应用于可见光通信的上行链路方案探讨

郑重+刘璐+胡薇薇

中图分类号：TN929.1    文献标志码：A   文章编号：1009-6868 （2014） 06-0008-004

摘要：

基于对采用射频、可见光、780～950 nm红外光作为可见光通信上行链路的分析，提出了采用1 550 nm激光作为可见光通信上行链路的全新方案，在典型室内应用场景下，与下行的可见光链路共同构成一套波分双工全光通信链路，其上行链路可达1 Gb/s。1 550 nm激光上行链路同样具有速率高、无电磁干扰、与保密性好等与可见光通信相一致的特点，可以成为可见光通信上行链路候选方案之一。

关键词：  可见光通信;发光二极管;上行链路;激光

Abstract： This paper analyzes the features and feasibility of the uplink utilizing wireless radio frequency， visible light， and 780-950 nm infrared light for visible-light communication. In addition， a novel uplink scheme employing 1550 nm laser and avalanche photo diode is presented. This scheme maintains the advantages of high-speed， no electromagnetic interference， and enhanced security. The simulation results indicate that this uplink can achieve a data rate of 1 Gb/s.

Keywords： visible light communication; light-emitting diode; uplink; laser

白光发光二极管（LED）相比于传统光源具有更高的发光效率，绿色环保，正在逐步成为主要的照明光源。可见光通信将通信信号加载至室内照明白光LED上，通过高速光照强度变化来进行数据通信[1]。可见光通信无需新的电磁频谱许可，也不会引入对其他设备的电磁干扰，还具有通信速率高、保密性好等优点[2-3]。室内白光照明LED一般固定于天花板特定位置，通过可见光对室内各终端进数据广播，构成可见光通信的下行链路。现有的报道中多是此类单向可见光传输链路，然而一个完整的通信系统必须具有协同工作的上行链路。截至目前，可见光通信数据速率最高已经达到10 Gb/s[4]。为与可见光通信下行链路数据速率相匹配，上行链路需要具备较高的速率。此外，可见光通信系统一般面向短距离无线移动接入系统，因此上行链路也需为无线链路，且具有可移动性[5]。

1 可见光通信研究现状

在可见光通信研究的早期阶段，牛津大学的O'Brien和爱丁堡大学的Harald Haas组都已考虑到上行链路会是可见光通信的重要挑战之一，并指出射频、红外光等可以作为上行链路。波士顿大学的TDC Little等提出并分析了Wi-Fi与可见光广播系统相融合的方案，在该方案中，Wi-Fi与可见光广播通信链路协同工作，相比于两者单独工作，实现了更高的传输速率[6]。台湾国立交通大学C. W. Chow组通过时分双工（TDD）的方式，实现了双向可见光通信[7]。与之对应，复旦大学迟楠组展示了以RGB 3色LED中红绿2个通道作为下行，蓝色通道作为上行的波分双工（WDD）可见光通信系统[8]。意大利比萨圣安娜高等学校的Cossu等展示了可见光与850 nm波段红外光共同组成的双向400 Mb/s点对点链路，但该链路为点对点链路，与实际场景所需的上行链路仍有差距[9]。在此研究基础之上，本文提出了以1 550 nm激光作为上行链路的全新方案，在典型室内应用场景下，该方案至少可以提供1 Gb/s的上行链路速率，且具有安全性高、保密性好等诸多优点。

2 现有上行链路技术方案

现有研究已提出无线电波与无线光波两大类上行链路用于可见光通信系统，无线电波主要以Wi-Fi为典型方案，而光波方案中又可以按照波段分为380～780 nm间的可见光波段与780～950 nm间的红外光上行链路。各方案示意图如图1所示。我们将在下面各小节中介绍各方案并讨论其技术特点。

2.1 射频上行

传统无线通信系统利用射频作为载波来传递信息，可见光通信仍然可以采用射频作为上行链路，如图1（a）所示。目前室内无线局域网（WLAN）应用与部署最为广泛、技术最为成熟的是Wi-Fi，即IEEE 802.11系列协议[10]。Wi-Fi技术包括IEEE 802.11 a/b/g/n/ac等适用于WLAN的协议标准，旨在为用户提供无线宽带数据接入[11]。现有移动终端大都安装有Wi-Fi模块，Wi-Fi热点也已广泛部署，然而当用户数据量不断增长时，接入信道时产生碰撞的几率与退避等待时间都在不断增加，因此可以由可见光通信系统来承载下行链路数据，而Wi-Fi用作上行链路。可见光通信一般为视距（LOS）链路，当接收机与LED发射源之间有障碍物遮挡时，Wi-Fi也可以短时间提供下行传输，以保证服务质量（QoS）。由此可以将可见光通信与Wi-Fi进行深入融合，共同组成异构网络。由屋顶的LED提供其覆盖范围内的下行链路，组成一个个微微小区，而Wi-Fi提供整个大范围的覆盖与上行链路。此时可见光通信系统为原有的Wi-Fi系统提供了额外的数据带宽，将大大提高整个系统的吞吐量[6]。

现有的射频技术如Wi-Fi等已有成熟的技术标准，经过补充与融合，大都可以作为可见光通信的上行方案，由于原系统下行数据由可见光系统分担，上行传输吞吐量可大幅提高。当可见光接收机处于被遮挡位置时，射频链路可以短暂提供下行传输，以保证数据业务的实时性，甚至可以进行深度融合组成异构网络。然而采用射频上行方式将会与现有的系统产生干扰，占用已经十分拥挤的频谱资源;此外，射频上行会有电磁辐射，将无法用在电磁敏感环境，可见光通信的保密性也会大大减弱。因此，为保持可见光通信的优点，上行链路可以回归光波作为载波，与可见光通信系统构成全光无线通信网络。endprint

2.2 可见光上行

可见光通信系统下行是利用白光照明LED灯进行数据传输，因此上行亦可以利用可见光波段传输数据，如图1（b）所示。在文献[7]中，作者演示了40个LED阵列作为下行，1个单独的LED作为上行的时分双工的可见光通信链路。上下行链路经过精确同步与添加保护时间间隔后，上下行间和墙壁反射的干扰得到了抑制。时分双工系统可以灵活地配置上下行和每个用户的时隙长度，对于非对称业务有很好的动态灵活性。

与时分双工相对应，在文献[8]中，作者展示了波分双工的可见光双向通信链路。文中的LED为RGB 3色LED，分别在红（R）、绿（G）两个通道上加载了32/64QAM-OFDM下行信号，而蓝色（B）作为上行通道，加载了32/64QAM-OFDM信号，在66 cm的自由空间中实现了下行575 Mb/s与上行300 Mb/s的传输速率。文章指出探测器前端的滤光片能够很好地抑制不同波长通道间的干扰，因此可以构成可见光波段内的波分双工系统。但是3色LED只有R、G、B 3个固定通道，无法像TDD方式一样灵活分配上下行速率。

室内可见光通信下行链路利用天花板上固定的照明LED发射信号，是在照明的基础完成通信，然而当终端也使用可见光作为上行信号时需要利用LED向空间中发出一定强度的光照，有时LED发出的光并不是环境照明所必须的，甚至会对身处其中的人们产生视觉干扰，因此利用可见光作为上行链路只能用于某些特殊场景。采用时分双工或波分双工的可见光系统更适用于点对点间的双向通信，在IEEE 802.15.7标准中也提出了利用可见光通信的双向点对点链路形式[12]。

2.3 780～950 nm红外光上行

采用780～950 nm红外光的上行链路与可见光上行链路类似，如图1（c）所示。780～950 nm红外光是早期红外通信技术的主要波段，该波段与硅基探测器的峰值波段相吻合，具有较高的探测效率。红外LED成本低廉，驱动电路简单，因此早期的低速红外通信链路多选择LED而非激光二极管（LD）作为光源，但是红外LED发光谱较宽，调制带宽仅有数兆赫兹，可达到的数据速率较低。此外红外LED发射功率半角大约在15°到30°之间，远小于可见光LED的发射功率半角，因此光束较为集中[13]，780～950 nm波段内的红外光与可见光相接近，也是人眼较为敏感的波段，需要严格限制发射功率。红外通信标准主要由红外数据组织（IrDA）制订，最早的版本为1996年制订完善的IrDA通信协议，定义了最高速率为4 Mb/s的半双工连接标准。之后IrDA又相继制订了速率达1 Gb/s的Giga-IR标准。由于受发射功率限制，这些标准定位于移动终端的点对点间的直接传输，通信距离大多在1 m以内，难以直接用作室内可见光通信上行链路[14]。

在文献[9]中，GiulioCossu等人使用中心波长在850 nm处的红外LED作为可见光通信的上行链路，以RGB 3色LED中蓝色通道作为可见光通信的下行链路，该实验中上下行均采用了离散多音频调制（DMT），接收端采用雪崩光电二极管（APD）探测器，其前端分别放置了473 nm（带通10 nm）和805 nm长波通滤光片，构成波分双工系统，前置滤光片消除了上下行间的干扰，且抑制了背景噪声，实现了2 m距离间的400 Mb/s双向通信。

780～950 nm红外通信受人眼安全以及成本限制，大都采用红外LED。红外LED成本低廉，发射机结构简单，便于移动终端使用。但是受红外LED调制带宽限制，上行链路速率较低。另一方面，红外LED光束较为集中，需要进行简单的瞄准并限制发射功率在人眼安全范围内，因此终端的移动性与链路质量会受到限制。

3 1 550 nm激光上行新方案

在目前的研究基础之上，我们提出了采用1 550 nm激光作为载波的全新可见光通信上行链路方案，与下行的可见光链路共同构成一套波分双工全光通信链路，如图2所示。

相比于780～950 nm波段上行链路采用的红外LED仅有的数兆赫兹响应带宽，1 550 nm波段的激光器拥有可达数百兆赫兹到数十吉赫兹的响应带宽[15]，可以达到更高的传输速率。1 550 nm波段的探测器为InGaAs材料，相比于硅基的780～950 nm探测器具有更高探测效率，可达0.75～0.95 A/W。此外1 550 nm激光器还具有较窄的谱线宽度，因此在接收机前端可以通过窄带滤光片将绝大部分背景干扰光滤除。

虽然1 550 nm波段已经远离可见光范围，但是对于无线激光上行链路，必须考虑人眼安全功率范围。根据国际电工委员会（IEC）规定，用于上行链路的激光器必须为1类或1M类激光产品，对于1 550 nm波段来说，在10 s的接触时间内，1 000 W/m2为安全接触量，约是780～950 nm波段接触量的40倍[16]，因此，1 550 nm波段可以具有更大的发射功率以达到更好的链路质量。

上行链路可以有直射链路、扩散链路和散射链路3种方案[17]。直接链路由激光器直接对准位于屋顶的APD探测器。这种方式光束较为集中，具有很高的能量效率与链路质量。然而直接链路需要精确的瞄准机制，发射结构会比较复杂。扩散链路在激光器前端放置一个光学扩散透镜，将激光器出射光的功率半角扩散至15°至30°，此时在建立链路时，不再需要精确的对准，发射装置可以得到简化。以上两种链路都是LOS链路，路径损耗较小，具有较高的能量效率，且背景噪声很低。与之相对应的第3种是非视距（Non-LOS）链路，激光器发出的光并不直接对准接收机，光束经过墙壁或天花板的散射到达接收机，因此无需瞄准机制。Non-LOS链路具有很高的鲁棒性和移动性，当室内有障碍物或者人员走动产生遮挡时，依旧能保持链路畅通。然而Non-LOS链路具有较大的路径损耗，需要在确保人眼安全的前提下，适当增加发射功率，能量效率较低。综上所述，扩散链路具有较高的能量效率，且无需复杂的瞄准结构，较为适用于可见光上行链路，下面我们对其进行具体分析。endprint

图3为1 550 nm激光上行链路示意图，假设在一个6.0×6.0×3 m3的屋子内，接收机位于天花板中心位置。在发射端，激光器经过透镜进行扩束，用朗伯模型对其进行建模[13]：

[Ro=（m+1）2πcosm?]     （1）

其中[m]与功率半角[?12]的关系为[m=-ln2/ln（cos?12）]。对于是直接链路，仅计入LOS链路损耗而直接忽略由屋顶和墙壁散射造成的其他多径光束，因此接收光功率可以表示如下：

其中[ηT]和[ηR]为发射机与接收机光学前端的透过率，[Pt]为发射功率，[A]为探测器的有效接收面积，[ψc]为可视角（FOV），[?]为偏离角，[ψ]为发射机与接收机连线与垂直方向间的夹角。

为提高接收灵敏度，我们采用APD作为探测器，那么接收信号[S]可以表示为：

[S=R2P2rM2]     （3）

其中[R]为光电探测效率，[M]是APD的雪崩增益。

对于LOS链路，由于忽略了多径信号影响，码间串扰（ISI）同样可以忽略，因此接收信号的噪声可以看做是由散弹噪声和热噪声相加而组成的白噪声，其方差可以表示为：

[N=σ2shot+σ2thermal]     （4）

散弹噪声由APD探测器引入，其表达式为：

[σ2shot=[2eRPrM2+x+2e（Iamb+Id）M2+x]B ]

其中[e]为电子常数，[x]是雪崩增益因子，[Iamb]是背景光电流，[Id]为探测器的暗电流，B为接收带宽。热噪声由电子的随机热运动产生，为简化处理，热噪声可以由热噪声密度（[iamp]）与带宽的乘积来计算：

[σ2thermal=i2amp?B]     （6）

由公式（1）到公式（6）可以得到信噪比的表示为：

根据公式（7）和香农公式，考虑上行发射机位于屋内角落处（0，0 ）处最不利情境下，可得直射点位于天花板不同位置时链路的理论容量，结果如图4所示。仿真所用的参数见表1。

由仿真结果可知：在500 MHz的带宽条件下，上行链路在大约12.3 m2的瞄准误差范围内速率可达1 Gb/s，这将与可见光下行系统相匹配，构成全光双工链路。如果进一步扩展激光器的调制带宽至数吉赫兹，上行链路速率甚至可以与下行速率对等达到数吉比特每秒。虽然1 550 nm激光器成本较高，但随着技术进步，其成本将会逐渐下降至可接受范围。

4 结束语

以Wi-Fi为代表的室内射频技术是现有的成熟技术方案，作为可见光通信上行链路时，通过与可见光下行链路进行协作，大大提高了链路总容量。Wi-Fi能够提供数百兆比特每秒的上行链路数据，在一般互联网业务中，能够与可见光通信10 Gb/s的下行数据速率相匹配，或进一步与可见光通信进行深度融合组成异构网络。然而采用射频上行方案都会引入电磁干扰，且保密性较差，难以体现出可见光通信系统无需占用新的频谱与保密性好等特点。与射频对应的光波上行的方案中，可见光上行方案中可见光不再是照明光的一部分，有时会成为视觉干扰，只能用于一些特定场景。而780～950 nm波段的红外光无视觉干扰，但仍旧靠近可见光波段，人眼对其敏感，因此采用红外LED作为发射源，受调制带宽与发射功率限制，覆盖范围与传输速率有限。在现有研究基础之上，我们提出采用1 550 nm激光作为载波的全新可见光通信的上行链路方案，与下行的可见光链路共同构成一套波分双工全光通信链路，初步分析其上行链路可达1 Gb/s，与可见光下行链路的速率相匹配。1 550 nm激光上行链路由于其速率高与保密性好等特点，可以成为可见光通信上行链路候选方案之一。

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