可见光通信及其与电力线通信结合的技术研究.pdf

版权声明 本 研究报告 版权属于中国通信标准化协会，并受法律保护。转载、摘编或利用其它方式使用本 研究报告 文字或者观点的，应注明“来源：中国通信标准化协会”。违反上述声明者，本协会将追究其相关法律责任。 研究 报告 要点 本研究 报告 是 针对 可见光通信 技术及其 与电力线 通信 结合 技术 的 研究报告，文中将 分别 介绍 可见光通信 技术 、电力线通信技术 以 及 它们之间 结合 技术 的 特点 、原 理 及标准 ，并按照设计 原 理介绍相应的设计方案 及 实现方式 。 此外， 本研究课题 对 可见光通信 技术 及 其 与电力线 通信 结合 技术 是否 可以 进行 通信 行业标准化的工作提出了 参考性的 建议。 传送网与接入网 技术工作委员会 接入网与家庭网络 工作 组 研究单位： 中兴通讯股份有限公司 、 中国信息通信研究院 、 上海贝尔股份有限公司， 烽火科技集团有限公司。 项目 负责人 ： 徐继东 项目参加 人 ： 王琳 、杨立伟、陈晓、周惠琴、周箴 完成日期： 2015 年 2 月 2 日 目录 1 背景介绍 . 1 2 可见光通信技术 . 3 2.1. 标准化现状 . 3 2.2. 架构及要素 . 4 2.3. 关键技术 . 8 2.4. 应用场景 . 15 2.5. 产学研现状 . 19 3 电力线通信技术 . 21 3.1. 标准概述 . 21 3.2. ITU-T.G.hn . 22 3.3. IEEE 1901 系列标准 . 22 3.4. 电力线信道特性分析 . 23 4 可见光通信与电力线通信结合方案 . 27 4.1. 结合方案概述 . 27 4.2. 基于 IEEE 1905.1 的结合策略 . 27 4.3. 典型方案 1定点 VLC . 29 4.4. 典型方案 2 多个 VLC 终端设备 . 29 4.5. 典型方案 3多个 VLC 光源收发器 . 30 5 可见光通信的异构网络及复用方案 . 30 6 总结和建议 . 31 6.1. 总结 . 31 6.2. 建议 . 32 7 参考文献 . 33 附录 A 可见光波长与颜色 . 34 附录 B LED 发光的颜色 . 37 附录 C 可见光照明 . 38 1 可见光通信 及其 与电力线 通信结 合 的 技术研究 1 背景介绍 可见光（ Visible Light）是人 能 够 直接 感知外部世界彩色影像信息 的唯一方法 ， 是 人 类 认识和了解大自然的 最 重要手段 之一 。 而 对 其真正 的 研究是从十七世纪牛顿开始的，通过三角棱镜将太阳光中的可见光分解成 各种颜色的 可见光 光谱，开启了人类对电磁光谱的初始研究 和应用 。 随着研究的深入，人们对电磁光谱有了较全面的认识，按其频率顺序 进行排列，从频率最低的 （ Acoustic Wave）声波 、 （ Radio Broadcast） 无线电广播到频率最高的（ X-ray） X-射线以及（ Gamma- Ray）伽马射线， 如 图 1所示。 可见光是目前人眼可以感知的唯一的电磁波，它的范围有时很难精确定位，这是由于人的个体 或 人种差异较大，但一般认为它的波长范围可从 380 nm到 780 nm之间，如图 1.1所示，可以粗分为七种彩虹光即紫光 、蓝光、青光、绿光、黄光、 橙光和红光。可见光波长与颜色的关系见附录 A。 电磁波段的开发和利用与人们对通信传输的需求是密不可分的，也是从低频到高频逐步开发的过程。从最初电话和收音机的发明，用射频 （ Radio Frequency： RF） 传输音频信号满足了 人们对声音信息传输的需求；而电视机的发明，用高频 RF来传输视频信号满足了人们对视觉信息传输的需求。随着信息革命的到来，有线和无线网络的普及，人们对信息交流的需求急剧增加，迫使人们不断开发更高频段的电磁波用于通信传输， LTE等移动端通信，卫星通信以及红外光通信等等已经成为现代人生活和工作的一部分。 从图 1可知可见光波段是目前已知被用于通信的最高电磁波频率，将可见光用于通信被称为可见光通信（ Visible Light Communication： VLC）。传统的 VLC主要特点是无线单向传输，传输速率低、信息量 低、传输距离短等， 利用可见光源和人眼之间进行信息传输。 而现代意义上的 VLC与传统的有所不同，它是利用光源与电子设备之间进行无线通信，由于可见光的频率较高，因此其带宽较大，能传递非常大的信息量，其应用场景主要是室内或室外的可视距离内的无线通信，它是可见光照明的附加功能。与以前人们选择高频率频谱进行通信是为了增加带宽有很大不同， VLC的出现是对可见光照明的补充，人们希望在可见光照明的同时赋予照明灯具有通信功能，符合现代人节能环保的理念。 真正 意义上的 VLC是在本世纪初 诞生 ，是伴随着 白光 LED商用化 ， 因为此前的白炽灯及荧光灯是很难在不影响照明的同时进行 VLC的，而 LED的电子特性可以使两者兼顾，因此 LED照明使得 VLC有了真正发展的基础。 众所周知， LED一般只发 射单色光，与其制作的材料有关 ，详细 见附录 B。 2 图 1 可见 光光 谱 实际上 早在 1962年红 外L ED就 已发 明 ，但直 到 1993年蓝光L ED的出 现，以 及 1997年 白光L ED的 诞生 ， LED照明 才 开始逐步 进 入可 见光 照 明领 域 ， 节能的L ED推动 了可 见光 照明 灯的更 AM Radio Short wave Radio TV, FM Radio Microwave, RadarMillimeter WaveInfraredVisible LightUltraviolet X-Ray 1019 1017 1015 1013 1011 109 107 105 Gamma Ray F(Hz) 780 nm 380 nm 660 610 585 555 500 450 400 红 黄 绿 青 蓝 紫 可见光光谱 橙 3 新换代，即用 LED灯可以取代原有的低效、耗能的白炽灯或荧光灯，是联合国节能照明项目推动的，是世界各国制定的节 能减排计划的一部分， 详细见附录 C。 电力线 通信 技术 （ Power Line Communication： PLC） 是利用现有的已铺设的电力线做为传输媒介进行 语音和 数据信息传输 的一种通信方式，该技术是适配器通过将载有信息 的高频加载于电流上然后通过电力线传输到另一端接收信息的适配器后， 将高频从电流中分离出来进行数据信息传送的。电力猫 是 电力线 通信 调制解调器，它的特点是即插即用，使用方便，通过普通家庭电力线进行组网和传输 IP数字信 息 。 本 研究课题 是致力于 VLC 和 PLC 技术及 标准进行深入探讨和研究， 以及 对 VLC 与 PLC的 结合 技术 方案进行可行性技术分析，为 这些技术的 标准化提 出 参考 建议 。 本 研究课题 可 分为 四 个部分 ： 第一部分： 对 可见光通信技术中的标准、 关键技术 、应用场景以及产学研现状 进行探讨 ； 第二部分： 对 电力线通信 的标准和 技术 进行讨论； 第三部分： 对可见光通信与电力线 通信结合 的各种 技术方案进行技术分析 ； 第四部分： 总结 及 标准化的建议 。 2 可见光通信技术 2.1. 标准 化 现状 2.1.1. 标准概述 2007 年 日本电子信息技术产业协会 (JEITA)发布了 “可视光通信系统”（ CP-1221）及“可视光 ID 系统”（ CP-1222）标准。 ID 信息的发送采用副载波方式 ，数据传输速率为 4.8kbps。日本 是 该技术的主要推动者 并 为 此建立 VLC 联盟。 随后 IEEE、 ISO/IEC 针对 VLC 的不同需求制定了相应的标准规范。 对于短距离的小范围可见光无线光通信， IEEE于 2009年成立 P802.15.7工作组，并于 2011年 12月发布 IEEE 802.15.7-2011的 VLC标准。 对于照相机通信 以及 LED-ID的需求 ， 需要对 IEEE 802.15.7进行 补充， IEEE于 2014年 1月成立了研究工作组 P802.15.7a,讨论制定 15.7的补充标准光照相机通信 (OCC： Optical Camera Communication), 目前处于应用场景的讨论 阶段 。 对于超短距离， ISO/IEC 制定了 IEC17417-2011 信息技术 -系统间电讯和信息数据的交换 -短距离可见光通信 （ SDVLC: Short Distance Visible Light Communication） ，主要定义了380nm 780nm 频段的超短距离（ 10cm 内或者 1m2 的面积内）、慢速率的 VLC 系统要求。 2.1.2. IEEE 802.15.7 IEEE 802.15.7-2011（局域和城域网 IEEE 标准 第 15.7 部分：使用可见光的小范围无线光通信）应用于短距离上使用 380nm 780nm 波段进行无线通信的系统，基于不同的调制格式可支持不同的数据速率，最高可达 96Mbps 的调制速率。 MAC 层的拓扑结构支持点到点、点到多点、以及广播等多种方式，如图 2 所示。 4 图 2 三种网络拓扑结构 物理层定义了四种 PHY，设备 应支持两个强制模式 PHY I 或 PHY II 中的至少一个，支持PHY III 模式的设备，也应该可以支持 PHY II 模式和 PHY IV。三种不同拓扑结构的光通信系统都采用相同的 MAC 帧结构，从而把各种各样的通 信模式统一用一个低复杂度的帧结构系统来实现。 PHY I： 数据速率较低， 200+kbps，主要用于室外应用场景； PHY II： 数据速率较高，可达 96Mbps，主要用于室内应用 场景 ； PHY III：主要用于多光源系统 场景 ，数据速率为 16Mbps 96Mbps； PHY IV：采用 OFDM 技术，数据速率最高，可以达到 168 或者 348Mbps。 2.1.3. IEEE 802.15.7a 基于 IEEE 802.15.7， IEEE 802.15 于 2012 年成立了 LED-ID 兴趣组，主要由日本 和韩国的相关大学和公司发起 的 。经过 1 年多的讨论，于 2014 年 1 月转为研究工作组 802.15.7a, 开始制定 802.15.7 的补充标准 ， 光摄像头通信 （ Optical Camera Communication: OCC）的工作范围和目标。目前 P802.15.7a 工作组的标准制定范围为光摄像头通信，发射器采用闪光灯、 可见光、红外光、紫外光、显示器、 LED 标签和 LED 激光源等实现，接收器采用摄像头等实现。物理层主要补充制定与摄像头一起作为接收器的图像传感器技术规范，希望采用尽量少的硬件修改方案。支持的功能包括可扩展的数据速率、消息广播、物 体追踪、导航、定位等。 2.2. 架构 及 要素 与所有通信一样 VLC 具有相同的传输基本要 素 ，即数据通过编码加在载波上，信号接收器通过解码还原数据。 但 是 VLC 是以 LED 光 源 作为 载波 通信介质 ，进行无线传输的， 由于 LED 光源的主要作用是 照明，因此必须在不 影响 人眼对 照明 感受的 情况下 进行可见光通信，所以 可见光 在 调制编码 需要考虑这个因素， 在沿用原来的 OOK 调制方式时，增加其占空比（ duty cycle）为 50%以上，或者采用超高频 以及 OFDM 调制，使得人眼感受不到经调制后的可见光与 未经调制的可见光 之间 的变化 。 LED 光源发 送调制 后的光信号， 经无线传输到达 光接收器 ，其 接收调制光信号，并解调后获得解码 信息。 其系统框架如 图 3 所示。 5 数 据 编 码 / 调 制 光 源数 据 解 调 / 解 码 接 收 器图 3 可见光通信 系统 框 架 图 从图 3 可知可见光 通信系统 由光 发射机 （调制光源） 、 无线传输 信道 、光 接收机 （光电转换 +解码器）组成 。 下面将分三节讨论其各自的特点。 2.2.1. 光发射机 用于 VLC 的 光 发射机是 LED 光源 ， LED 与一般 可见光 的 光源不同， 它主要是单色的， 而 单色 LED 的发光颜色是由制作 LED 的半导体材料决定的 ，祥见附录 B。但是单色LED 很难用于 正常 照明 ， 而 VLC 的 大部分 应用取决于照明 LED，即白光 LED， 详 见附录 C。 最初 LED 是在 1961 年由 美国（ Texas Instruments）的 Robert Biard 和 Gary Pittman 首次发现砷化镓（ GaAs）通电后能发出红外光而发明的 LED。 1989 年赤崎勇和天野浩在名古屋大学首次研发成功基于氮化镓（ GaN）的蓝光 LED，但是直到 1993 年，日本 日亚公司 （ Nichia Corporation）的中村修二（ Shuji Nakamura）成功制造出了铟氮化镓 InGaN， 高亮度的 蓝光 LED，使得 LED 的商 业化成为可能，为此 赤崎勇、天野浩以及中村修二获得 2014 年 Nobel 物理学奖。 随后到 1997 年，日本的 Nichia 公司（日亚）成功开发出白光 LED，可以 用于照明 ，因此 白光 LED 是 LED 照明 灯 的发展的基础。 依附于 LED 照明 上的 VLC，是将白光 LED 用作通信光源， 其电信号调制到它上面，然后 向 外发射。 LED 响应频率直接决定了通信系统可用的带宽， 因此 在追求大功率输出的同时，如何提升白光 LED 的频率响应、拓展其带宽，是实现高速 VLC 必须要解决的难题之一。 由蓝光 LED 或紫外光 LED 激发 荧光 体发射 的 白光 LED,其有效调制带宽 为 2 MHz30MHz，很难直接用它实现高速的 VLC， 而用 RGB 三色的白光 LED 较易实现 高速 VLC。主要对比汇总 ， 如 图 4 和表 1 所示。 表 1 白光 LED 的 VLC 比较 暖白 光 白 光 成本相对较低，成熟度高 荧光粉 的应用导致了带宽瓶颈 调制中会产生色度偏移 成本相对较高，成熟度中 未来带宽做高的可能性较高 具备波分的可能性 调制中不会产生色度偏移 6 图 4 白光 LED 的 VLC 比较 现有的 IEEE 802.15.7-2011 标准，主要针对单色 LED 的 VLC，为了提高 VLC 的传输速率 ，用 RGB 三色组成的白光 LED 是 一个发展方向。 2.2.2. VLC 信道 室内 VLC 系统的信号传输信道是随机信道， LED 光源 的波长与室内大气中的气体分子的尺寸相近甚至更小，容易产生光的散射及吸收 ，从而 造成信号的严重衰减，不同位置的 LED 灯光及日光等背景光也会对系统的性能产生影响。 如 图 5 所示。 可 见 光 信 号L E D 光 源光 接 收 器L E D 光 源 需 要 足 够 的 功 率 承 担 高 速 的 光 通 信 ；光 的 阴 影 可 以 通 过 分 布 式 的 L E D 光 源 来 消 除 。图 5 VLC 传播路径 多径效应带来的码间干扰 ( Inter Symbol Interference: ISI） 是室内 VLC 系统 面临的 一个问题。多径效应的产生 有两个 原因： a) 同一个 VLC 的信源具有多个不同的 LED 光 源。 例如： 安装在天花板上的 LED 灯通常是由多个发光 LED 阵列组成的，具有较大的表面积；或是为了达到较好的照明和通信效果，防止阴影影响，一个房间通常安装多个 LED 灯。 b) 墙壁对照明光具有反射作用，同一个光源的光线直射和经过墙壁反射后会形成不同的路径。多径效应使得同一个信号源沿多个路径传输信号到达接收机的时间不同，信号间的延时超出一定范围后就会造成信号的码间干扰 （ ISI） ，严重影响传输质量。 对室内可见光信道进行分析时 , 采用 Gfeller 和 Bapst 的分析模 型，将信道分成直射信道和墙壁反射信道两部分进行研究， 如 图 6 所示。