倪獻明

（杭州昱華科技有限公司，杭州 311422）

可見光通信是一種新型技術(shù)，其憑借發(fā)光二極管（也即LED）通過光線在強度方面的變化，可以傳遞信息，所以該項技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)照明與信息傳輸?shù)碾p重目的，值得大力推廣，被應(yīng)用在日常生活領(lǐng)域。

1 概述

1.1 可見光通信系統(tǒng)

可見光通信屬于無線光通信的范疇，一共由兩部分組成，一是發(fā)射部分，二是接收部分，對于發(fā)射部分而言，這部分的光源多采用LED，而對于接收部分而言，這部分的光源采用的是光電二級管PIN[1]。伴隨著用戶對通信需求的不斷變化，可見光通信的應(yīng)用前景日益廣闊，且因其獨特的優(yōu)勢，贏得了廣大用戶的青睞，具體來講，較之傳統(tǒng)的通信方式，可見光通信有以下優(yōu)點：第一，在使用過程中不會產(chǎn)生輻射，能夠為用戶的身體健康提供可靠性保障；第二，使用白光LED，其自帶的高能量能夠延伸原有的信號覆蓋范圍，增加通信面積；第三，發(fā)射功率較高；第四，無需提前辦理無線電頻譜證；第五，不會產(chǎn)生電磁干擾；第六，就LED 本身而言，這種構(gòu)件單體體積較小，所以還具有便于安裝的優(yōu)勢；第七，兼具使用壽命產(chǎn)于能耗較少的優(yōu)點，且在低壓供電下也能穩(wěn)定運行，能夠有效減輕電網(wǎng)輸送電壓力。

1.2 MIMO 技術(shù)

1.2.1 概述

MIMO 技術(shù)于1908年被提出，是“多輸入多輸出”的英文簡稱[2]。通常來講，若是通信過程中存在多個路徑，一般會導(dǎo)致信號衰落，給通信系統(tǒng)的正常運行帶來不便，但是基于MIMO技術(shù)構(gòu)造下的通信系統(tǒng)，多徑傳輸反而是助益其高效運行的有利因素。在應(yīng)用MIMO 技術(shù)改善通信系統(tǒng)之前，無線通信系統(tǒng)多使用的是單輸入單輸出（也即SISO 技術(shù)），不論是發(fā)射端還是接收端，都是一根天線；而在應(yīng)用了MIMO 技術(shù)之后，可以使用多根天線搭建相互獨立的信道，用以傳輸不同的數(shù)據(jù)，所以在總傳輸功率相等的條件下，應(yīng)用MIMO 技術(shù)搭建的通信信道要比單輸入單輸出的通信信道具有更大的傳輸容量，所以，基于該項技術(shù)具有信道容量、頻譜利用以及傳送性能等方面的獨特特征，MIMO 技術(shù)具有如下優(yōu)點：第一，即使不使用均衡技術(shù)與調(diào)制技術(shù)等復(fù)雜的技術(shù)，也能提升通信系統(tǒng)原有的傳輸速率；第二，即使通信系統(tǒng)的收端未處于精確對準條件，通過使用MIMO 技術(shù)，也能讓系統(tǒng)正常工作，所以從一點程度上來講也是降低實際使用難度的一種表現(xiàn)。因此，通過將MIMO 技術(shù)應(yīng)用在通信系統(tǒng)中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的分工運行，也即由收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)負責映射，由硬件電路負責指向與跟蹤；也能及時關(guān)閉微小區(qū)的光源，降低功耗；還能巧用發(fā)射機陣列，使其發(fā)揮最大的效用，發(fā)射相異的數(shù)據(jù)流，增加系統(tǒng)容量。所以在通信系統(tǒng)中應(yīng)用MIMO 技術(shù)，既有其必要性，也有其可行性。

1.2.2 應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

將MIMO 技術(shù)應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中，需要注意以下幾點關(guān)鍵技術(shù)：第一，光源選擇。光源選擇方面，因為不同光源在光功率、光照度以及輻射強度等性能方面都有所差異，而這些差異對光通信系統(tǒng)會產(chǎn)生直接的影響，所以MIMO 技術(shù)的應(yīng)用，首當其沖要關(guān)注的技術(shù)要點便是光源的選擇，也只有擇出恰當?shù)墓庠?，方能讓光功率保持在適當?shù)姆秶瑸樵鰪姲l(fā)射信號這一能力提供支撐；第二，光源布局。光源布局也會影響通信系統(tǒng)的性能，所以需要巧妙的設(shè)計光源的布局，以便達到可見光通信與室內(nèi)光照明的雙重目的；第三，除上述兩項技術(shù)之外，諸如LED 燈的數(shù)量、接受視角（也即FOV）和碼間干擾（也即ISI）等問題也不容忽視[3]。

2 非成像型MIMO 技術(shù)類可見光通信

2.1 發(fā)射端設(shè)計

該類通信系統(tǒng)的發(fā)射端在設(shè)計的時候需要注意以下要點：第一，選擇信號燈。最適宜這類通信系統(tǒng)的信號燈是LED，究其原因，是LED 具有光功率-電流曲線，也即常見的P-I 曲線，出于帶寬的考慮，若想滿足通信與照明的雙重功能，選擇LED 信號燈是構(gòu)建可見光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵；第二，設(shè)計發(fā)射裝置。如前文所言，功能齊備的可見光通信系統(tǒng)由接收端與發(fā)射端兩個部分組成，所以設(shè)計發(fā)射端是完善可見光通信系統(tǒng)的應(yīng)有之義，因此借助LED 型照明燈排列發(fā)射數(shù)據(jù)信號的陣列必不可少。

2.2 接收端設(shè)計

接收端在設(shè)計時同樣需要注意兩項要點：第一，PIN。PIN管在可見光通信系統(tǒng)之中的應(yīng)用，主要是為了實現(xiàn)光信號與電信號之間的轉(zhuǎn)換，所以為了能夠?qū)⒘孔有侍嵘綐O致，一是需要減少光子發(fā)射，二是需要減少光子的吸收，三是需要讓耗盡層要足量的長度，在此思路的引導(dǎo)下，技術(shù)人員逐漸研發(fā)出了PIN 光電二級管，且因其響應(yīng)速度快、噪聲小和暗電流小的優(yōu)勢，被廣泛采用于光通信之中；第二，接收端。MIMO 技術(shù)在光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，還需設(shè)計接收端，對此，需要使用光電接收器件設(shè)計接收天線陣列，設(shè)計時天線應(yīng)當呈正方形分布，邊長應(yīng)當在0.1m左右，加之光電接收器件會產(chǎn)生微弱響應(yīng)電流，會影響檢測結(jié)果，所以還需要在此陣列的后端安裝前置放大電路，解決這一問題。

3 成像型MIMO 技術(shù)類可見光通信

3.1 發(fā)射端設(shè)計

對于成像型通信系統(tǒng)，其內(nèi)的發(fā)送機往往由白光LED 構(gòu)成，而白光LED 又必須借助藍光LED 的的作用來激發(fā)黃磷，達到生成白光的目的，加之黃磷的響應(yīng)速率較慢，所以通信系統(tǒng)的帶寬多被限制在2.5MHz 左右，所以為了將帶寬提升至預(yù)期的14MHz，就必須憑借藍色發(fā)光元件的功效，來實現(xiàn)這一目的。除此之外，在進行成像型通信系統(tǒng)發(fā)射端的設(shè)計時，要注意計算H矩陣，簡單的說，光在依賴LED 進行傳播時，矩陣中的每一個LED 都會和接收機存在視距（LOS）與漫射，然后會通過墻壁的發(fā)射進行進一步的光傳播，一般來講，漫射部分即使發(fā)揮了最大功效，也比LOS 處于最弱狀態(tài)下的接收能力低7dB，所以在設(shè)計成像型通信系統(tǒng)的發(fā)射端時，要尤為重視LOS 部分。

3.2 接收端設(shè)計

接收端設(shè)計需著重關(guān)注兩個方面，一方面是接收機，在成像型通信系統(tǒng)中，接收機一般由探測器、光學(xué)聚光元件以及前置放大器這三個部分組成，通過這三部分的配合，方能讓接收端具備應(yīng)有的功效；另一方面是需要重視信號恢復(fù)的問題，成像型通信系統(tǒng)在進行數(shù)據(jù)傳輸時，需要使用均衡器與低通濾波器將數(shù)據(jù)流結(jié)合起來，然后用此數(shù)據(jù)流與發(fā)送數(shù)據(jù)流作比，估算信噪比（BER）[4]，而之所以能夠得到這一新數(shù)據(jù)，是因為：第一，通過互相關(guān)，能夠得出發(fā)射、接收數(shù)據(jù)流兩類數(shù)據(jù)之間的時延，從而從此處著手，通過調(diào)整波形的方法，來消除時延；第二，能夠有效整合比特時間內(nèi)所能接收到的所有能量；第三，借助最大似然估計法可以找到發(fā)射的比特；第四，可以用估計值與發(fā)送的信號得出誤碼。

4 結(jié)束語

MIMO 技術(shù)在可見光通信系統(tǒng)之中的應(yīng)用，既有利于增加室內(nèi)照明的覆蓋面積和亮度，使用戶獲得良好的光照需求，也有利于提升信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性與可靠性，基于此項考慮，有必要且要意義實現(xiàn)兩者的融匯發(fā)展。