Page 23 - 网络电信2016第13期

光通信
2.VLC的技术难点
尽管VLC技术存在诸多天然优势，但当它用于高速无线接入
时，依然存在一些技术和性能上的难点，这主要包括：
（1）照明LED的自然物理带宽较小，常用的照明LED光源 较强，非成像MIMO具有视场角较大、系统器件的复杂度低等优
的3-dB带宽通常只有3～5MHz，在此带宽基础上实现高速数据传
输面临挑战。在技术方面需要一方面尽量扩展可用数据传输带
宽，一方面优化资源在频带上的分配策略。
图1 室内可见光通信应用场景
（2）室内多光源照明场景下，相邻光源之间信号干扰明
显。为了实现照明一致性，相邻光源之间存在明显的覆盖交叠
区，在交叠区域内的信号存在相互干扰的问题。在实现高速VLC
时，需要考虑抑制此类干扰的技术方案；进一步需要考虑通过
空分复用转化干扰为增益，利用相邻的多个光源同时并行传输
信息，提高通信速率。
（3）在VLC系统中，环境干扰问题明显。一方面环境中的
背景光有可能工作在和VLC系统相同的光谱波段，会为系统引入
明显的背景光噪声；另一方面环境中其他物体的移动可能会造
成VLC链路的暂时中断，影响数据传输的连续性，同时对链路快
速恢复技术提出较高的要求。
3.VLC应用场景分析
由于VLC具有诸多明显的优势和技术挑战，加之它与照明的
天然结合，VLC的主要应用场景可以归纳为如图1所示的情况。
在室内环境下，照明LED为室内的智能设备提供高速接入的能
力；如果在一间房屋内同时存在多个光源，多个光源之间需要
协同配合，实现设备的高速接入；同时，VLC需要与Wi-Fi、光
纤接入网、电力线通信等已有通信手段融合，共同实现家庭接
入的功能。
宽带VLC关键技术路线
1.VLC技术研究进程
针对VLC的典型应用场景及其在技术、器件特点和性能方面
的难点，当前针对高速VLC的研究主要集中在以下3方面：
（1）正交频分复用（OFDM）调制技术、多输入多输出
（MIMO）技术等高速通信技术的理论研究。
（2）OFDM 中抑制信号峰均功率比（Peak-to-Average
Power Ratio, PAPR）、MIMO中优化资源分配算法等系统优化算
法研究。
（3）探索新型照明LED材料以及研究照明通信一体化等
新兴课题研究。在OFDM调制技术方面，有许多研究精力被投入
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到探索和实现更高的调制阶数、功率以及更大带宽上，也有部
分研究关注于各类高效的光OFDM实现方案。在MIMO技术方面，
成像MIMO和非成像MIMO技术均被广泛研究，其中成像MIMO增益
点。由于OFDM和MIMO技术均能直接、明显地提升VLC系统容量，
并且两种技术可以相互配合实现叠加，因此本文主要对这两种
关键技术开展研究。
2.基于OFDM技术的宽带VLC研究
基于OFDM的VLC系统十分适用于高速传输的应用场景，这是
由于OFDM能有效地提高带宽利用效率、解决码间干扰问题、通
过功率分配机制提高能量利用效率。
图2是一个典型的基于OFDM的VLC系统框图，二进制信号
依次通过星座映射、串/并转换、功率分配、反傅里叶变换
（IFFT）实现正交调制，在经过并/串转换和数/模转换后即可
注入LED。由于在VLC中用光强表示信号，要求信号必须是非负
实数，故与传统的射频OFDM发射机不同，在基于OFDM的VLC发射
机中，需要加入红圈标识的共轭对称模块。在该模块中，将符
号向量进行对称共轭后与原信号合并组成新的向量，由于其共
轭对称的特点，IFFT结果的虚部为0，从而使得待发射信号满足
实数性的要求。
图2 基于OFDM的VLC系统框图
在基于OFDM的VLC系统中需要重点解决信号PAPR过高和比
特功率分配算法的问题。照明LED具有明显的非线性特征，在
LED的准线性区，发光强度随着输入电压正比例变化，但在输入
电压过大或者较小的时候，发光强度会出现饱和或者截止的情
况，如图3所示。与此同时，原生的OFDM信号具有较高的PAPR，
在LED非线性模型下，为了保证信号不出现较强的非线性失真，
只能将信号平均功率控制在较低的水平，这种情况是不利于提
图3 典型LED的非线性特性