王偉雄 梁有程 廣州民航職業(yè)技術(shù)學院 廣東省 廣州市 510403

0 引言

近年來隨著通信行業(yè)的發(fā)展，其耗電量的劇增也越來越引起人們的關(guān)注。作為5G高速率移動數(shù)據(jù)交互服務(wù)的有益補充，利用新型的無線光數(shù)據(jù)傳輸方式，可見光通信已經(jīng)成為近距離無線通信的主要應(yīng)用技術(shù)之一。相較于無線局域網(wǎng)、藍牙、射頻識別等技術(shù)，在特定的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下，近距離點對點高速率VLC更適合支持安全私密業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交互。

伴隨著智能手機、PAD、i-Watch為代表的一系列移動終端設(shè)備的廣泛使用和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的大規(guī)模興起，加上人們對通信高速率、低時延需求的不斷提升，促進了無線通信的研究與應(yīng)用。同時面對物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景增多、呈指數(shù)級增長的移動數(shù)據(jù)、海量化連接設(shè)備以及各式各樣新型行業(yè)突然“上線”等諸多問題，為了盡可能匹配各級互聯(lián)終端的業(yè)務(wù)多樣性，實現(xiàn)“萬物互聯(lián)”的應(yīng)用場景，滿足更高服務(wù)性能要求的第五代移動通信已經(jīng)進入商用階段。但是無線頻譜帶寬資源日益緊張，不益于更好地滿足與日俱增的數(shù)據(jù)交互需求，結(jié)合光纖通信與移動通信兩者特點的VLC寬帶傳輸技術(shù)，已經(jīng)發(fā)展成為當前高速無線交互領(lǐng)域中一個重要研究與應(yīng)用方向，得到產(chǎn)、學、研三方面的廣泛關(guān)注。利用成本低廉的LED作為光源，在相對密閉的空間如飛機、車內(nèi)、室內(nèi)等近距離環(huán)境內(nèi)進行數(shù)據(jù)交互的技術(shù)，又被稱為光保真技術(shù)。與無線保真技術(shù)使用無線電波傳輸不同，Li-Fi是用光信號來進行傳輸，手機、電腦等移動終端設(shè)備可以通過內(nèi)置的光電接收器。

1994年JohnR.Barry發(fā)表《WirelessInfrared Com‐munications》拉開對可見光通信最早研究的序幕。家庭G比特接入計劃是構(gòu)建一種集VLC、無線通信及光纖通信于一體，并且能夠具有較高寬帶和1Gbps以上通信速率的家庭區(qū)域通信服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。2010年后一些高校及科研機構(gòu)，包含歐洲愛丁堡大學、牛津大學及美國加州大學等，也取得一定科研成果。

本文簡要介紹可見光通信技術(shù)的發(fā)展過程與應(yīng)用前景，突出說明光源布局與自適應(yīng)功率分配方法的相關(guān)研究現(xiàn)狀。在與研究工作相關(guān)的理論基礎(chǔ)方面，闡述點對點VLC的系統(tǒng)模型、光源選擇與布局、調(diào)制技術(shù)、信道估計等內(nèi)容，并且對比分析VLC系統(tǒng)中三種常用多載波調(diào)制技術(shù)的工作特點。通過測試該系統(tǒng)的傳輸速度及傳輸成功率來分析該系統(tǒng)在光傳輸當中應(yīng)用的可行性。

1 相關(guān)概念闡述

1.1 點對點VLC模型

發(fā)送端的器件由高速信號調(diào)制編碼電路芯片、調(diào)制器、LED驅(qū)動電路及白光LED發(fā)光二極管等組成，接收端主要包括光電探測器、PD驅(qū)動電路、均衡濾波電路、解調(diào)器與高速信號調(diào)制編碼電路芯片等。

1.2 可見光通信

目前，基于白光LED的可見光通信技術(shù)，是無線通信中一個重要研究方向。為了真正實現(xiàn)可見光高速通信的應(yīng)用，仍然有一些技術(shù)難題需要解決。

在可見光通信系統(tǒng)中，光源是影響系統(tǒng)通信性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，好的光源應(yīng)該具備低耗能、高亮度、光照均勻、易于調(diào)制、環(huán)保等優(yōu)點。合成白光LED具有傳輸速率快、通信效果好、發(fā)射功率高等特點，有益于符合點對點可見光通信系統(tǒng)對光源的性能要求。

隨著芯片技術(shù)的不斷發(fā)展，LED已經(jīng)進入大功率時代，小燈珠數(shù)量與發(fā)送總功率一定的情況下，需要優(yōu)化設(shè)計更加合理的光源布局，使接收平面能夠獲得有效實用的光照強度與接收功率，進而提升點對點近距離VLC通信系統(tǒng)中接收信號的信噪比。

近些年來，可見光無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，但是常用白光LED的調(diào)制帶寬最高不超過20MHz，為了充分利用點對點可見光直連數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的帶寬利用率，使得傳輸速率從幾十kbps到100Mbps甚至到G比特每秒，選擇合適的調(diào)制方式是關(guān)鍵技術(shù)之一。

1.3 信道估計

無線信道的頻率選擇性衰落會影響各子載波傳輸信號的能力，VLC信道還受到光源布局、LED與接收端PD連接差異、收發(fā)端距離與光線入射角變化等衰落因素的影響，所以對信道進行估計分析是點對點VLC系統(tǒng)高速傳輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。通過信道SNR的估計，自適應(yīng)選擇合適的比特功率分配方法，有益減輕這些衰落對系統(tǒng)通信性能的影響。

目前，信道估計主要有盲信道估計和基于導(dǎo)頻的信道估計。前者采用盲估值算法，通過自身數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅苤笜?，來實現(xiàn)對應(yīng)信道的性能估計，不需要添加導(dǎo)頻或訓練序列，具有頻譜效率高的特點，但是存在運算量大，算法復(fù)雜以及收斂速度較慢等不足。后者通過在發(fā)送端中添加相關(guān)的導(dǎo)頻序列或訓練信息，根據(jù)接收到的實時信道信息，進行信道估計。雖然導(dǎo)頻或訓練序列額外占用了部分帶寬，但是其信道估計算法具有準確快速的優(yōu)點，在點對點VLC高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，偏向采用這種相對快速靈活的方法。

1.4 OFDM高速調(diào)制技術(shù)

日本KEIO大學中川正雄教授所在的科研小組利用白光LED和光電二極管，建立了可見光通信系統(tǒng)模型，將OFDM調(diào)制方式應(yīng)用于VLC中。對無線光通信來說，多徑時延是導(dǎo)致符號間串擾存在的重要因素，會嚴重影響傳輸速率，所以O(shè)FDM被提出用于基于白光LED作為光源的可見光通信系統(tǒng)中，能夠有效降低符號間串擾。近年來，人們對高速率、低時延通信質(zhì)量需求的不斷提升，加上DSP技術(shù)的進一步發(fā)展，OFDM已經(jīng)被廣泛研究與應(yīng)用于VLC高速傳輸系統(tǒng)中。

在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，將載波信號的功率譜進行對比。單載波信號能夠完全占用信道帶寬，但是當信道發(fā)生選擇性衰落時，傳輸信號會發(fā)生重疊甚至遭到破壞；利用傳統(tǒng)的頻分復(fù)用多載波技術(shù)傳輸高速率數(shù)據(jù)時，子信道可以看成平坦慢衰落的信道，從而避免嚴重的ISI，提高頻帶利用率；若子信道的頻譜允許重疊，就形成了OFDM多載波信號，能夠進一步節(jié)省帶寬而獲得更高的頻帶效率。此外，子載波是兩兩相互正交的，頻譜雖然有重疊，但是信號只會受到較小的干擾。

OFDM系統(tǒng)原理：發(fā)送端的高速數(shù)據(jù)經(jīng)編碼映射轉(zhuǎn)變?yōu)榈退俚臄?shù)據(jù)流，分別加載到正交的子載波上，并且對各子載波上的信號進行調(diào)制處理，調(diào)制方式不固定，能夠選擇OOK、CAP、PSK、QAM等。在點對點VLC高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，子載波數(shù)據(jù)傳輸適合采用多進制的QAM或PSK，其中QAM能夠同時調(diào)制載波的幅度與相位信息，高效且便于實現(xiàn)。經(jīng)快IFFT處理后，所有并行信號合成OFDM信號，發(fā)射到光信道中。在接收端進行逆變化，恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，頻譜資源日益緊張趨勢的加重，自適應(yīng)資源分配技術(shù)獲得人們更多關(guān)注與應(yīng)用。自適應(yīng)資源分配技術(shù)是基于時變信道的狀態(tài)，根據(jù)子載波的數(shù)目，動態(tài)地分配傳輸比特數(shù)與發(fā)射功率。相較于單載波系統(tǒng)，在OFDM的各子載波上能夠采用不同的調(diào)制方式，所以考慮將OFDM技術(shù)與自適應(yīng)資源分配方法相結(jié)合。

1.5 相關(guān)公式

映射產(chǎn)生的頻域序列如（1）所示：

經(jīng)過IFFT后得到時域信號如（2）（3）所示：

系統(tǒng)的頻帶利用率如（4）所示：

2 5G移動網(wǎng)絡(luò)光傳輸方案研究與實現(xiàn)

2.1 OFDM系統(tǒng)固定資源分配方案

常用的固定資源分配方案主要有時分多址、頻分多址以及交織的頻分多址。由于OFDM分成若干子信道并行傳輸，傳統(tǒng)的固定比特功率分配方法能夠做到與OFDM系統(tǒng)的有機結(jié)合。

與OFDM-TDMA技術(shù)相似，在OFDM-FDMA中，將傳輸系統(tǒng)的頻域資源分割為一定數(shù)量的等間隔子頻道，不同的用戶分配到彼此之間不重疊的頻段來使用。頻分多址是以頻率來區(qū)分信道的，因此，頻道就是信道。這種方式可傳輸數(shù)字信號和模擬信號，發(fā)送端輸出的數(shù)據(jù)被調(diào)制到頻率不同的子載頻上，按照固定的多址方式進行連接，并且還需預(yù)留一定長度的保護頻帶用于防止相鄰頻道之間的混疊。早期的模擬蜂窩移動通信就是采用這種多址方式，現(xiàn)代數(shù)字移動通信一般不單獨采用這種方式，而更多的是將這種方式與其他多址方式結(jié)合在一起運用。另外，信道特性相對較好的子信道會優(yōu)先被分配給用戶使用，進而提升系統(tǒng)的整體性能。

2.2 自適應(yīng)模塊設(shè)計

針對點對點VLC高比特數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，重點研究自適應(yīng)比特功率分配算法，如何根據(jù)信道SNR估計，讓專為近距離高速率VLC直連數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計的Im-SBLA算法得到實際應(yīng)用，自適應(yīng)模塊設(shè)計主要包括VLC硬件系統(tǒng)，與自適應(yīng)技術(shù)相關(guān)的調(diào)制模塊、參數(shù)生成模塊及解調(diào)模塊，并且進行高速文件傳輸性能的測試工作。

3 5G移動網(wǎng)絡(luò)光傳輸方案測試

3.1 傳輸速度測試

由圖1可知，在點對點高速率VLC直連數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，進行文件傳輸性能的測試工作，實驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)文件的傳輸速率已接近100Mbps，能夠滿足點對點VLC近距離傳輸系統(tǒng)的高比特率數(shù)據(jù)交互業(yè)務(wù)需求。

圖1 實驗網(wǎng)絡(luò)傳輸速率測試

3.2 傳輸成功率測試

由圖2可知，在設(shè)計的點對點高速率VLC直連數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，進行文件傳輸成功率的測試工作，實驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)文件的傳輸成功率基本穩(wěn)定在90%，偶爾出現(xiàn)丟包情況，速率下降，但總體能夠滿足點對點VLC近距離傳輸系統(tǒng)的高比特率數(shù)據(jù)交互業(yè)務(wù)需求。

圖2 實驗網(wǎng)絡(luò)傳輸成功率測試

3.3 接收光功率對比

如表1所示，相較于方形、環(huán)形及六邊形LED光源陣列布局，環(huán)形-角補償光源布局接收光功率的最大值和最小值都有所提升，相對峰值功率偏差能夠降低5%左右，功率分布更加均勻。

表1 四種LED陣列光源布局的比較

3.4 SNR分布對比

表2結(jié)果顯示，環(huán)形-角補償光源布局陣列整體提升了接收平面的通信性能，尤其增強了在邊緣位置的SNR。SNRQ較常見的三種光源布局分別提高12.6%、20.4%以及31.9%，表明采用環(huán)形-角補償光源布局陣列能夠提升點對點VLC系統(tǒng)光接收信號的穩(wěn)定性。

表2 SNR四種LED陣列光源布局參數(shù)

4 結(jié)束語

作為5G高速率移動數(shù)據(jù)交互服務(wù)的有益補充，利用新型的無線光數(shù)據(jù)傳輸方式，VLC已經(jīng)成為近距離無線通信的主要應(yīng)用技術(shù)之一。相較于WLAN、藍牙、RFID等技術(shù)，在特定的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景下，近距離點對點高速率VLC更適合支持安全私密業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)交互。在點對點近距離VLC高速傳輸系統(tǒng)中，本文致力于優(yōu)化LED光源布局與研究自適應(yīng)資源分配算法，以符合高速率、低時延數(shù)據(jù)交互業(yè)務(wù)的通信性能指標要求。