无线光通信技术——从理论到前沿 课件 第3章.pptx

第3章 可见光通信;3.1 概 述;　　由于同一场景下可能需要同时使用多台无线设备,例如智能手机、平板、智能手表、智能眼镜、可穿戴设备、便携式电脑等,并且同一通信网络中每增加一台设备,每台设备所拥有的数据速率就会降低,因此利用 VLC来增强 WiFi和蜂窝无线通信越来越迫切。基于现有基础设施安装 VLC系统来提高数据传输速率便于实现。图3－1为 VLC无线网络示例。;;　　其中,VLC的下行链路包括照明 LED、以太网电力线通信(PowerLineCommunica_x0002_tion,PLC)、调制解调器和 LED驱动器,它们作为设备的一部分,通过专用或加密的接收机接收信号。　　上行链路的配置主要包括:　　① 一个 WiFi链路;　　② 一个红外IRDA 链路;　　③ 如图3－2所示的调制逆反射器。;;　　智能交通系统的使用,可提高道路安全、减少道路交通事故以及提高交通效率(如图3－3所示)。VLC技术已被提议用于智能交通系统,为车辆之间、车辆和交通灯之间或车辆和广告牌之间等道路基础设施之间建立单向或双向短距离无线通信链路。VLC 技术可以使用现有的车灯、交通灯及广告牌等发光设备作为接收机或发射机,从而降低系统成本。例如图3－3中将交通信号灯作为发射机。;;　　VLC在玩具和主题公园娱乐设施中也被广泛运用,这主要聚焦于 VLC技术的两个特点(如图3 4所示)上。　　其一是 VLC通过视线或半视线进行通信的能力,也就是说通信只能在特定区域进行。基于这个特点,商家可以基于观众位置给观众发送不同的信息,如 AR或 VR技术让观众仿佛置身于商家提供的场景中。　　其二是 VLC技术的低成本,例如玩具的 LED可以同时作为发射机和光电二极管接收机来降低玩具升级的成本。;;　　通过智能手机摄像头捕捉动态广告是 VLC 技术的一个新的应用领域,它通过广告牌和照明设施来传输由摄像头检测到的信息,然后通过适当的算法从视频中提取通信数据。这种技术为街道、购物中心和地铁的广告添加了额外的信息层。;3.2 考虑光照约束的调制技术;　　本节将讨论几种平均强度约束方法。为了满足以平均强度约束为代表的光照约束,提出了信号电平偏???、及时补偿和改变符号电平分布等方法。其中信号电平偏移和及时补偿方法实现简单,而改变符号电平分布方法则可提高通信中的数据吞吐量。　　(1)信号电平偏移是最简单的方法之一。　　(2)及时补偿时间上的强度差是另一种可以简单实现的方法。;　　一些基于 PWM 的研究也提出了简单的解决方法以提高边际速率。例如,① PWM 可以与 OOK 和 PPM 叠加以支持调光。② 可变脉冲位置调制(VariablePulsePositionModulation,VPPM)是另一种使用 PWM 的方法。这种调制结合了2-PPM 和PWM 的调光控制方法,如图3－5所示。③ 脉冲双斜率调制作为 VPPM 的一个变形,提供了改进闪烁抑制的方法。;;　　(3)改变符 号 电 平 分 布 是 一 种 复 杂 的 方 法,但 可 带 来 额 外 的 速 率 提 升。　　典型的 LED照明是白光。然而,一些应用需要多种颜色的 LED,例如光疗、显示屏和高显色指数的照明。在这样的应用中,照明的要求并不只是对标量平均强度给出约束,而是给出平均颜色和强度的矢量。这里将讨论两种处理有色情况的方法:① 色移键控(ColorShiftKeying,CSK)分开考虑了颜色和强度。它一方面使光照强度固定在目标强度上,另一方面利用颜色的瞬时变化进行数据传输。如图3－6所示,信号星座位于一个强度相同的二维彩色空间中。② 颜色强度调制(ColorIntensityModulation,CIM)会同时改变颜色和强度,因此这种方法可以利用 CSK 增强吞吐量。;;　　下面着重介绍三种方法,即逆源编码、多级传输和颜色强度调制。在执行这些方法时应考虑:VLC需要照明的瞬时变化能避免对人眼造成影响,因此需要符号变化得足够快。此外,还应注意 LED照明的物理色温和色度偏移。这主要是由 LED 的输入电流水平和温度的变化引起的,而多级传输易受这种偏移的影响。;3.2.1 可调光 VLC中的逆源编码　　1.NRZ-OOK 的逆源编码　　首先介绍一种用于二进制调制的ISC方法。设d 表示调光目标,为了达到调光目标的二进制 OOK 调制,需要分别按d 和1-d 的比例使用 ON 和 OFF符号,形成 OOK 调制。如果使用该调制进行通信,则数据速率受限于二进制熵上限,该二进制熵为;　　为了在调光目标d 中实现最大的传输效率(数据速率),应该调整消息符号的组合,使ON 符号和 OFF符号在单个数据帧中分别以概率d 和概率1-d 出现。由于