LED照明光通信技術(shù)

ont: 14px/24px arial, 宋體, sans-serif; white-space: normal; orphans: 2; margin-bottom: 5px; letter-spacing: normal; color: rgb(51,51,51); word-spacing: 0px; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px">無(wú)需WiFi信號(hào)，點(diǎn)一盞LED燈就能上網(wǎng)。一種利用屋內(nèi)可見(jiàn)光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的國(guó)際前沿通訊技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)。研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M，堪稱世界最快的“燈光上網(wǎng)”?？梢?jiàn)光通訊被稱為Lifi。

無(wú)線電信號(hào)傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機(jī)，全球數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站幫助其增強(qiáng)信號(hào)，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡，尤其在國(guó)內(nèi)LED光源正在大規(guī)模取代傳統(tǒng)白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個(gè)微芯片，便可讓燈泡變成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。

可見(jiàn)光通訊安全又經(jīng)濟(jì)?？蒲腥藛T不僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中利用可見(jiàn)光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)能夠“一拖四”，即點(diǎn)亮一盞小燈，4臺(tái)電腦即可同時(shí)上網(wǎng)、互傳網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。光和無(wú)線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的基本原理是一致的。

給普通的LED燈泡裝上微芯片，可以控制它每秒數(shù)百萬(wàn)次閃爍，亮了表示1,滅了代表0。由于頻率太快，人眼根本覺(jué)察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化。二進(jìn)制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號(hào)并進(jìn)行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過(guò)一套特制的接收裝置傳輸信號(hào)。有燈光的地方，就有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。關(guān)掉燈，網(wǎng)絡(luò)全無(wú)。與現(xiàn)有WiFi相比，未來(lái)的可見(jiàn)光通訊安全又經(jīng)濟(jì)。

目前室內(nèi)無(wú)線通信能滿足要求的最好選擇就是白光LED。白光 LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線高速數(shù)據(jù)接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已經(jīng)達(dá)到5W，發(fā)光效率也已經(jīng)達(dá)到90lm/W，其發(fā)光效率（流明效率）已經(jīng)超過(guò)白熾燈，接近熒光燈。白光LED的光效超過(guò)100lm/W并達(dá)到200lm/W（可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備）在不久的將來(lái)即可實(shí)現(xiàn)。因而LED照明光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，已引起人們的廣泛關(guān)注和研究[4-5]。

將LED照明燈組成可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)的研究工作，在日本首先開(kāi)展，并得到日本政府的重視。在2006-11-28發(fā)布的科技日?qǐng)?bào)報(bào)道：“日本總務(wù)省計(jì)劃與NTT研究所及NEC公司等聯(lián)手，共同開(kāi)發(fā)一種利用照明燈光傳輸高速信息的“可見(jiàn)光通信”系統(tǒng)。日本政府將把這一技術(shù)作為下一代寬帶網(wǎng)普及，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)實(shí)用化“。

室內(nèi)白光LED無(wú)線通信的研究在日本首先開(kāi)展。日本大學(xué)的日本KEIO大學(xué)的Tanaka等人和SONY計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)[4]。他們以Gfeller和Bapst的室內(nèi)光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，并認(rèn)為L(zhǎng)ED光源滿足朗伯（Lambertian）照射形式,且以強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM-DD）為光調(diào)制形式進(jìn)行了建模仿真，獲得了數(shù)據(jù)率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系。認(rèn)為當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在10Mbps以下的系統(tǒng)是可行的，碼間干擾（InterSymbol Interference, ISI）和多徑效應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的兩大因素。2001年,Tanaka等人在原來(lái)的基礎(chǔ)上分別采用OOK_RZ調(diào)制方式與OFDM調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真[6]，結(jié)果表明：:當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在100Mbps以下時(shí)這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的，當(dāng)數(shù)據(jù)率大于100Mbps時(shí)，OFDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK_RZ調(diào)制技術(shù)。

2002年, Tanaka和Komine等人對(duì)LED可見(jiàn)光無(wú)線通信系統(tǒng)展開(kāi)了具體分析[7]，包括光源屬性信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等，求出了系統(tǒng)所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以O(shè)OK_RZ、OOK_NRZ、m-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真分析,得到了不同條件下的誤碼率大小。同年Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對(duì)可見(jiàn)光無(wú)線系統(tǒng)造成的影響，分別以O(shè)OK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在數(shù)據(jù)率小于60Mbps，接收視場(chǎng)角小于50度的條件下，采用8-PPM調(diào)制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應(yīng)。以后, Komine等繼續(xù)對(duì)LED單元燈的設(shè)計(jì)布局、可見(jiàn)光傳播信道（分直達(dá)信道和反射信道兩部分）、室內(nèi)人員走動(dòng)導(dǎo)致的反射陰影、墻壁反射光,碼間干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響等展開(kāi)研究[8]，并得出了不同接收視場(chǎng)角和不同數(shù)據(jù)傳送率下各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響曲線。同年，Komine等提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見(jiàn)光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[9]。2005年, Komine等利用基于最小均方誤差算法的自適應(yīng)均衡技術(shù)來(lái)克服碼間干擾(ISI) [10]。仿真表明在數(shù)據(jù)率為400Mbps以下時(shí)，F(xiàn)IR均衡器和DFE均衡器都可有效減少ISI的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)率高于400Mbps時(shí)，DFE均衡器更能有效克服ISI。

國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，暨南大學(xué)光電工程系的陳長(zhǎng)纓教授對(duì)LED發(fā)光特性、室內(nèi)通信鏈路和信道模型進(jìn)行了初步的研究 [11]。

總之，LED照明光無(wú)線通信在國(guó)外也還出在起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非常看好，不僅可以用于室內(nèi)無(wú)線接入，還可以為城市車輛的移動(dòng)導(dǎo)航及定位提供一種全新的方法。汽車照明燈基本都采用LED燈，可以組成汽車與交通控制中心、交通信號(hào)燈至汽車、汽車至汽車的通信鏈路。這也是LED可見(jiàn)光無(wú)線通信在智能交通系統(tǒng)的發(fā)展方向。