移动场景下一种可见光通信系统的设计与实现

尹浩浩，董雨晴，邹 倩，沈连丰

(东南大学 移动通信国家重点实验室，南京 210096)

移动场景下一种可见光通信系统的设计与实现

尹浩浩，董雨晴，邹 倩，沈连丰

(东南大学 移动通信国家重点实验室，南京 210096)

与传统无线通信技术相比，新兴的无线通信技术——可见光通信(visible light communication, VLC)具备照明和通信双重功能，因具有不占用无线电频谱，没有电磁干扰和辐射等优点而受到广泛关注。在已有的可见光通信技术研究的基础上，对可见光调制和编码方式进行了进一步研究，提出了一种发光二极管(light emitting diode, LED)光源布局方式并设计了专门的驱动电路，实现了大范围的可见光覆盖，设计并实现了基于移动场景下的可见光通信系统。在可见光发送端距离接收端3 m的情况下，实现了接收端在移动状态下的灵敏接收(接收时延200 ns)，可见光通信速率可达到0.5 Mbit/s，有效光覆盖范围达到5 m×5 m。

可见光通信；可见光驱动电路；开关键控调制；曼彻斯特编码；雪崩二极管

0 引 言

发光二极管(light emitting diode, LED)技术的发展一方面实现了照明和通信的双重功能；另一方面也促进了新型无线通信技术——可见光通信技术(visible light communication,VLC)的产生。可见光通信技术是采用LED技术实现照明并用于通信的光无线通信技术：将信息加载到安装有LED的照明设备上，通过信号调制使人眼无法察觉到设备发出的光信号闪烁，可见光接收器探测LED光信号并将光信号转换为电信号，从而实现信息传输。与传统的射频以及其他无线通信技术相比较，可见光通信技术具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰和辐射等优点。因此，除了常见环境下的通信之外，可见光也可以广泛应用在电磁敏感环境中，如机舱、医院等。

兼具照明和高速室内通信的巨大优势促使可见光通信迅速发展。2008年10月，日本太阳诱电株式会社演示了世界上第一套白光LED通信系统，但是最大传输距离仅为20 cm[1]。德国海因里希·赫兹通信工程研究所成功实现世界上第一套速率为101 Mbit/s的白光LED通信系统。随着美国“智能照明”计划的实施，VLC技术发展更加迅速。目前可见光通信实验速率已经达到3.4 Gbit/s以上[2]。

不论是在理论研究或是应用研究方面，国内对可见光通信的研究起步都较晚。2008年，暨南大学陈长缨等设计出中国第一台白光LED可见光通信系统模型。2013年10月，复旦大学成功实现白光LED可见光通信技术，将一盏1 W的LED灯接入因特网，实现灯下设备上网接入，平均速率150 Mbit/s，2014年又将速率提升至750 Mbit/s[3]。

然而，目前可见光通信技术大多处于实验阶段，研究多集中于信道模型分析、调制方式等方面。目前已经有可见光通信实验系统得以实现，但系统的许多性能如通信速率、移动场景下可见光覆盖范围等有待进一步提高和优化。国内在LED可见光通信方面的研究都是基于小功率小范围，例如点对点通信系统[4-5]。本文设计并实现了一套大范围可见光覆盖的可见光通信系统，可用于室内移动场景下的通信。

1 室内可见光通信技术

为了实现可见光通信，除了需要可见光发射端和接收端，还需要进行信号处理即调制解调、编解码等操作。这些涉及VLC信道模型、信道编码、调制技术等。

室内可见光通信示意图如图1所示。

1.1 VLC信道模型

一个通信系统的信道模型与该系统的调制方式和接收方式有关。与传统无线电通信系统中的幅度调制(amplitude modulation, AM)、相位调制(phase modulation, PM)和频率调制(frequency modulation, FM)相比，可见光通信中广泛采用强度调制/直接检测(intensity modulation/direct examination, IM/DD)的方式，这种调制方式便于搜集可见光信号功率，而且相较于传统的调制方式更易于实现。若用X(t)表示LED灯的输入功率；用Y(t)表示可见光接收端接收到的光功率，则采用IM/DD方式的室内VLC系统信道模型如图2所示。

图1 可见光通信示意图Fig.1 Diagram of VLC

图2 VLC系统多径信道模型Fig.2 Multipath channel model of VLC system

可见光接收端探测到的光功率分为2种：①LED发射端直射到接收端光探测器的光信号，即图2中的视距(light-of-sight, LOS)路径；②由墙壁反射而来的光信号，即非视距(non-light-of-sight, NLOS)路径。由于LED发出的光信号并非定向光源，光子的光学特性各有不同，必然朝各个方向射出。可见光不能穿墙的特性，使得部分到达墙面或地面的光线被反射或多次反射，从而最终到达光探测器[6]。

在室内信道环境中，LED发出的光信号在直射或反射的过程中损耗了部分光功率，即发射端的发射功率并不能完全被接收端接收或检测到。

VLC系统信道模型和输入输出模型决定了X(t)和Y(t)之间的关系。关于VLC系统信道模型已有较多研究，文献[6]中详细分析了LOS和NLOS的脉冲响应。图3是LED的X(t)，Y(t)和信道脉冲响应h(t)之间的关系图。室内VLC系统输入输出信道模型可表示为

(1)

(1)式中：γ表示探测器响应；N(t)表示总高斯噪声；⊗表示卷积。

图3 VLC系统输入输出关系Fig.3 Input and output of VLC system

1.2 VLC调制技术

可见光通信系统调制技术将可见光信号以一定的方式发送出去，在接收端便可实现光信号的接收，从而实现信息传输。然而LED的调制带宽非常有限，调制带宽一方面限制了通信系统的信道容量和传输速率，也使得LED在高速VLC中的应用受到制约。目前许多研究者正在从工艺等方面努力提高 LED的调制带宽，除了改进LED工艺外，采用合适的调制方案也可以提升VLC系统的通信速率。目前，光通信中强度调制实现简单，应用广泛，其包含的常用数字调制方式包括开关键控调制(on-off keying, OOK)、脉冲位置调制(pulse position modulation, PPM)和差分脉冲位置调制(differential pulse position modulation, DPPM)等，之外，还有正交频分多路复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)高阶调制技术等[7]。其中，OOK应用最为广泛，具有实现简单，技术较为成熟等优势。

OOK调制：开关键控的本质是振幅调制，但是振幅只有2个状态，代表二进制中的“1”和“0”，故又名二进制振幅键控，它是以单极性不归零码序列来控制正弦载波的打开和闭合。在公式(2)中，假设在载波频率(ωc)和初始相位(φ)都不变的前提下，A1和A2表示OOK调制的2个振幅状态，当发送二进制数据“1”时，以振幅A1发送光脉冲信号；当发送二进制数据“0”时，以振幅A2发送光脉冲信号。则随时间t交替变化振幅的光脉冲信号流表示为

(2)

若取A1=A，A2=0且初始相位φ=0，则(2)式可表示为

(3)

在实际可见光通信系统中采用OOK调制时，当LED灯发射光信号脉冲时表示发送二进制码元“1”，LED灯不发射光信号脉冲时表示发送二进制码元“0”。对于可见光接收端来说，光电探测器只要检测到光信号就输出高电平“1”，未检测到光信号就输出低电平“0”。由于是数字脉冲调制，OOK调制方式更加稳定，通过设计驱动电路及高灵敏度的光电探测器就可以实现较高速可见光通信。

PPM调制为脉冲位置调制采用分组的方式将二进制码流分成若干个M位数据组。从而将每个M位二进制数据组按照一定的映射关系映射到相应的脉冲时隙中发射出去。假设一个M位二进制数据组K=(m0,m1,m2,…,mM-1)，其对应了2M个脉冲时隙，发射数据组K就是在这个二进制数据组对应的时隙位置发射一个光脉冲。PPM调制方式与二进制码元的脉冲位置映射关系为[8]

(4)

(4)式中，Sk表示第k个脉冲时隙。在M大于1时，PPM调制的频带利用率比OOK调制低。

PPM调制的一个改进是DPPM，其简单思想是将PPM调制中每个高脉冲后面的时隙去掉。它用更低的功耗实现了更高的频带利用率[8]。

在普通环境中，OOK或PPM等调制方式已经可以满足通信需求，然而在多径时延和干扰比较大的环境中，OFDM调制成为优先考虑的方式，因为其抗干扰和抗多径效应的性能更为突出[9]。

1.3 VLC编码技术

正确的调制方式确保了可见光信号的正确发送，并且能够被正确接收。然而，可见光脉冲在传输过程中经常会发生错误，因此，更需要编码技术来保证信息传输的有效性和可靠性。信道编码可以提高系统数据传输的可靠性，并提供一定的纠错能力和抗干扰能力。通常做法是在信息码元中加入冗余的码字以减少有效码元在可见光信号传输过程中出错的机率，与此同时也会降低有效数据的传输速率。这里仅对当前研究和应用较为成熟的集中编码技术进行介绍，即里所码(reed-solomon codes, RS)，Turbo码和低密度奇偶校验码(low density parity check code, LDPC)等[10]。

Turbo码是一种采用重复迭代译码方式的并行级联码，Turbo码使用伪随机交织器，对系统比特进行交织。由于引入了伪随机交织器，其信道误码也呈现随机的特性；LDPC码和RS码都是线性分组码；LDPC即低密度奇偶校验码编码方案保持了合理的译码复杂度，也可以使信息传输速率接近香农信道容量；RS码是一种前向纠错的信道编码。无论是纠错能力，还是编码效率，RS码都要优于其他线性分组码[9]。然而，这几种编码方式的缺点是较大的分组长度以及大量的迭代译码增加了实现复杂度和译码时间。

2 室内VLC系统设计与实现

本文设计的室内VLC系统示意图如图4所示。系统主要由上位机、可见光发送端LED、光探测器、可见光接收端和受控装置5个部分组成。本文着重对发送端驱动电路、调制编码方式和接收端进行了深入研究，设计并实现了适用于移动场景下的大范围可见光通信系统，并基于十七自由度机器人作为受控装置进行了VLC通信测试。

图4 移动场景下可见光通信系统示意图Fig.4. VLC system based on mobile scenario

2.1 LED照明光源布局设计

单个LED由于功率有限，发光强度一般都比较小。发光强度一方面限制了室内照明的亮度；另一方面也对可见光通信接收端的灵敏度提出了更高的要求。

为了达到通信和照明的双重需求，本文提出了一种串并结合的LED阵列光源，并设计了相应的驱动电路，可实现大范围光覆盖，适合室内移动场景下的可见光通信及控制系统。这种阵列的示意图如图5所示。

图5 LED 6C12B阵列Fig.5 LED 6C12B array

每个LED阵列共采用72个5 730 LED作为光发射器，串并方式为6C12B(C表示串联；B表示并联)。每个5 730 LED额定电压为3.1～3.3 V，额定电流150 mA，额定功率为0.5 W。因此，每个LED阵列总功率约为36 W。这种功率的LED光源满足正常照明需求，多个 LED阵列光源在房间内布局示意图如图6所示。

图6 LED阵列光源布局Fig.6 Layout design of LED arrays

串并结合的LED阵列设计避免了普通LED设计中电压过高或电流过大的弊端，对电源系统的要求更低。本文针对这种光源布局方式设计了专门的LED阵列驱动电路。

2.2 LED阵列驱动电路设计

如前述，IM/DD是当前广泛使用的信号调制检测方式。对于采用IM/DD方式的可见光通信系统，使用电流驱动LED的方式便于进行强度调制[11]。合理的驱动电路设计决定了可见光通信的最大速率，通过控制发光亮度也可以提高光发射功率和信号覆盖范围等，从而提高系统性能。本文设计了基于DD311芯片的LED阵列电流源驱动电路，如图7所示。DD311是一款单通道输出的LED恒流驱动器，可以驱动大功率LED光源。DD311可驱动高达1 A的电流，通过调整参考电流IREF可以调节流经LED电流的大小。输出电流约为IREF的100倍，IREF可通过调整外挂电阻来设定[11]。

值得一提的是，芯片的输出端最高可承受36 V的高压,符合本文设计的LED阵列光源的电压需求。

图7 DD311驱动LED示意图Fig.7 Driving LED by DD311

LED阵列驱动电路模块组成如图8所示。驱动电路包含DD311驱动模块、LED阵列光源和电源转换模块等。编码后的信号流驱动DD311输出端口打开与关闭，从而实现LED阵列光源的闪烁，从而实现可见光信号发送的功能。

图8 LED阵列驱动电路模块Fig.8 Driver modules of LED array

2.3 调制编码方案

本文对可见光通信调制解调、编解码等方面进行了研究，同时基于现场可编程门阵列(field-programmable gate array, FPGA)实现可见光发射与接收端的调制解调和编解码处理，并对移动条件下VLC通信的传输速率、有效覆盖范围和距离进行测试。系统采用OOK调制方式和曼彻斯特编码(manchester encoding, ME)方式。

在OOK调制中，当有电流流经并点亮LED阵列光源时表示发送二进制信号“1”；反之表示发送二进制信号“0”。由于只有在发送信号“1”时才点亮LED阵列光源，所以，OOK调制方式功耗较低，且实现原理简单。

在通信过程中，传统的信道编码如LDPC编码、RS编码等实现复杂度高，且译码时间很长。本系统中由于采用了LED阵列光源，大功率以及大范围光覆盖可以提高接收的可靠性，故本系统中选取具有自同步能力的曼彻斯特编码。曼彻斯特编码的核心思想是保证码流有充分的跳变：用信号电平从“-1”到“+1”的跳变来表示二进制“1”，用信号电平从“+1”到“-1”的跳变来表示二进制信号“0”，如图9所示。曼彻斯特编码的效率比较低，只有50%，然而用复杂可编程逻辑器件(complex programmable logic device, CPLD)、FPGA等可编程硬件可以轻松实现。曼彻斯特编码避免了数据流中连续的高电平或连续低电平，具有自同步能力和良好的抗干扰能力。

2.4 可见光接收端

VLC系统可以采用的接收机类型有3种： 基于PIN二极管的接收机、基于雪崩光电二极管(ava-lanche photodiode, APD)的接收机和基于图像传感器的接收机[3]。

图9 曼彻斯特编码原理Fig.9 Priciple of manchester encoding

系统接收端使用APD作为光电探测器。相较于目前使用已经十分普遍的PIN二极管，APD需要提供更高的反向偏置电压，而且价格要比PIN管高很多。但是APD能够实现的探测距离比PIN管更远，而且光灵敏度要高得多。由于调制带宽的存在，APD输出信号幅值会随着信号频率和接收光强而发生变化，某些文献会设计专门的光接收天线来保证信号质量[11]，本文设计使用电压比较器和稳压模块，先使用比较器将探测器输出的微弱信号(400 mV)转换为幅值稳定的8V TTL信号。为了将信号输入FPGA进行解码处理，再使用二极管和3.3 V稳压管将8 V的TTL电平转换为3.3V TTL信号。如图10所示。

图10 3.3 V稳压电路Fig.10 3.3 V regulator circuit

2.5 系统实现2.5.1 模块实现

本文设计的移动场景下可见光通信系统整体实现模块组成如图11所示。

图11 移动场景下可见光通信系统框图Fig.11 System diagram of VLC based on mobile scenario

以上位机作为控制端，设计LED阵列光源作为光发射器(如图12所示)；使用设计的驱动电路加以驱动(如图13所示)。以APD作为光电探测器(如图14所示)，辅助比较器和稳压电路进行可见光信号接收，发送端和接收端数据的处理都是基于Xilinx FPGA进行，同时以十七自由度机器人和避障机器人作为受控装置(如图15所示)，对设计的移动场景下可见光通信系统进行测试。

图12 LED阵列光发射器Fig.12 LED array transmitter

图13 LED驱动电路模块Fig.13 LED driver circuit

图14 APD接收模块Fig.14 APD recveiver

图15 受控机器人Fig.15 Controlled robots

2.5.2 性能测试

在450 kbit/s通信速率的条件下，APD接收并经过比较器和稳压器之后的信号输出如图16所示。输出信号是3.3V TTL信号。

图16 可见光接收端输出信号Fig.16 Output signal of VLC receiver

稳压模块可以有效减少APD接收过程中产生的噪声，信号经过稳压电路前后比较如图17所示。在450 kbit/s速率下，稳压电路可以有效消除APD接收过程中产生的噪声。

图17 信号经过稳压电路前(左)后(右)Fig.17 Signals through regulator circuit before(l) and after(r)

采用APD和比较器模块的接收端，在不使用光接收天线，距离可见光发送端3 m的条件下，可以实现灵敏接收。实际测试中，信号的接收时延仅为200 ns，如图18所示。

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(编辑：刘 勇)

s：The National Natural Science Foundation of China (61471164); The Research Fund of National Mobile Communication Research Laboratory, Southeast University (2016B02)

Compared to traditional wireless communication technologies, visible light communication, an emerging wireless communication technology with the dual functions non-electro of lighting and communication has attracted great attention for the advantages of not occupying radio frequency spectrum, non-electromagnetic interference or radiation. Based on the research of existing visible light communication technology, the modulation and encoding theories of visible light communication were further discussed in this paper. A layout mode of LED light source and a special driving circuit were proposed and designed to realize a wide coverage of light. Finally, a visible light communication system was implemented based on mobile scenario. In the case, when the transmission end is 3 m away from the receiver, the signal can be sensitively

in moving state (only with 200 ns delay), and the visible light communication rate can reach 0.5 Mbit/s, while the effective visible light coverage can attain the range of 5 m×5 m.

visible light communication; visible light communication driving circuit; on-off keying; manchester encoding; ava-lanche photodiode

�见光信号接收时延示意图 Fig.18 Receive delay of VLC signal

2016-12-07

2017-03-12 通讯作者：尹浩浩 hhyin@seu.edu.cn

国家自然科学基金(61471164)；东南大学移动通信国家重点实验室自主研发基金(2016B02)

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.04.010

TN929.1

A

1673-825X(2017)04-0487-07

Design and implementation of a visible light communicationsystem based on the mobile scenario

(Southeast University National Mobile Communications Research Lab, Nanjing 210096, P.R. China)

3 结束语

尹浩浩(1991-)，男，安徽淮南人，硕士研究生，主要研究方向为宽带移动通信、可见光通信和无线传感器网络等。E-mail: hhyin@seu.edu.cn。

董雨晴(1993-)，女，江苏南通人，硕士研究生，主要研究方向为无线传感器网络等。E-mail: 1398478249@qq.com。

邹 倩(1993-)，女，湖南衡阳人，硕士研究生，主要研究方向为可见光通信、无线传感器网络定位等。E-mail: 815318657@qq.com。

沈连丰(1952-)，男，江苏邳州人，教授，博士生导师，主要研究方向为宽带移动通信、短距离无线通信和泛在网络等。E-mail: lfshen@seu.edu.cn。

YIN Haohao, DONG Yuqing, ZOU Qian, SHEN Lianfeng

将8个可见光LED阵列光源均匀固定在距地面3 m的天花板上，可见光接收端固定在受控装置上，在实现灵敏接收的同时，可见光通信速率可以达到0.5 Mbit/s。系统可见光有效覆盖范围为5 m×5 m。

在可见光通信技术研究日益深入的基础上，本文提出了一种LED照明光源布局设计，并设计了专门的LED阵列驱动电路，从而实现了室内大范围的可见光覆盖。使用APD作为光电探测器，实现了在室内移动场景下可见光信号的灵敏接收，并对通信速率、接收时延、光有效覆盖范围等进行了测试。在本文提出的VLC系统基础上，可以通过改进编码调制等方式，从而实现更高速率的可见光通信系统。