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可见光通信基本链路通信标准及发展问题分析

发布时间:2019-08-15 19:55:53

  和白炽及荧光灯相比,白光发光二极管()具有寿命长、光效高、功耗低、无辐射、安全性好、可靠性高等特点,被称为 绿色照明 并得到迅猛发展。白光LED在未来市场极具竞争力。世界范围内约140多亿的白炽灯转换成更节能的LED。日本政府10年前就将LED作为21世纪照明技术,中国政府也发布了在几年内逐步结束白炽灯的销售政策。

  除了照明优势外,LED还具备响应时间短和高速调制等特性。白光LED高速调制所引起的光闪烁不容易被人眼察觉,可以在照明同时提供数据通信的功能。这种在 80~780nm可见光谱段进行数据通信的技术简称为可见光通信(VLC)技术。VLC在中、短距离安全保密通信、高精度准确定位、交通运输通信和室内导航等领域具有很大潜力,尤其是可以替代射频(RF)解决 最后1m 的问题。和无线电波相比,可见光通信有很多优势:1)信息量在以摩尔法则发展,无线电频谱很多频段已被占用,VLC利用的是高于 THz且尚属于空白频谱的可见光频谱,不受使用许可证限制;2)可见光不能穿透建筑墙,相互邻近封闭单元中VLC信号不会相互干扰,安全性高,保密性好; )可见光收发器件设备简单,价格低廉;4)可见光波长属于亚微米级,在准确方向定位上具有明显优势;5)VLC能够替代无线电在某些电磁干扰敏感的特定场合(如飞机、医院、核电站或者石油钻探等)中的应用。

  VLC和RF相比最明显的不足是可见光传输速率受通信距离限制相对明显。VLC采用非相干通信模式,VLC通信路径损失是距离的4次方,而相对RF来讲,损耗是距离的平方。LED具有固有非线性电流-强度特性,性能随温度增加而急剧下降,输出光色以及设备寿命也快速减少。此外,灯光变暗会对传输功率和传输性能产生一定影响。这些不利因素限制了VLC的应用,VLC也不可能完全取代高速RF通信。如何充分利用VLC优势,克服不利因素以提升VLC通信性能是当今研究的热点。

  VLC技术最早于1999年由香港大学GranthamPang提出并针对VLC开展了音频传输的研究。日本随后对VLC展开了积极深入的研究。200 年,可见光通信协会(VLCC)在日本成立。目前,越来越多的机构和组织致力于VLC关键技术的研究。典型的研究机构包括:欧洲项目家庭千兆接入(OMEGA,Home Gigabit Access Network)、美国光通信中心(UCL)、德国海因里希赫兹、夫琅禾费通信研究所、荷兰飞利浦公司、法国电信、牛津大学、澳大利亚莫纳什大学以及中国科学技术大学、复旦大学等。这些机构在VLC的理论、算法、仿真及实验方面做出了突出性成果。但VLC的发展尚处于起步阶段,和成熟工业、生活以及军事应用之间还有一段距离,很多的技术难点亟需解决。而目前随着我国LED产业快速爬升,目前已在 可见光通信系统关键技术研究 获得了重大突破,实时通信速率提高至50gbps(比特每秒),相当于0.2秒就能完成一部高清电影的下载。

  VLC基本链路及通信标准

  1.1VLC基本链路

  室内VLC基本链路

  光源

  白光LED主要有三种类型:红绿蓝混合形成白光的RGB-LED、蓝光LED激发荧光粉后混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通过红绿蓝荧光粉混合产生白光的UV-LED。UV-LED在白光形成中能量损耗大,光效低,实际应用中很少见。对于PC-LED,蓝光LED的调制带宽大约是 5MHz,受到黄光分量影响,其调制带宽只有几兆。为提高调制带宽,通常加入蓝光滤波器滤除黄光分量。PC-LED成本低,驱动简单,在照明中应用普遍。RGB-LED中三个LED可以独立调制。运用多路波分技术可以使得每个RGB-LED获得15MHz调制带宽。该类型LED价格昂贵,驱动相对复杂,具有高效灵活的照明效果以及较高调制带宽,在未来市场潜力很大。

  接收器

  PIN二极管、雪崩二极管(APD)及图像传感器是VLC中用到的接收器。PIN光电二极管价格低、接收面积大、敏感度高以及对温度不太敏感,应用广泛。APD光电二极管接收敏感度高、接收面积小但价格昂贵。图像传感器能够在不相互干扰情况下同时获得图像和数据信息。由于图像传感器只检测LED传来像素的光强度,即使有多个光源同时传输数据,图像传感器仍能成功接收到它所要需要的数据。图像传感器尤其适合准确定位系统。

  1.2通信标准

  2007年,日本发布了JEITACP-1221 可见光通信系统 以及JEITACP-1222 可见光ID系统 。2009年,IrDA和VLCC联合制定了 IrDA可见光通信物理层技术要求 。欧洲OMEGA也在致力于家庭络开发。但这些标准都没有充分考虑闪烁和调光问题。兼顾照明及节能,IEEE2012年批准了802.15.7标准。

  IEEE802.15.7对VLC定义了4类应用:局域通信(VLAN)、定位增强信息广播、高分辨力定位(自动定位)以及中等分辨力定位(室内导航)。该标准提供了高速VLC通信无闪烁可适应调光机制[8],支持点到点以及星型等多种络拓扑结构,并对双向通信和广播模式物理层和媒体存取控制(MAC)层进行了规定。其中,PHYI为室外低速通信应用,其传输速率为12~267kb/s,PHYII用于室内中速通信应用,传输速率为1.25~96Mb/s。PHYIII用RGB作为传输源和接收器,其速率范围为12~96Mb/s。IEEE802.15.7没有涉及到千兆速率。德国物理学家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)并进行标准化。该标准计划在未来达到10Gb/s传输速率。除了VLC可以在GPS所不能发挥作用的室内和峡谷等场合进行定位,还可以用于水下通信、军用装备通信、电力线通信(PLC)及以太供电(PoE)链路综合等。为了能够让VLC充分发挥其应用潜力,更为广泛应用的VLC国际标准还需要进一步开发。

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