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LIFI热火下的VLC根本链路规范及开展问题

作者:www.918.com时间:2018-03-28 08:27浏览:

  LIFI热火下的VLC根本链路、规范及开展问题

  和白炽及荧光灯比较,白光发光二极管(LED)具有寿数长、光效高、功耗低、无辐射、安全性好、可靠性高级特色,被称为"绿色照明"并得到迅猛展开。根本链路规范及开展问题白光LED在未来商场极具竞争力。国际规模内约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世纪照明技能,我国政府也发布了在几年内逐渐完毕白炽灯的出售方针。

  除了照明优势外,LED还具有呼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耀不容易被人眼发觉,能够在照明一起供给数据通讯的功用。这种在380~780nm可见光谱段进行数据通讯的技能简称为可见光通讯(VLC)技能。VLC在中、短间隔安全保密通讯、高精度准确定位、交通运输通讯和室内导航等范畴具有很大潜力,特别是能够代替射频(RF)处理"最终1m"的问题。和无线电波比较,可见光通讯有许多优势:1)信息量在以摩尔规律展开,无线电频谱许多频段已被占用,VLC运用的是高于3THz且尚归于空白频谱的可见光频谱,不受运用许可证约束;2)可见光不能穿透建筑墙,彼此附近关闭单元中VLC信号不会彼此搅扰,安全性高,保密性好;3)可见光收发器材设备简略,价格低廉;4)可见光波长归于亚微米级,在准确方向定位上具有显着优势;5)VLC能够代替无线电在某些电磁搅扰灵敏的特定场合(如飞机、医院、核电站或许石油钻探等)中的运用。

  VLC和RF比较最显着的缺乏是可见光传输速率受通讯间隔约束相对显着。VLC选用非相干通讯形式,VLC通讯途径丢失是间隔的4次方,而相对RF来讲,损耗是间隔的平方。LED具有固有非线性电流-强度特性,功能随温度添加而急剧下降,输出光色以及设备寿数也快速削减。此外,灯火变暗会对传输功率和传输功能发生必定影响。这些不利因素约束了VLC的运用,VLC也不可能彻底替代高速RF通讯。怎么充分运用VLC优势,战胜不利因素以进步VLC通讯功能是当今研讨的热门。

  VLC技能最早于1999年由香港大学Grantham Pang提出并针对VLC展开了音频传输的研讨。日本随后对VLC展开了活跃深化的研讨。2003年,可见光通讯协会(VLCC)在日本树立。现在,越来越多的安排和安排致力于VLC要害技能的研讨。典型的研讨安排包含:欧洲项目家庭千兆接入网(OMEGA,HomeGigabitAccessNetwork)、美国光通讯中心(UCL)、德国海因里希赫兹、夫琅禾费通讯研讨所、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我国科学技能大学、复旦大学等。这些安排在VLC的理论、算法、仿真及试验方面做出了杰出性作用。但VLC的展开尚处于起步阶段,和成熟工业、日子以及军事运用之间还有一段间隔,许多的技能难点亟需处理。而现在跟着我国LED工业快速爬高,现在已在“可见光通讯体系要害技能研讨”取得了重大打破,实时通讯速率进步至50gbps(比特每秒),相当于0.2秒就能完结一部高清电影的下载。

  VLC根本链路及通讯规范

  

LIFI热火下的VLC根本链路、规范及展开问题

  

室内VLC根本链路

  光源

  白光LED首要有三种类型:红绿蓝混合构成白光的RGB-LED、蓝光LED激起荧光粉后混组成白光的PC-LED以及在紫外LED外表经过红绿蓝荧光粉混合发生白光的UV-LED。UV-LED在白光构成中能量损耗大,光效低,实践运用中很少见。关于PC-LED,蓝光LED的调制带宽大约是35MHz,遭到黄光重量影响,其调制带宽只要几兆。为进步调制带宽,一般参加蓝光滤波器滤除黄光重量。PC-LED本钱低,驱动简略,在照明中运用遍及。RGB-LED中三个LED能够独立调制。运用多路波分技能能够使得每个RGB-LED取得15MHz调制带宽。该类型LED价格昂贵,驱动相对杂乱,具有高效灵敏的照明作用以及较高调制带宽,在未来商场潜力很大。

  接纳器

  PIN二极管、雪崩二极管(APD)及图画传感器是VLC中用到的接纳器。PIN光电二极管价格低、接纳面积大、灵敏度高以及对温度不太灵敏,运用广泛。APD光电二极管接纳灵敏度高、接纳面积小但价格昂贵。图画传感器能够在不彼此搅扰情况下一起取得图画和数据信息。因为图画传感器只检测LED传来像素的光强度,即便有多个光源一起传输数据,图画传感器仍能成功接纳到它所要需求的数据。图画传感器特别合适准确定位体系。

  1.2 通讯规范

  2007年,日本发布了JEITACP-1221"可见光通讯体系"以及JEITACP-1222"可见光ID体系"。2009年,IrDA和VLCC联合拟定了"IrDA可见光通讯物理层技能要求"。欧洲OMEGA也在致力于家庭网络开发。但这些规范都没有充分考虑闪耀和调光问题。统筹照明及节能,IEEE2012年同意了802.15.7规范。

  IEEE802.15.7对VLC界说了4类运用:局域网通讯(VLAN)、定位增强信息播送、高分辨力定位(主动定位)以及中等分辨力定位(室内导航)。该规范供给了高速VLC通讯无闪耀可习惯调光机制[8],支撑点到点以及星型等多种网络拓扑结构,并对双向通讯和播送形式物理层和媒体存取操控(MAC)层进行了规则。LIFI热火下的VLC其间,PHYI为室外低速通讯运用,其传输速率为12~267kb/s,PHYII用于室内中速通讯运用,传输速率为1.25~96Mb/s。PHYIII用RGB作为传输源和接纳器,其速率规模为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)并进行规范化。该规范方案在未来到达10Gb/s传输速率。除了VLC能够在GPS所不能发挥作用的室内和峡谷等场合进行定位,还能够用于水下通讯、军用配备通讯、电力线通讯(PLC)及以太网供电(PoE)链路归纳等。为了能够让VLC充分发挥其运用潜力,更为广泛运用的VLC国际规范还需求进一步开发。

  可见光LEDs 最大应战是VLC 的数据通讯速率。为了进步通讯速率,除了需求在LED 器材上进行打破外,还可经过其他技能手段进行进步。如运用调制、波分复用、均衡、光多输入多输出(MIMO)以及这些办法的混合运用。

  编码调制技能

  为了战胜白光LED 的调制带宽的约束,有必要深化探求频带运用率高、抗搅扰功能好的调制复用技能。现在常见调制编码有开要害控(OOK)、脉冲方位调制(PPM)、多脉冲方位调制(MPPM)、差分脉冲方位调制(DPPM)等。相关于OOK 调制办法, 后三种运用率更好些。PPM 具有自提取同步信号,合适低信噪比的场合。MPPM 带宽功率和功率功率均较高。OFDM 是一种高效调制技能,具有频谱功率高、带宽扩展性强、抗多径式微、频谱资源灵敏分配等长处,是当今国际研讨热门之一。早在2001 年,日本提出在VLC 中引进OFDM 调制办法的必要性。2005 年,西班牙的Gonzalez 等提出了一种运用自习惯OFDM 调制,可根据当时信道情况调整各子信道分配的比特和功率,进步整个体系传输功率。长春理工大学研讨学者近年来也对OFDM 调制技能进行了研讨,能够根据信道好坏挑选恰当的OFDM 调制解调办法。OMEGA 证明了根据正交频分复用/正交振幅调制(OFDM/QAM)技能的3 m 以上间隔进行84 Mb/s 光无线通讯数据传输。OFDM在光无线通讯体系中的缺陷是直流(DC)成分导致的成效低。OFDM 在高效调制的一起,也会导致带宽通讯体系杂乱以及影响照明均匀等问题。为了进一步进步传输速率,DMT 技能逐渐遭到重视。树立了一种根据DMT 的VLC 体系模型,仿真成果证明DMT 在有限带宽约束下显着进步了数据传输速率。现在DMT 技能方面研讨工作做得不是许多,尚需求进一步深化研讨。但怎么挑选合适可见光的调制技能是当时亟待处理的要害问题。

  收发器均衡及滤波技能

  对发送端模仿均衡可补偿白光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。发送器均衡的缺乏之处在于驱动电路需求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运用。相对接纳器来说,均衡处理是杂乱的。经过非归零码-开要害控(NRZ-OOK)技能,让蓝光滤波移走慢黄光的部分,然后使得带宽添加到100 Mb/s 并具有很高的照明亮度。因为激烈的布景噪声及电路固有噪声的搅扰,跟着传输间隔的加大,可见光通讯体系中接纳信号可能会非常弱小。为了准确接纳信号,需求选用高效光滤波器按捺布景杂散光搅扰。因为通讯体系中的信号能量与噪声一起散布在整个可见光谱中,滤波后信噪比不高,研讨高效滤波技能及新式滤波器是进步光通讯功能的有用办法。

  并行通讯(OMIMO)技能

  和无线电体系相似,并行通讯(OMIMO)经过在并行多路接纳器和发送器进行数据传输,经过空间复用完成高速传输,增大光无线通讯体系的吞吐量。OMIMO 技能是进步VLC 通讯速率和通讯质量的重要途径。Brien 初次在VLC 中提出了OMIMO 模型。2011 年Dambul 提出了成像OMIMO 结构。现在MIMO 技能潜力的发挥首要还遭到芯片水平的约束。文献[29]报导了一个关于4×4 50 Mb/s MIMO VLC 通讯试验。庆应义塾大学(Keio University)报导了1 Gb/s 并行传输的概念性证明试验:运用MIMO 技能,经过576 LEDs 阵列向256 接纳器阵列发送数据,每个LED 发送的数据速率为5 Mb/s。怎么更好地运用室内VLC 体系的空间资源,获取更高的复用增益有待进一步去研讨。

  可见光无线信道模型的树立是剖析和规划可见光通讯体系的根底。LED 灯火空间布局、空气环境等也会对信道模型和通讯功能发生影响。为进步VLC 通讯功率,有必要对LED 灯的个数、空间布局及光亮度进行合理的挑选,尽可能防止盲区和多径推迟发生码间搅扰(ISI)。我国科学院半导体研讨所运用大功率白光LED 照明灯,选用OOK-NRZ 调制办法,完成了多灯一起调制、大规模覆盖下的90 kb/s、部分小规模285 kb/s的单向下行通讯速率。为优化LED 光源的布局,对光链路视距信道损耗进行了理论剖析,对LED光源建模并进行光线追迹仿真,为多灯联合调制和根据网格的照明调制的不同运用供给了剖析根据。提出经过优化LED 半功率角的布局来进步室内可见光通讯体系功能的办法。该办法不需求调理LED的功率,比较合适工程运用,关于进步可见光通讯体系的信噪比、下降信噪比的动摇有显着作用。现在许多学者展开的室内LED 可见光无线信道剖析,根本上均选用Gfeller 和Bapst 关于红外通讯信道的剖析模型,对布景光、散射等所发生的影响尚未作深化剖析。怎么进行合理的LED 布局优化、树立完善的可见光通讯模型并核算及丈量信道的单位脉冲呼应,是当今VLC 的研讨的难点之一。

  上行链路技能

  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讯的重要应战之一,并指出射频、红外光等能够作为上行链路。因为射频上行会发生电磁辐射,无法用在电磁灵敏环境,且也会削弱VLC 通讯的保密性。红外上行也面对一些列技能难度:红外LED 光束较为会集,需求进行简略瞄准并将发射功率约束在人眼安全规模内;因为红外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讯的信道冲激呼应不同,这两种体系中引起的码间串扰(ISI)原因各异等。故需求对多光源、时变信道环境下的可见光无线通讯(VLC)体系的信道冲激呼应和不同光途径引起的ISI 展开深化研讨。美国的智能照明方案正在研讨具有发收一体的白光LED 技能,LED 灯将作为收发器完成全双工通讯。展现了以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)可见光通讯体系。但可见光LED 作为上行链路的一个杰出问题是对人发生视觉搅扰,因而运用可见光作为上行链路只能用于某些特别场景。

  

商场上固态LED 灯首要是从满意照明视点进行规划,对通讯功能并没有给予充分考虑。抱负特性的LED 对VLC 通讯功能至关重要。实践通讯运用中作用较好的是商业化产品与技能(COTS) LED 器材。根据接连增加的LED 光源以及Gb/s 数据传输速率的需求,少数大型高功率氮化镓(GaN)的发光二极管也能够同来满意VLC 通讯的高速传输需求。2014 年,Tsonevn 等根据OFDM 技能经过氮化镓微米发光二极管(mLED)搭建了3 Gb/s 传输速率的VLC 通讯链路。此外,有机可见光作为光无线通讯范畴中一个独立技能正在迅猛展开。和LED 比较,有机发光二极管(OLED)具有灵敏性、可曲折性、本钱低一级许多长处。它正被运用到在高清晰度电视(HDTV)的高端显现产品和智能手机上,引起了科学家们的高度重视。因为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,使得带宽受限然后约束了传输速度。这也是有机可见光无线通讯面对的一个重要应战。

  

参考文献:宋小庆、赵梓旭等编撰的《可见光通讯运用远景与展开应战》

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