國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作廣東中心 張 婧

引言

在室內(nèi)光通信方面，采用LED為光源的可見光通信對人眼睛的傷害較小，同時能夠達到10W以上的光照功率，使室內(nèi)通信獲得較高的信噪比。但實際應(yīng)用該技術(shù)時，想要得到均勻的光照度和實現(xiàn)高速率通信，還要做好LEDs的選擇，并加強系統(tǒng)信號調(diào)制。因此，還應(yīng)加強對室內(nèi)可見光通信LEDs選擇及調(diào)制技術(shù)的分析，確保該技術(shù)優(yōu)勢得到充分發(fā)揮。

1.室內(nèi)可見光通信技術(shù)

在白光發(fā)光二極管照明技術(shù)取得快速發(fā)展的同時，無線光通信技術(shù)也隨之發(fā)展，促使室內(nèi)可見光通信技術(shù)得以誕生。采用該技術(shù)，能夠利用可見光通信發(fā)射系統(tǒng)滿足室內(nèi)照明和通信需求，使通信強度與光照度成正比，保證室內(nèi)光照度得到均勻分布，同時提供良好通信。相較于其他技術(shù)，該技術(shù)擁有較高發(fā)射功率，同時能夠節(jié)約能源，因此得到了廣泛的應(yīng)用。室內(nèi)可見光通信技術(shù)的核心，在于可見光通信發(fā)射系統(tǒng)。從系統(tǒng)組成上來看，室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)由發(fā)射端、輸出端、基帶調(diào)制、基帶解調(diào)、驅(qū)動電路、光電轉(zhuǎn)換、LED陣列和接收檢測器構(gòu)成。在系統(tǒng)工作時，數(shù)據(jù)將由發(fā)射端輸入，經(jīng)過調(diào)制后進入驅(qū)動電路。電路會以較高頻率進行電流調(diào)整，利用電流強度變化進行信號強弱調(diào)節(jié)。經(jīng)過LED陣列，電信號將被轉(zhuǎn)換為光信號發(fā)射。利用接收檢測器，可以對輻射的光信號進行接收，然后通過光電轉(zhuǎn)換獲得相應(yīng)的電信號。經(jīng)過解調(diào)后，可以進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的輸出。

2.室內(nèi)可見光通信LEDs選擇

2.1 LEDs選擇問題的提出

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，LED作用即照明。按照國際照明標(biāo)準(zhǔn)，辦公室內(nèi)桌面光照度應(yīng)在300lx-1500lx范圍內(nèi)，照明度分布越均勻越好，可以為人提供相對舒適的環(huán)境。相較于大功率單燈珠，小功率多燈珠照明更加均勻，即LEDs。但是，伴隨著燈珠的增多，由于各燈珠到接收端距離存在差異，所以會產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)碼間干擾ISI。因此在采用室內(nèi)可見光通信技術(shù)時，需要完成LEDs的科學(xué)選擇，才能實現(xiàn)LED陣列合理布局。而在實際選擇時，在不同的室內(nèi)場景下采用可見光通信技術(shù)，由于通信LED單元和接收端距離差距大小不同，所以受到的碼間干擾大小不同，還要實現(xiàn)不同的LEDs選擇?，F(xiàn)階段，針對室內(nèi)可見光通信技術(shù)，可以劃分為單終端和多終端兩種場景，需要完成各自場景下的LEDs選擇。

2.2 單終端場景下的選擇

在單終端場景下，可以進行位置較近的LED選擇，以便獲得更大的有用照明功率。同時，也應(yīng)當(dāng)盡量減小LED與接收端間的距離，以便通過減小干擾提高通信質(zhì)量。在實際選擇時，可以采用有效比閾值的方法。從信號通信角度來看，每路信號存在積極和消極內(nèi)容，比值為信號有效比，存在對應(yīng)的閾值。各路信號由于擁有不同的光程差，達到接收端花費的時間不同，所以積極和消極成分存在一定差異，導(dǎo)致對應(yīng)的有效比閾值存在差別。利用式（1），可以對LEDs單元有效比VRi進行計算。式中，di指的是單元與接收端距離，post是信號積極部分，nega為消極部分，t0為單元到接收端第一個光路信號到達時間，ti則為第i個光路達到時間，T和c為系數(shù)[1]。根據(jù)有效比大小，可以確定各LEDs單元參與通信與否。在有效比超出閾值的情況下，單元參與通信，否則不參與。由此可知，將有效比閾值設(shè)置的較小，更多的LED單元將參與通信，促使ISI提高，導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比下降。設(shè)置較大的閾值，則會減少LED單元數(shù)量，降低信號有用功率，同樣也會導(dǎo)致系統(tǒng)信噪比下降。因此對于單終端的室內(nèi)場景來講，想要獲得較好的信噪比，還要完成合適的有效比閾值選取。實際采用該方法進行LEDs選擇時，可以根據(jù)用戶所在位置進行有效比閾值的列舉，然后進行最佳信噪比的選擇。

2.3 多終端場景下的選擇

在多終端場景下，采用單終端的LEDs選擇方法，難以實現(xiàn)有效比閾值方案的一一列舉。因為在不同位置，不同終端有效比閾值不同，選取的LEDs也不盡相同，不同終端用戶之間通信會發(fā)生干擾，因此難以得到最終的統(tǒng)一結(jié)果。針對這一情況，還要完成適合多個終端同時通信的LEDs選擇，即確保所有用戶通信誤碼率不超出10-6，并且各用戶最小信噪比至少達到13.6dB。采用基于進化算法的LEDs選擇方法，可以完成所有終端中信噪比最小用戶的最佳LEDs狀態(tài)矩陣K*查找。如式（2）所示，矩陣K的因子為ki，用戶數(shù)為N。利用該目標(biāo)函數(shù)，可以實現(xiàn)全局近似最優(yōu)解的求解。

采用該方法，其實是對生物進化過程中的自然選擇和遺傳機制進行模擬，是趨于全局優(yōu)化的概率搜索算法，將擁有良好適應(yīng)性的個體保留下，將差的個體淘汰，確保好的個體向后代遺傳特性。為適應(yīng)環(huán)境，個體將產(chǎn)生發(fā)生變異的概率。經(jīng)過迭代，將得到優(yōu)良群體。在選擇LEDs，LED的狀態(tài)矩陣為個體，即優(yōu)化對象，不同個體擁有不同LED通信狀態(tài)模式。狀態(tài)矩陣因子則為個體等位基因，其長為LED單元個數(shù)。種群為個體結(jié)合，在分析過程中可以設(shè)定種群規(guī)模固定，從而使優(yōu)化過程得到一定程度的簡化。為從群體中進行遺傳個體的選擇，同時降低算法復(fù)雜性，可以采用輪盤方法選擇算子，即根據(jù)個體適應(yīng)度與種群其他個體適應(yīng)度和比值進行個體選擇。采用單點交叉方法，可以對個體等位基因進行交叉，完成個體變異操作[2]。為終止算法，需要預(yù)先完成總進化代數(shù)的設(shè)定。

3.室內(nèi)可見光通信的調(diào)制技術(shù)

在室內(nèi)可見光通信方面，除了LED列陣布局為重點，還要加強數(shù)據(jù)調(diào)制。因為想要實現(xiàn)LED驅(qū)動，需要對原始二進制比特流進行預(yù)處理和編碼調(diào)制，才能將電信號轉(zhuǎn)化為光信號。而目前室內(nèi)采用的白光LED等LED調(diào)制帶寬通常不超出10MHz，導(dǎo)致系統(tǒng)傳輸速率受到了較大限制，因此還要加強調(diào)制技術(shù)研究。

3.1 正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)

在室內(nèi)可見光通信方面，正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，可以獲得較高的頻譜效率，同時降低信號復(fù)雜度。采用該技術(shù)，可以利用相互正交數(shù)字濾波器進行信號調(diào)制，無需進行信號復(fù)數(shù)轉(zhuǎn)換或借助調(diào)制器等完成信號調(diào)制。室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)復(fù)雜度較低，適用于采用該種調(diào)制技術(shù)。從技術(shù)原理上來看，采用該技術(shù)可以結(jié)合原始采樣周期信號進行調(diào)制信號獲取，即將整形濾波器信號和正交濾波器信號相加。經(jīng)過光信道傳輸后，可以得到與濾波后信號相匹配的信號。將原始信號進行符號周期編碼，則能得到復(fù)數(shù)信號，然后實現(xiàn)信號序列采樣分析。通過插入0，則能完成頻譜多次延拓，實現(xiàn)信號同相正交分量的分離，最終得到調(diào)制信號。采用該種調(diào)制技術(shù)，能夠降低信號計算復(fù)雜度，并且能夠利用簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)信號調(diào)制，滿足室內(nèi)可見光通信需求[3]。現(xiàn)階段，在可見光通信領(lǐng)域，采用該種調(diào)制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)可見光通信速率的大幅度提升，在50m范圍內(nèi)可以達到1.8Gbit/s可見光傳輸速率。聯(lián)合采用非線性后均衡技術(shù)，則能將速率提升至4.5Gbit/s。因此在室內(nèi)可見光通信方面，采用該種調(diào)制技術(shù)可以滿足通信速率要求。

3.2 自適應(yīng)多載波調(diào)制技術(shù)

自適應(yīng)多載波調(diào)制技術(shù)為新型高效調(diào)制編碼技術(shù)，在室內(nèi)可見光通信中應(yīng)用可以對多徑干擾進行抵抗，保證室內(nèi)受干擾的通信信號得到可靠接收，所以能夠使信號頻帶利用率得到提高。在做出不同LEDs選擇后，采用該技術(shù)也能將高速串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為低速并行數(shù)據(jù)，將各單元信號調(diào)制到各子信道上，保證各信道帶寬不超出要求。采用該技術(shù)，能夠使信號脈沖寬度得到有效擴展，所以能夠?qū)Χ鄰剿ヂ溥M行抵抗。采用該技術(shù)在信號接收時實現(xiàn)正交信號分離處理，也能使信道間的碼間干擾得到減小。而采用傳統(tǒng)頻分復(fù)用技術(shù)，在各子載波間，應(yīng)保持一定的頻率間隔，以免發(fā)生串?dāng)_，因此將導(dǎo)致系統(tǒng)頻率利用率低下。采用自適應(yīng)多載波調(diào)制技術(shù)，可以利用數(shù)字信號處理算法完成載波生成和接收，可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)得到簡化，所以能夠更好的滿足室內(nèi)光通信需求[4]。在信號調(diào)制的過程中，采用該技術(shù)將利用自適應(yīng)比特功率加載算法，結(jié)合系統(tǒng)發(fā)射二進制相位信號估算載波的信噪比，然后實現(xiàn)比特分配。利用差分接收機，則能對采集的數(shù)據(jù)進行同步解調(diào)，完成信號誤碼率的計算。針對白色LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)，采用該技術(shù)在1.5m空間內(nèi)進行信號傳輸時，可以達到2Gbit/s傳輸速率。

4.結(jié)論

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)可見光通信技術(shù)應(yīng)用時，還應(yīng)完成LEDs的合理選擇，才能保證室內(nèi)光照度均勻。在此基礎(chǔ)上，想要確保室內(nèi)通信良好，還要加強調(diào)制技術(shù)的應(yīng)用。因此，通過加強對系統(tǒng)LEDs選擇和調(diào)制技術(shù)的研究，能夠為室內(nèi)可見光通信技術(shù)的應(yīng)用推廣提供良好的技術(shù)支撐。