室内可见光通信LEDs选择及调制技术的分析

时间：2024-09-03

国家知识产权局专利局专利审查协作广东中心张婧

引言

在室内光通信方面，采用LED为光源的可见光通信对人眼睛的伤害较小，同时能够达到10W以上的光照功率，使室内通信获得较高的信噪比。但实际应用该技术时，想要得到均匀的光照度和实现高速率通信，还要做好LEDs的选择，并加强系统信号调制。因此，还应加强对室内可见光通信LEDs选择及调制技术的分析，确保该技术优势得到充分发挥。

1.室内可见光通信技术

在白光发光二极管照明技术取得快速发展的同时，无线光通信技术也随之发展，促使室内可见光通信技术得以诞生。采用该技术，能够利用可见光通信发射系统满足室内照明和通信需求，使通信强度与光照度成正比，保证室内光照度得到均匀分布，同时提供良好通信。相较于其他技术，该技术拥有较高发射功率，同时能够节约能源，因此得到了广泛的应用。室内可见光通信技术的核心，在于可见光通信发射系统。从系统组成上来看，室内可见光通信系统由发射端、输出端、基带调制、基带解调、驱动电路、光电转换、LED阵列和接收检测器构成。在系统工作时，数据将由发射端输入，经过调制后进入驱动电路。电路会以较高频率进行电流调整，利用电流强度变化进行信号强弱调节。经过LED阵列，电信号将被转换为光信号发射。利用接收检测器，可以对辐射的光信号进行接收，然后通过光电转换获得相应的电信号。经过解调后，可以进行相应数据的输出。

2.室内可见光通信LEDs选择

2.1 LEDs选择问题的提出

在室内可见光通信系统中，LED作用即照明。按照国际照明标准，办公室内桌面光照度应在300lx-1500lx范围内，照明度分布越均匀越好，可以为人提供相对舒适的环境。相较于大功率单灯珠，小功率多灯珠照明更加均匀，即LEDs。但是，伴随着灯珠的增多，由于各灯珠到接收端距离存在差异，所以会产生相应的光程差，导致系统出现码间干扰ISI。因此在采用室内可见光通信技术时，需要完成LEDs的科学选择，才能实现LED阵列合理布局。而在实际选择时，在不同的室内场景下采用可见光通信技术，由于通信LED单元和接收端距离差距大小不同，所以受到的码间干扰大小不同，还要实现不同的LEDs选择。现阶段，针对室内可见光通信技术，可以划分为单终端和多终端两种场景，需要完成各自场景下的LEDs选择。

2.2 单终端场景下的选择

在单终端场景下，可以进行位置较近的LED选择，以便获得更大的有用照明功率。同时，也应当尽量减小LED与接收端间的距离，以便通过减小干扰提高通信质量。在实际选择时，可以采用有效比阈值的方法。从信号通信角度来看，每路信号存在积极和消极内容，比值为信号有效比，存在对应的阈值。各路信号由于拥有不同的光程差，达到接收端花费的时间不同，所以积极和消极成分存在一定差异，导致对应的有效比阈值存在差别。利用式（1），可以对LEDs单元有效比VRi进行计算。式中，di指的是单元与接收端距离，post是信号积极部分，nega为消极部分，t0为单元到接收端第一个光路信号到达时间，ti则为第i个光路达到时间，T和c为系数[1]。根据有效比大小，可以确定各LEDs单元参与通信与否。在有效比超出阈值的情况下，单元参与通信，否则不参与。由此可知，将有效比阈值设置的较小，更多的LED单元将参与通信，促使ISI提高，导致系统信噪比下降。设置较大的阈值，则会减少LED单元数量，降低信号有用功率，同样也会导致系统信噪比下降。因此对于单终端的室内场景来讲，想要获得较好的信噪比，还要完成合适的有效比阈值选取。实际采用该方法进行LEDs选择时，可以根据用户所在位置进行有效比阈值的列举，然后进行最佳信噪比的选择。

2.3 多终端场景下的选择

在多终端场景下，采用单终端的LEDs选择方法，难以实现有效比阈值方案的一一列举。因为在不同位置，不同终端有效比阈值不同，选取的LEDs也不尽相同，不同终端用户之间通信会发生干扰，因此难以得到最终的统一结果。针对这一情况，还要完成适合多个终端同时通信的LEDs选择，即确保所有用户通信误码率不超出10-6，并且各用户最小信噪比至少达到13.6dB。采用基于进化算法的LEDs选择方法，可以完成所有终端中信噪比最小用户的最佳LEDs状态矩阵K*查找。如式（2）所示，矩阵K的因子为ki，用户数为N。利用该目标函数，可以实现全局近似最优解的求解。

采用该方法，其实是对生物进化过程中的自然选择和遗传机制进行模拟，是趋于全局优化的概率搜索算法，将拥有良好适应性的个体保留下，将差的个体淘汰，确保好的个体向后代遗传特性。为适应环境，个体将产生发生变异的概率。经过迭代，将得到优良群体。在选择LEDs，LED的状态矩阵为个体，即优化对象，不同个体拥有不同LED通信状态模式。状态矩阵因子则为个体等位基因，其长为LED单元个数。种群为个体结合，在分析过程中可以设定种群规模固定，从而使优化过程得到一定程度的简化。为从群体中进行遗传个体的选择，同时降低算法复杂性，可以采用轮盘方法选择算子，即根据个体适应度与种群其他个体适应度和比值进行个体选择。采用单点交叉方法，可以对个体等位基因进行交叉，完成个体变异操作[2]。为终止算法，需要预先完成总进化代数的设定。

3.室内可见光通信的调制技术

在室内可见光通信方面，除了LED列阵布局为重点，还要加强数据调制。因为想要实现LED驱动，需要对原始二进制比特流进行预处理和编码调制，才能将电信号转化为光信号。而目前室内采用的白光LED等LED调制带宽通常不超出10MHz，导致系统传输速率受到了较大限制，因此还要加强调制技术研究。

3.1 正交频分复用调制技术

在室内可见光通信方面，正交频分复用调制技术应用较为广泛，可以获得较高的频谱效率，同时降低信号复杂度。采用该技术，可以利用相互正交数字滤波器进行信号调制，无需进行信号复数转换或借助调制器等完成信号调制。室内可见光通信系统复杂度较低，适用于采用该种调制技术。从技术原理上来看，采用该技术可以结合原始采样周期信号进行调制信号获取，即将整形滤波器信号和正交滤波器信号相加。经过光信道传输后，可以得到与滤波后信号相匹配的信号。将原始信号进行符号周期编码，则能得到复数信号，然后实现信号序列采样分析。通过插入0，则能完成频谱多次延拓，实现信号同相正交分量的分离，最终得到调制信号。采用该种调制技术，能够降低信号计算复杂度，并且能够利用简单的结构实现信号调制，满足室内可见光通信需求[3]。现阶段，在可见光通信领域，采用该种调制技术能够实现可见光通信速率的大幅度提升，在50m范围内可以达到1.8Gbit/s可见光传输速率。联合采用非线性后均衡技术，则能将速率提升至4.5Gbit/s。因此在室内可见光通信方面，采用该种调制技术可以满足通信速率要求。

3.2 自适应多载波调制技术

自适应多载波调制技术为新型高效调制编码技术，在室内可见光通信中应用可以对多径干扰进行抵抗，保证室内受干扰的通信信号得到可靠接收，所以能够使信号频带利用率得到提高。在做出不同LEDs选择后，采用该技术也能将高速串行数据转换为低速并行数据，将各单元信号调制到各子信道上，保证各信道带宽不超出要求。采用该技术，能够使信号脉冲宽度得到有效扩展，所以能够对多径衰落进行抵抗。采用该技术在信号接收时实现正交信号分离处理，也能使信道间的码间干扰得到减小。而采用传统频分复用技术，在各子载波间，应保持一定的频率间隔，以免发生串扰，因此将导致系统频率利用率低下。采用自适应多载波调制技术，可以利用数字信号处理算法完成载波生成和接收，可以使系统结构得到简化，所以能够更好的满足室内光通信需求[4]。在信号调制的过程中，采用该技术将利用自适应比特功率加载算法，结合系统发射二进制相位信号估算载波的信噪比，然后实现比特分配。利用差分接收机，则能对采集的数据进行同步解调，完成信号误码率的计算。针对白色LED室内可见光通信系统，采用该技术在1.5m空间内进行信号传输时，可以达到2Gbit/s传输速率。