看得见的无线通信技术——可见光通信
发布时间：2021-08-19 08:06
可见光通信作为新一代信息技术,除了为移动通信拓展频谱资源外,还具备高速、大容量、安全、节能的技术特点。现有射频通信的5G、6G技术方案能耗很高,而照明、显示用的LED已经无处不在,所以可见光通信将来可用于实现普适的万物光互连。商用照明的荧光型LED器件的带宽有限,通过均衡技术已经把可见光通信系统的3 d B带宽拓展到了600 MHz,单路二进制开关键控实时通信速率达到了1.39 Gbps。如果采用高阶调制和波分复用技术,多色LED光源的非实时通信总速率已经超过15 Gbps。灯光上网、灯光定位和智能家居系统等创新应用证明了可见光通信与照明或显示融合不是梦,预示看得见的光无线通信将引起更大的技术变革。
【文章来源】：物理. 2020,49(10)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
基于可见光进行文本传输的基本原理
图1 基于可见光进行文本传输的基本原理基于白光LED的室内可见光通信技术以可见光作为载波，以室内自由空间作为信道，同时具有光通信的高速和无线通信的便捷这两大优点，不过它的通信速率高不过光纤通信，移动便捷性好不过射频通信。但是随着移动接入终端用户数量的增多，基于频率、带宽共享原则的Wi Fi技术在人口密集区已经很难给无线用户提供满意的用户体验。而可见光通信技术可以简便地实现空间复用，能在人口密集区为用户提供独享的高带宽通信链路。所以和传统的无线射频通信技术相比，可见光通信具有如图2所示的高速、大容量、安全的技术优点。
LED很早就被用做光纤通信的光源，功率一般是毫瓦量级，为了匹配石英光纤的低损耗窗口，光纤通信的LED光源为红外波段。半导体照明技术对LED灯的照度有要求，一盏灯的功率从几瓦、几十瓦到几百瓦不等。因此，半导体照明用到的单个LED器件的功率也从几十毫瓦、1瓦到几瓦不等。LED器件功率与PN结的结面积成正比，LED的额定电功率越大，一般PN结的结面积就越大，电功率为1 W的LED器件的结面积大小约1 mm2。LED器件在相同结构下，结面积越大，则其3 d B调制带宽越小。譬如，电功率为1 W的Ga N基荧光型LED器件的3 d B带宽比光纤通信中LED器件的带宽要小很多，通常其黄色荧光的3 d B带宽约3—5 MHz，其蓝光的3 d B带宽约10—30 MHz。考虑到可见光信号在自由空间传输中不同频率成分的信号衰减是不一样的，可见光信号传输有非线性失真，如果通过均衡或者预加重处理对通信链路中信号的非线性失真进行补偿，则可以拓展可见光通信系统的带宽，从而提高系统的通信速率。中国科学院半导体研究所的可见光通信研究小组提出了有源模拟均衡的可见光通信带宽拓展技术解决方案。2013年，研究小组利用室内照明最常用的1 W功率的商用荧光型LED做光源、PIN做探测器，通过在可见光接收机端增加有源均衡电路，补偿信号中高频分量的衰减，把系统的3 d B调制带宽从12 MHz提高到了151 MHz，基于简单的OOK调制，把实时通信的速率从50 Mbps提高到了340 Mbps[4]。2015年，研究团队在发射机端增加预加重电路，在接收机端增加有源均衡电路。如图4所示，在光源和探测器不变的前提下，基于简单的OOK调制，实时通信的速率提高到了610 Mbps，通信距离6.2 m，在没有加检错纠错的条件下2小时的平均误码率是3.5×10-5，远低于前向纠错3.8×10-3的误码率上限要求，通过了工业信息化部中国泰尔实验室的检测。有源均衡的技术方案为国内外同行设计可见光高速实时通信电路提供了参考，均衡技术在可见光通信系统中的应用潜能不断被挖掘。2016年，北京理工大学的研究团队用红绿蓝黄4色LED做光源、APD做探测器，采用NRZ-OOK调制技术，传输距离1.7 m，基于均衡技术分别实现了红光单路实时通信速率750 Mbps时，误码率为6.64×10-8；绿光单路实时通信速率690 Mbps时，误码率为8.97×10-7；蓝光单路实时通信速率730 Mbps时，误码率为5.81×10-7；黄光单路实时通信速率650 Mbps时，误码率为6.59×10-7[5]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]750Mb/s monochromatic LED-based real-time visible light communication system employing a low-complexity cascaded post-equalizer[J]. 骆加彬,唐义,Huiping Jia,朱庆炜,薛唯. Chinese Optics Letters. 2016(12)
[2]国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知[J]. 中华人民共和国国务院公报. 2016(24)
本文编号：3351041
【文章来源】：物理. 2020,49(10)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
基于可见光进行文本传输的基本原理
图1 基于可见光进行文本传输的基本原理基于白光LED的室内可见光通信技术以可见光作为载波，以室内自由空间作为信道，同时具有光通信的高速和无线通信的便捷这两大优点，不过它的通信速率高不过光纤通信，移动便捷性好不过射频通信。但是随着移动接入终端用户数量的增多，基于频率、带宽共享原则的Wi Fi技术在人口密集区已经很难给无线用户提供满意的用户体验。而可见光通信技术可以简便地实现空间复用，能在人口密集区为用户提供独享的高带宽通信链路。所以和传统的无线射频通信技术相比，可见光通信具有如图2所示的高速、大容量、安全的技术优点。
LED很早就被用做光纤通信的光源，功率一般是毫瓦量级，为了匹配石英光纤的低损耗窗口，光纤通信的LED光源为红外波段。半导体照明技术对LED灯的照度有要求，一盏灯的功率从几瓦、几十瓦到几百瓦不等。因此，半导体照明用到的单个LED器件的功率也从几十毫瓦、1瓦到几瓦不等。LED器件功率与PN结的结面积成正比，LED的额定电功率越大，一般PN结的结面积就越大，电功率为1 W的LED器件的结面积大小约1 mm2。LED器件在相同结构下，结面积越大，则其3 d B调制带宽越小。譬如，电功率为1 W的Ga N基荧光型LED器件的3 d B带宽比光纤通信中LED器件的带宽要小很多，通常其黄色荧光的3 d B带宽约3—5 MHz，其蓝光的3 d B带宽约10—30 MHz。考虑到可见光信号在自由空间传输中不同频率成分的信号衰减是不一样的，可见光信号传输有非线性失真，如果通过均衡或者预加重处理对通信链路中信号的非线性失真进行补偿，则可以拓展可见光通信系统的带宽，从而提高系统的通信速率。中国科学院半导体研究所的可见光通信研究小组提出了有源模拟均衡的可见光通信带宽拓展技术解决方案。2013年，研究小组利用室内照明最常用的1 W功率的商用荧光型LED做光源、PIN做探测器，通过在可见光接收机端增加有源均衡电路，补偿信号中高频分量的衰减，把系统的3 d B调制带宽从12 MHz提高到了151 MHz，基于简单的OOK调制，把实时通信的速率从50 Mbps提高到了340 Mbps[4]。2015年，研究团队在发射机端增加预加重电路，在接收机端增加有源均衡电路。如图4所示，在光源和探测器不变的前提下，基于简单的OOK调制，实时通信的速率提高到了610 Mbps，通信距离6.2 m，在没有加检错纠错的条件下2小时的平均误码率是3.5×10-5，远低于前向纠错3.8×10-3的误码率上限要求，通过了工业信息化部中国泰尔实验室的检测。有源均衡的技术方案为国内外同行设计可见光高速实时通信电路提供了参考，均衡技术在可见光通信系统中的应用潜能不断被挖掘。2016年，北京理工大学的研究团队用红绿蓝黄4色LED做光源、APD做探测器，采用NRZ-OOK调制技术，传输距离1.7 m，基于均衡技术分别实现了红光单路实时通信速率750 Mbps时，误码率为6.64×10-8；绿光单路实时通信速率690 Mbps时，误码率为8.97×10-7；蓝光单路实时通信速率730 Mbps时，误码率为5.81×10-7；黄光单路实时通信速率650 Mbps时，误码率为6.59×10-7[5]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]750Mb/s monochromatic LED-based real-time visible light communication system employing a low-complexity cascaded post-equalizer[J]. 骆加彬,唐义,Huiping Jia,朱庆炜,薛唯. Chinese Optics Letters. 2016(12)
[2]国务院关于印发“十三五”国家科技创新规划的通知[J]. 中华人民共和国国务院公报. 2016(24)
本文编号：3351041
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