LED交通灯在可见光通信中的国内研究现状

国内对可见光通信的研究起步比较晚，目前研究成果主要来自各大高校，例如西安理工大学、暨南大学、解放军信息工程大学、中科院半导体研究所、复旦大学、南京邮电大学以及台湾地区的一些学校。国内的研究内容主要集中在系统的调制方式、系统速率等理论方面的研究，对可见光通信技术的具体应用领域的研究（例如智能交通系统、室内定位等）目前处在起步阶段，在这些方面还需要研究人员进行深入的研究和实践。

西安理工大学的柯熙政、丁德强在2006 年研究了白光LED 通信系统的关键技术[108]，2009 年，该团队在对白光LED 的光子出射机理进行分析和分类的基础上,提出了一种通用白光LED 的数学发光模型[109]。2012 年，该团队实现多LED 紫外光通信系统，设计的发送端能采用直流驱动紫外光LED为光源，接收端采用滤光片和光电倍增管实现光电检测，在不同条件下对系统进行了实验测试，并对通信距离和误码率进行了分析，随着LED 个数及LED 供电电流的增加，紫外光通信的传输距离增加，并且误码率降低，使得紫外光通信系统的性能得到了提高[110]。2013 年，该团队提出了一种在自由空间光通信多输入多输出中4×4 的自适应多层空时编码方案，并用Monte Carlo 法进行仿真研究。结果表明，在一定的信噪比范围内，采用自适应多层空时，编码方案在保证一定误比特率的条件下，能使数据传输速率达到最大化，采用自适应调制方式能更有效地利用资源并提高数据的传输速率[111]。2015 年，该团队为了提高可见光通信的频谱利用率，提出一种多维编码方法，构建了基于RGB 发光二极管（LED）的可见光视音频传输系统，并对该编码方法进行了实验验证。实验对多基色LED 采用16 脉冲位置调制（16-PPM）作为基调制的多维编码方法，在3 m 距离上实现了1.5 Mbit/s 的视音频数据流传输。结果表明，多维编码方法可以有效利用可见光的宽频谱，提高信道容量，为进一步实现高速通信系统提供了可能[112]。2016 年该团队针对服从对数正态分布的大气弱湍流信道模型，基于高斯近似的方法计算分析信道的极化现象，提出了一种适用于大气弱湍流信道的极化编码调制方案，并对其性能进行了仿真分析。对极化码分别采用开关键控（OOK）调制与脉冲位置调制（PPM）时的仿真结果表明，采用2-PPM 的极化编码调制方案可有效提升无线光通信链路在弱湍流条件下的译码纠错性能[113]。2017 年该团队研究了QPSK 副载波调制下乘性噪声与加性噪声对接收端星座图影响。基于Gamma-Gamma 信道模型，分析了乘性噪声和加性噪声影响下系统的接收星座图。通过仿真实验计算了混合噪声情况下的星座图分布以及接收端功率谱密度。讨论了混合噪声条件下,不同能见度、传输距离对系统误码率的影响[114]。2018 年该团队采用多模盲均衡算法克服无线光通信中大气湍流引起的光强闪烁效应对高阶QAM 信号的影响，系统仿真中使用Gamma-Gamma 模型模拟大气湍流信道，对比了不同噪声情况下接收信号星座图的聚敛性，结果表明在传输过程中影响信号质量的主要因素是乘性噪声，最后搭建了64-QAM 实验系统证明上述算法的可行性[115]。2019 年该团队针对正交频分复用（OFDM）可见光通信系统中存在高峰均功率比的问题，将预编码与迭代限幅滤波技术相结合应用于Hartley 变换OFDM 调制的可见光通信系统中，并对传统的采用FFT/IFFT 限幅滤波的OFDM 系统进行改进[116]。

暨南大学的陈长缨、胡国永等人在2006 年研究了室内白光LED 照明通信系统，设计并实现了点对点、近距离（20cm）的白光LED 无线通信设备[117]。2008 年，该团队研究了白光LED 照明通信系统中信噪比和不同路径引起的码间干扰的问题，提出了一种基于角度分集的光接收机技术用来克服不同路径引起的码间干扰和提高信噪比,同时给出了该技术方案中光探测器布局的模型[118]。2010 年，该团队对室内可见光通信中提高系统整体性能的若干关键技术进行了研究讨论，为改善白光LED 通信系统性能提供进一步努力的依据[119]。2011 年，该团队提出了基于噪声与干扰双受限的白光LED 通信接收机设计方案，根据该方案设计的白光LED 通信系统已投入使用[120]。2012 年，该团队分析了码间干扰的产生机理及其对高速白光LED 光通信系统的影响，讨论了传统的抑制码间干扰的方法以及提出分集接收的抑制技术[121]。2013 年，该团队提出了利用暖白光、绿光和蓝光三种颜色的LED 混合得到色温动态可调的白光LED 的方法，选取色温为3000K的暖白光LED 与绿光、蓝光LED 进行混色，可以得到色温大范围准确可调的白光LED 且改善了白光光源的显色性[122]。2014 年，该团队提出了一种利用蓝光LED 与荧光粉发光LED 混合通过对蓝光LED 进行负反馈控制，保证蓝光辐射在全白光中的辐射功率比值恒定，从而实现色温稳定的白光LED 照明系统[123]。

台湾研究者在2012 年提出并实验了使用数字滤波的4-ASK 调制可见光通信系统，将直接调制白光LED 的速度提高了20 倍，直接调制速率为1MHz 的商用LED 在该系统中可以传输20Mbit/s，并且该系统可以减少码间干扰[124]。2012 年，台湾研究者验证了使用CAP 调制的可见光通信系统的比特速率达到1.1Gbit/s，系统使用了蓝光滤光片，前均衡和判决反馈均衡来补偿白光LED 的带宽[125]。2015 年台湾研究者Yeh C. H.等提出并在实验上演示了一个380（2×190） Mbps 荧光粉发光二极管LED为基础的可见光通信（VLC）系统，该系统采用2×2 偏振复用设计，用于建筑物内的接入应用。使用偏振复用技术，通过使用磷基白光LED 而不使用光学蓝色滤光片来获得高的VLC传输容量。采用带比特加载的正交频分复用（OFDM）正交幅度调制（QAM）技术来提高数据传输速率[126]。2016 年台湾研究者Yeh C. H.等提出了一个71.3~148.4Mbit/s 白磷光发光二极管可见光通信系统，并在140~210cm 的实际传输长度下进行了演示。利用了带有比特加载算法的光正交频分复用正交幅度调制（OFDM-QAM），提出了一种最优的偏置T 型电路设计，将调制带宽从1MHz 提高到27MHz[127]。2018 年台湾研究者Yeh C. H.等提出并研究了一种利用自适应滤波和偏振复用技术的磷白光LED 千兆可见光通信（VLC）系统。由于LED 的非相干光，可以在LED 发射端和客户端分别使用两个正交线性偏振器产生2×2 偏振复用MIMO VLC 传输。此外，在采用高频谱效率的正交频分复用（OFDM）调制的情况下，为了改善基于LED 的VLC 系统的非线性问题，提出了volterra 非线性均衡（vnle）滤波算法。无线VLC 系统的总数据速率达到了1.4Gbps[128]。 2019 年台湾研究者Yeh C. H.等为了实现基于 GaN LED 的可见光通信（VLC）的高通信速率，使用了两个蓝色和两个绿色LED，演示了一个4×4 色偏振复用系统[129]。

解放军信息工程大学是国内最早研究可见光通信技术的单位之一，也是我国“863”计划可见光通信项目的牵头单位。2014 年成立了中国可见光通信产业技术创新战略联盟（CVLC）。2015 年12 月，经中华人民共和国工业和信息化部测试认证，由于宏毅教授带领的课题组，在国家首个可见光“863”计划项目“可见光通信系统关键技术研究”中获得重大突破，将可见光实时通信速率提高至50Gbit/s，是当前国际最高通信速率的5 倍[130]。2016 年，为提升可见光双层叠加系统的通信性能，该团队提出了一种新型叠加编码系统。该系统在充分考虑远、近距离通信特点的基础上，将间迹正交编码与叠加系统相结合，使双层信号满足迹正交特性，有效消除了层间干扰，提升了信号间的欧氏距离，并获得了一定的编码增益[131]。2017 年，基于法向量倾斜的可见光通信多输入多输出信道解相关技术，该团队提出以最小化最大干信比为优化目标，通过建立VLC-MIMO 信道模型，分析收发端阵元法向量倾斜角度对信道相关性的影响;通过优化发光二极管（LED）法向量倾斜角度来减小信道相关性，并得到各个LED 法向量的最佳倾斜角度。通过比较系统接收平面的光照度分布，发现所提出的优化方案能有效减小信号间干扰，与链路阻塞方式相比，该方案的误码率降低了42dB[132]。同年，该团队为了提升非对称限幅光正交频分复用（ACO-OFDM）的频谱效率，提出了一种单极性非对称限幅光OFDM（UACO-OFDM）调制技术。在频谱效率相等的情况下，对UACO-OFDM 和其他传统光OFDM 调制方式的误码率（BER）和峰均比（PAPR）性能进行对比分析，得出UACO-OFDM 的BER 性能更优。与频谱能量有效OFDM（SEE-OFDM）相比，当子载波数为64 时，两者的峰均比性能比较接近；当子载波数为256 和1024 时,UACO-OFDM 比SEE-OFDM的PAPR 分别低2dB 和5dB 以上[133]。(www.xing528.com)

中科院半导体研究所陈雄斌教授团队在2008 年将白光LED 无线通信技术作为半导体所依托中科院知识创新工程重要项目。2009 年1 月，半导体研究所首次成功利用LED 灯接入互联网，并进行了成功的展示。2010 年2 月，半导体研究所成功地研制出了第三代可见光通信系统样机，并在同年5 月份上海世博会上进行了展示[134]。2011 年，该团队对室内LED 布局进行了优化通过基于TCP/IP 协议的VLC 网关来驱动大功率照明LED 验证了LED 能够结合现有局域网架构实现照明和通信的融合[135]。2014 年该团队采用白光LED并结合滤光片和预均衡电路，采用NRZ-OOK 实现了200Mbit/s 传输速率,误码率为5.7×10-7[136]。同年，他们采用NRZ-OOK 调制实现了60cm 内数据速率达到550Mbit/s，误码率为2.6×10-9[137]。2015 年，他们采用16QAM 调制的OFDM 技术，实现了1m 内数据速率达682Mbit/s，误码率为2.5×10-8[138]。2015年，该团队利用白光LED制作了室内半导体照明的可见光音频通信系统，提出了一种改良型的稳定照明编码方式，在保证输出连续、稳定0 和1 数据码流的同时，将编码效率提高了10%以上，减小了传输时长，降低了编码冗余度[139]。2016 年该团队利用自主研发的软硬件搭建了基于可见光通信的一对多视频广播系统，该系统支持一对多的1080P 视频数据光学无线广播传输，每个用户的接收带宽为2Mbit/s，传输距离为2m[140]。2016 年，该团队研究了高速可见光通信（VLC）系统中荧光型LED 光源的直流偏置电流大小与系统响应时间、误码率的关系；搭建了高速可见光通信测试系统，用于验证如何通过设置合适的LED 光源的直流偏置电流使可见光通信系统达到更高的通信速率和更低的误码率[141]。2017 年该团队为了保证室内可见光通信传输的稳定、正确和实时性，研究了正交频分复用（OFDM）系统中的关键调制解调技术。利用短训练序列和长训练序列对接收机的时域同步、频率同步和信道均衡进行了分析和优化，提出的基于OFDM 的VLC 系统能够实时处理信号，可以应用于实际的VLC 应用系统中[142]。2018 年该团队讨论了一种基于照明灯具的模块化可见光通信系统。利用发光二极管（LED）本身的频闪特性，将信号经过LED 器件调制,发出人眼无法察觉到的高速调制光载波信号在空间中自由传输,通过光电探测器接收、再生、解调来实现信息的传递。通信单元采用模块化结构内嵌于吸顶灯、筒灯、射灯等各类灯具，使普通LED 照明灯具具备了可见光通信功能，同时可以兼顾室内照明的专业要求[143]。2019 年该团队针对速率为100Mbit/s、偏置电流为0.15A 的使用开关键控调制的可见光通信系统，研究了调制度对通信系统性能以及照明效果的影响。当速率为100 Mbit/s、距离为12.0m 时，在1W 荧光型发光二极管的可见光通信系统中，调制度最小为0.1 就可以满足前向纠错误码率门限要求。如果对通信系统的可靠性要求较高，调制度应在0.1 和误码率为0 所对应的调制度之间选择，且调制度的大小不会对照明效果产生影响[144]。

复旦大学研究者迟楠教授团队在2013 年初提出了基于RGB-LED 的双向室内通信系统，采用QAM-OFDM 的调制方式，加上预均衡及后均衡进行信道补偿，下行速率达到1.15Gbit/s，上行速率300Mbit/s 在0.7m 距离内误码率小于3.8×10-3[145]。同年，10 月采用了2×2 的成像MIMO 技术实现了单向离线峰值传输速率达到3.7Gbit/s 刷新了世界纪录，同时该系统实时速率达到150Mbit/s 在75cm 距离内误码率低于3.8×10-3[146]。2014 年，他们提出了结合SC-FDE 和DD-LMS 技术的512-QAM 调制方案，并采用WDM 技术在单颗RGB-LED 的通信系统中将数据速率提高到4.2Gbit/s[147]。同年，提出并实验验证了一个新的全双工双向子载波复用波分复用可见光通信系统[148]。2015 年，他们采用高阶CAP 调制并使用后均衡技术，利用RGBY-LED 实现8Gbit/s 的数据速率，误码率低于3.8×10-3[149]。2016 年，他们对室外可见光通信（VLC）强背景光大气湍流信道进行了建模。在几十微瓦功率背景光噪声下，实现了800 Mbit/s PPM 信号的仿真系统传输[150]。2017 年，该团队提出了一种新型的无载波振幅和相位（CAP）调制方案来减轻可见光通信（VLC）系统的系统非线性，研究了一种1.25Gbit/s CAP 调制VLC 系统的可行性和性能，并对其进行了实验验证。结果表明，与矩形星座相比，圆形星座具有较好的系统非线性特性[151]。2018 年该团队发现可见光通信系统延时的存在，接收信号的强度会发生波动。在多输入单输出（MISO）系统中，对在不同条件下的系统延时进行补偿，通过比较系统的误码率发现波束成形技术会明显提高系统定位精度[152]。2019 年该团队提出了一种可适用于车联网中前车与后车之间的车灯可见光通信系统。发射端光源采用车灯LED 模组，使用光二极管和示波器组成接收端，调制方式为离散多音频调制。将采集到的数据在计算机终端进行离线处理,在2m 的自由空间进行传输时,系统的单向传输速率达到181.25Mbit/s,同时传输误码率低于误码门限3.8×10-3，基本能满足现时路况中近距离的前车与后车之间的通信交互。最后,通过实验找到了该车灯模组在进行可见光通信时的最佳工作点，即驱动电流为340mA,信号幅值为0.7V[153]。

南京邮电大学的陈健教授团队在2013 年针对多用户室内可见光系统，提出了基于预编码算法的多用户多入多出系统模型，从而有效降低用户终端的复杂度和功耗[154]。2014 年，该团队在高速非相干光OFDM 通信系统中，提出了一种基于直流偏置光OFDM 的帧内信号时域调整方案，该方案能显著降低因码元超出保护间隔而引起的码间干扰和载波间干扰，从而有效改善系统的误码率性能[155]。2016 年，该团队在带宽受限情况下建立了相干光侦听接收机模型并给出了带宽受限的等效滤波器模型[156]。2017 年，该团队提出了将DAML 相位估计算法应用到空间相干光通信系统中来提高系统性能，并推导了在大气湍流、激光器相位噪声以及各种天气状况衰减效应影响下，针对DQPSK 信号的DAML 相位估计系统的误码率，最后重点分析了在雾、霾天气条件下该系统的传输距离限制和波长选择特性[157]。2018 年该团队为改善自由空间光通信（FSO）系统中传统判决门限技术的不足，降低连续波参照光辅助检测技术中参考光不携带任何信息给系统带来的高成本损耗，提出了一种基于已判决信号的量化电压获得当前码元判决门限的自适应判决门限技术（ADT）,提取信号中的直流分量（DC）作为连续波参考光来估计大气湍流信道的波动特性。结果表明在误码率为10-3的条件下，自适应判决门限和直流提取技术具有更低的功率损耗，可显著提高FSO 通信系统的性能[158]。