张 颖，王彦生

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

可见光通信的多接入及应用发展

张 颖，王彦生

(西安理工大学 自动化与信息工程学院，陕西 西安 710048)

可见光通信作为一种新兴的绿色健康的通信方式，得到了广泛关注。凭借其独特的优势，未来可见光通信必定是一种在各个领域大放异彩的可靠的通信方式。分析了多用户检测对多接入的可见光通信多址干扰的抑制作用，以及OFDM对多径干扰的抑制作用。列举了当下研究热门的可见光应用场景，如：水下可见光通信、煤矿井下报警预警系统、室内定位等，希望为未来可见光通信的研究提供一定的参考。

可见光通信；多址干扰；水下可见光通信；室内定位

Abstract: Visible light communication as a kind of green and healthy new emerging communication mode has been gained comprehensive attention.In the future, with its unique advantage it must shine in all fields as a reliable way of communication. This paper analyzes the inhibitory effect of multi-user detection to multi-access visible light communication multiple access interference, and inhibition of OFDM to multipath interference. It enumerates the current research hot visible application scenario, such as visible light communication underwater and indoor positioning. We hope to provide certain reference for the future study of visible light communication.

Key words:visible light communication; multiple access interference; visible light communication underwater; indoor positioning

0 引言

自从2000年可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的概念被提出以来，借助着白色发光二极管(LED)光源的发展以及自身独特的优势而迅速发展。目前，国内外研究机构投入大量人力物力对可见光通信技术开展研究[1-2]。因为有限的调制带宽，起初可见光通信的传输速率仅为几十kb/s，到现在发展到几十Gb/s，之所以发展如此迅速，主要原因有：可见光是利用LED发出的光源，在兼顾照明的同时进行高速通信。白色发光二极管(LED)面世后，发光效率逐步提高，其应用领域逐步从显示扩展到照明。与传统的照明设备相比，白光LED具有驱动电压低、功耗低、使用寿命长等优点[3-4]，是一种绿色环保的照明器件，被视为第四代节能环保型照明设备。由于白光LED具有很高的响应灵敏度，因此可以被用于进行高速的数据通信。可见光通信是在白光LED技术上发展起来的一种新型的无线光通信技术。并且可见光通信具有高速率性、无电磁辐射、高密度、低成本、频谱丰富、高保密性等技术优势，能够在一些无法使用射频传输的场合，如飞机机舱、医院、井下石化工厂及军事应用场合等发挥它的作用，保障这些电磁严苛区域的信息传输安全。随着科技进步，无线频谱资源被日益耗尽。可见光通信频段在400 THz～800 THz之间，比目前的无线射频通信频段高出近一万倍，所以可见光通信抢占空白频谱资源，有效利用资源，可以与现代无线通信相互补充与兼容，对于缓解日益紧张的频谱资源具有重大的意义。

1 可见光通信相关技术

1.1 OFDM调制技术

正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)是一种比较高效的调制技术，它能有效地抑制多径干扰。可见光通信由于是通过LED光源进行信息的传输，光源易受物体的反射，形成多径干扰。OFDM技术适宜应用到可见光通信。图1为OFDM调制系统框图。

图1 可见光OFDM调制系统框图

OFDM技术基本原理是将高速串行的数据流分成多路相对低速的并行数据流，调制到每个子信道上并行传输，这样每个子信道的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道可以将其看成是平坦性衰落。这种并行传输大大扩展了符号的脉冲宽度，提高了系统的抗多径衰落的能力。文献[5]中采用OFDM调制方式，成功实现了VLC连接，在1.5 m自由空间传输时达到2.0 Gb/s。

1.2多接入可见光通信多用户检测技术

目前，可见光通信的研究主要聚焦于点对点的通信研究，一方面从LED结构、驱动电路设计等方面拓展LED有限的调制带宽，目前较为广泛使用的荧光粉LED的调制带宽不足10 MHz，所以提高调制带宽是研究者们的主要研究点。另一方面通过优化调制、编码方式并结合高灵敏的接收技术来克服因多径传输带来的码间干扰问题，在兼顾LED照明的同时提高VLC系统的信息传输速率，增大信息传输距离。

随着可见光通信的发展，多接入的形式势必会成为新的发展方向。光码分多址(OCDMA)是将码分多址(CDMA)与光通信技术相结合的一种通信方式，可以实现多个用户同时接入同一信道。由于可见光属于非相干光，因此只能使用单极性的扩频码进行扩频，单极性的扩频码相较于双极性的扩频码相关性能较差，存在严重的多址干扰。考虑同步的情况下，假设用户数为M，所有用户地址码具有单位能量，则接收机的输入信号为：

(1)

式中，λk、bk、ck分别表示发送光功率、发送信息比特值及该用户k的扩频码字，λn为背景光噪声功率。经传统解扩输出为：

(2)

由式(2)可以看出，若不同用户之间的扩频码字相互正交，即ρmk=0，多址干扰项就为0，也就不存在多址干扰，所以消除多址干扰的根本方法是找到完全正交的码字或者尽量正交的码字。但是找到完全正交的码字构造较为艰难，较为积极的办法就是多用户检测。

多用户检测[6]即将所有的用户信息均看做有用信息，利用其他信息对目标用户信息进行数据解调。接收端采用多个相关接收机和相应的扩频码进行相关接收，多用户检测器的输出就是包括目标用户在内的所有接收到的估测各用户的数据比特。对于静态环境下的可见光通信，在信道环境稳定的情况下，解相关检测[7]和最小均方误差[8-9](MMSE)检测即能达到通信要求。从图2中可以看出经过解相关检测以及MMSE检测之后，误码率有明显改善。

而在复杂的通信环境之下，自适应的盲多用户检测是有效的方法。可以根据系统信道的突变情况及时调整信道参数，快速收敛到最佳状态。从图3中可知，在第1 000次迭代时突然出现强干扰，盲多用户检测能使信干比快速收敛到最佳状态，从而抑制多址干扰。

图2 解相关和MMSE检测

图3 自适应盲多用户检测

2 可见光通信主要应用

可见光通信凭借其独特的优势而在不同场合的应用中大放异彩，目前水下可见光通信技术、煤矿井下可见光通信技术、室内定位等方面都取得了一定的研究成果。

2.1水下可见光通信

由于传统无线射频通信信号在水中衰减严重，蓝光在海水中具有良好的传输特性，使得可见光通信在水下的优势比较明显，引起了广大研究者们的兴趣。文献[10]提出了一种基于蓝光LED的水下双向通信测试系统的设计方案，完成了系统的硬件设计，并且进行了有效的水下实验。其水下系统结构图如图4所示。水下可见光通信在5 m的距离内实现了双向可靠通信，为以后水下可见光通信打下了基础。

图4 水下可见光双向通信系统结构框图

文献[11]分析了光束在海水光学信道中的吸收特性和散射特性，根据不同波长下的不同杂质和不同杂质浓度下的信道衰减特性，建立了激光信号海水信道传输模型。水下可见光通信技术发展迅速，为海洋环境监测和军事需要提供了理论支持。水下可见光通信提高了水下通信的可靠性，是未来可见光通信发展的一个重大方向。

2.2煤矿井下的可见光通信

由于煤矿井下的环境特殊性，没有外界背景光的干扰，给井下可见光通信提供了独特的优势。文献[12]将可见光通信、红外通信及电力线通信技术相结合，构建了煤矿井下的可见光通信系统，实现了井下人员定位、上行报警和下行广播预警等功能。与原有的井下通信定位系统相比，井下可见光通信提高了传输可靠性，保证了井下人员的安全。其接入设备和移动设备的通信过程如图5所示。

图5 井下定位系统接入设备和移动设备通信过程

2.3室内定位[13]

由于室内面积小、非直达抑制算法复杂、成本相对较大、定位精度偏低等因素，传统无线定位系统并不是室内定位的最佳选择。可见光通信技术凭借其绿色健康、成本低廉、光源直达等优势，在室内定位系统领域具有良好的发展前景。从目前国内外关于VLC定位技术的研究现状来看，其主要有以下几种方法。

2.3.1几何定位法

几何定位法主要有三边定位法、三角定位法和双曲线定位法，下面主要阐述三边定位法。三边定位法就是首先选取三个不在同一直线上的参考点，测量待测点到三个参考点的距离，以参考点为圆心，以测量距离为半径作出三个圆的交点就是待测点,如图6所示。

图6 三边定位

对于距离的测量方法有信号到达时间(Time Of Arrival,TOA)、信道到达时间差(Time Difference Of Arrival,TDOA)、信号往返时间(Return Time Of Flight,RTOF)、信号强度(Received Signal Strength,RSS)。

TOA测量信号到达的时间t通过公式R=c·t可得到，然后通过公式(3)可得待测点。

(3)

可见光通信信号通常采用强度调制直接检测。接收端可以利用光电检测器对信号的能量进行检测，将其与特定环境下的传输损耗模型相对应，从而计算出距离，故RSS方法也适应于可见光通信。

2.3.2图像传感器成像法

图像传感器成像法[14]的示意图如图7所示。平行于图像传感器加入一面透镜，根据图中几何关系可由式(4)所示方程组计算得到待测点位置坐标。

图7 图像传感器成像法示意图

(4)

式中，f是透镜的焦距，mij(i,j=1,2,3)是旋转矩阵M的元素，可由式(5)中方程组确定，入射光与x、y、z轴所形成的角度分别为ω、φ、θ。

(5)

通过公式(4)、(5)可得出待测点坐标，从而完成定位。

3 结论

可见光通信技术已经成为人们研究无线通信领域的一个新的突破点，未来多接入的可见光通信势必进入到各家各户。本文对多接入的可见光通信消除多径干扰及多址干扰进行了简单的探讨。OFDM调制能较好地抑制多径干扰。在静态和动态的通信环境下分析了不同的多用户检测技术的应用对多址干扰的抑制性能。对于以后的多接入可见光通信起到一定的借鉴意义。列举了热门的可见光通信应用场景，比如：水下可见光通信、煤矿井下报警预警系统、室内定位等应用。特别是可见光对于水下通信的优势，蓝光衰减缓慢，水下可见光通信势必会成为日后研究的一大重点。

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The multiple access and application development of visible light communication

Zhang Ying, Wang Yansheng

(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

TN929.1

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.18.006

张颖，王彦生.可见光通信的多接入及应用发展[J].微型机与应用，2017,36(18)：18-21.

2017-03-25)

张颖(1982-)，女，博士，讲师，主要研究方向：可见光通信，Ad Hoc网络拓扑等。

王彦生(1990-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：可见光通信多址干扰消除。E-mail：1377283162@qq.com