可见光通信研究现状

可见光通信技术研究现状介绍

作为一种新兴的通信技术，LED可见光通信提出的历史不算久远，早在2000年以前，就有研究人员提出利用LED发出的光来进行通信的设想，并付诸实验，实现了一些简单的通信系统[1-6]。在这些设想中，最具代表性的是香港大学的Grantham Pang于1999年提出的实现方案，他们的实验小组搭建并演示了基于可见光LED的音频信号传输系统[3]。这些设想方案提出时，LED照明技术还没有受到重视，对LED可见光通信的关键技术也没有进行深入研究，其影响力有限。

2000年，日本Keio大学M. Nakagawa教授领导的研究团队提出了一种利用白光LED实现室内可见光接入的方案，并针对室内可见光通信信道进行建模仿真和分析计算，实现了10Mbps的室内可见光通信接入方案[8]，正是这一成果被视为可见光通信领域具有影响力的开创性研究，之后，可见光通信技术开始受到世界各地研究人员的重视。

1 国外研究现状

1.1 日本方面

日本方面，在庆应义塾大学(KeioUniversity)的M. Nakagawa研究团队提出LED可见光通信的接入方案后，这种技术在日本国内非常受重视。先后有名古屋大学(Nagoya Univesity)、东京理科大学(Tokyo University of Science)、长冈技术科学大学(Nagaoka University of Technology)、日本电信电话(NTT Cooperation)的科研团队参与研究。在可见光通信的各类应用方面，日本的研究人员做了大量的工作，从局域网高速互连、LED显示器数据下载、智能交通系统、智能灯塔到测量等种类繁多。

2001年，庆应义塾大学的研究人员首先研究了利用交通灯进行可见光通信，并对系统的调制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性[9]进行了分析。同年，他们研究了OOK调制技术和OFDM技术在室内可见光通信的应用。研究结果表明：OOK调制方式在较低速率下（如100Mbps以下）非常有效，而在高速率情况下，选择OFDM调制方式性能更佳[10]。之后，他们又进一步提出在道路照明系统中加入可见光通信功能，以减少交通事故的发生，通过用符合照明要求的LED进行实验获得成功[11]。2004年，M. Nakagawa研究团队对LED室内可见光通信系统的可行性进一步分析，对光源进行建模，仿真了在多盏灯照射下室内光照分布、信道冲激响应，并对有无反射情况下的室内信噪比分布、符号间干扰等参数进行了研究。在此基础上，他们还研究了接收端FOV(Field of View)视场角大小对系统速率的影响，并得到结论：当接收端视场角足够小时，可见光通信的

速率可以达到10Gbps的数量级，可以作为下一代通信系统备选方案[12,13]。2005年，Toshihiko Komine等人将自适应均衡技术应用于室内可见光通信系统中，还引入了基于训练序列的信道估计算法来提高系统通信性能[14]。2007年，该科研团队研究了PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和调整LED调制深度两种方法来控制可见光通信系统中的亮度，并进行了一系列实验，分析了PWM 方法中信号频率与亮度的关系，实验结果表明通过调整调制深度的做法比PWM 方法有更好的性能[15]。2008至2009年，他们又研究了基于LED和成像器件的室内可见光定位系统，通过实验可以实现室内高精度定位功能[16,17]。从2009年至今，日本庆应义塾大学的研究人员对可见光通信系统各种可能的应用进行了大量的探索，取得了不少成果，如室内盲人导航、机器人定位、运动检测、智能灯塔等[18-22]。其中2011年，该团队的研究人员提出了一项可见光通信在超市购物的应用，通过改进超市内的照明设施和购物车，可以实现对顾客的购物需求和行为进行采集分析，图1是他们采集到的数据，图中线路的粗细代表走过顾客的数量的多少，线路的颜色则代表顾客在该区域停留时间的长短，超市工作人员可以根据统计数据结果来优化货物摆放的位置，获知哪些货物最受欢迎等信息[19]。

图 1 可见光通信在超市中应用

总而言之，在可见光通信方面，日本的研究人员不仅首先提出设想，而且探索过很多具体的应用形式，极大丰富了可见光通信应用领域和研究内容。

1.2 欧洲方面

在欧洲，2008年1月开始的OMEGA（the Home Gigabit Access）计划，参与者包括来自欧洲的20多个厂商和学术机构，致力于开发出1Gbit/s传输速率的室内互连技术，可见光通信技术被作为研究的重点[23]。围绕这一项目，主要的研究机构有德国海因里希-赫兹研究所(Heinrich-Hertz-Institut)，西门子实验室，英国牛津大学，思克莱德大学（University of Strathclyde），爱丁堡大学（University of Edinburgh），意大利比萨圣安娜大学（Scuola Superiore Sant'Anna Italy）等。

其中海因里希-赫兹研究所主要关注单个LED采用OOK或OFDM调制方式实现高速可见光通信。2008年，他们提出利用可见光通信和红外通信组成家庭局域网的设想，对一些相关问题进行了讨论，从理论上对系统的可行性进行相关研究与论证，通过分析认为采用PAM或DMT（discrete multi-tone modulation，离散多音调制）调制的系统有望达到300Mbps的通信速率[24,25]。在OOK调制方式方面，他们早在2009年就完成了100Mbps和125Mbps的可见光通信实验[26,27]，2010年更是达到了230Mbps[28]。在单个LED采用DMT调制方式的可见光通信系统研究方面，他们的研究一直处于世界领先地位。2009年至2010年，通过在接收端加滤光片，利用DMT调制方式，采用离线分析处理数据，他们的系统通信速率先后突破200Mbps、230Mbps、513Mbps[29-31]。2012年，通过采用RGB 三色LED和DMT调制方式，他们的离线分析系统实现了单个LED 806Mbps的通信速率[32]。

英国牛津大学的研究人员主要研究了均衡技术和MIMO(Multiple Input Multiple Output)技术在可见光通信系统中的应用，通过多路并行实现高速可见光通信系统。2008年，他们通过仿真研究预均衡和后均衡技术在可见光通信系统中的应用，仿真结果表明，OOK调制方式下，在应用了一阶后均衡和预均衡条件下，系统速率可以达到75Mbit/s，并且误码性能能够保持在10-6以下[33]。2009年，通过在系统中加入蓝色滤光片并采用一阶均衡，他们的OOK调制实验系统通信速率达到了100Mbps[34]。之后，他们在MIMO可见光通信系统信道建模仿真和实验方面都进行了大量研究工作。MIMO可见光通信系统仿真方面：2009年，他们通过建模仿真的方法，对非成像MIMO可见光通信系统和成像MIMO 可见光通信系统的区别进行研究了，研究结果表明，成像MIMO系统性能更佳，并指出MIMO可见光系统的通信速率有望达到Gbit/s的数量级[35]；2012年，他们进一步建模仿真了室内可见光通信的信道冲激响应，室内光照分布，信噪比(SNR)分布等参数，结果表明在保证室内光照符合标准条件下，完全有足够的带宽来进行通信[36,37]。在MIMO可见光通信系统实验方面：2010年，他们的MIMO-OFDM可见光通信实验系统在距离1m范围内，速率达到220Mbps[38]；2013年，他们搭建的室内MIMO可见光通信系统，发送端用4路250Mbps的信号，接收端用一个3X3的成像器件做接收，在1m范围、光照1000lux、误码10-3条件下，实现了1Gbps的传输实验[39]。此外，他们还对多种OFDM调制方式以及蓝色滤光片在可见光通信中的应用做过研究[40,41]。

英国思克莱德大学和爱丁堡大学的研究主要专注于新型LED及其在可见光通信方面的应用。2009年至2012年间，他们对新型微型LED及其阵列进行了研究，所研究的微型LED的3dB调制带宽最大值先后达到了245MHz和400MHz[42-45]。2013至2014年，他们将研究的新型LED应用于可见光通信系统中进行实验，系统速率先后达到了1.5Gbps和3Gbps[46,47]，这为未来高速可见光通信系统的实现奠定了坚实的基础。

意大利比萨圣安娜大学的研究主要关注高速和非准直情况下的可见光通信系统。2012年，他们采用DMT调制方式，利用离线分析处理数据，完成了单个LED通信速率780Mbps和1Gbps的实验[48,49]。2013至2014年，他们对非准直情况下的可见光通信系统进行了研究，实验速率分别达到了200Mbps和250Mbps[50,51]。

总体来看，欧洲的研究机构主要注重基础器件新型LED以及高速率可见光通信系统的研究。

1.3 美国方面

美国政府于2008年10月开启资助一项名为―智慧照明(smart lighting)‖的计划，专门研究可见光通信技术，希望能够通过可见光光束(visible light beams)来实现无线设备与LED照明设备之间的通信[52]，这项计划预计投资一亿八千五百万美元为期10年，有超过30所大学的研究人员参与，主要的研究机构有波士顿大学(Boston University)、佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)、加州大学河滨分校(University of California, Riverside)等。其中，加州大学河滨分校于2010年建立了UC-Light（Center for Ubiquitous Communication by Light）中心致力于用可见光连接所有类型的电子设备[53]。

波士顿大学的研究人员对室内可见光通信系统中的一些关键性问题进行了研究，他们还提出了一些对现有可见光通信系统的改进方案。2010年至2011年，他们对室内可见光通信系统进行建模，仿真了光照强度、信噪比、误码率等参数在室内不同位置的分布[54,55]，还将聚光照明光源引入可见光通信系统以获得更好的性能[56]。2011年，他们研究了在人眼感受―关灯‖状态下如何实现可见光通信[57]。2012年至2013年，他们先后研究了对应用于可见光通信系统中的色移键控(Color Shift Keying, CSK)调制技术、MIMO技术和小区缩放技术的改进，提出了具有更优性能的方案[58-60]。

佐治亚理工学院的研究人员主要关注OFDM调制技术及其改进技术在可见光通信中的应用，并提出了一些相应的改进措施。2013年，他们对室内可见光通信OFDM调制系统中的PAPR（peak-to-average power ratios，峰均比)特点及其对系统性能的影响进行了分析[61]。之后，针对PAPR过大带来的信号失真和LED 非线性效应，他们又分别研究了在OFDM调制下如何保持照明稳定性[62,63]，以及如何减小或完全避免PAPR过大对通信性能的不良影响[64]。

总的来看，美国的研究人员主要关注可见光通信系统中一些关键点、关键问题的改进方案和创新。

2 国内研究现状

相对于日本、欧洲和美国，我国VLC领域的研究起步较晚，与国外研究还

存在一定差距。国内在可见光通信方面的研究机构主要有复旦大学、清华大学、北京邮电大学、南京邮电大学、东南大学、中科院半导体研究所等。

复旦大学主要专注高速可见光通信系统的研究与实验。其中重点研究了MIMO-OFDM技术、RGB三色LED应用以及多用户系统的实现。从2012年到2013年，他们搭建的可见光通信系统离线处理数据，速率先后突破875Mbps、1.5Gbps[65-70]，并实现了一盏LED灯同时供4台计算机上网。2014年，他们在单个RGB三色构成的白光LED的基础上利用均衡技术，实现了最高3.25Gbps的通信速率[71]。他们搭建的可见光通信系统的速率在国内研究中一直处于领先地位。

清华大学的研究团队对室内可见光通信的信道特性、信道容量以及LED特性进行过研究[72-74]。此外他们还研究过OFDM可见光通信的改进、室内可见光定位系统以及将电力线与可见光通信系统相结合进行通信的方案[75-78]。

北京邮电大学的研究团队在可见光通信信道模型、LED驱动电路均衡技术方面研究较为深入。2010年，他们提出基于光子追踪的室内可见光通信系统仿真算法，所提算法的效率和复杂度相比传统的光线追踪算法都有较大改进[79]，之后他们进一步在上述模型及算法基础上研究了室内各个位置接收信号的均方根时延扩展，由此进一步估计可以达到的最大速率[80]。在LED电路均衡方面，他们提出的2均衡电路将可见光通信系统的E/O/E带宽扩展至220MHz，在553Mbps的OOK信号传输实验中，系统误码率小于2*10-3[81]。此外，他们在室内可见光实验系统、定位、多光源布局等方面有所研究[82-86]。

南京邮电大学的研究团队在多用户MIMO可见光通信系统方面进行过一系列的仿真研究，他们提出的多用户MIMO可见光通信系统在通信速率100Mbps 的条件下，误码性能达到了10-6的数量级[87-91]。

东南大学的研究团队在室内可见光通信方面的研究较为广泛，从多用户接入、信道容量、多光源布局、可见光OFDM调制到信道均衡等方面都有所涉及，并提出了许多仿真研究及改进方案[92-102]。

总体来看，国内在可见光通信方面的研究还处在实验室研究阶段，与国际领先水平存在差距。在拓展新的应用形式、搭建实时高速系统以及高速LED研制等方面还需要继续努力。2013年4月，―十二五‖国家863计划―可见光通信系统关键技术研究‖主题项目启动会在河南郑州召开，关注可见光通信关键技术的研究，为这一新型绿色信息技术的产业化奠定了基础[103]。

3 标准化方面

在可见光通信的标准化方面，日本的工业界和学术机构早在2003年就成立了可见光通信联盟VLCC（Visible Light Communications Consortium），进行市场调查，为可见光通信技术的标准化和提升改善做准备。2007年，VLCC提出―Visible light ID system‖标准，作为基于可见光光源的定位系统的标准[104]；2008

年，VLCC与红外数据协会IrDA(Infrared Data Association)合作，之后这两个组织于2009年共同提出了可见光通信的物理层标准1.0版，在该版本的物理层标准中，数据速率4Mbps，调制方式是倒置4PPM编码和曼彻斯特编码，这两种方式都可以防止光强抖动[105]。

美国电子电器工程师学会IEEE也成立了一个可见光通信工作小组——IEEE 802.15.7 WPAN Task Group 7，旨在研究可见光通信技术标准的制定[106]。2009年，IEEE 802.15.7工作小组召开首次会议，着手起草可见光通信标准。2011年12月，可见光通信工作小组完成了一个完整的包含PHY层（Physical Layer，物理层）和MAC层（Media Access Control Layer，媒体接入控层制）的短距离可见光通信标准草案[107]。这一标准中对可见光通信中的媒体接入方式、调制编码方式、光亮度调整以及信道划分等做了详细的介绍。

4 实用系统及组网方面研究现状

如上文所述，随着可见光MIMO、DMT/OFDM以及均衡等技术在可见光通信系统中应用的日趋成熟，系统的速率不断提升,与此同时，基于可见光通信的实用系统及组网方面的研究也逐步展开。

在日本，早在2003年庆应义塾大学的M. Nakagawa研究团队就提出了一种可见光通信组网的设计方案，将电力线通信与可见光通信技术相结合，并通过理论分析与实验对系统的可行性进行过验证[108]。2009年，他们实现了一种基于CSMA/CD协议的室内可见光通信系统，下行采用可见光链路，上行采用红外通信，系统速率达到100Mbps[109]。

在欧洲，2010年OMEGA计划实现了一个包含MAC层和PHY层的点对点可见光通信系统，速率达到73Mbps[110]。同年，德国海因里希-赫兹研究所先后实现了84Mbps和100Mbps点对点可见光通信系统，能够在两个可见光终端之间传输高清视频[111,112]。在海因里希-赫兹研究所网站上，他们的最新成果已经研制成相应的可见光通信产品，包括速率为500Mbps和3Gbps的两种可见光通信终端[113]。2011年，意大利比萨圣安娜大学的研究人员实现了一种将RoF和可见光通信相结合的通信系统，系统采用IEEE 802.11g标准的MAC层，实现54Mbps 的通信速率[114,115]。

在美国，2011年波士顿大学的研究人员提出了一种由可见光通信和Wi-Fi 混合的室内通信系统，将可见光通信用于Wi-Fi系统的下行链路，扩展系统的下行带宽[116]，并研究了系统通信在可见光通信和WiFi通信之间的切换机制，进行了相应的计算分析和仿真。此外，他们还对基于CSMA/CA协议的多用户系统进行过仿真分析[117]。

在国内，2013年中科院半导体研究所的研究人员实现了一种可见光通信系统，系统的MAC层采用CSMA/CD协议，通过以太网收发电路将室内可见光通信链路与以太网相连，下行链路采用可见光通信，广播下发信号，上行链路直接用双

绞线相连进行通信[118]。2014年，他们又提出并实现了一种基于CSMA/CA接入控制协议的室内可见光通信系统，为了解决多用户接入的问题，他们对AP端的MAC层协议进行了改进，通过AP端下行发送信道空闲指示信号来表示信道的忙闲[119]。2014年，清华大学的研究人员提出并实现了一种将电力线通信与可见光通信相结合的室内可见光通信系统，速率达到48Mbps[120]。

总之，在实用化系统和组网方面的研究目前还处在起步阶段，以上提到的这些实用化的系统速率大都在100Mbps以内，在支持多用户接入方面还有待改进。在应对多用户上行数据冲突方面，采用WiFi和VLC混合组网的系统中，上行数据大都采用WiFi传送，但不能完全体现出可见光通信的优势；在上行链路采用红外或可见光的系统中，大都通过对现有的接入控制协议进行改进来解决冲突。混合组网和高效的接入控制协议是需要重点研究的内容，目前专门针对这一方面的研究相对来说还比较少。

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