浅析可见光通信技术

关注:361 发表时间:2017-09-14 09:31:16
随着智能设备的高速普及、用户量迅速增加和人们对高速宽带多媒体通信的需求,导致无线接入网频谱资源紧张,加之电磁辐射干扰等因素的局限,以及光载无线通信(RoF)技术的不成熟,使传统接入网技术演绎深刻革命性的变化,从而产生一种拓宽频谱的资源,通过绿色节能的LED灯为传输基站的通信方式,人们称其为可见光通信(visible light communication,VLC)。
   利用可见光传输信息及数据的技术,其核心技术则是在实现三网融合基础上,将芯片模块加在LED灯的电路中,便有了无线路由器、通信基站和GPS等功能的全新无线通信的传输方式。和传统技术相比,其可利用的带宽、安全性和私密性极高,无电磁干扰,也不需频段许可授权,就能以低成本实现高带宽且高速率地进行无通信的接入。同时也有很好的空间复用性,大面积地拓展网络覆盖面,也是对射频技术进行很好的补充,完全可以满足下一代新型多媒体通信的要求,正是这种历史背景促成可见光通信技术的产生与发展。
   1. 可见光通信技术在国内外的发展现状
   1.1. 国外
   1.1.1 日本
   2000年,日本庆应大学和SONY研究所提出以LED照明灯作为通信的基站,在室内进行信息无线传输的构想。Tanaka与Komine等人于2002年正式提出电力线的载波通信与LED可见光通信融合的数据传输系统。2003年经中川倡导建立可见光通信联合体, NEC、SONY等研究单位和企业共同参与。在2008年东京国际电子展上,太阳诱电株式会社***展出LED光通信产品的样机。
   1.1.2 欧美
   2009年,美国加州大学和***实验室共建UC-Light,任务是开发基于LED照明高速通信与定位的系统。2010年,德国弗劳恩霍夫研究所的团队将通信速率提高至513Mbit/s创造世界纪录。2011年,爱丁堡大学哈拉尔德·哈斯演示带有信号处理技术的LED灯把高清视频传输上电脑,并将可见光通信称为“LiFi”。2013年,他的团队展示首台产品,演示直播伦敦市长的讲话。同年,英国众多高校的科研人员把离线速率刷新到10Gbit/s。
   1.2. 国内
   2006年,北京大学提出“基于广角镜头的超宽视角可见光信号接收”方案,并在可见光通信和无源光网络(PON)融合接入中的物理层、链路层以及传输层等方面进行探索研究。2008年,暨南大学研制出国内首台白光LED光通信样机,传输距离在2.5米以上。2011年,***863计划部署了可见光通信技术的研究,经两年的科技攻关,在调制带宽的拓展、实时传输的速率和融合网络的架构等方面取得重要的研究成果。2012年,解放军信息工程大学成功研发了可见光通信相关技术的点播电视业务、近场通信和新型无线广播,以及在矿下可应用此技术进行通信和定位。2013年,复旦大学研发出3.75Gbit/s离线数据传输的速率,创造世界纪录。成功实现实时速率达到150Mbit/s的可见光传输系统,预计将在今年实现实时速率达到450Mbit/s。
   2. 技术研究与发展趋势
   2.1. 工作原理与系统优势
   2.1.1 工作原理
   可见光通信技术的数字传输中,最基本的信号就是‘1’和‘0’,如果我们将灯光打开状态设定为‘1’,灯光关闭状态设定为‘0’,那么通过灯光的开关就可以实现数字信号的传输,利用LED发出人眼无法看到的高速明暗闪烁的信号来传递信息,它每秒可闪烁数百万次,其二进制数据被快速编码成灯光信号进行传输,通过光敏传感器接收信号。如果将已有灯(灯遍布各个角落)植入一颗芯片,就成为类似AP(Wi-Fi热点)的终端随时都能接入网络。在条件足够的情况下,灯可用有线的方式接入骨干网络,让室内的所有设备都能进行无线通信接收。
   2.1.2 系统优势
   可见光通信技术可作为移动系统的重要通信补充的接入手段,频率资源非常丰富,可缓解用户应用无线频谱的紧张,在电磁受限环境或对电磁信号敏感的条件下可自由使用该系统,弥补了电磁覆盖范围的不足。
   图1为可见光通信系统,是用LED照明设备代替无线局域网的基站,不用再添加任何新的基础设施,而且非常安全对人体无电磁辐射的损害。只要在LED照明的范围内则可实现持续且高速的数据传输,可达到每秒数十兆甚至数百兆的速率,其光谱比无线电频谱要宽一万倍。
   另外,可见光通信系统的防泄密性极高,只要拉上遮光的窗帘,信息就不会泄漏到光照以外的地方。
   图1可见光通信系统图
   2.2. 关键技术与技术特点
   2.2.1 关键技术
   当前,可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术:
   (1)自动切换技术:在可见光通信系统中,当接收端从其中一个基站转移到另一个基站的时候,需接收端自动切换,切换的操作既要能够识别新的基站,又要可以将信令的信号分派到新的基站信道上面。研发人员须指定一个启动切换最恰当的信号强度,选择合适的切换时间点可避免不必要的频繁切换,同时也能保证在因信号弱且通信中断之前完成必要的切换。所以,基站在准备切换之前必须先对信号监视一段时间来进行信号能量的检测,并由接收端辅助切换完成。


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