LIFI热火下的VLC基本链路、标准及发展问题

和白炽及荧光灯相比，白光发光二极管(LED)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380~780nm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3THz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；3)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Grantham Pang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。2003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网(OMEGA，HomeGigabitAccessNetwork)、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

　　1.1 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35MHz，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也在致力于家庭网络开发。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：局域网通信(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网络拓扑结构，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)及以太网供电(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。

　　面临的主要问题

　　1.1 VLC 通信速率的提高

　　可见光LEDs 最大挑战是VLC 的数据通信速率。为了提高通信速率，除了需要在LED 器件上进行突破外，还可通过其他技术手段进行提升。如运用调制、波分复用、均衡、光多输入多输出(MIMO)以及这些方法的混合使用。

　　编码调制技术

　　为了克服白光LED 的调制带宽的局限，必须深入探究频带利用率高、抗干扰性能好的调制复用技术。目前常见调制编码有开关键控(OOK)、脉冲位置调制(PPM)、多脉冲位置调制(MPPM)、差分脉冲位置调制(DPPM)等。相对于OOK 调制方式， 后三种利用率更好些。PPM 具有自提取同步信号，适合低信噪比的场合。MPPM 带宽效率和功率效率均较高。OFDM 是一种高效调制技术，具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配等优点，是当今世界研究热点之一。早在2001 年，日本提出在VLC 中引入OFDM 调制方式的必要性。2005 年，西班牙的Gonzalez 等提出了一种利用自适应OFDM 调制，可根据当前信道状况调整各子信道分配的比特和功率，提高整个系统传输效率。长春理工大学研究学者近年来也对OFDM 调制技术进行了研究，可以根据信道优劣选择恰当的OFDM 调制解调方式。OMEGA 论证了基于正交频分复用/正交振幅调制(OFDM/QAM)技术的3 m 以上距离进行84 Mb/s 光无线通信数据传输。OFDM在光无线通信系统中的缺点是直流(DC)成分导致的功效低。OFDM 在高效调制的同时，也会导致带宽通信系统复杂以及影响照明均匀等问题。为了进一步提升传输速率，DMT 技术逐步受到关注。建立了一种基于DMT 的VLC 系统模型，仿真结果证明DMT 在有限带宽限制下显著提高了数据传输速率。目前DMT 技术方面研究工作做得不是很多，尚需要进一步深入研究。但如何选择适合可见光的调制技术是当前亟待解决的关键问题。

　　收发器均衡及滤波技术

　　对发送端模拟均衡可补偿白光LED 在高频下的快速衰减，使得荧光粉LED 调制带宽扩展到25 MHz。发送器均衡的不足之处在于驱动电路需要被调制以及部分信号没有被转化为光而导致能量没有被充分利用。相对接收器来说，均衡处理是复杂的。通过非归零码-开关键控(NRZ-OOK)技术，让蓝光滤波移走慢黄光的部分，从而使得带宽增加到100 Mb/s 并具有很高的照明亮度。由于强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰，随着传输距离的加大，可见光通信系统中接收信号可能会十分微弱。为了精确接收信号，需要采用高效光滤波器抑制背景杂散光干扰。因为通信系统中的信号能量与噪声同时分布在整个可见光谱中，滤波后信噪比不高，研究高效滤波技术及新型滤波器是提高光通信性能的有效方法。

　　并行通信(OMIMO)技术

　　和无线电系统类似，并行通信(OMIMO)通过在并行多路接收器和发送器进行数据传输，通过空间复用实现高速传输，增大光无线通信系统的吞吐量。OMIMO 技术是提升VLC 通信速率和通信质量的重要途径。Brien 首次在VLC 中提出了OMIMO 模型。2011 年Dambul 提出了成像OMIMO 结构。目前MIMO 技术潜力的发挥主要还受到芯片水平的限制。文献[29]报道了一个关于4×4 50 Mb/s MIMO VLC 通信实验。庆应义塾大学(Keio University)报道了1 Gb/s 并行传输的概念性论证实验：运用MIMO 技术，通过576 LEDs 阵列向256 接收器阵列发送数据，每个LED 发送的数据速率为5 Mb/s。如何更好地利用室内VLC 系统的空间资源，获取更高的复用增益有待进一步去研究。

　　2.2 可见光信道模型的完善建立及LED光源布局的优化

　　可见光无线信道模型的建立是分析和设计可见光通信系统的基础。LED 灯光空间布局、空气环境等也会对信道模型和通信性能产生影响。为提升VLC 通信效率，必须对LED 灯的个数、空间布局及光亮度进行合理的选择，尽可能避免盲区和多径延迟产生码间干扰(ISI)。中国科学院半导体研究所利用大功率白光LED 照明灯，采用OOK-NRZ 调制方式，实现了多灯同时调制、大范围覆盖下的90 kb/s、局部小范围285 kb/s的单向下行通信速率。为优化LED 光源的布局，对光链路视距信道损耗进行了理论分析，对LED光源建模并进行光线追迹仿真，为多灯联合调制和基于网格的照明调制的不同应用提供了分析依据。提出通过优化LED 半功率角的布局来提高室内可见光通信系统性能的方法。该方法不需要调节LED的功率，比较适合工程运用，对于提高可见光通信系统的信噪比、降低信噪比的波动有明显效果。目前很多学者开展的室内LED 可见光无线信道分析，基本上均采用Gfeller 和Bapst 关于红外通信信道的分析模型，对背景光、散射等所产生的影响尚未作深入分析。如何进行合理的LED 布局优化、建立完善的可见光通信模型并计算及测量信道的单位脉冲响应，是当今VLC 的研究的难点之一。

　　上行链路技术

　　牛津大学的Brien 和爱丁堡大学的Harald Haas 课题组很早就考虑到上行链路是可见光通信的重要挑战之一，并指出射频、红外光等可以作为上行链路。由于射频上行会产生电磁辐射，无法用在电磁敏感环境，且也会减弱VLC 通信的保密性。红外上行也面临一些列技术难度：红外LED 光束较为集中，需要进行简单瞄准并将发射功率限制在人眼安全范围内；由于红外LED 调制带宽受限导致上行传输速率较低；可见光与红外无线通信的信道冲激响应不同，这两种系统中引起的码间串扰(ISI)原因各异等。故需要对多光源、时变信道环境下的可见光无线通信(VLC)系统的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI 开展深入研究。美国的智能照明计划正在研究具有发收一体的白光LED 技术，LED 灯将作为收发器实现全双工通信。展示了以RGBLED中红绿2 个通道作为下行、蓝色通道作为上行的波分双工(WDD)可见光通信系统。但可见光LED 作为上行链路的一个突出问题是对人产生视觉干扰，因此利用可见光作为上行链路只能用于某些特殊场景。

　　新LED器件

　　市场上固态LED 灯主要是从满足照明角度进行设计，对通信性能并没有给予充分考虑。理想特性的LED 对VLC 通信性能至关重要。实际通信应用中效果较好的是商业化产品与技术(COTS) LED 器件。基于连续增长的LED 光源以及Gb/s 数据传输速率的需求，少量大型高功率氮化镓(GaN)的发光二极管也可以同来满足VLC 通信的高速传输需求。2014 年，Tsonevn 等基于OFDM 技术通过氮化镓微米发光二极管(mLED)搭建了3 Gb/s 传输速率的VLC 通信链路。此外，有机可见光作为光无线通信领域中一个独立技术正在迅猛发展。和LED 相比，有机发光二极管(OLED)具有灵活性、可弯曲性、成本低等很多优点。它正被应用到在高清晰度电视(HDTV)的高端显示产品和智能手机上，引起了科学家们的高度关注。由于有机半导体电荷迁移性比无机半导体的电荷迁移性要低几个数量级，使得带宽受限从而限制了传输速度。这也是有机可见光无线通信面临的一个重要挑战。