20世紀(jì)90年代后期，隨著全光接入技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)高速無線寬帶通信的要求，一種信息容量大和部署靈活、維護(hù)方便、安全保密的無線光通信技術(shù)，得到了人們的極大關(guān)注，它為無線寬帶接入的快速部署提供一種靈活的解決方案，其應(yīng)用范圍已從軍用和航天領(lǐng)域邁入民用領(lǐng)域。

　　近幾年來，被譽(yù)為“綠色照明”的半導(dǎo)體(LED)照明技術(shù)發(fā)展迅猛，利用半導(dǎo)體(LED)器件高速點(diǎn)滅的發(fā)光響應(yīng)特性，將信號(hào)調(diào)制到LED可見光上進(jìn)行傳輸，使可見光通信與LED照明相結(jié)合構(gòu)建出LED照明和通信兩用基站燈，可為光通信提供一種全新的寬帶接入方式。

　　1 LED可見光無線通信的現(xiàn)狀

　　LED可見光無線通信分室外通信和室內(nèi)通信兩大類。

　　室外LED可見光無線通信技術(shù)目前主要應(yīng)用在智能交通系統(tǒng)(ITS)中，香港大學(xué)G.Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示燈為車輛傳輸語音廣播信號(hào)，將語音信號(hào)通過OOK調(diào)制加至LED光源，實(shí)現(xiàn)了低速的無線LED可見光傳輸。日本KEIO大學(xué)Kitano等人在2003年提出了LED公路照明通信系統(tǒng)。Pang等人只對(duì)利用LED交通燈進(jìn)行語音傳輸展開研究，Kitano等人只在LED公路照明通信系統(tǒng)中分析了在不同的接收方向角和視場(chǎng)角下信噪比的好壞，以及在一定誤碼率下信噪比和接收數(shù)據(jù)率的關(guān)系，認(rèn)為L(zhǎng)ED可見光公路照明通信系統(tǒng)優(yōu)于紅外公路交通通信系統(tǒng)。

　　隨著智能交通系統(tǒng)研究的深入，又出現(xiàn)了LED交通燈、汽車前后LED燈之間構(gòu)成的交通燈至汽車和汽車前燈至汽車尾燈這兩類可見光通信系統(tǒng)。Okada等人提出利用二維LED陣列組成發(fā)射機(jī)和二維圖像傳感器組成接收機(jī)，來構(gòu)成并行LED可見光通信系統(tǒng)，并利用接收?qǐng)D案的空間頻率分量特征對(duì)車輛進(jìn)行定距。Wook和Komine等人對(duì)交通燈至汽車的LED可見光通信系統(tǒng)進(jìn)行了分析后，認(rèn)為在系統(tǒng)中采用二維圖像傳感器的接收機(jī)性能優(yōu)于采用雪崩光敏二極管的接收機(jī)，并指出在一定條件下一盞交通燈最佳的LED單元燈數(shù)目是50×50。

　　室內(nèi)LED可見光無線通信技術(shù)主要應(yīng)用在室內(nèi)無線寬帶接入網(wǎng)中，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)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。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(ISI)和多徑效應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的兩大因素。2001年，Tanaka等人在原來的基礎(chǔ)上分別采用OOK-RZ調(diào)制方式與0FDM調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在100Mpbs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100Mpbs時(shí)，0FDM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可見光無線通信系統(tǒng)展開了具體分析，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等提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，以SC-BPSK調(diào)制方式進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，結(jié)果表明：系統(tǒng)在數(shù)據(jù)率為1Mbps條件下是可行的。同年，Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對(duì)LED可見光無線系統(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：8-PPM調(diào)制方式性能最佳。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)。

　　2003年以后，Komine等繼續(xù)對(duì)LED單元燈的設(shè)計(jì)布局、可見光傳播信道(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)性能的影響等展開研究，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，NTT公司的Douseki提出了光能LED無線通信系統(tǒng)，LED光既作為數(shù)據(jù)傳播的載體又作為能量源給系統(tǒng)供電。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)來克服ISI，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碼間干擾(ISI)。

　　2 LED可見光無線通信的關(guān)鍵技術(shù)

　　LED可見光無線通信系統(tǒng)分為發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分包括：信號(hào)輸入和處理電路、LED可見光發(fā)射系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)電路。接收部分包括：接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測(cè)器、信號(hào)處理和輸出電路。LED可見光無線通信主要包括以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：

　　(1)光信號(hào)接收技術(shù)。在LED可見光通信系統(tǒng)中，存在著強(qiáng)烈的背景噪聲及電路固有噪聲的干擾，同時(shí)隨著傳輸距離的加大，接收機(jī)接收到的信號(hào)十分微弱，常常會(huì)導(dǎo)致接收端信噪比小于1。為了精確地接收信號(hào)，需要有選擇靈敏度高、響應(yīng)速度快、噪聲小的新型光電探測(cè)器;對(duì)所接收的信號(hào)進(jìn)行前置處理，需采用高效的光濾波器，以抑制背景雜散光的干擾，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形和去噪聲。

　　(2)調(diào)制、編碼以及解調(diào)技術(shù)。目前LED可見光無線通信系統(tǒng)大多采用強(qiáng)度調(diào)制(IM)的直接檢測(cè)(DD)非相干系統(tǒng)，編碼方式大多為二進(jìn)制OOK(開關(guān)鍵控)編碼。在實(shí)際光通信系統(tǒng)中，曼切斯特編碼的性能優(yōu)于OOK編碼;此外，二進(jìn)制OOK編碼通過光學(xué)鏈路一次只能發(fā)送一個(gè)比特，但比特流的傳送也可以以組的形式發(fā)送而不是一次一個(gè)，因此可采用光學(xué)組編碼形式如脈沖位置調(diào)制(PPM)來達(dá)到更高的發(fā)送速率，但PPM系統(tǒng)在解碼時(shí)對(duì)時(shí)鐘同步性要求較高。

　　(3)碼間干擾克服技術(shù)。在室內(nèi)LED可見光通信系統(tǒng)中，LED光源具有較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角，光線分布在整個(gè)房間。OOK編碼器輸出的矩形脈沖在傳播過程中，由于LED單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導(dǎo)致了不同的傳輸延遲，光脈沖會(huì)在時(shí)間上延伸，每個(gè)符號(hào)的脈沖將加寬延伸到相鄰符號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)，產(chǎn)生碼間干擾(ISI)，導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。通過可控的方式將ISI引入發(fā)射信號(hào)，采用抗擾動(dòng)濾波器的相關(guān)電平編碼，可降低ISI的影響。

　　(4)自動(dòng)切換技術(shù)。在室外LED可見光無線通信系統(tǒng)中，當(dāng)接收機(jī)(如汽車)從一個(gè)基站燈移動(dòng)到另一個(gè)基站燈時(shí)，需要接收機(jī)能夠自動(dòng)切換。切換操作既要能夠識(shí)別一個(gè)新基站又要將信令信號(hào)分派到新基站的信道上，設(shè)計(jì)者必須指定一個(gè)啟動(dòng)切換的最恰當(dāng)?shù)男盘?hào)強(qiáng)度，選擇恰當(dāng)?shù)那袚Q時(shí)間以避免不必要的切換同時(shí)保證在由于信號(hào)太弱而通信中斷之前完成必要的切換。為了保證這一點(diǎn)，基站在準(zhǔn)備切換之前先對(duì)信號(hào)監(jiān)視一段時(shí)間來進(jìn)行信號(hào)能量的檢測(cè)，這需由接收機(jī)輔助切換來完成。高速車輛只要幾秒就駛過了一個(gè)基站燈的覆蓋范圍，切換中心很快會(huì)因?yàn)椴煌５赜懈咚儆脩粼诓煌緹糸g切換而不堪負(fù)荷，必須采用輔助切換技術(shù)減少切換中心介入切換的次數(shù)。

　　(5)無線信道傳輸技術(shù)。LED可見光無線通信系統(tǒng)的信號(hào)傳輸信道是隨機(jī)信道，LED可見光的波長(zhǎng)與大氣中的塵灰、氣體分子、大霧、雨滴的尺寸相近甚至更小，容易產(chǎn)生光的散射及吸收造成信號(hào)的嚴(yán)重衰減，陽光等背景光也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生影響。要保證在隨機(jī)信道下的正常工作，還必須對(duì)LED可見光傳輸信道作更深入的研究。目前在對(duì)室內(nèi)信道進(jìn)行分析時(shí)，都是采用Gfeller和Bapst的分析模型，將信道分成直射信道和墻壁反射信道兩部分進(jìn)行研究，但對(duì)背景光、散射等未作分析。因此建立恰當(dāng)?shù)氖彝鈧鬏斈Ｐ秃褪覂?nèi)傳輸模型將有助于對(duì)系統(tǒng)展開深入的研究。

　　(6)信道復(fù)用技術(shù)。為了使多個(gè)終端能共享一條高速信道，須采用信道復(fù)用技術(shù)。在光通信領(lǐng)域，主要有光波分多址技術(shù)(OWDMA)、光時(shí)分多址技術(shù)(OTDMA)及光碼分多址技術(shù)(OCDMA)。OCDMA是在光域內(nèi)的一種擴(kuò)頻技術(shù)，可以動(dòng)態(tài)分配帶寬資源實(shí)現(xiàn)光信號(hào)的直接復(fù)用與交換，保密性好，抗干擾能力強(qiáng)，是具有廣闊前景的多址技術(shù)。在LED可見光通信中可采用非相干OCDMA系統(tǒng)。

　　高速LED可見光無線通信系統(tǒng)還包括相應(yīng)的電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、噪聲抑制等技術(shù)。對(duì)于光通信系統(tǒng)來說，接收光場(chǎng)采用非相干檢測(cè)。由于光電檢測(cè)本質(zhì)上是隨機(jī)性的，在建立光探測(cè)器的輸出模型時(shí)，電子釋放時(shí)間、電子計(jì)數(shù)以及增益都是隨機(jī)變量，這種過程是散彈噪聲過程，接收機(jī)噪聲通過獲得散彈噪聲極限的條件來克服。

　　3 LED可見光無線通信的發(fā)展趨勢(shì)

　　LED可見光無線通信，現(xiàn)階段主要應(yīng)用在室內(nèi)局域網(wǎng)和智能交通系統(tǒng)中，未來LED可見光無線通信技術(shù)將向以下幾方面發(fā)展。

　　(1)室內(nèi)LED可見光通信采用OFDM調(diào)制技術(shù)、CDMA接入技術(shù)及分組編碼技術(shù)具有良好的發(fā)展前景，但采用OFDM調(diào)制技術(shù)時(shí)，幅度不斷變化的OFDM信號(hào)工作在大信號(hào)幅度時(shí)可能會(huì)驅(qū)動(dòng)功放進(jìn)入非線性區(qū)產(chǎn)生失真。其次，目前LED燈分多芯片和單芯片兩種，采用OFDM調(diào)制技術(shù)、CD-MA接入方式下采用何種芯片能達(dá)到更高的傳信率和更少的誤碼率還有待研究。還有目前LED可見光無線通信系統(tǒng)研究主要是針對(duì)下行鏈路，系統(tǒng)上行鏈路研究還有待深入。

　　(2)由于LED照明基站燈安裝在天花板、公路兩旁或交通樞紐上，鋪設(shè)新的通信電纜成本太高，如與電力線載波通信結(jié)合在一起，利用電力線來傳輸通信信號(hào)可大幅降低投資成本。在日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已得到了廣泛應(yīng)用，南京聯(lián)通也在一些小區(qū)里開通了10M帶寬的電力線上網(wǎng)業(yè)務(wù)。LED可見光無線通信與電力線載波通信相結(jié)合將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。

　　(3)LED可見光無線通信技術(shù)可為城市車輛的移動(dòng)導(dǎo)航及定位提供一種全新的方法。汽車照明基本上都采用LED燈，將光接收機(jī)安裝在道路邊或汽車上，組成汽車至交通控制中心(連接著道路邊的光接收機(jī))、路燈至汽車或汽車至汽車的通信鏈路，可為夜間行駛車輛進(jìn)行導(dǎo)航、定位，并且能夠讓駕駛員即時(shí)知道各條道路的車輛流量，這也是LED可見光無線通信在智能交通系統(tǒng)中的發(fā)展方向。

　　4 結(jié)束語

　　面對(duì)用戶的迅速增加及人們對(duì)高速、寬帶的多媒體通信的需求，電磁波的可用頻帶范圍已變得越來越有限，而LED可見光無線通信使用光頻段傳輸信息具有寬廣的通信帶寬，避免了電磁干擾沖突又無需申請(qǐng)頻段使用執(zhí)照，能滿足下一代多媒體通信的要求。隨著具有節(jié)能、環(huán)保、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的LED照明燈的普及，以及各種關(guān)鍵技術(shù)的不斷進(jìn)步和完善，LED可見光無線通信有望成為新的通信傳輸方式及下一代室內(nèi)無線通信技術(shù)。是一個(gè)有待大力進(jìn)行研究并具有極大應(yīng)用價(jià)值的領(lǐng)域。