【技术】白光LED通信技术简述

白光通信技术又叫“可见光通信技术”(VisibleLightCommunication)，其原理是将需要传输的信息调制到LED灯具的驱动电流上，使LED灯具以极高的频率闪烁。虽然人眼看不到这种闪烁，但是通过光电探测器可以检测到这种高频闪烁携带的通信信息。基于白光LED的可见光通信技术融合了光通信和无线通信二者的优点，同时顺应了白光LED器件作为下一代绿色固体照明光源的发展趋势，是一种高速灵活、绿色环保的新型通信技术，且因为通信电路可以和LED灯具的驱动电路完美集成，应用前景巨大。

一、发展现状

1.白光LED可见光通信的特点

可见光通信技术因为是光波通信，无电磁污染有利于人体健康;因为光线的直线传播，通信信号覆盖范围可见可控，私密性强;因为与照明天然结合可以利用无处不在的照明网络，所以无须新建专用网络、节能和环保;因为是光波通信，频带资源理论上高达100THz，通信速率赶超WiFi且无需授权。总的来说，可见光通信技术作为一种无线通信新技术，解决了无线通信技术发展面临的两大问题。

(1)无线通信的发展急需解决无线频谱资源拓展的问题。由于传统无线通信发展迅速，且和广播电视、蓝牙等技术共用微波无线频段，造成该频段频谱资源异常紧张，开发利用新的无线频段迫在眉睫。近年来陆续出现了毫米波通信和太赫兹通信等解决方案，而随着白光LED器件的出现，利用频率更高的可见光频段进行自由空间无线通信成为可能，不仅理论上可以达到更高的传输速率，同时避开了紧张的无线授权波段。

(2)无线通信的发展急需解决节能环保的问题。LED器件是一种高效的固体光源，与当前的荧光光源相比具有更低的功耗、更高的亮度和更小的尺寸。另一方面，LED发出的光谱窄，可以用作无线通信载波调制信号，因此同时具备绿色照明和节能通信两个优点。此外，处于可见光频段的光波对人体无伤害，可以保证长时间通信下对用户的环保安全，属于绿色节能环保通信。

可见光通信作为一种无线通信新技术还催生了灯光定位、光学无线身份识别、光学无线供能等创新应用。相信随着技术的发展和大家对可见光通信技术的了解，还会产生更多的创新应用。

2.研究现状

2000年日本庆应义塾大学的Tanaka和Haruyama等人提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。2003年10月，日本可见光通信协会(VLCC)成立，并已完成可见光通信系统规范(VLCC-STD-001)和低速通信可见光ID应用规范(VLCC-STD-003)的制定。2008年作为美国国家科学基金的十年规划，美国政府动员30所大学及研究机构，投入1850万美元的启动资金开展了该项领域的科技攻关。2008年欧洲框架7中的欧米伽计划也包括可见光通信技术的研究内容。2008年，时任中国科学院院长的路甬祥同志批示中国科学院半导体研究所开展可见光通信调研和相关研究工作。2011年3月31日，IEEE802.15WPANTaskGroup7(TG7)提出了关于小范围可见光无线通信的相关标准修正草案(IEEE标准为P802.15.7)。2014年中国可见光通信产业技术创新联盟成立。

在学术研究方面，2014年，意大利的可见光通信研究团队的学术论文“5.6 Gbit/s Downlink and 1.5 Gbit/s Uplink Optical Wireless Transmission at Indoor Distance (≥ 1.5 m)”是可见光通信离线处理的最高峰值速率的代表性文章。2014年，中国可见光通信研究团队的学术论文“A 550 Mbit/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light LED for practical high-speed low-complexity application”是可见光通信在线实时处理最高速率的代表性文章。

在演示系统的研究方面，2004年在日本的CEATEC展会上，SONY和Agilent合作展示了一个基于RGB三色LED灯的光学无线音乐广播应用。2006年，暨南大学的研究团队提出利用白光LED照明光源用作室内无线通信，设计并实现了近距离(0.2m)、点对点的白光LED通信系统。该系统成功实现了10MHz的传输速率下FM信号的传输。2008年，太阳诱电株式会社在“东京国际消费电子博览会”上现场演示了采用白光LED的高速无线通信系统，最大数据传输速率可达100Mbit/s。该系统实现了双向全双工高速通信，但是最大传输距离仅为0.2m左右。2009年，中国科学院半导体研究所的可见光上网系统和游戏娱乐系统在上海国际工业博览会上展示，2010年4月基于可见光通信的智能家居控制系统和上网系统在上海世博会的“沪上.生态家”和“中国航空馆”两个展区同时展示。2009年11月暨南大学在深圳高交会展示了4Mbit/s带宽的数字多媒体音视频信号白光LED传输系统，并在2010年4月送上海世博会，在“沪上.生态家”城市案例馆向全世界公开展示。2010年12月，美国明尼苏达州(Minnesota)西北部的一个城市St.Cloud，它的市政办公室第一个在美国安装可见光通信系统，以取代无线网络连接。该系统采用来自明尼苏达州的LVX系统，可实现LED灯具到办公室的电脑连接到互联网。该系统可节省照明费用30-80%。LVX的系统大约达到3Mbps的速率传输数据。2011年欧洲OMEGA计划总结时，参加单位之一的Orange实验室用16盏LED灯实现了4路高清视频的广播，系统传输速率100Mbps，净载荷80Mbps。2011年英国哈拉.哈斯教授作了台灯上网演示，并创造了“LiFi”这个新词，美国《时代》周刊把“LiFi”技术排在全球50大发明中的第8位。2012年CCTV2把基于可见光通信的“光怪路由”排在创新科技环球新锐榜的第三位，中国科学院半导体研究所的陈雄斌博士在节目现场进行了台灯上网和台灯控制家用电器的展示。2012年7月11日日本松下宣布将可见光通信技术实现商业化，为“长岛游乐园”提供了10台LED照明设施及20台信号接收器。日本东京举行的2012尖端技术展上，卡西欧公司展出了利用智能手机摄像头来进行光交换数据的技术，日企Outstanding Technology展示可见光通信定位技术。2013年上海国际工业博览会上，复旦大学和上海宽带中心分别展示了基于可见光通信的上网系统和视频传输系统。

除了上述单位在从事可见光通信技术研究外，还有清华大学、北京大学、解放军信息工程大学、东南大学、北京邮电大学、上海交通大学、中兴通讯、华策集团、深圳光启研究院等大学、研究机构和企业也从事可见光通信技术研究，并取得了不少成果。目前，学术界和产业界甚至资本市场对可见光通信技术的发展都比较关注。作为一项通信新技术，其发展和进步需要从材料、器件、通信系统架构多个方面着力解决。倘若要转化成大众喜欢的产品也需要时间，更需要多方的共同努力。

3.白光通信的应用

参考可见光通信的技术特点，其应用领域可以归结为以下几大类地区：

(1)射频敏感区的无线通信(包括医院、飞机、军舰、卫星等)，这类地区的需求紧迫、具有不可替代性。

(2)希望利用照明网络增加通信功能的场所(包括商场、地铁站、会场等)，该类市场潜力巨大。

(3)灯光导航定位、灯光无线供能、光学身份识别等创新应用。

二、可见光通信关键技术

可见光通信作为一项无线通信新技术，系统性能的提升涉及到材料、器件、模组的创新，也涉及到通信调制技术、编解码技术、系统架构的创新。下面举几个例子，简单介绍一下可见光通信系统设计需要考虑的一些因素和关键技术。

1.光源

在可见光通信系统中，通信光也是照明光源，二者合二为一，所以光源的设计意义重大。作为照明设备来说，照明光源必须具备高亮度、低散热、低功耗、辐射范围广等特点：作为通信设备来说，通信光源则需具备寿命长、调制性能好、发射功率大、响应灵敏度高等优点。二者的要求会有些不一致的地方，比如，照明应用希望荧光型LED使用长余辉的荧光粉，对于通信应用则希望荧光型LED使用短余辉的荧光粉;照明应用可以用结面积大的器件来提高发射功率通信应用则希望减小结面积来降低结电容提高调制速率。如果还要考虑光探测器的敏感波长等因素，对光源的要求就更高了。总的来说，作为照明和通信两用的光源，和普通的照明光源是有区别的，要想获得理想性能，需要优化设计。

2.室内光源布局

在室内光源布局上，首先需要考虑的问题是全部光源都是照明通信两用还是部分光源只照明。同时还是需要考虑是否布设备用通信光源，这些都会跟通信的应用需求等级有关系的。在具体的LED布局计算当中，需要考虑室内设施陈列的差异，不能只考虑典型的理想环境和信道，还需考虑其他诸如人员的走动、家具的布局和阴影等客观因素的影响，得出的布局结构须使房间内光强分布大致不变，也应避免出现通信盲区。光源的合理布局需要一定的标准和规范指导。

3.可见光接收机

探测器也是光通信系统的核心器件。必须针对光源的光谱特征和通信需求设计可见光通信的光探测器，现在这块工作基本上是空白。类似于光线通信天线的设计，光学接收天线的设计也非常重要，因为天线也是影响接收机信噪比和移动性的重要因素。要想实现高性能和小型化，单片集成的光电接收机芯片是很好的选择。

4.调制复用技术

目前，虽然可见光通信系统可选择的光源和探测器带宽还比较窄，但是借助于波分复用技术和高频带利用率的通信新技术，可见光通信系统的传输速率已经能达到Gbps量级，虽然还只是峰值速率，也不能实时传输业务，但是让大家看到了希望。常用的技术是OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用技术)这项无线通信领域中较成熟的技术。然而，由于OFDM系统具有内在的高峰均比特性，使得OFDM信号存在着失真。在可见光通信系统中，较高的包络线会影响视力，同样的也会影响光器件的寿命，在设计和工艺中应注意峰均功率比降低的问题。在把众多的射频无线通信技术移植到可见光通信系统的过程中，研究人员发现可见光通信与射频无线通信在信号特征上有很大差别，不能照搬照抄，需要作一些改进和优化。所以，如何针对可见光通信的特点有针对性地开展调制复用技术研究会变得越来越重要。

5.均衡技术

一个实际的基带传输系统不可能完全满足理想的波形传输无失真条件，因而串扰几乎是不可避免的。当串扰造成严重影响时，必须对整个系统的传递函数进行校正，使其接近无失真传输条件。这种校正可以采用串接一个滤波器的方法，以补偿整个系统的幅频和相频特性，这种校正是在频域进行的，称为频域均衡。如果校正在时域进行，即直接校正系统的冲击响应，称为时域均衡。

频域均衡技术主要包括幅度均衡和相位均衡，可见光通信用到最多的是幅度均衡。幅度均衡器主要是根据系统的信道特性，对信号进行选择性的衰减或补偿，目的是改善系统的响应特性，获得较为平坦的幅频响应曲线，拓宽信道的带宽。均衡技术在音视频信号传输方面有较多应用，通信中有预加重和去加重技术。频域均衡技术可以应用在通信系统中的发射端和接收端，前者被称为预加重技术，后者被称为后端均衡技术。

光学无线通信中，一般情况下，信道对高频分量的衰减程度要大于对低频分量的衰减程度，因此，在调制发射端，提高高频分量，来补偿信道中高频分量的衰减损失，这种技术被成为预加重技术。反映到数字通信时域波形，预加重技术可以对预发送的脉冲进行整形，由于高频分量较多，因此会在波形的上升沿或下降沿有尖脉冲。通过预加重技术可以提高系统的数据传输速率以及抗干扰能力，降低误码率。频域均衡技术同样可以用在接收端—后端均衡技术在光学无线通信中，均衡技术可以对高频分量进行再补偿，以拓宽系统的带宽，提高系统的数据传输速率。接收端均衡技术和预加重技术在理论上是相同的，没有本质的区别，只不过是应用在了通信系统中的不同位置。均衡技术的缺点是会给可见光通信系统带来噪声干扰，降低接收机的灵敏度，过度均衡会导致系统整体性能下降。

6.正交频分复用技术

正交频分复用(OFDM)系统是一种特殊的多载波传输方案，它可以被看作是一种调制技术，也可以被当作一种复用技术。多载波传输把数据流分解成若干个子比特流，这样每个子数据流将具有低得多的比特速率，用这样的低比特率形成的低速率多状态符号再去调制相应的子载波，就构成多个低速率符号并行发送的传输系统。优点是OFDM调制方式适用于多径和衰落信道中的高速数据传输;通过插入保护间隔，可以很好地克服符号间干扰(ISI)和载波间干扰(ICI);由于OFDM各子载波相互正交，允许各子载波有1/2重叠，因此可以大大提高频谱利用率;具有很强的抗衰落能力。缺点是由于要求各子载波正交，所以对频率偏移和相位噪声很敏感;由于各子载波相互独立，峰值功率与均值功率比相对较大，且随子载波数目的增加而增加(高峰均比)。

DMT(离散多音)调制方式，是OFDM调制的一种，它主要利用了IFFT将复数信号转化成实数信号，通过这种方法，可以不再需要IQ调制，从而减小了系统的复杂度和成本。DMT调制方式兼具了OFDM调制频谱利用率高，抗多径效应强的特点，同时还具有系统复杂度较低的优势，是一种非常理想的调制方式。

7.编码技术

通信系统中编码技术包括信源编码和信道编码，信源编码主要是利用信源的统计特性，解决信源的相关性，去掉信源冗余信息，从而达到压缩信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。第三代移动通信中的信源编码包括语音压缩编码、各类图像压缩编码及多媒体数据压缩编码。信道编码则是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰的。它根据一定的(监督)规律在待发送的信息码元中(人为的)加入一些必要的(监督)码元，在接收端利用这些监督码元与信息码元之间的监督规律，发现和纠正差错，以提高信息码元传输的可靠性。信道编码的目的是试图以最少的监督码元为代价，以换取最大程度的可靠性的提高。

可见光通信系统中主要涉及的是信道编码，信道编码从功能上可分为3类：

仅具有发现差错功能的检错码，如循环冗余校验码、自动请求重传ARQ等;具有自动纠正差错功能的纠错码，如循环码中的BCH码、RS码及卷积码、级联码、Turbo码等;既能检错又能纠错功能的信道编码，最典型的是混合ARQ。通常大家说的FEC是前向纠错码，在不同系统中，不同信道采用的FEC都不一样，有卷积码，Turbo码等。目前一般认为前向纠错的误码率上限是3.8×10-3，只要原始误码率低于这个值就可以通过冗余编码，耗费一定的FEC编码代价通过前向纠错把误码纠过来。

8.分集接收技术

基于分集技术的光接收机技术可以用来克服码间干扰和阴影的影响。分集接收的思想就是在接收机的不同方向上安装多个光电探测器，对多个探测器接收到的信号进行比较，选取信噪比最大的信号进行通信。分集接收电路的设计根据信号传输速率的不同分为两类。在通信速率不是很高时(通常低于100M时)，采用低速率分集接收装置，就是简单地将多个信号直接相加，总体上提高接收信号的功率。当传输速率超过100M时，由于码间串扰的影响，不能将信号直接相加，必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择。在高速通信中，信噪比最大的方向为直射链接的方向。此时，应选取最接近直射链接的方向作为最佳接收方向。

在接收机的不同方向上安装的多个光电探测器均匀分布于一个半球面上，这样在减少探测器个数的同时又提高了接收效果。只要不是整个接收机被遮住，通信就不会中断。关于探测器的个数和布局，需要根据具体环境和通信性能的要求来决定。理论计算和计算机仿真结果表明，采用分集接收系统，能很好地克服不同路径引起的码间干扰的影响。而且，当接收机随用户位置改变或室内有人员走动和其他物体产生阴影时，通过分集接收系统自动判决和选择，不需要人工设置就能保证通信系统的畅通。实验证明，在高速通信中，采用分集接收技术的系统信噪比平均提高了2dB，有效提高了系统性能。

9.自适应传输技术

采用自适应收发器的设计方案，可以有效减缓光无线通信中信噪比的剧烈波动。在发射端，借助一个信号处理器来完成对机电定向系统的实时控制。信号处理器被广泛应用于现代通信中，使通信系统获得更高的信噪比、更好的灵活性及调节预见性。对白噪声、非平衡干扰和多径干扰，可以有相应的实现方法去进行最佳的信号处理。在接收端，则采用单一的光电检测器来简化对光前端的设计。这个优化的设计方案采用定向机制将更多的光能量集中到单一信道，一方面由于接收端视场的减小而降低了环境噪声对系统性能的影响，另一方面大大提高了系统抗多径畸变的能力

10.创新应用涉及的各项具体技术

以井下定位为例，基于位置服务的白光通信系统工作原理由图4-13所示。

图4-13白光通信系统工作原理

系统组成部分有：带有白光通信功能的巷道灯、小部分带有无线通信功能的巷道灯(数量小于1/10)、带有白光通信及无线通信功能的矿工头灯、连接巷道灯的通信总线、收集总线信息的路由器及服务器、带有井下管理软件的客户端等。

工作原理：由于每个巷道灯都具有唯一的地址，而这个地址可以在安装时与安装位置唯一绑定，所以如果一个矿工头灯可以收到巷道灯(A)的光信号，则其位置肯定在这个巷道灯周围。

工作流程：

1.由巷道灯发出带有其地址信息的光信号;

2.在巷道灯附近的矿工头灯捕捉到光信号;

3.头灯内置的控制器对信号进行解码，解出巷道灯地址;

4.头灯发出带有其自身地址及巷道灯地址的光信号;

5.巷道灯收到头灯光信号，将头灯地址及其自身地址通过总线发送到服务器;

6.巷道灯向头灯返回光信号，确认信息收到;

7.如头灯未收到确认信号，则发送带有其自身地址及巷道灯地址的无线信号，巷道灯收到无线信号后，重复第五步，并发送无线确认信号。

创新应用涉及的各项技术都是和可见光通信相关联的重要技术，在此不一一赘述。

三、发展趋势

业界普遍认为基于白光LED的可见光通信技术至少可以为城市车辆提供一种移动导航及定位方法。将光接收机安装在道路边或汽车上，而汽车和路灯照明基本上都采用LED灯，组成交通控制无线网络。通过这种无线网络给汽车提供导航，定位，以及各条道路的具体情况。这是LED可见光无线通信技术应用在交通的智能交通系统。

室内可见光无线通信技术目前仍处于起步阶段，相信随着白光LED价格的大幅度下降，白光LED在照明拥有绝对的主导市场，而通信技术与白光LED结合的研究将会得到进一步的发展，届时将会在通信领域起着非常重要的作用。此外，白光LED无线光通信系统在未来4G通信网络中扮演非常重要的角色。

使用LED进行照明和指示的设备加上通信的功能可衍生出多种新用途。如在博物馆、展会等场馆内，参观者只要手持相应的接收设备(如手机)，就可以随时随地接收加载了信息的LED灯传输的文字、声音、图像等，使讲解更加生动。将此技术应用于一些小商品如手电筒、玩具、礼品等LED上，可成为前所未有的新产品，如可用作电子钱包的手机，可成为入场券的LED请柬，可互相打招呼的玩具等等。大屏幕LED显示以及LED交通信号灯，成为实时信息下载平台，人们用手机对准即可下载屏幕上的显示内容：商品广告和优惠信息、股市行情、实时交通信息等。在白光LED照明未来最大的市场是车用照明领域，构成汽车大功率LED前照灯信息传输系统。将车牌号、车速、载重量等多种信息自动瞬时地传输到各种交通监测设备，实现自动缴费、车量登记、测速等，解决目前智能交通系统ITS中最为头痛的车辆信息采集问题。LED尾灯也可与后车快速传递路况、刹车等信息，避免交通事故的发生。此外，也可应用于自动车库门、私家停车场等，实现无人化管理。

四、小结

在照明领域，基于白光LED可见光通信的推广应用增加了LED照明的附加值，有助于提高LED照明对现有照明光源的竞争力。在通信领域，它已成为光无线通信领域一个新的增长点。可见光通信具有不占用频谱资源、发射功率高、无处不在、无电磁干扰、节约能源等优点，具有极大的发展前景。但是，要真正实现室内超高速光无线数据通信，还有很多挑战需要面对，如器件的研制、调制解调和编解码技术、无线信道传输和复用技术、通信体制和架构的设计等相关技术需要进一步优化。其实一项新技术的发展最有效的驱动力是市场应用需求，相信随着市场需求的逐步明确化，可见光通信技术的还会体现其大幅的发展空间。，正像《科技纵览》2013年9月刊“LED通信的未来”一文中写道的一样：“VLC技术的应用将由某位天才的产品设计者引爆，亚历山大.格雷厄姆.贝尔这位曾发明可见光电话的伟大发明家会从1880年穿越过来表达他的钦佩，今天所有从事VLC技术研究的科研人员也会表示感谢，产业界则会欢呼——创造财富神话的时代终于来了!”