2.4 VLC物理层关键技术

2.4.1 物理层模型

IEEE 802.15.7标准为使用可见光作为标准网络类型的VLC个人区域网定义了物理层和MAC子层协议。图2.3为IEEE 802.15.7标准中VLC通用物理层系统模型。输入比特流首先通过信道编码器，然后通过线性编码器产生编码比特流。线性编码之后进行调制，最后数据通过光信道传输到LED。在接收端，光电二极管接收器接收光信号，信号经过解调与线性解码之后，通过信道解码器产生输出比特流。

2.4.2 调制

VLC和RF最显著的区别是VLC中数据不能以光信号的相位或幅度进行编码。这意味着相位和幅度调制技术不能在VLC应用，信息必须以发射光波的变化强度进行编码。解调取决于接收机的直接检测，这些调制技术被称为强度调制或直接检测调制。专门为VLC设计的CSK和OFDM技术，在高速数据通信中尤为重要；当需要低到中等的数据速率时，OOK、PWM和PPM之类的调制技术非常合适。在高色散的光信道环境下，这些技术可以提高频谱效率，但码间干扰的存在将导致系统性能恶化。以上调制方案可以依赖于均衡技术提高系统性能，如最大似然序列检测、判决反馈均衡和线性前馈均衡等。

与其他类型的通信不同，任何VLC调制方案不仅要达到更高的数据速率，而且要满足人类对光的感知要求。这些关于感知光的要求可以通过以下两个特性来描述：

（1）调暗。在进行不同类型的活动时，需要不同的照度。应根据应用要求将LED调暗到任意水平以节省能量。相关研究表明，测量光和感知光之间的关系是非线性的。换句话说，人眼通过扩大瞳孔来允许更多的光进入眼睛，从而适应较低的照度。可感知的光可以由测量的光计算为：

这意味着一盏灯暗了1%的测量光，人眼会感觉它暗了10%。

（2）闪烁缓解。闪烁会导致人体出现有害的生理变化，VLC调制方案，不能使人类可感知的光亮度波动，光强度的变化必须以比人眼更快的速度发生。

下面将介绍VLC常使用的四种调制方案：OOK、脉冲调制、OFDM和CSK。

1.OOK

在OOK中，数据位1和0分别通过打开和关闭LED来传输。在关闭状态下，LED没有完全关闭，而是光强降低。OOK的优点是简单和易于实现。类开关键码调制广泛用于有线通信。IEEE 802.15.7中提出了两种方法，在使用OOK作为调制方案时提供调光支持：

（1）重新定义开和关级别。为了实现不同的调光级别，可以为开和关级别分配不同的光强。这种方案的优点是可以在没有任何额外通信开销的情况下获得所需的调光级别。通过使用NRZ-OOK调制可实现一定的数据速率。在较弱的调光强度下，通信范围会减小。另外，使用较弱的强度作为开或关电平会导致LED在较低的驱动电流下工作，这反过来又会影响显色效果。

（2）补偿周期。在这种解决方案中，调制开关时的电平保持不变，但当LED光源完全打开或关闭时，会增加额外的补偿时段。补偿周期的持续时间基于期望的调光水平来确定。具体而言，如果期望的调光水平大于50%，则增加开时段；如果期望的调光水平小于50%，则增加关时段。

Priyadharshini提出了一种利用相移键控调制传输文本信息的VLC系统，并分析了基于频率、功率和距离的发射机和接收机模块的测试。结果表明，在与发射机直接通信的情况下，接收机能够以最小的长度接收输入数据。

2.脉冲调制

虽然OOK具备各种优势，如简单和易于实现。但是当支持不同的调光级别时，其数据速率较低，这推动了基于脉冲宽度和位置的替代调制方案的设计。

1）PWM

脉宽调制中，调制信号在脉冲期间进行传输，并且LED在脉冲期间以全亮度工作。调制信号的数据速率应根据调光要求进行调整。在高脉宽调制频率下，可以获得0%～100%的任何调光水平。脉宽调制的一个好处是它可以在不改变脉冲强度的情况下实现调光，因此不会导致LED的颜色偏移。PWM的局限性在于其有限的数据速率，因此需要通过调制算法的设计，克服脉冲速率的限制。

2）PPM

VLC中的另一种脉冲调制方法是基于脉冲位置。在PPM中，即使在不同的时间下，脉冲的宽度和幅度也是恒定的，信号的数字值由所处的位置给出。在PPM中，符号持续时间被分成相等持续时间的t个时隙，并且在t个时隙中的一个时隙中发送脉冲。脉冲的位置标识传输的符号。由于每个符号只发射一个脉冲，导致PPM的频谱效率和数据速率受到限制。

为了克服PPM速率的限制，需要在基于脉冲位置调制的方法上进行改进。PPM的一种改进方式称为OPPM，其允许在符号持续时间期间发送多个脉冲，并且不同的脉冲符号可以重叠。其性能对比如图2.4所示，与PPM和OOK相比，OPPM不仅可以实现更高的光谱效率，而且可以获得更高的数据速率。PPM的另一种改进是一个被称为MPPM的方案。像OPPM一样，它允许在符号持续时间内发送多个脉冲，然而，符号持续时间内的脉冲不必是连续的。与OPPM相比，MPPM可以获得更高的光谱效率。

Noshad通过最大化MPPM中符号间的距离，提出了EPPM。EPPM实现了与PPM相同的频谱效率，EPPM可以在VLC中使用，以提供调光支持，因为它可以通过改变每个符号的码重和码长来实现任意级别的照明。由于一个符号中有许多脉冲，与PPM相比，EPPM还可以减轻闪烁。而通过扩展EPPM设计得到MEPPM，MEPPM支持多种幅度级别，以增加星座尺寸和频谱效率。MEPPM还可以支持调光，并提供无闪烁通信。IEEE 802.15.7标准提出了一种被称为VPPM的脉冲调制方案，它是PPM和PWM的混合。在VPPM中，如同PPM中通过选择不同的脉冲位置进行编码一样，脉冲的宽度也可以根据需要进行修改。VPPM保留了PPM的简单性和健壮性，同时通过改变脉冲宽度允许不同的调光水平。

3.OFDM

单载波调制方案中由于VLC信道的非线性频率响应，具有较高的符号间干扰。OFDM技术因其能够有效对抗符号间干扰和多径衰落而被广泛应用于RF通信中。OFDM中，信道被分成多个正交子载波，数据在子载波上调制的并行子流中发送。VLC中使用OFDM可以减少符号间干扰，并且不需要复杂的均衡器，但这在实现上面临多种挑战，因为OFDM产生复值双极性信号，用于RF的OFDM技术为了适用于VLC中的即时消息或直接数据交换系统，将其转换为实值信号。

ACO-OFDM中只是用了奇数子载波传输数据，频谱利用率相对较低。在ACO-OFDM中时域信号全为正实数形式，所以只需要一个较小的直流偏置即可保证LED的亮度要求。因此，相对于DCO-OFDM系统，ACO-OFDM系统在平均光功率上更加高效。DCO-OFDM通常需要较大的直流偏置，因此功率效率较低。另外DCO-OFDM中限幅噪声会影响所有子载波。Hameed提出了一种用于VLC环境的ADO-OFDM，该系统避免了传统ADO-OFDM系统中噪声消除技术的使用，在信噪比和误码率相同的情况下，相比ACO-OFDM和DCO-OFDM系统，其具有更好的频谱利用率。

4.色移调制

为了克服其他调制方案的较低数据速率和有限的调光支持问题，IEEE 802.15.7标准提出了专门为VLC设计的CSK调制。红、绿、蓝三个独立的LED通过混合可以产生白光，这种结合了三基色LED的光源通常被称为三色光源。CSK使用三种颜色的强度调制信号，适用于RGB LED VLC系统。

CSK调制过程包括确定RGB星座三角形、将数据位映射到色度值及确定三基色LED的强度。CSK调制依赖于由CIE 1931定义的色彩空间色度图，如图2.5所示。色度图将人眼可感知的所有颜色映射到两个色度参数—x和y。整个人类可见波长被分成七个波段，并且它们的中心在图2.5中被标记，七个色码对应可见光谱的七个波段的中心。

近年来，极坐标编码、概率整形与几何整形均已应用于高速VLC系统，但是目前的调制方法实现的容量远低于香农极限。因此在未来的VLC调制中需要进一步提高数据速率。

2.4.3 MIMO

为了提供足够的照明，大多数灯具通常包含多个LED。这些LED可以被视为多个发射器，可以实现可见光MIMO通信。在RF通信中，MIMO系统通常用于获得更高的数据速率。同样，在VLC，多个LED可用于获得更高的频谱效率。

与RF通信相比，VLC的MIMO系统较难实现。在RF-MIMO系统中，吞吐量增益主要归因于空间分集，即存在不同的多条空间路径。然而，这种分集增益在VLC-MIMO是有限的，因为发射机和接收机之间的路径非常相似，尤其是在室内场景中，这限制了VLC-MIMO系统的可用空间分集。

1.MIMO接收机

1）非成像接收器

MIMO系统中的非成像接收器是一组独立的光电二极管，每个光电二极管都有自己的聚光光学器件。这种接收器的优点是，由于每个光电二极管的窄视场角（FOV，Field of View），可以获得非常高的增益。然而，由于FOV，这种接收器需要与发射器仔细对准，即使有微小的未对准，容量也会显著降低。

2）成像接收器

由于成像传感器包含一个投影透镜和一个大的光电二极管矩阵，有可能创建一个高数据速率的MIMO链路。投影镜头确保大FOV，几乎消除了对准要求。这种接收器的缺点是单个光电二极管的增益有限，需要先进的图像处理来创建高效的多输入/多输出信道。此外，成像传感器的采样率相对较低，这进一步降低了可实现的吞吐量。

MIMO接收器可以是成像和非成像传感器的混合，使用窄FOV如光电二极管实现高增益的LoS路径，并且可以通过利用图像传感器而变得鲁棒。

2.VLC-MIMO算法

VLC-MIMO算法主要包括重复编码、空间复用和空间调制三种方法。

（1）重复编码：这是最简单的技术，所有的发射机均发送相同的信号。所有LED传输的信号在接收器相加，增加了整体增益。

（2）空间复用：在SMP中，不同的数据从每个发射器传输到接收器光电二极管。利用多个发射机和接收机，这种类型的MIMO可产生多个并行的SISO流。关键挑战在于接收器光电二极管必须与发射器精确对准，以避免信道间干扰。

（3）空间调制：SM在任何时间点只有一个发射机发送数据。每个LED被分配一个特定的符号，当要发送的数据位与该符号匹配时，LED被激活。接收器根据接收到的信号估计哪个LED被激活，并使用它来解码传输的数据。由于数据在空间域和信号域都进行了编码，因此与其他技术相比，空间光调制器实现了更高的频谱效率。

3.可见光波束形成

波束形成允许多个发射机根据接收机位置将信号集中在特定方向。与RF波束形成类似，来自多个LED的发射光可以被聚焦到接收器以产生光学波束形成。

有研究者提出了一种室内VLC系统，该系统具有多个发射机和接收机。由于LED光束的扩散性，光电二极管可从多个方向接收信号。使用一个凹透镜和一个凸透镜作为光学天线，通过优化得出信道增益矩阵最小条件数的最优透镜结构。通过研究系统的移动性，将不同接收机接收到的相同信号进行组合，以提高信号干扰噪声比。仿真结果表明，在接收机和发射机对准的情况下，信道容量可提高5倍以上，最高可达20倍。在移动的情况下，信道容量也可以平均增加4倍左右。

还有研究者为多用户VLC系统设计了一种节能的预编码方案，其中用户的消息被相互保密。设计问题是非凸分式规划，采用丁克尔巴赫算法和基于一阶泰勒近似的凸凹过程来求解。

2.4.4 多址方案

在RF通信中，多址方案在为用户提供数据覆盖方面具有至关重要的作用。如果能实现即时消息或直接数据交换，则可以在VLC中实现多址方案。在VLC，多址方法允许两个以上的节点连接到同一传输介质并在其上传输，如CSMA，在使用载波侦听机制建立传输之前，节点首先尝试确定另一个传输是否正在进行，如果CSMA检测到当前传输正在进行，则节点等待当前传输结束。

光正交频分复用是确保同时实现高数据速率通信与对抗频率选择性衰落信道效应的有效方法。然而，OFDM本身不能用作接入方案。为了使其可以作为接入方案，它需要与现有的RF多址方案，如TDMA、CDMA和FDMA相结合。当OFDM与FDMA相结合时，就产生了OFDMA。VLC可以采用OFDMA技术，向网络附近的几个用户提供快速数据接入。与将所有子载波分配给一个用户来传输数据的正交频分复用不同，在OFDMA方式下，仅将正交子载波的特定子集分配给一个用户。在VLC使用OFDM时，LED会存在非线性失真的问题。为了减轻这种影响，OFDMA中的子载波可以使用不同的正交频分多址变体进行映射，如DFDMA与IFDMA。