宽带可见光通信系统中关键技术研究

余冰雁　中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师

网络技术——宽带光传输专题

宽带可见光通信系统中关键技术研究

余冰雁中国信息通信研究院技术与标准研究所宽带网络研究部工程师

可见光通信（VLC）是一种利用照明LED光源进行无线数据传输的新兴无线通信技术，它具有覆盖广泛、绿色无电磁辐射等优点，但在实现高速数据传输时还面临物理带宽有限、多光源间干扰等问题。本文从可见光通信的技术特点出发，提出了VLC应用的典型场景。OFDM和MIMO技术是实现高速VLC的两项主要关键技术。本文先后研究了基于OFDM和MIMO的高速VLC系统中的关键技术，并对未来VLC的发展趋势及未来研究热点进行了分析。

高速可见光通信；OFDM调制技术；MIMO技术

1　引言

随着近年来我国信息技术产业的高速发展，诸如高清视频多媒体无线点播、高速无线数据传输等应用的数据流量需求呈现高指数增长的趋势；与此同时，随着物联网、互联网+、机器人等产业概念先后兴起，相关产业应用不断涌现，带来新的无线通信业务需求。这些对现有高速无线通信手段的数据承载能力提出进一步的挑战，也与有限的射频频谱资源形成愈发明显的矛盾，开拓射频之外的无线通信手段显得尤为重要。

可见光通信（Visible light communication，VLC）是一种将照明LED灯作为信号发射机的无线光通信技术。由于照明LED灯芯具有半导体材料可高速调制的共性，故可以在照明光强基础上叠加高速信号进行传输，同时在接收端利用光电探测器对光信号进行探测和后处理。当叠加的信号频率足够快，超过人眼可以分辨的频率（100Hz以上）时，就不会对正常的照明功能产生影响。VLC技术的兴起是建立在LED照明产业不断快速发展的基础上的，由于LED照明具有低碳环保和节能高效的特点，其已经被全球各地明确为下一代照明解决方案。包括我国在内的多个国家和地区在过去近10年来出台了大量政策和规划，以加快LED照明的发展和普及。到2015年，我国LED照明市场总产值已经达到4000亿元人民币，且依然保持高速增长态势。LED照明的普及促使VLC技术在近年来获得大量关注和快速进展。

VLC的典型应用场景是在室内环境中提供高速数据接入和用户定位功能。由于在室内LED照明灯是几乎必要存在的，这为VLC提供了良好的运行基础，同时各个照明灯的覆盖范围有所不同，这使得VLC有潜力提供空分复用的大容量接入功能以及为用户提供更精确的定位功能。相比可见光定位，高速可见光通信存在较多的关键技术瓶颈和难点，如照明LED的自然物理带宽（3-dB带宽）通常只有3～5MHz，如何利用有限的带宽实现100Mbit/s甚至1Gbit/s量级的通信速率？又如在室内多个LED光源共同提供照明的场景下，如何在各LED光源的覆盖交叠区域区分待收信号和干扰，甚至进一步利用MIMO技术实现空分复用提升系统容量？

为了更好地解决这些制约VLC实现高速通信的瓶颈问题，本文将从可见光通信的技术特点出发，研究高速VLC系统中的关键技术解决方案，分析其未来技术选择和技术路线。

2　VLC的技术特点

2.1VLC的技术优势

可见光通信作为一种利用照明LED光源作为信号发射机的无线通信技术，当用作室内高速接入时具有很多明显的技术优势：

（1）可见光的光谱覆盖范围为380～780nm，涵盖405THz的带宽，是常用射频频谱范围的105倍，为实现高速通信提供了充足的带宽保证。在可见光波段上，既可以利用副载波复用的技术进行高宽带信号的传输，也可以利用波分复用技术，利用不同光谱的光并行传送多路信号。

（2）可见光通信采用光作为承载信号的载体，没有电磁污染，可以在飞机舱内、医院监护室内、核电站等电磁敏感的环境下使用，也可以在隧道内、矿井下等电磁信号衰减严重的场所使用。同时，由于光对障碍物具有不可透过性，使得VLC在密闭空间具有高度的保密性，在空间点对点通信场景下也具有相比射频通信高得多的保密性。

（3）照明LED的泛在性为VLC的普及提供了基础，节省了大量布设技术设施的成本。在室内照明中，室内各点光照度的一致性、均匀性是照明设计的必要考虑因素，这点也同时保证了VLC系统中接收端在室内各点时接收信号功率的一致性，使得接收端的信号强度在通常情况下不会出现频繁的大尺度衰落，有助于简化系统设计、提升系统性能。

2.2VLC的技术难点

尽管VLC技术存在诸多天然优势，但当它用于高速无线接入时，依然存在一些技术和性能上的难点，这主要包括：

（1）照明LED的自然物理带宽较小，常用的照明LED光源的3-dB带宽通常只有3～5MHz，在此带宽基础上实现高速数据传输面临挑战。在技术方面需要一方面尽量扩展可用数据传输带宽，一方面优化资源在频带上的分配策略。

图1　室内可见光通信应用场景

（2）室内多光源照明场景下，相邻光源之间信号干扰明显。为了实现照明一致性，相邻光源之间存在明显的覆盖交叠区，在交叠区域内的信号存在相互干扰的问题。在实现高速VLC时，需要考虑抑制此类干扰的技术方案；进一步需要考虑通过空分复用转化干扰为增益，利用相邻的多个光源同时并行传输信息，提高通信速率。

（3）在VLC系统中，环境干扰问题明显。一方面环境中的背景光有可能工作在和VLC系统相同的光谱波段，会为系统引入明显的背景光噪声；另一方面环境中其他物体的移动可能会造成VLC链路的暂时中断，影响数据传输的连续性，同时对链路快速恢复技术提出较高的要求。

2.3VLC应用场景分析

由于VLC具有诸多明显的优势和技术挑战，加之它与照明的天然结合，VLC的主要应用场景可以归纳为如图1所示的情况。在室内环境下，照明LED为室内的智能设备提供高速接入的能力；如果在一间房屋内同时存在多个光源，多个光源之间需要协同配合，实现设备的高速接入；同时，VLC需要与Wi-Fi、光纤接入网、电力线通信等已有通信手段融合，共同实现家庭接入的功能。

3　宽带VLC关键技术路线

3.1VLC技术研究进程

针对VLC的典型应用场景及其在技术、器件特点和性能方面的难点，当前针对高速VLC的研究主要集中在以下3方面：

（1）正交频分复用（OFDM）调制技术、多输入多输出（MIMO）技术等高速通信技术的理论研究。

（2）OFDM中抑制信号峰均功率比（Peak-to-Average Power Ratio，PAPR）、MIMO中优化资源分配算法等系统优化算法研究。

（3）探索新型照明LED材料以及研究照明通信一体化等新兴课题研究。在OFDM调制技术方面，有许多研究精力被投入到探索和实现更高的调制阶数、功率以及更大带宽上，也有部分研究关注于各类高效的光OFDM实现方案。在MIMO技术方面，成像MIMO和非成像MIMO技术均被广泛研究，其中成像MIMO增益较强，非成像MIMO具有视场角较大、系统器件的复杂度低等优点。由于OFDM和MIMO技术均能直接、明显地提升VLC系统容量，并且两种技术可以相互配合实现叠加，因此本文主要对这两种关键技术开展研究。

3.2基于OFDM技术的宽带VLC研究

基于OFDM的VLC系统十分适用于高速传输的应用场景，这是由于OFDM能有效地提高带宽利用效率、解决码间干扰问题、通过功率分配机制提高能量利用效率。

图2是一个典型的基于OFDM的VLC系统框图，二进制信号依次通过星座映射、串/并转换、功率分配、反傅里叶变换（IFFT）实现正交调制，在经过并/串转换和数/模转换后即可注入LED。由于在VLC中用光强表示信号，要求信号必须是非负实数，故与传统的射频OFDM发射机不同，在基于OFDM的VLC发射机中，需要加入红圈标识的共轭对称模块。在该模块中，将符号向量进行对称共轭后与原信号合并组成新的向量，由于其共轭对称的特点，IFFT结果的虚部为0，从而使得待发射信号满足实数性的要求。

在基于OFDM的VLC系统中需要重点解决信号PAPR过高和比特功率分配算法的问题。照明LED具有明显的非线性特征，在LED的准线性区，发光强度随着输入电压正比例变化，但在输入电压过大或者较小的时候，发光强度会出现饱和或者截止的情况，如图3所示。与此同时，原生的OFDM信号具有较高的PAPR，在LED非线性模型下，为了保证信号不出现较强的非线性失真，只能将信号平均功率控制在较低的水平，这种情况是不利于提升信号质量、提高接收端信噪比的。为了解决这个问题，有必要对OFDM信号进行修改和调整，控制其PAPR，从而有效地提升系统容量。常用的限制PAPR的技术手段包括限幅法、压缩扩展法、部分传输序列等。此外，在OFDM参数设计时，可以在满足其他约束条件的前提下将OFDM子载波数目控制得尽量少，因为子载波数目较少时，信号PAPR相对较小。

图2　基于OFDM的VLC系统框图

图3　典型LED的非线性特性

典型LED光源的另一个特点是频率衰减较为明显。通常有蓝色灯芯配合黄色荧光粉组成的LED光源只具有3～5MHz的3-dB带宽，如果在接收端加入蓝光滤光片抑制响应较慢的荧光粉分量，对应的3-dB带宽可以提升至近10MHz，但是会相应地损失部分接收功率，如图4所示。如果不对原生OFDM信号进行任何处理就将其调制到LED光源上，那么信号的高频部分会明显比低频部分承受更高的衰减，使得在高斯白噪声环境下，高频部分的信噪比明显较差。为了弥补这种由于频率衰减而导致的接收端信噪比不均衡的状态，可以在OFDM信号生成的时候使用比特功率分配技术。在比特进行星座映射时，根据各个子载波对应的频率衰减程度，在衰减较小的低频子载波上分配较多的比特（即较高的调制阶数）和功率，在衰减较大的高频子载波上分配较少的比特和功率，这使得功率的利用效率更高，系统可达的最大传输速率得以提升。如果信号带宽较宽（如超过50MHz），那么LED光源对于最高频子载波和最低频子载波的衰减值差距将会较大（超过20dB），此时为了保证高频子载波的信号质量，对于接收机灵敏度、模数转换器（ADC）量化精度的要求都会大大提高。为了降低系统成本和复杂度，可以采用均衡技术，将LED的低频衰减增加，并对高频衰减进行补偿，实现相对平稳的频响特性。

图4　典型LED的频响特性

3.3基于MIMO技术的宽带VLC研究

MIMO技术是指使用多个发射端和接收端进行联合通信的技术，是提升无线通信系统的通信速率的一种重要手段。在室内可见光通信领域，由于很多室内照明系统中会包含多个照明LED灯，而每个灯都可以作为VLC的发射端，因此MIMO也会很自然地被考虑应用于室内VLC中。在VLC系统中的MIMO技术可以按照发射端信号承载方式分为分集式MIMO和复用式MIMO，也可以按照接收端形态分为成像MIMO和非成像MIMO。

分集式MIMO的系统结构和帧结构如图5所示。在发射端，多个LED发送一致的信号，接收端的多个接收天线（即多个独立的光电探测器）接收到的信号可以通过最大比合并（MRC）或者等增益合并（EGC）等方式进行合并处理。这种分集方案的优势在于系统结构简单、复杂度低，而且能够有效地提高信号质量，提升系统稳定性。在分集式MIMO中，各个LED光源采用相同的帧结构，均是“训练序列+数据包”的形式。

图5　分集式MIMO系统结构和帧结构

复用式MIMO的系统结构和帧结构如图6所示。在发射端，每个LED分别发送不同的信号，在接收端，不同的接收天线可以接收来自不同光源的信号，因此通过训练序列的辅助可以获得系统的信道矩阵，进而可以对接收信号进行迫零（ZF）或者最小均方误差（MMSE）解调。复用式MIMO方案由于采用了多个光源并行发送数据，故它的优势在于可以大大提高系统传输速率。由于接收端在解调信号时需要得知每个接收天线相对于每个LED光源的响应，因此复用式MIMO的信号帧结构中，需要为每个LED光源留出一块专用的训练时隙，此时隙内只有一个特定的LED发送训练序列。在每个LED完成训练序列发送后，各LED可以同时发送不同的数据包。

在MIMO接收机方面有非成像接收机和成像接收机两种主要类型。由于VLC采用光强承载信号，而为了提高MIMO系统的性能增益必须要求接收端各个天线接收的信号之间存在明显差异性，故非成像接收机通常采用角度分集接收的方式，即各个接收天线的朝向不同，如图7左图所示。而如果采用成像MIMO接收机，成像透镜能将信号发射端的不同LED光源映射到下方接收天线阵列的不同的阵元上，各接收天线接收信号的差异性容易得到满足，如图7右图所示。非成像MIMO系统实现较为简单，无需配备透镜系统，系统体积较小，视场角较大；成像MIMO系统实现较为复杂，通常体积较大，但是它对于各发射光源的区分性好于非成像MIMO接收机，能获得更高的系统性能增益。

图6　复用式MIMO的系统结构和帧结构

图7　非成像接收机（左）和成像接收机（右）

4　宽带VLC发展趋势展望

OFDM和MIMO技术是实现高速VLC系统的基本关键技术，随着对VLC技术的科学研究不断深入，上述问题相应的技术解决方案也在不断优化。至今为止，采用单个商用LED光源、基于OFDM技术的VLC可达速率已经超过2Gbit/s，而采用MIMO技术的VLC可达速率已经突破50Gbit/s，这也证明了VLC在理论上具有成为高速接入手段的可行性。但与此同时，在VLC规模性普及使用之前，还有一些关键问题需要解决。比如，在用户终端移动的状态下动态维持系统资源分配的问题、用户终端从某一光源下移动至另一光源下的切换问题、相邻光源指之间干扰抑制问题、VLC 与Wi-Fi和电力线载波等已有通信方式异构融合的问题、VLC链路临时被阻隔时切换至备用通信手段的问题以及链路恢复后通信功能快速恢复的问题等。这些问题尚未有明确的、共识的技术手段可以适用，还需要相关领域的科研人员不断深入挖掘和尝试，得到合理的解决方案。尽管VLC在产业化的道路上依然存在诸多问题，但仍要看到高速VLC存在典型的应用场景和需求，它面临的技术挑战如移动切换、网络资源优化、异构网络融合等均是当前热门的研究方向，研究的可行性已被从各方面进行论证，相关课题已经被列入国家近期重点研究计划的范畴内，在未来几年内有望获得突破性进展。因此，有理由相信随着VLC技术的不断进步，它终会成为能和已有接入技术融合互补的新兴高速接入手段。

5　结束语

本文从可见光通信的技术特点出发，分析了VLC的技术优势和技术难点，并提出了VLC应用的典型场景。在此场景下，OFDM和MIMO技术是实现高速VLC的两项主要关键技术。本文先后研究了基于OFDM和MIMO的高速VLC系统中非线性与PAPR的问题、比特功率分配问题、分集式与复用式MIMO问题、成像/非成像接收机的问题。进而，本文对未来VLC的研究发展趋势进行了分析概述，指出VLC终会成为与已有接入技术融合互补的新兴高速接入手段。

［1］余冰雁.基于照明LED的室内高速可见光通信关键技术研究［D］北京：清华大学，2015.

［2］Armstrong.OFDM for Optical Communications［J］.Journal of.Lightwave Technology，，2009，27（1）：189-204.

［3］中国电子技术标准化研究院.可见光通信标准化白皮书［R］中国电子技术标准化研究院，2016.

Research on the key technologies of broadband visible light communication

YUB inyan

Visible light communication（VLC）is a kind of emerging wireless communication method which adopts lighting LED as its transmitter.VLC benefits from the advantages of ubiquitous coverage area and no electromagnetic radiation，however，the problems of constraint bandwidth and interference between neighbor LEDs make it a challenge to realize a high data rate transmission by VLC.In this paper，typical application scenarios for VLC is proposed，both of OFDM and MIMO which are key technologies for high speed VLC are researched.In addition，the research tendency of VLC in the future is analyzed in this paper.

visible light communication；OFDM modulation；MIMO technology

（2016-06-27）