《可见光通信》的教学研究与实践

李苑青 蒋宇飞

摘  要：可见光通信作为一门通信工程专业的选修课，代表了通信的前沿技术，目前在国内专门开设这门课程院校不多。本课程采用理论加实验的教学模式，旨在提高学生的归纳总结能力、数学建模能力、解决实际系统问题的能力，梳理通信专业的体系结构。在可见光通信课程的教学实践中，对课程内容进行了合理的规划，适当安排课时，梳理了课程的重点和难点。从概括到具体、从理论到仿真、从模拟到验证，充分发挥学生的自主性、参与性和创新性，既加强了学生的数学模型推导能力又锻炼了学生的算法实践能力，实践中得到了学生的好评。

关键词：可见光通信;VLC;Lifi;通信课程教学研究;可见光通信实验

中图分类号：G642       文献标志码：A         文章编号：2096-000X（2021）05-0149-04

Abstract： Visible Light Communication as an elective course of communication engineering major， represents the frontier technology of communication technology. This course adopts the teaching mode of theory and experiment， aiming at improving students' ability of induction and summary， mathematical modeling and solving practical system problems， and sorting out the architecture of communication major. In the practice of "Visible Light Communication" teaching， the plan of course content is reasonable， the arrangement of class is appropriate， with combing the emphasis and difficulty in the course. From generalization to concrete， and theory to simulation， as well as the simulation to verify， the course gives full play to the students' autonomy， participation and creativity， which is aiming to strengthen the students' ability of mathematical model derivation and practice ability exercise the student's algorithm， that got the praise of the students in practice.

Keywords： Visible Light Communication; VLC; Lifi; research on communication course teaching; experiment of VLC

一、可見光通信课程开设的必要性

可见光通信（Visible Light Communication，VLC）采用LED作为光源，利用LED的高速明暗闪烁进行信息传输，是通信与照明的深度耦合[1]，目前，国内专门开设可见光通信选修课的院校不多。

（一）可见光通信的特点

可见光通信的概念在2000年提出之后，迅速获得了世界各国的关注和支持，通常被称为Lifi与Wifi进行比较，2011年更被《时代杂志》评为全球50大科技发明之一。从提出VLC的概念到现在，短短二十年间该技术得到了迅猛的发展。传输速率从10Mb/s的数量级提升到50Gb/s，从离线传输发展到实时传输，从低阶调制发展到高阶调制，从点对点传输升级到MIMO，技术发展日新月异。随着LED器件和APD器件的不断升级和相关算法的持续完善，可见光通信作为一种兼具照明和通信两种功能的新模式，成为了通信行业发展的最具开创性的亮点和突破点之一。

由于可见光通信技术具有明显的特点，国内外对其倾注了极大的热情，使得其技术的发展一日千里，几乎时时有新的突破。正是由于可见光通信技术的应用领域多样，用户数量巨大，具有很好的发展情景[1]。因此，在通信工程专业开设可见光通信的专业课程是十分必要的，有利于学生跟上时代发展的潮流，站在无线通信趋势的前沿阵地。

（二）与无线通信课程的区别和联系

无线通信是依靠自由空间来传输电磁波的通信方式，其信道模型研究比较成熟，信道的随机时变和各种扩散（频率扩散、时间扩散、角扩散）造成了各种选择性衰落（时间选择性衰落、频率选择性衰落、空间选择性衰落），对抗各种衰落是无线通信系统的关键。本质上来说，可见光通信属于无线通信的一种形式。可见光通信不同其他通信的特点在于，首先LED可见光通信为新兴通信系统，其信道模型尚未完全确定，信道模型测量和建立处于探索阶段，目前有了初步的研究。其次，LED存在限制带宽，由于可见光本身的光源特性，LED的响应与信号传输速率相关。这两个方面的特点，决定了可见光通信在信源编码、信道建模等方面与其他通信方式在数学推导上的不同，但是其通信系统的基本构成与其他通信系统基本无异。

二、可见光通信的教学规划

（一）课程内容规划

课程的具体安排如下图：

根据接受程度和实验条件，课程可分为理论教学和实验仿真两部分，课时各一半。课程讲述从概括到具体、从理论到仿真、从模拟到验证。首先简单概括的介绍LED、可见光通信到重点技术细节，掌握重要技术细节、推导数学过程，并计算机上模拟仿真，最后在testbed上进行验证。整个过程持续两个月左右的时间，每个星期一次理论课加一次实验，留出充裕的时间给学生推导公式和消化内容。

（二）具体实施

1. 在课程内容上逐级推进

结合通信原理以及通信系统仿真这两门专业必修课，先对可见光通信的基本系统框架和主要硬件构成做一个概括性的梳理，着重介绍系统中的独特构件：发送端LED的非线性区间、接收端光电二极管（PIN和APD）的响应度表达式。可见光通信的速率取决于这两个器件，是使可见光通信区别于其他无线通信的重要节点。正是由于LED的特殊性，可见光通信的信道并没有明确的表达，但研究已解决了一部分信道问题，包括直射信道和反射信道，以及空间大小、材料等对信道的影响研究比较多。课程里通常以理想化的场景来建模，包括LED模型建模和LOS光信道建模。

除此之外，可见光的信号能量和噪声分布亦有区别于其他无线通信信道的地方，这仍然是由于可见光的特性决定的。这些特性决定了，在单载波调制和多载波调制时，使用二进制振幅键控（OOK）、脉冲位置调制（PPM）调制、脉冲宽度调制（PWM）等模型结合的办法来进行。而多载波调制使用的是DCO-OFDM的方式，即先将信号进行共轭处理后，再进行OFDM调制。这些是各种算法在可见光通信中的应用，由于基础算法已经在前序课程中来了解过，在本课程只需要掌握其特殊用法即可，同理多输入多输出（MIMO）的系统构成也如此。

2. 在教学手段上丰富多样

为了加深理解，在课程讲述时，采用理论与实验逐次进行的教学方式，具体内容安排如图1。教学内容由浅至深，逐步推进，实施手段偏向于师生共同讨论学习，加入头脑风暴法，让学生在参与中积极思考和理解问题。在具体动手实验时，采用案例式教学和启发式教学，给出具体的应用场景，老师只给出大致轮廓，让学生在具体场景中解决技术问题、填充细节。充分发挥学生的自主性、参与性和创新性，教师发挥引导启发，调动调控课堂气氛的主导作用，学生根据教师提出的引导问题，积极搜索资料，自我组织为团队研究讨论，遇到困难即可与教师进行课堂互动问答，课堂气氛活跃。这就有效地使学生成为课堂教学的主体，变被动学习为主动探索，最大限度地实现了师生教学互动。

3. 多样化考核方式

课程取消期中和期末考试，改为实验与公式推导相结合的方式来考核学生的最终教学效果。避免学生学习片面追求公式記忆，强化工程应用能力和实际动手能力。

（三）培养目标

通过本课程，希望培养学生三个方面的能力。包括：

1. 加强对相关知识的归纳总结能力

课程中，应用到的具体知识面宽，需要学生对前序课程有全面梳理和深入挖掘的能力。对接触过的知识进一步的归纳总结，并将其利用起来，通过可见光通信这一门课程，将通信工程专业的专业基础课体系串联起来，如图2。

课程引导学生回顾知识脉络、归纳总结，梳理出通信专业的体系结构，这对学生来说是一个重新认识所学专业的机会。

2. 培养数学建模的能力

由于可见光通信的信道的不确定性，老师在课程中会给出若干种理想的模型，包括直射光模型，反射光模型等，并给出必须的空间参数如反射率、材料系数等，通过自行查阅参考文献等方式，让学生自主建立数学模型。

3. 解决实际通信系统问题的能力

可见光通信的特点，覆盖在通信系统中的方方面面，其中关键在信源编码和信道编码上，在模拟仿真可见光通信的同时，必须融会贯通整个通信系统的各个模块，包括编码、误码率、调制解调等等。在这个过程中，通信的各个环节都有一些细节问题需要学生判断和分析，老师只给出大致的方向或在关键模块给出部分算法，大部分问题让学生自行研判解决，这就大大提升了学生解决实际系统问题的能力。

三、教学重点与难点

在可见光通信中系统中，光源模型和信道模型在业界并没有统一的标准，这两项是可见光通信研究生的关键技术和技术难点，同样的，在教学中这两样也是教学的重点和难点。除此之外，单载波调制和多载波调制技术由于算法本身是通信类课程的重难点之一。

（一）电子器件的光学特性及LED模型建模

信号源采用的LED本身具有独特的物理特性，包括

1. LED的光谱特性：LED发出的光并不是单一波长，波长分布取决于其材料及结构等因素，尽管不同LED的光谱分布曲线位置和形状不同，但都有一个相对发光强度最大处。

2. LED的热特性：当电流流过LED时，其PN结的温度将升高，势必引起内部电子和空穴浓度，禁带宽度和电子迁移率等微观参数的变化，从而使LED光输出，发光波长以及正向电压等宏观参数发生相应的变化。

3. LED的伏安特性：LED与普通整流二极管一样，具有单向导电性和非线性特性，由LED伏安特性可知，要保持LED光源的稳定，在测量过程中一定要使用精密恒流源供电。

LED的限制带宽决定了，在建模时不能按照理想化的数学模型来建模，必须考虑到LED实际器件本身的特性。式1是LED的响应公式：

h（t）=e  式1

其中，h（t）为LED对时间的响应，ωc为截止频率，P为调节参数，Tr、Tf分别为上升时间和下降时间。作为可见光通信的重要组成部分，LED的频率响应特性决定了信号的有效带宽，进而影响VLC系统的传输性能。

接收端发挥作用的是光电探测器，是一种把光辐射信号转换为电信号的器件，其工作原理是基于光辐射与物质的作用所产生的光电效应，一般采用PIN和APD作为接收器。PIN硅光电平面二极管具有结电容小，渡越时间短，灵敏度高，温度不敏感，适合场合受限制较少等优点，而且廉价，体积小，重量轻，可靠性好，因此在光通信领域有着广泛的应用。而APD不同于PIN光电探测器，因为它通过重复电子电离的过程提供了固有的电流增益，使得灵敏度的增加，课程验证实验时采用的就是APD模块。

（二）LOS光信道建模

由于可见光通信的信道模型没有统一，因此在教学上采用理想化的模型来建立信道模型。假设可见光通信空间内所有反射面都是理想朗伯漫反射，辐射模式与光的入射角无关，如图3。

图3 LOS光信道的模型

即单LED单PD组成的室内无线光信道的单位冲激响应可以分解为：

h（t;S，R）=h（0）（t;S，R）+（k）（t;S，R）    式2

其中前一项是LOS信道对冲激响应的贡献，当LED和PD之间的距离远远大于PD光敏面的尺寸时，第一项可以近似表示为：

h（0）（t;S，R    式3

其中，FOV为视场角。

（三）信道编码

课程只对室内可见光通信的通信链路作概要性的阐述（如图4）及具体的公式及其推导过程做简要的介绍，由于这部分本来就是技术难点和关键，在课程讲述时作为研讨型课题与同学们共同探讨。实验时，给出具体的模型与公式，让学生在实践中体会和挖掘具体细节。

图4 可见光信道

（四）单载波/多载波调制

通信中调制与解调技术已日渐成熟，并且常用于各类通信手段中，在可见光通信中，通常采用其中的OOK、PPM、PWM相结合进行单载波调制。多载波调制是，目前用得最多的就是OFDM技术。OFDM信号是一个双极性信号，这对于光信号而言是不符合的，因为光强不能出现负值，因此对于光OFDM信号，解决方案就是在电光转换时候为OFDM信号上加一个DC的直流偏置，使得双极性信号变为单极性信号，即DCO-OFDM技术，这是可见光通信区别于其他通信技术的关键技术之一。

（五）TEST BED的搭建

目前，在國内可见光通信系统搭建的实例较少，课程借鉴了英国爱丁堡大学教授Harald Haas团队的TestBed作为模型，利用高清晰度示波器、高速任意波形发生器（AWG）、搭配高频的LED和雪崩二极管APD作为信号源和接收端，搭建了一个实际的测试系统，如图5。

在实践中，要求学生从头至尾能够完成通信系统的模拟仿真，同时能够对硬件电路有较强的操作能力和经验，才能到这个TESTBED上进行实际验证，由于测试系统的易损性，最后只有5%左右的学生能够得到验证的机会。

四、实际遇到的问题及解决方案

（一）TESTBED的稳定性

在测试系统中，高速传输需要带宽大的LED，而这种LED在市场上很难买到，只能通过厂家定制。另外，由于高频器件本身极其易损，以及高速AWG本身的特点，学生在系统任一环节出现问题，都有可能导致测试系统的崩溃甚至损坏。这给最后的验证环节带来了极大的不便。但是，查找问题本身也是课程培养的之一，因此，在不影响高清晰度示波器、高速AWG两种大型设备的前提下，课程充分给与学生试错的机会。

（二）数学模型理解及应用

数学公式推导在实际问题中的应用是学生的最大瓶颈。在实践中，采用引导式教学的方式来解决这一问题。首先保证学生在数学上能够消化买一个参数的含义，再算法编程时，给出大体框架，要求学生往里填充关键函数即可，这样既保证了实验的目的又保证了实验的效率。

五、结束语

在理论与实践配合、突出实践、面向实际问题的基本思想的指引下，通过不断的教学研究与探索，结合教学实践中遇到的问题，构建符合学生认识能力的培养、强化学生工程实践能力的教学模式及层次化实践体系，为培养新型通信人才起积极的作用。

参考文献：

[1]迟楠.LED可见光通信技术[M].清华大学出版社，2013.

[2]冯建生.把研究性学习融入到课堂教学中[J].山西教育（综合版），2006（5）：38-39.

[3]田敏，邓红涛，钟福如，等.《通信原理》课程实践体系的改革与实践[J].武汉大学学报（理学版），2012（58）：191-193.