无线光通信文献综述

 2023-08-15 17:09:23
  1. 文献综述(或调研报告):

5G技术已经慢慢投入应用,在毫米波频段的频谱资源被大量开发,6G正在慢慢地开始研究,6G技术会面向全频段、全范围,将开发光和太赫兹频段的频谱。6G的无线光通信较射频通信有明显的优势,首先,它不像射频一样有很强的辐射来对人体造成危害,而且具有非常好的能量利用率,因为它并非像无线电波一样的扩散方式,而是可以将光线聚焦在某一方向上,大大提高了功率利用率,所以比较绿色无污染。第二,它可以嵌入到家庭日常使用的LED灯照明系统当中,并且接入到电力系统中,适合室内的环境:使用起来不受限制,无需而且相关专业的许可。可见光的频谱也相当丰富。第三,相比于无线电磁波技术,无线光通信的安全性和保密性较好,信息不容易被窃取。无线光通信的也具有一些非常明显的不足,比如,由于其穿透性弱,非常容易受天气或者空气质量的影响,所以在室外的传输效率没有有线光通信好,也很难穿过某些大型物体,所以,未来无线光通信技术将主要用在室内。

根据[1]中所说,早在上个世纪末,无线光通信中的红外通信就已经成为了研究的课题并在各种室内场景中投入使用。可见光通信技术领域是无线光通信技术中较为先进的话题,根据[2]中所述,最近几年,由于固态发光科技水平和光敏管技术水平的显著提高,可见光通信技术领域产生了越来越多的研究,所以才会变成最近才兴起的话题并加入到了6G全频谱技术的储备技术中。国外的日本可见光通信财团(VLCC)提供了许多可见光通信的研究、发展和标准,比如在财团的支持下,在2007年的6月,日本电子信息技术产业协会发布了两个可见光通信的标准:JEITA CP-1221和JEITA CP-1222,2008年10月,VLCC与红外数据组织(IrDA)和红外通信系统组织(ICSA)合作,2009年上半年,IEEE802.15.7研究了包含新的物理层和MAC层的可见光通信标准,2010年11月,P802.15.7IEEE初稿被发布。2011年后,IEEE组织继续对可见光通信标准IEEE802.15.7完善。

在国内的情况[3]中,可见光通信的起步较晚,但是,2013年,国家启动了863计划“可见光通信系统关键技术研究”主题项目以及国家973项目“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”,使得该领域有了突破性的进展,其中包括非对称混合光正交频分复用(asymmetrical hybrid optical orthogonal frequency division multiplexing, AHO-OFDM)技术和分层非对称限幅光正交频分复用(Layered asymmetrically clipped optical orthogonal frequency division multiplexing)方案等,都改善了原来的技术,促进了国内无线光通信的产业化。

从具体的调制技术的发展方面来看,[4]中所说的最开始的可见光通信的调制方式是开关监控调制(OOK),即利用LED的开关来代表信息比特,然后还有脉冲位置调制(PPM),就是将单位时间分成固定数量的时隙,每个时隙映射为一个符号,通过在时隙内发出光源来发送符号,在改进了PPM之后,出现了差分脉冲调制(DPPM),即在PPM的基础上使得每个单位时间不固定,这样可以节省时间,但也极大地增加了比特错误率,之后,单波脉冲调制技术被多副波脉冲调制技术[5]取代,调制技术主要有OFDM及其改进的方案,包括直流偏置光OFDM(DCO-OFDM)[6]和非对称限幅OFDM(ACO-OFDM)[7]。在多址技术上,通常使用混合的系统,例如使用波分多址(WDMA)和码分多址(CDMA)的混合系统,或者是时分多址(TDMA)和码分多址的混合系统。在光的多输入多输出(MIMO)系统中,有多种技术,例如平行单输入单输出链接(MIMO Using Parallel SISO Links),这种平行通信包含了用发射机阵列来使不同的数据流同步发送,每个接收机中的检测器都会对应单个资源,这就要求发射机和接收机间的精确配合,此外,必须通过阵列结构、资源波束宽度和检测器的视区的合理设定来考虑消除信号干扰。除此之外,还有利用空分复用的MIMO技术(MIMO Using Spatial Multiplexing),该技术将MIMO技术和OFDM技术联合起来[8],由于信道的极高相关性限制了室内不同位置的系统性能,所以通过考虑成像分集接收机科技来使MIMO信道矩阵解相关可以显著增强系统性能,通过把镜片放在发射机和接收机间的直达径上的确定的位置可以实现成像分集,但是,成像接收机收集光的视区没有非成像角分集接收机那么宽,因为后者的组件能够确定任何方向,而且成像镜片和检测器阵列的大小取决于位置,因此,成像接收机只适用于部分应用场景。另外,还有利用空间调制的MIMO系统(MIMO Using Spatial Modulation),该MIMO系统通过引进空间调制科技减少了联合的要求[9],在光时空调制中有多个发射机,但是在某个特定时刻下,仅仅一个发射机被激活,激活的发射机发射带有特定光功率的冲激,以及可以用来编码信息比特,通过接收机可以评估激活的发射机的指标。近几年,无线光通信领域还产生了很多方法,例如自由空间光通信(Free space optical, FSO)、移动光通信(optical mobile communication, OMC)[10]等方案。移动光通信(optical mobile communication, OMC)是一种新颖的无线光通信方法,它支持多发送者和多接收者,具有更高的吞吐量和能量效率,相比于可见光通信有更高的移动性。目前已经对于该方案已经有典型案例,比如基础设施到交通工具(infrastructure-to-vehicle, I2V)网络和在移动ad hoc网络(MANET)中建立动态激光连接。相比于毫米波通信,移动光通信具有充足的频谱资源、非常高的能量效率、优秀的电磁兼容性、更少的硬件花费以及可以与量子密钥分配简单结合。

无线光通信仍然存在一些问题,例如上行链路的设计、LED的调制带宽、LED的非线性以及没有直达径的信道恶化情况等问题,在室内环境下没有普通电磁波实现起来简单,所以目前尚未得到广泛使用。本次设计主要是解决在信号微弱、无直达径的情况下的无线光通信问题。

  1. Gfeller F and Bapst U, Wireless In-House Data Communication via Diffuse Infrared Radiation. Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 11, Nov. 1979, pp. 1474-1486.
  2. Elgala H, Mesleh R, Hass H, Indoor Optical Wireless Communication: Potential and State-of-the Art. IEEE Communications Magazine, Sept.2011, pp.56-62.
  3. 袁鸣. 无线光通信系统调制解调技术研究. Diss. 2017.
  4. J. M. Kahn and J. R. Barry, “Wireless Infrared Communications,” Proc. IEEE, vol. 85, no. 2, Feb. 1997, pp. 265–98.
  5. T. Ohtsuki, “Multiple–Subcarrier Modulation in Optical Wireless Communications,” IEEE Commun. Mag., vol. 41, no. 3, Mar. 2003, pp. 74–79.
  6. H. Elgala, R. Mesleh, and H. Haas, “Indoor Broadcasting via White LEDs and OFDM,” IEEE Trans. Consumer Electronics, vol. 55, no. 3, Aug. 2009, pp. 1127–1134.
  7. J. Armstrong and A. Lowery, “Power Efficient Optical OFDM,” Electronics Lett., vol. 42, no. 6, 16 Mar. 2006, pp. 370–72. [
  8. L. Zeng et al., “High Data Rate Multiple Input Multiple Output (MIMO) Optical Wireless Communications Using White LED Lighting,” IEEE JSAC, vol. 27, no. 9, Dec. 2009, pp. 1654–62.
  9. R. Mesleh et al., “Indoor MIMO Optical Wireless Communication Using Spatial Modulation,” IEEE ICC rsquo;10, Cape Town, South Africa, 22–27 May 2010, pp. 1–5.
  10. Zaichen Zhang, Jian Dang, Liang Wu, Haibo Wang, Jun Xie, Wei Lei, Jiangzhou Wang, and Xiaohu You, “Optical Mobile Communications: Principles, Implementation and Performance Analysis,” IEEE Trans. on Vehicular Technology, vol. 68, no. 1, pp. 471-482, Jan. 2019.

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