LED除了照明 還能做啥？

　　除了照明優(yōu)勢外，LED還具備響應時間短和高速調(diào)制等特性。白光LED高速調(diào)制所引起的光閃爍不容易被人眼察覺，可以在照明同時提供數(shù)據(jù)通信的功能。這種在380~780nm可見光譜段進行數(shù)據(jù)通信的技術簡稱為可見光通信(VLC)技術。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準確定位、交通運輸通信和室內(nèi)導航等領域具有很大潛力，尤其是可以替代射頻(RF)解決“最后1m”的問題。

　　和無線電波相比，可見光通信有很多優(yōu)勢：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展，無線電頻譜很多頻段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制;2)可見光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號不會相互干擾，安全性高，保密性好;3)可見光收發(fā)器件設備簡單，價格低廉;4)可見光波長屬于亞微米級，在準確方向定位上具有明顯優(yōu)勢;5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應用。

　　1、室內(nèi)定位

　　室內(nèi)定位系統(tǒng)采用的RF、藍牙以及超聲等方式存在系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、響應時間長、電磁干擾大、精度和準確度較低等問題。VLC不受電磁干擾，可以通過室內(nèi)固定光源實現(xiàn)快速準確定位和導航。未來的大商場、地下購物中心等地方可以通過基于VLC的智能行人自動支持系統(tǒng)的目標定位和引導，減少由于顧客找不到商品具體位置而帶來的損失。類似的應用可拓展到機場、博物館以及其他數(shù)字定位廣播場合。VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)需求不同，其定位精度也不同。對于室內(nèi)行人或者智障者導航類的定位，中等精度即可。但對于機器人等定位精度要求會更高。

　　(1)室內(nèi)行人導航

　　幫助視覺障礙者識別位置的室內(nèi)導航系統(tǒng)，如下圖所示，LED安裝在天花板上，帶有地磁傳感器的智能手機掛在使用者脖子上，智能手機和耳機相連。手機通過可見光通信接收LED傳來的ID信息，獲取光源方向及定位信息;路徑優(yōu)化后并將結果傳送到耳機引導行人。測試結果表明在1~2m范圍內(nèi)測試者能夠準確定位和導航，并能在-59°~66°的范圍內(nèi)實現(xiàn)方向矯正。

　　結合墻上標牌面板LED光源開發(fā)的VLC定位導航系統(tǒng)：該系統(tǒng)設計了濾波器以減少背景光的干擾。通過VLC，使用者手機接收標牌面板LED傳來的導航信息。導航信息包括標牌面板位置信息以及視覺障礙者達到可下載的數(shù)據(jù)信息的最佳光強點。在該系統(tǒng)中導航信號的數(shù)據(jù)傳輸速率為62.5kb/s，而數(shù)據(jù)信息傳輸速率為1Mb/s。測試中，視覺障礙者可通過耳機接收約5m遠處標牌面板上LED光傳來的導航信號，當走到距離標牌面板約1m遠時，由于光強度足夠，所以視覺障礙者接收器能自動進行文本信息下載和存儲。　　

　　(2)室內(nèi)準確定位

　　在機器人及無人機(UVA)控制系統(tǒng)等很多應用中都需要精確定位。如何在保證系統(tǒng)復雜度不高的前提下獲得高的定位精度是人們研究的熱點。獲取目標位置方法有很多，如測量信號到達角度(AOA)、到達時間(TOA)、到達時差(TDoA)以及接收到信號強度(RSS)等。有一種無需同步的基于RRS室內(nèi)定位系統(tǒng)。測試結果表明在5.9cm內(nèi)以95%的準確率實現(xiàn)精確定位。還有一種基于接收到信號強度/時分復用模式(RSS/TDM)的比特填充法的室內(nèi)定位系統(tǒng)。比特填充法可不受各種光信號干擾實現(xiàn)瞬時信號強度的測量。在該系統(tǒng)中16個相互間距為40cm的LED燈組成正方形陣列固定在天花板上，VLC接收器安裝在距離天花板170cm的機器人上。測試結果表明機器人在低于3cm的誤差內(nèi)，成功實現(xiàn)了5個目標點規(guī)劃路徑的自主導航。

　　圖像傳感器除了可同時實現(xiàn)圖像捕獲和數(shù)據(jù)接收之外，由于外界干擾光源聚焦像素和VLC理想信號聚焦像素有所區(qū)別，所以比光電二極管作為接收器具有更好的抗干擾能力。圖像傳感器在VLC中進行準確定位的應用越來越受到人們重視。無線個人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的IEEE標準化組織P802.15工作組已經(jīng)在考慮如何將定位融入到相機通信標準中。

　　關于圖像傳感器幾種應用研究。下圖(a)顯示屏上顯示了接收端對圖像及位置信息的同時獲取。(b)是圖像傳感器在機器人上的應用。兩個固定在機器人上的圖像傳感器通過LED發(fā)送的信息檢測機器人位置。其中一個圖像傳感器捕獲入射光方向，另外一個圖像傳感器連續(xù)捕獲高速幀圖像并解析可見光傳來的數(shù)據(jù)。測試結果顯示機器人能夠在厘米范圍內(nèi)實現(xiàn)精確定位。(c)是利用圖像捕獲和可見光通信來實現(xiàn)50m遠外水箱準確定位，定位精度達到毫米級。

　　智能交通系統(tǒng)(ITS)通過及時獲取并傳輸有關交通狀況等方面的信息來減少交通事故、交通堵塞以及燃油消耗。圖像處理可用來幫助駕駛員進行交通燈識別、障礙物檢測、車輛和車輛以及車輛和道路設施之間信息的捕獲，是ITS的一個關鍵技術。高速數(shù)據(jù)圖像傳感器結合VLC在ITS上具有廣闊應用前景。文獻記錄了運用LED光以及安裝在汽車上的具有1000frame/s幀速和1024pixel×1024pixel分辨力的攝像機進行路邊裝置與車輛之間的通信。實車測試驗證了該系統(tǒng)能在車輛以30km/h的速度下，在35m范圍內(nèi)實現(xiàn)來自256個LEDs陣列組成光源傳輸來的數(shù)據(jù)的準確接收。

　　目前，在VLC中運用高速圖像傳感器存在一些技術問題需要解決：如安裝設施價格昂貴，需要復雜的實時圖像處理技術，攝像機幀速率低于發(fā)光二極管的反應速度從而限制了通信速度等。文獻報道了最新研發(fā)的光通信圖像傳感器(OCI)在無線光通信(OWC)系統(tǒng)中的應用。運用互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感技術最新開發(fā)的OCI具有兩個特點：用于高速信號接收的通信像素(CPx)以及用于快速和精確LED檢測的1bit標志圖像輸出功能。該OWC系統(tǒng)被譽為當前世界上第一個僅有16.6ms延遲、20Mb/s傳輸速率的像素傳輸通信系統(tǒng)。

　　3、VLC高速數(shù)據(jù)傳輸

　　大數(shù)據(jù)量如高清(HD)視頻流傳輸、高速信息流下載及高速數(shù)據(jù)備份等信息獲取成為當代生活中不可或缺的部分。可見光可以運用發(fā)散角度很小的光柱進行數(shù)據(jù)傳輸，而其路徑傳輸損耗較低的特點使高速帶寬

　　的安全數(shù)據(jù)流下載和傳輸成為可能。如下圖所示，歐洲OMEGA工程開發(fā)了一種具有100Mb/s的4個高清數(shù)據(jù)流的VLC數(shù)據(jù)傳輸。運用正交頻分多路復用(OFDM)技術，通過16個LED光源向10m2面積范圍內(nèi)的光電二極管探測器上進行數(shù)據(jù)傳輸。

　　通過在VLC接收器和發(fā)送器之間增添聚焦透鏡來實現(xiàn)5m×5m×3m室內(nèi)視頻和音頻高質量廣播傳輸?shù)难菔鞠到y(tǒng)：和視距(LOS)鏈路相比，Nd-LOS鏈路具有網(wǎng)絡節(jié)點可移動性好、跟蹤性強等特點，但其鏈路損耗導致傳輸速率不高。針對這一問題開展研究，實現(xiàn)了在2m范圍、400Mb/s傳輸速率以及誤碼率RBE<10-8的典型室內(nèi)雙向光無線通信系統(tǒng)研究(可見光LED作為下行鏈發(fā)送光源，IR是上行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送光源)。RGBLEDs采用波分多路復用技術(WDM)可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻記錄了第一個基于波分復用/離散多音調(diào)(WDM/DMT)調(diào)制技術的VLC系統(tǒng)，實現(xiàn)了對單個白光RGB-LED進行調(diào)制并獲得803Mb/s速率的數(shù)據(jù)通信。

　　4、VLC在航空中應用

　　VLC在航空中優(yōu)勢明顯?？梢姽釲ED已經(jīng)在新一代商用飛機上得到推廣應用，通過可見光替代光纜或電纜進行通信能夠減少體積和重量、減少電磁干擾(EMI)及降低成本等，波音商用飛機平臺也在開展未來無線光網(wǎng)絡方案研究?；赩LC通信的乘客閱讀燈服務單元(PSUs)、娛樂系統(tǒng)以及機艙對講機的應用：下圖(a)中閱讀燈照亮乘客座位區(qū)，同時閱讀燈作為光通信源向乘客筆記本電腦或其他終端接收機傳輸數(shù)據(jù)。乘客娛樂系統(tǒng)是通過座位整列之間的可見光相互通信而構成了高速網(wǎng)狀網(wǎng)絡，實現(xiàn)機內(nèi)娛樂(iFE)信息的傳輸。來自LED燈的光信號也可以用來作為低帶寬的語音通信，實現(xiàn)機內(nèi)對講，如(b)所示。

　　5、水下VLC

　　水下通信在軍事、工業(yè)以及科學領域都具有重要地位。水下通信速率需求在幾兆到幾十兆甚至更高范圍內(nèi)。無線電波中海水會受到高度衰減。聲波在海洋中傳輸速度為1500m/s，延遲時間長，帶寬受限，誤碼率高，聲波也會對海豚和鯨魚等海洋動物產(chǎn)生干擾等。VLC在水下可以很好地克服衰減和電磁干擾等問題。關于操控者與水下遠程運輸車之間的VLC通信系統(tǒng)開發(fā)：該系統(tǒng)中發(fā)送器由70個LED光源組成，支持120°視角范圍的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達20Mb/s。文獻記錄了水下可見光通信系統(tǒng)在核發(fā)電站機器檢測中的具體應用。水下的遠程運輸車裝備攝像機與20m遠處站點之間進行視頻和控制信號的傳輸。目前水下光無線通信系統(tǒng)面臨主要挑戰(zhàn)是由于受到水下性質尤其是渾濁度的影響而難以實現(xiàn)長距離通信。針對這一問題，新加坡國立大學和麻省理工學院開展了在30m的距離內(nèi)實現(xiàn)1.2Mb/s的水下光通信系統(tǒng)研究和論證。