基于白光LED的无线通信技术

2015-2016学年第一学期

《通信系统引论》

结课论文

题目：基于白光LED的可见光无线通信技术 班级： 电气合1203 学号： 3612XXX318 姓名： XXX

2015年12月31日

一、引言

可见光无线通信又称“光保真技术”，英文名LightFidelity（简称LiFi）是一种利用可见光波谱(如灯泡发出的光)进行数据传输的全新无线传输技术。随着无线通讯的普及，一些场所不适合使用无线电通讯，以及处于对电磁波对人体健康影响的考虑，开发一种新载体的无线通信技术对现有的无线电通信技术作为补充是有必要的。

随着大功率白光LED的出现，大量的白光LED被用作照明光源。LED照明光源以其低功耗、易调制的优点使可见白光成为一种优秀的信息载体。

二、概述

1、基本特点

可见光无线通信技术相较于传统无线通信技术有以下优点：

(1)可见光通信使用方便快捷。 尤其是室内可见光通信中，用作通信的光源一般也做照明用，安装简易，不会带来较多的麻烦。安装在室内任何地方都可以，可以很方便的实现无线传输。

(2)可见光通信对人体没有影响，不会对人体造成伤害。 由于其用于通信的信号光源就是平常用作照明的光源，属于绿色通信，使用起来较为安全。

(3)信号光源发射功率高。 基于对人眼和身体的安全考虑，普通无线光通信和射频通信对发射功率都有一定的限制。

而在可见光通信中， LED 光源跟自然光一样，对发射功率没有限制。因此可得到较高的发射功率。

(4)无电磁干扰。 像医院、飞机上和空间站等，这些场合对电磁干扰有严格的限制，一般的射频通信无法达到此要求，可见光通信无电磁干扰，能够较好的应用到以上场所。

(5)不受无线电频谱管制。

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然而可见光通信技术也因其传播媒介的因素，也存在着一些问题： (1)可见光通信技术是一种视距宽带通信技术，其传输距离与信号质量之间关系成反比。当传输距离超过一定的数值后，波束会变宽以至于难以被接收点正确接收。

(2)由于实际应用空间中，环境复杂，光线在空间中的传播路径多样化，传播路程各不相同，可能会导致不同路径的光线之间相互干涉，影响传输效果。

(3)可见光通信技术对天气及室内环境较为敏感。

随着白光 LED 的发明及应用，可见光通信技术得到了良好的发展，特别是室内可见光通信技术的应用。

2、研究背景

我国是世界的第二大发电大国，同时也是第二大电能消耗国，光照明用电量就己超过 1500 亿千瓦时， 用于第四代绿色照明的白光 LED 在节约能源的同时，更为高速、宽带的光无线接入提供了一种新途径，也为解决现有无线电频带资源严重有限的困境提供了一种新思路。

基于白光LED的可见光无线通信技术是建立在白光基础上的，与传统的射频通信相比，可见光无线通信不用申请频谱证，也没有电磁波千扰。并且由于其是可见光，在室内用作通信时也可用于照明，在不影响照明的情况下可以实现通信。目前来说，已经实用化的照明设备当中，荧光灯的废气对环境造成一定的污染，并且使用年限不长，寿命较短且不易调制。白炽钨丝灯泡耗电量高，易碎。高压钠灯灯耗电量高，效率低且使用寿命短。随着白光LED成本日益降低，其在日常照明设施中占有愈来愈多的份额，是实现可见光通信技术的最佳选择。

三、基本结构

基于白光LED的可见光通信系统，是利用白光发光二极管等发出的高频闪烁信号来传输信息的，将经过调制的因特网信号通过LED发射出去。该系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要信号线缆连接。利用专用的、 能够接

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发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载网络数据。 下图是基于白光LED的可见光无线通信系统组成框图及系统示意图。

可见光通信系统组成框图

白光LED可见光通信系统示意图

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可见光通信技术作为一种无线的光通信方式，其系统包括下行链路和上行链路两部分。下行链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱动调制电路。

下行链路由发射模组和接收模组两部分构成。其发射模组主要由白光 LED 光源和相应信号处理单元组成。白光 LED 光源以很大的发射角发出调制光向空间中各个方向传播。 由于室内几乎不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗。但是由于 LED光源个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起码间干扰(ISI)。由于白光 LED 光源发出的是可见光，且发散角较大，对眼睛几乎没有影响，因而可以通过提高光源的发射功率以提高系统的可靠度。

发射模组

该系统的接收部分主要由光电检测器和相应信号处理单元组成。室内的光信号被光电检测器转换为电信号，然后对电信号进行放大、滤波、解调处理恢复成正常的因特网信号。

接收模组

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该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光 LED组成，只不过发射面积较小，且具有较小的发射角(光束经过简单准直，类似于手电筒)，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。

按照上述结构配置，就可以组成一个全双工可见光无线通信系统。 由于白光 LED 的亮度很高，且信号调制速率远高于人眼所能识别的24帧的频率，因而人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。故此，在白光LED可见光无线通信系统中，白光 LED 可兼具通信与照明的双重功能。

四、关键技术

1、室内光源的布局

实际应用中，由于各个房间的空间布局、大小多种多样，因而要使通信效果达到最优，须使房间内的光强分布均匀，也应尽量避免通信盲区(光照射不到的区域)的出现。要达到这个目的，必须根据不同的房间，合理的安排LED光源的布局。就具体房间具体分析布局方案。

2、消除码间干扰技术

在可见光无线通信系统中，安装在天花板上的LED灯通常是由多个发光LED 的阵列组成，因而具有较大的表面积。另一方面，为了达到较好的照明和通信效果，防止“阴影”影响，一个房间通常安装多个LED灯。不同的光信号到达接收机会产生码间干扰(ISI),极大地降低了系统的性能。针对可见光无线通信系统中码间干扰(ISI) 的起因不同，主要采用以下方式来削弱码间干扰：运用部分响应技术、采用均衡滤波器、采用正交频分复用技术（OFDM）技术等。

3、高灵敏的接收技术

在LED可见光通信系统中，存在着强烈的背景噪声及电路固有噪声的干扰，同时随着传输距离的加大，接收机接收到的信号十分微弱，常常会导致接收端信噪比小于 1。为了精确地接收信号，需要选择灵敏度高、响应速度快、噪声小的

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新型光电探测器；对所接收的信号进行前置处理，需采用高效的光滤波器，以抑制背景杂散光的干扰，对信号进行整形和去噪声。为了有效抑制噪声，接收滤波器常要求具有窄带滤波特性。可是，在可见光无线通信系统中，信号能量与噪声一同分布在整个可见光谱中，这样一来信号光和噪声将同时被滤除，达不到真正滤去噪声的目的，滤波后的光信号的信信号的信噪比依然很低。所以，要实现高灵敏接收，更重要的是研究新的滤波技术及新型滤波器，比如匹配滤波、特殊光栅滤波器等。

4、自动切换技术

在室内 LED 可见光无线通信系统中，当接收机从一个基站(房间)移动到另一个基站时，需要接收机能够自动切换。切换操作既要能识别一个新基站又要将信令信号分派到新基站的信道上，设计者必须指定一个启动切换的最恰当的信号强度，选择恰当的切换时间以避免不必要的切换，同时保证在由于信号太弱而通信中断之前完成必要的切换。因此，基站在准备切换之前先对信号监视一段时间来进行信号能量的检测，这需由接收机辅助切换来完成。

五、总结

白光 LED 室内无线通信，是一种新兴的无线光通信技术。国内对白光 LED 应用在无线通信中起步较晚。制约白光LED 室内无线通信系统性能的因素很多，本文的研究工作虽然已考虑了很多因素，但也只是其中的一部分。要想更全面地进行系统分析，就必须建立更完善的系统模型，通过更深入地分析才能实现。所以，本论文的研究工作仍有一些不足之处需进一步的研究和改善。作者认为基于

1)将正交频分复用技术（OFDM） 调制技术应用到白光 LED 光通信中具有良好的发展前景。在有线信道下， 正交频分复用技术（OFDM）应用已经十分成熟，但将其应用到白光 LED光通信系统，还需解决数据同步、接收端信号检测等问题，设置出一种使用于白光LED光通信的正交频分复用技术（OFDM）调制和解调方案硬件系统。

2)对LED可见光信道进行深入分析。可见光通信系统具有与红外无线通信

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不同的信道冲激响应，这两种系统中引起码间干扰（ISI）的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的可见光通信系统的信道冲激响应和不同光路径引起的 ISI 作深入研究，从而解决码间干扰（ISI）的影响。

3)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路况。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初始阶段，白光 LED就照明而言具有较大的优势，也具有巨大的发展潜力，它是一种绿色、节能的照明光源。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。另外，白光LED无线光通信系统在未来5G通信网络中扮演非常重要的角色，从而得到迅速的发展。

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参考资料

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/gtzr.html