制约室内可见光通信发展的关键技术

     你们都知道，室内可见光通信发展并不理想，那么，要推动这项技术的应用，究竟要厘清哪些关键性技术？今天，小编要共享的正是室内可见光通信系统关键技术探究。技术与产品控们应该爱看。

    为了满足人们快速稳定，安全环保的通信网络服务要求，解决射频无线通信网络存在的频带紧张和带宽限制等问题，通过深入室内可见光通信系统技术的研究和探讨，从而有效补充现有射频无线通信系统方式在无线通信网络的运用。本文就室内可见光通信系统信道模型分析，室内可见光通信系统调制与解调技术，以及室内可见光通信系统信道编码技术展开了详细的分析阐述，旨在进一步与完善室内可见光通信系统关键技术在无线通信网络中的运用。

    近年来，室内可见光通信技术被越来越广泛地运用到我们的日常生活当中，室内可见光通信技术可以同时满足我们在室内对网络的需求，以及日常的室内照明，比起传统的通信技术，它的私密性及安全性更高，可以利用的频带更宽，能够免于电磁的干扰；且可以通过无线通信的方式接入，其网络覆盖面得到扩展，对空间的复用性也十分良好，这些优势使得该项技术引起了相关领域研究人员的关注。

    白光LED是可见光通信系统所提供的最主要的一种可见光源，它的尺寸比其它类型更小，且电压、消耗功率和寿命低，通过常温即可实现对白光LED的控制，在市场上具有很强的竞争力。

    但是，室内可见光通信技术目前在我国的发展尚不成熟，致使一些应用上的问题得不到妥善的解决。本文将对室内可见光通信系统的相关问题进行分析，以期推动该项技术在我国的发展。

    室内可见光通信系统信道模型分析

    一般来说，可见光源LED灯把信号从发射端发射出来之后，会依靠接收端来接收信号。该通信系统在发射信号时，先由发射端调制光功率的强度，而后利用LED进行发射，信号会通过不同的路径传输到接收器上，如直射、反射；最后，接收器会对通过光路传输过来的信号进行检测和恢复。其信号传输场景见图一。

    在信号从被发射到被接收的这一过程中，会经历直射以及漫反射的阶段(见图二)，但漫反射对光信号在室内的发射和接收产生的影响很小，可忽略不计，因此，为了方便计算，只以接收端所接收到的最为主要的两种光功率来做计算的主要对象，即第一次反射和直射的光信号。光信号在传输过程中所受到的来自室内环境的影响可以用相对简单的线性的基带传输

    系统来表示，这是根据其传播的规律得出的结果。在省去对漫反射的计算之后，可以把第一次反射、直射传输给接收端的光功率的信号设置为y(t)，将发送光信号时产生的瞬时功率设为x(t)，脉冲响应为h(t)，光信道噪声为n(t)，信号卷积以*表示，且t的值大于等于0。因为造成光噪声的要因是背景光，所以在计算时，把独立的高斯噪声作为设置值里的光噪声来进行计算，计算公式、公式简化过程如图三所示，最后得出的信号发送循环矩阵见图四。公式Y=XH+N中的Y表示接收到的信号的序列：Y=［y0，y1，…yk－1］T，H指信道

    中脉冲冲激的响应：H=［h0，h1，…hk－1］T，N为噪声向量：N=［n0，n1，…nk－1］T。循环矩阵中L与K分别表示信道的抽头长度和训练序列的长度。

    室内可见光通信系统调制与解调技术

    带宽的调制影响着LED数据传送的速度，它是LED调制能力的重要衡量标准。PN结结电容和有源区的载流子的复合寿命是影响LED调制带宽的主要原因，因此，我们在缩减寄生电容、减少载流子的复合寿命之外，还可以使用多芯片型的白光LED来调制带宽。除此之外，优化外部的驱动电路也不失为一种提升LED的调制能力的好方法。

    在国外，相关领域的研究人员会将一种均衡技术运用在白光LED的系统当中，从而实现调制带宽能力的提高。研究人员在信号的发射端和接收端都引用了均衡技术进行相关的实验，得出的实验结果证明，均衡技术可以有效提高调制带宽的数值，并降低误码率。而且，在合理的范围内提高均衡方案的复杂程度，能够使系统的性能得到更进一步的完善。说到系统调制技术，就不能不提及正交频分复用调制技术。正交频分复用调制技术简称为OFDM，这种技术能够使用简单的方法解决信道的色散问题，是高频谱效率的一种技术，实用性很强，全面适用于数字域。日本的研究室曾在2001年提出OFDM的使用对于传输数据率的提高是十分必要的。

    OFDM抗多径的能力非常强，这种技术在将信道中的可用带宽分成多个子信道之后，借助子信道间拥有正交性的特点，完成频分复用的过程，或在子载波上对被分配的功率、比特加以利用，从而传递信号，进而适应信道中的调节条件，增加码元周期，降低子载波的传输速率。

    除了正交频分复用技术，还有多输入多输出的技术，简称为MIMO。这项技术为了解析出更多的独立通信信道，对接收端对LED灯阵列传输出的光信号的接收能力会有所要求。虽然两者都各有长处，但相比起来，OFDM技术更具优势。使用多径传播的方法虽然有很多好处，但是容易造成ISI(码间串扰)的现象，ISI会对通信的传输速率产生负面影响，这时就有必要利用OFDM来进行调解。

    在VLC中使用OFDM可以有效减少ISI带来的影响。相关领域的研究人员曾设计过多种在VLC中使用OFDM的方案，本文取其一来进行说明。首先选定白光LED的照明阵列、电力线调制器以及OFDM解调器，而后在发射阶段使用OFDM编码信源的电信号，与此同时利用直流偏置调制LED的光源；在信号发射到达接收端时，对接收到的光信号再次进行解调；而后把在发射端插入的导频信号提出，这种做法可以实现对信道状态的更新和及时的评估。正如前文提及的，OFDM会将信号传输中串行的一些高速的数据调制到具有正交性的子信道上，把码速率降低，从而减轻ISI带来的影响；此外，把保护间隔放入OFDM的符号间的做法，能够更深入地清除残余的ISI。这种调制手段会使白光LED的通信系统的冗余部分变多，但同时也可以把误码率保持在较低的水平上。

    室内可见光通信系统信道编码技术

    在通信领域里，最为常见、应用最广泛的编码技术是分组码。有一种适合用来传输LED的数字的编码技术，表示为mBnB，这种技术由暨南大学的赵俊和陈长缨提出。分组码按照一定单位对原始的信息码字进行分组，完成后再使用其他单位的码字来代替表示；比如用每组m比特的方式来给一组原始的码字分组，然后用每组n比特的单位表示此前的码字，此时

    分组已经完成，可用ＲZ码的格式进行传输，或者使用格式BＲZ码。值得注意的是，这里的m和n不能为负数或0，通常情况下m+1=n，即m＜n。

    在编码中比较常用的是6B8B，5B6B，3B4B和1B2B这几种，1B2B也称曼彻斯特码。这类分组编码技术不受基线漂移的影响(因其连0和连1的个数少)，获得的功率谱的形状较其他编码技术而言更好，此外还拥有可靠的字同步方法，以及误码监测。研究人员曾经进行过相关的实验，证明mBnB的编码方式可以有效改进光通信的效果和性能。以6B8B的编码为例(编码实现过程见图五)，当此编码的光信号在0.5米到2.5米间的通信距离范围内时，它受到的来自LED的影响较小，也就是说，LED的电阻、串口模块的分频，以及LED的数量都不会大幅减缓该系统的数据传送速度。不过，虽然6B8B的编码能够在一定程度上保证数据的传送速度，但仍然不是最有效的编码方式，为了更进一步地提高室内可见光通信技术，研究人员仍在持续努力。

    光通信市场2018年达到60亿美元

    室内光通信技术具有良好的发展前景，它是一种非常理想的将高速无线接入室内的方案，应用范围十分广泛；国际上的权威机构对光通信市场进行统计、预计后，得出此市场将在2018年达到60亿美元的结果。如果我国的室内光通信技术能够得到良好的发展，势必会创造更多的价值。

    目前，欧美、日本等国家和地区对室内光通信技术的研究正如火如荼地展开，他们为此投入了大量的人、才、物力，取得了不小的成就；与他们相比，我国的研究相对落后。在改善室内可见光通信性能的道路上，我们还面临着许多挑战，包括本文所讨论的调制调解、编码技术等，所以理应加强对这些方面的研究，以尽早解决当前室内可见光通信系统中的不足之处，从而实现该技术真正的价值。