无线局域网，对维护低碳环保、电磁辐射少的高原生态环境具有重要意义，将会带来巨大的经济效益和环保效应。

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[3]Tanaka Y,Komine T,Haruyama S,et al.Indoor Visible Communication utilizing Plural White LEDs as Lighting[C].In Proceedings of 12th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications(IMRC), San Diego∶IEEE Press,2001∶81-85.

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TN929.1

教育部“春晖计划”科研项目（Z2014013）。