引用本文:
徐正元,刘伟杰. 室外可见光通信抗干扰收发技术[J]. 光通信技术,2020,44(7):1-6.
徐正元1,2,刘伟杰1,2
(1.中国科学技术大学 信息科学技术学院,合肥 230026; 2.中国科学院 无线光电通信重点实验室,合肥 230026)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:室外可见光通信(VLC)系统中,高强度的太阳光、高亮度的电子广告牌,以及大量的人造光源等使得光电探测器容易出现饱和或者非线性输出等异常情况。为了解决此问题,首先回顾了面向室外智能交通的VLC研究进展;接着针对室外应用环境中出现的不同类型的干扰,介绍了抗干扰收发技术,包括光信道起伏与遮挡下的喷泉码方案、强背景光干扰与探测器饱和下的衰减分集接收技术,以及多光源干扰下的自动对准与跟踪方法等;最后,指出这些抗干扰收发技术在未来的改进和研究方向。
关键词:可见光通信;智能交通;干扰抑制;喷泉码;衰减分集;自动跟瞄
中图分类号:TN256 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)07-0001-06
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.07.001
0 引言
相比于传统无线通信,可见光通信(VLC)技术不需要频谱授权,不存在电磁干扰问题,可以提供更大的带宽以及更灵活的光束整形方案,在兼顾照明功能的同时还可以进行高速的无线数据通信[1-3]。因此,VLC 技术可以和传统无线通信技术互补,成为未来无线网络的补充候选解决方案[4-5]。
作为一种绿色高速通信方式,VLC在智能交通系统(ITS)中的应用受到了人们的广泛关注[6-7]。在室外ITS中,交通指示灯、路灯和汽车前后灯等都可以作为VLC发送端的光源,实现车辆与路基设备、车辆到车辆和车辆与行人之间的交通信息共享,提高交通设施的使用效率[8]。接收端则普遍采用图像传感器、光电二极管(PD)、雪崩光电二级管(APD)、光电倍增管(PMT)或者单光子计数器(SPAD)等作为光电探测器。普通商用摄像头的帧率往往较低(小于60 fps),无法满足高速VLC的需求[9]。2010年,日本的Nagura T等人提出了利用高速摄像头(16000 fps)来进行车辆之间的VLC,成功实现了在静态模式下最大128 kb/s和动态环境下16 kb/s的传输速率[10]。Yamazato教授团队提出了一款基于图像传感器的VLC车载通信接收芯片,将目标检测、跟踪与即时通信巧妙地结合在一起,实现了最大55 Mb/s的实时通信传输[11-13]。但是,无论是工业级高速摄像头还是集成图像传感器的通信专用芯片,由于特殊集成功能使得成本变得非常高,无法很快进入商用化进程。所以,PD或者APD仍然是广大学者以及工业界较为认同的VLC接收器件。Luan H等人使用商用单个奥迪车灯作为发送光源,使用商用APD模块作为接收端,实现了最大通信距离60 m的开关键控(OOK)调制传输[14]。对于多车接入问题,Yang R等人利用4个商用车灯,结合商用APD模块,成功实现了30 m距离下最大用户速率为43.1 Mb/s的正交频分复用多址接入系统[15]。Mao Y等人采用均衡技术,在调制带宽不足5 MHz的交通灯上,实现了传输速率超过200 Mb/s的实时通信系统[16]。此外,Xu R等人利用发光二极管(LED)、商用APD模块成功实现了精度高于5 cm的距离探测[17]。但是,商用APD的使用会造成额外的成本开销和终端体积的增加,而LED在作为发送器件的同时也可以作为光/电转换器件[18],并成功实现了基于路灯的车辆感知[19],使智能交通VLC又迈出了新的一步。
上述VLC系统大多采用商用APD作为接收端光电探测器,或者是在实验室理想条件下基于单灯点到点通信的,而室外VLC的传输距离往往在几十米到几百米量级,因此收发端通常采用光学天线(例如透镜)来提高信噪比(SNR),而接收端透镜的引入会带来收发端对准问题。在室外存在多信号光源时,发送光源的选取和对准便成了一个实际系统中较为棘手的问题。此外,理想的光电探测器将输入的光强信号线性地转化为电流或者电压信号,输出到数字处理单元。但是,大量室外场景下的干扰源,如高强度的太阳光、高亮度的电子广告牌,以及大量的人造光源等,会给光电探测器带来非常大的影响,使得光电探测器容易出现饱和或者非线性输出等异常情况[20],从而降低了系统性能,限制了传输速率。
由此可见,室外VLC系统极其容易受到外界干扰。本文主要介绍在VLC系统中抗干扰的收发关键技术(抗干扰编码调制技术、衰减分集阵列接收技术和抗多光源干扰的跟瞄技术),归纳总结这些技术的相关研究成果以及未来发展趋势。
4 结束语
本文对室外VLC中存在的干扰进行了大致的分类,介绍了部分抗干扰的发端与收端技术。无论是抗干扰编码调制技术,还是利用衰减片或者衰减分集的抗强光干扰VLC接收机,以及抗多光源干扰的跟瞄技术,目前还处于独立研究状态。未来必将是多种抗干扰技术的联合使用,使得VLC系统可以适应复杂多变的室外场景,并更好地服务于智能交通、车联网和无人驾驶等室外应用的通信需求,甚至渗透至成像与智能感知等领域。