室内可见光ofdm通信系统调光控制技术.docx
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室内可见光ofdm通信系统调光控制技术
室内可见光ofdm通信系统调光控制技术
摘要
本文研究了OFDM在不同应用场景下的室内可见光通信系统，以及介绍了各种调光控制技术，并结合OFDM技术应用在可见光中领域。
针对可见光通信对高速数据传输的要求，将OFDM技术引入可见光通信，并针对可见光通信对传输信号极性的相关特性，研究了单极OFDM系统在可见光通信中的应用。
详细分析了可见光OFDM系统的工作原理，从多个角度分析比较了几种0FDM系统的性能。
为了满足可见光通信对通信和照明的双重要求，本文研究了光OFDM系统中采纳的调光控制技术的系统性能和调光性能，并提出了最适合室内可见光通信的光OFDM系统的调光控制方案。
结果发现。
更符合节能理念的绿色照明室内VLC高速数据传输调光控制方案。
本文的创新工作是将可见光通信系统的调光控制技术应用于目前国内外尚未报道的U-0FDM系统。
本文提出了一种更有效的ZACO-OFDM系统，来作为0FDM传输系统应用于室内可见光领域。
实践证明，该系统在不牺牲系统可靠性的前提下，可以提高系统的电能效率，节省能源。
关键词：
OFDM，ZACO-OFDM，ZACO-OFDM，VLC，调光控制技术
ABSTRACT
Inthispaper,theindoorvisiblecommunicationsystemofOFDMunderdifferentapplicationscenariosisstudied,andvariousdimmingcontroltechnologiesareintroduced,whichareappliedinthefieldofvisiblelightincombinationwithOFDMtechnology.Aimingattherequirementofhighspeeddatatransmissioninvisiblelightcommunication,OFDMtechnologyisintroducedintovisiblelightcommunication,andtheapplicationofunipolarOFDMsysteminvisiblelightcommunicationisstudiedaccordingtothecorrelationcharacteristicsofvisiblelightcommunicationtotransmissionsignalpolarity.TheworkingprincipleofvisiblelightOFDMsystemisanalyzedindetail,andtheperformanceofseveral0FDMsystemsisanalyzedandcomparedfrommultipleangles.Inordertomeetthedualrequirementsofvisiblelightcommunicationforcommunicationandlighting,thispaperstudiesthesystemperformanceanddimmingperformanceofdimmingcontroltechnologyusedinopticalOFDMsystem,andputsforwardthedimmingcontrolschemeofopticalOFDMsystemwhichismostsuitableforindoorvisiblelightcommunication.Theresultswerefound.Moreinlinewiththeconceptofenergy-savinggreenlightingindoorVLChigh-speeddatatransmissiondimmingcontrolscheme.TheinnovativeworkofthispaperistoapplythedimmingcontroltechnologyofvisiblelightcommunicationsystemtotheU-0FDMsystemwhichhasnotbeenreportedathomeandabroad.Inthispaper,amoreeffectiveZACO-OFDMsystemisproposedtobeusedasa0FDMtransmissionsysteminthefieldofindoorvisiblelight.Practicehasprovedthatthesystemcanimprovethepowerefficiencyofthesystemandsaveenergywithoutsacrificingthereliabilityofthesystem.
Keywords:
OFDM，ZACO-OFDM，ZACO-OFDM，VLC，dimmingcontroltechnology
1绪论
1.1室内可见光通信技术进展背景
可见光通信技术（简称VLC）具有丰富的频谱资源，在传输过程中几乎没什么能量损耗，具有低功耗的优良特性，尤其使在传输信息方面，这种方式具有很高的安全性。
基于室内传输这样一个前提下，选择短距离传输及高速接入技术是目前进展的趋势，VLC是众多方案中最有吸引力的选择，射频通信与VLC可以优势互补。
随着世界科学技术的进步，相应的固态照明技术也得到了突破性的进展，尤其是LED的发觉，是具有独特意义，并且是划时代的，具有很辽阔的实际应用价值。
我们发觉LED光源的亮度很高，并且该装置很稳定且不易损坏，正常使用的寿命非常久，从电学方面来说，它的开通和关断的响应时间很短，最重要的一点就是整个结构的组成很简洁，元器件的成本不高，性价比很高且适合大面积推广，同时其颜色多种多样也成为其卖点之一格外适合众多不同场景的使用，收获很多场景的青睐，并且它还具有环保、使用清洁能源等多方面的优点，目前已经开始大规模取代传统的白炽灯和市面上大部分的节能灯，作为一种新的照明工具之一。
因为LED的出现并且具有上述的众多优势，在日常生活中得到大面积的推广和普及。
目前基于LED的照明灯具和LED显示板已经在市面上随处可见。
像家庭用的照明灯目前都已经换成节能环保的LE灯，还有商场的门口用的基于LED灯组的LED显示板，它是由很多的LED单元组成的一个巨大的显示系统，他可以自由组合和拆卸，还能对显示的内容进行自主设置，灵活多变而且整个装置的功耗很低，非常适合日常使用。
虽然目前LED的使用已经令人中意，但科技创新的脚步永远不会停止。
目前许多科学家们已经开始进军基于LED的可见光通信领域，期望在其照明发光的基础上，对可见光进一步利用，通过这种可见光来进行通信，并且已经取得了许多突破性的进展。
日常生活中LED设施无处不在，它的出现就伴随着可见光频谱资源的产生，具有很高的使用价值，由于可见光具有可通信的特点，再加上LED目前主要应用于室内的照明环境，因此我们想把LED设备充分利用，即把LED发光和室内通信结合到一起，作为室内数据传输的一个选择方案。
并且由于室内的面积有限，传输距离相对比较短，传输环境一般来说比较空旷，这使LED可以作为室内可见光通信数据传输的一个比较好的选择方案，具有传输速度快的优良特性，这样也增加了LED可见光设备的吸引力和竞争力[2,3]。
综合目前的研究方一直看，针对白光LED的可见光通讯的热度最高，逐步成为人们的研究首选，并且具有很强的实际意义，在无线短距离传输领域将会是一个新的研究方向，具有很高的应用价值。
1.2可见光通信技术的优势
在目前来说，可见光通信是一种新的无线通信技术，相比于传统的射频无线通信来说，可见光具有很多传统射频技术无法实现的的优点，具体表现在以下三个方面：
较低的电磁辐射，良好的室内设备使用环境以及良好的使用安全性。
（1）我们知道无线频谱资源现在越来越稀缺，近年来提出的可见光通信，对通信频谱层面来说是内容的拓展和补充。
并且目前越来越多的移动设备的使用，大大减少无线频谱的可用资源，针对目前的现状，我们需要对无线频谱进行扩展，这就要求我们积极研发新技术、新设备来解决这一窘境。
通过了解发觉，可见光能够提供很多的频带宽度的资源，正好可以解决目前无线频谱不够用的难题。
通过对可见光的使用和开发，解决无线频谱资源越来越少的现状已经成为一种必定趋势。
（2）可见光通信技术是利用发光器件比如荧光灯或者发光二极管，这种技术传输信息的方式是通过光来传播的，考虑到对人体的影响，我们格外了解到可见光无辐射作用，所以对人体健康来说这种无线通信技术是绿色环保的。
因此我们在现有的可见光通信技术的基础上，采纳LED灯来代替光源，因为LED灯具有可高速调制的特点，兼顾通信与照明这两个功能，而且我们知道LED灯一直都是节能环保的代表。
由此可以看出，在照明、通信、控制这三个方面，可见光通信系统实现了三者的有机融合，为人类提供了一种新的更加节能环保且可控的光通信技术。
（3）在应用场景层面，可见光通信技术也具有得天独厚的优势，也是目前使用的无线通信的完善和补充。
可见光通信系统的工作原理我们在上面已经讲过，可以看到它没有一般射频通信技术工作时伴随的电磁污染现象，因此可以应用于医院、高精度工业控制生产等领域；其次，由于它是照明与通信的两者的结合体，兼顾两者的应用场景，即可在照明领域异军突起，具有新颖的特点和优势，也可在通信领域大放异彩，具有很大的带宽，同时也可以便于家庭智能家居设备的安装和适配。
由此可见，这种技术可应用于目前比较流行的智能家居控制以及未来将会普及的智能化的交通等领域；在我们不常接触到的水下通信层面，可见光通信技术也能很好的胜任此项工作，目前实践证明采纳蓝绿光LED灯的这种通信技术已经成功研制，它是一种半导体照明技术，同时也能在水下进行高带宽的通信功能；在信息安全领域，目前使用的通讯设备简单被人监听，造成信息的泄露，因此信息安全也是目前商议的热点。
可见光通信技术在此方面应用广泛，它的原理之处在于可见光通信技术，由于光传播的特性，我们知道，每当光传播的路径中出现只障碍物阻挡时，这时候光就不能陆续传播，此时整个传输过程就会中断。
这里的光传播路径中出现障碍物就可以理解为在通讯设备上有外加设备想要通过这种方式窃取传输的信息。
但由于光传播的不可透性，此时信息就不会被窃取，这样也证明白该通信方式的可靠性和安全性。
（4）可见光通信技术最重要的优势在于高速通信，格外是已经在各地展开的5G通信技术，届时网络的传输速度将达到一个新的高度。
因此，本文研究的可见光通信将具有更辽阔的应用场景，得益于高信噪比、对人体无害、功率大以及传输速度快的巨大优势，未来将在5G的通信建设中发挥更大的作用。
1.3可见光通信技术国内外进展现状
关于室内可见光通信这一技术的研究进程，最开始是由日本学者提出，2000年，利用白光LED在室内进行光通信的设想第一次被提出，在接下来的十多年，针对这一设想的相关研究如火如荼，陆续的开始进行中。
在这段时间，白光通信技术逐步得到完善，研究内容也不断得到补充。
比如：
针对提高白光传输速率的研究、针对该系统性能如何提高和优化的研究、针对室内光的信道仿真建模的研究、针对白光通信的调制方式的研究、针对室内光强的亮度控制研究以及室内的LED光源的布局和通信方案的研究等等，这些研究大都取得了很大的成果，有些甚至是突破性的发觉。
随着越来越多的组织和个人的加入，对可见光通信的研究也越来越深入。
在国内，我们了解到最开始接触这一概念的是2006年，当时据报道称丁德强与柯熙政等人正在研究可见光通信及其关键技术，整个报道对这个新概念进行了详细的介绍，同时也吸引了了众多国内人士的目光。
从那时开始，国内关于可见光通信这一领域的研究正式开始。
在这之后的时间内，研究内容越来越丰富，研究的层次也越来越深入。
像一开始的基础性的技术支撑，对于开展室内通信的研究奠定了基础；针对这一概念实施的可能性的研究，包括光源特性的结构分析、通信过程中的链路和信道的建模仿真等，这些为进一步展开相应研究提供了具体可行的实践意义；还有针对传输过程中的调制解调环节，提供了具体的技术支持和方案标准。
在2012年复旦大学的迟楠等人提出一种基于副载波复用的新型的多输入单输出（MISO）正交频分复用（OFDM）可见光通信系统，是国内关于可见光通信技术研究的重大发觉，他提出的这种光通信系统可以使得光通信的传输距离达140cm[22]，而且把这种技术应用于室内定位，利用光通信技术对室内的物体进行位置确定，具有实际的使用意义，并且在当时这个方向是极具进展前景的，是一个全新的新领域。
由此可见，可见光通信技术理论技术成熟，且应用领域很广泛，具有辽阔的进展前景和很高的使用价值，在日常生活中也具有实际的应用领域，它在不久的未来中的应用令人十分期望。
1．4课题的提出与研究意义
正交频分复用（OFDM）技术的提出不是想当然出现的，而是基于目前的研究，出于满足室内光通信数据传输的高速率需求，提高光通信传输速率的目的，在可见光通信领域中广泛使用的一种有效的改善方法。
它能够幸免在光传输的无线信道中的串扰问题，尤其是码间串扰，还可以减小非线性失真现象，像由于LED光源的非线性频率响应所产生的一些问题。
但是采纳这种技术的要求就是，我们需要在光通信过程中进行单极化处理，这样做的目的就是要保证OFDM的符号的“实正性”。
因此在采纳这种做法后，我们就一定面临另一个问题，那就是单极化，我们需要优化其算法，改进OFDM的传输问题。
接下来，本文将对这个问题进行进一步的深入研究，对OFDM系统的传输性能进行全面的分析，具体包括：
功率的利用、使用的频带宽度以及传输过程中的误码率等问题。
考虑到目前全世界提倡的节能环保的号召，可见光通信技术也是最能体现这一理念的先行者。
因此，我们不仅要想方设法的提高其传输性能，还要从节能环保的角度去考虑。
针对这一问题，我们又提出了调光控制技术。
它的出现是为了解决节能环保的问题，同时也要保证传输性能，通过调光控制，合理安排光源布局，幸免光污染，同时也要本着节能的目的，在不损害照明这一功能的基础上，优化电源的消耗问题，节省能源，减少功耗。
体现了绿色照明这一未来照明进展的主题。
同时，针对室内光照这一应用场景，我们会发觉它不同于其他使用场合，具体来说就是不需要提供格外强的光照强度，有些特定的场合比如楼梯间、卫生间、卧室以及会议室等都是需要使用不同强度的光照，由于使用要求不同，基于这一目的，我们需要设计光照强度可控的可见光通信系统，这是因为提供光照是我们的出发点，然后才能研究光通信。
因此，调光控制技术是必不可少的一个重要环节。
实际应用中，针对不同的使用场景调节不同的光强，有利于控制该系统的功耗，减少能源的消耗，具有重要的有用价值。
所以本文把调光技术作为研究的起点，在多种可见光OFDM系统中应用该技术，然后再考虑可见光的传输性能，结合具体情况对多种方案进行分析比较，寻求最适于室内传输的光OFDM调光系统。
20FDM技术
2.10FDM技术综述
正交频分复用技术，简称OFDM，它是目前研究比较热门的用于可见光通信的关键技术，在光通信系统中发挥着巨大的作用。
具体来说，它通过改善后的高效的编码技术，应用多载波调制的技术手段，在通信过程中普遍面临的多路径出现的干扰问题方面能够进行有效的抑制。
通过这种方法的实施，我们发觉它可以使通信过程中频带信道利用率低的问题迎刃而解，从而提高整个系统的频带利用效率，可以有效解决目前频带宽度资源紧缺的这一窘境。
随着科技水平的不断提高以及众多研究人员的不懈努力，该技术得到了很大的提升和不断的完善，目前已知该技术已经更新多代。
目前得益于数字信号技术的迅速进展，数字处理算法以及数字规律运算速度的快速提高，现代OFDM技术也得到了彻底的改变，在很多地方采纳数字信号处理技术来完善系统的结构以及传输性能。
常见的有：
在载波的发送和接受端采纳数字信号来完成，同时采纳数字算法来处理繁杂的运算过程，这样的做法可以使的该系统的元件数量大大减少，但其功能不会缩水反而更加灵敏、全面。
还比如在提高频谱利用率这一方面上，通过多路径传输、多载波频谱重叠的方式，解决频谱资源紧缺的现况，从而提高频谱的利用率；同时由于这种做法可以保证整个周期内OFDM符号满足正交性，这样会幸免信号的调制解调过程，具体来说就是信号还原过程，不会发生失真这一现象。
2.20FDM技术原理
正交频分复用技术，简称OFDM，从他的工作原理来看，它的实质就是多载波调制（MCM）技术，具体做法就是将串行方式传输改为并行方式传输。
串行数据就比如单行道，车辆都一个接一个的经过，速度很快，但由于只有一条通道，反而制约了其快速传输的本质；并行数据就相当于多车道同时运行，相对于单车道来说，虽然在运行速度上没有很大的优势，但是由于其能单次传输多路数据，在相同的传输时延中，并行传输反而能够传输更多的数据量。
通过分析我们发觉，多载波调制这种做法提高了传输效率，并且可以使的OFDM符号的脉冲宽度进行扩充和延展，而且由于采纳多路径传输，该方案相比于其它方式，在远距离传输过程中经常无法幸免的信号衰落等问题上，可以很好的幸免，提高了系统抗衰落的能力。
在传输过程中，利用相关技术我们可以把一个完整的、综合的正交信号分开，分开传输信号有利于幸免众多子信道之间的相互干扰等问题。
像常见的干扰有：
载波信号之间的干扰、OFDM符号之间的干扰，保证传输信道之间互补干扰，相互平衡。
我们发觉OFDM的一个符号是合成的信号，它是把众多的子载波通过某种算法合到一起，变成一个新的信号。
相应的，我们也可以通过解调的原理来把这个信号分解出来，然后对每个信号进行调制，常见的调制方法有：
相移键控（PSK）或正交幅度调制（QAM）。
这样一个OFDM符号可以用数学表达式表示如下：
（2.1）
那么，在接收端：
（2.2）
通过上述的公式，我们可以看到，经过该算法的还原，我们可以得到N路子载波以及该信道上传输的信号。
由于采纳多载波调制会造成信号频谱的重叠问题，但是我们可以通过调整子载波问频率间隔，具体就是把为符号周期的整数倍，那么合成的信号经过式中的匹配滤波器进行恢复后，并没有引入载波间干扰（ICI）。
3室内可见光OFDM系统
我们知道，在可见光通信过程中会出现多径串扰以及码间干扰的问题，无法幸免，这是因为采纳多径传播所带有的本质上的缺陷；还有一点就是，在可见光通信中由于使用了开关键控技术以及PWM脉冲调制的调制方法，信道间的干扰问题也是很难解决的难题。
通过对该技术的进一步研究，尤其是把该技术同具体的使用环境结合起来后，我们发觉，整个通信过程是非常复杂和多变的。
举例来说：
在白光通信系统中，格外是使用了多个LED光源的白光系统，由于采纳多径传输，经过调制后的多路光脉冲分别沿特定的信道单独传播，然后被接收端的探测器感应到，从而接受传输的数据。
正是因为采纳了这种多路径传输的方法，我们发觉不同路径上的光脉冲信号会产生时间上的相互重叠，就如串扰问题，这样就影响了系统的传输准确度和传输效率。
因此要想陆续使用多径传输的方式，同时强化和提高可见光通信系统的传输性能和通信能力，我们需要提出一种新的调制技术，这种调制方式要能够有效减弱或者抵消多径干扰，提高多径传输过程中的传输性能，同时也要保证在信道中传输的高速率和高稳定性。
基于这一出发点，我们发觉OFDM调制技术正是我们需要的关键技术，它最突出的优势就是能够抗多径干扰，适用于多径传输环境和高速率传输特性。
因此将OFDM技术融入到可见光通信中来，不仅提高了系统抗干扰能力，提高系统的稳定性，而且保证了系统传输的高速率需求，提高了传输的速度，由此可见这将会是一次质的飞跃。
3.1室内可见光0FDM技术综述
关于OFDM技术，我们知道这种基带信号通常都是复数形式表现出来的，有些还会是双极性的形式，这是由于它的算法所决定的。
但是在无线通信中，格外是在可见光的通信系统中，一定使用“实、正”的调制信号来做为传输的基带信号，这是该方法所决定的硬性要求，一定满足。
因此我们需要将复数形式的调制信号进行实数化，马上其变成我们需要的“实、正”的调制信号。
通过研究我们发觉，离散傅里叶变换这种方法能够满足我们的需要，这种方法的特点是具有共轭对称性。
通过这种离散化的方法，我们可以把复数形式的OFDM信号变成实数形式，但是实数形式也有正负的差别，仍然是双极性的，因此我们还需要把双极性的信号经过单极化处理，从而把信号变成单极性的信号，这样的单极性信号才是可见光通信中所需要的调制信号。
3．2室内可见光0FDM技术原理
得益于OFDM技术的良好的传输特性，在目前格外是在可见光通信领域，这种技术被广泛采纳，其自身也得到了飞速的进展。
我们知道OFDM技术之所以具有如此大的应用价值，是因为其在光通信中具有以下两个关键性的优势：
第一点就是介质光的数据传输速率高，能够适应人们对于光通信中对于传输速率越来越高的追求；第二点就是由于采纳了数字信号技术，通过数字算法的大运算量以及快速的运算能力，可以提高可见光传输过程中对调制信号的快速计算能力，这样也间接的提高了光信号的传输速率。
光通信OFDM系统与传统OFDM系统有很多不同之处，表3-1列出了其中几项。
表3-1传统OFDM与光系统的比较
传统OFDM系统
光OFDM系统
双极性
单极性
信号在电领域传输
信号在光领域传输
接收端本地振荡器
接收端无需本地振荡器
相干接受
直接检测
通过比较上述表格我们可以看出，传统的OFDM系统和光OFDM系统在很多方面都是不同的，具有很大的差别。
首先是信号的极性上不同，传统的OFDM系统的传输光信号是双极性的，而我们研究的光OFDN系统采纳的单极性的光信号，这点我们在前面章节已经有过说明；然后再传输领域上不同，就传统的OFDM系统来说，它的信号是在电领域之中进行传输的，而就光OFDM系统来说，它的光信号实在光领域之中进行传输的，两者应用的传输介质不同，因此在传输效果上有很大的差别；在接受端来看，传统的OFDM系统需要单独设置一个本地振荡器，用来接受传输的电信号，而光OFDM系统由于采纳的是可见光信号传输，所以不需要设置本地振荡器，相对来说整个系统的结构更简洁，同时也相应的降低了整个系统的使用成本；最终，传统的OFDM系统采纳相干接受这种被动检测技术，而光OFDM系统则采纳的是直接检测技术，相比之下更有用。
可见光系统在通信过程中采纳强度调制／直接检测技术，通过改变的光照强度来进行数据传输，利用光电二极管在接收端直接检测光照强度，然后转化为相应的电流值，因此它的信号只能是单极性的。
可见光OFDM系统的组成原理可由图3-1所示的框图表示。
图3-1OFDM系统组成框图
通过上述框图，我们可以看出整个OFDM系统的完整组成部分。
它的发送处理过程可以理解为：
光信号经过映射后进行OFDM调制，常用的方法是QAM调制，然后该信号要进行单极化的处理，一般要经过IFFT和单极化的变换，通过这两步，就可以得到调制后的OFDM信号。
调制后的信号经过放大后，使该信号能够工作在LED的线性工作区间，并且通过LED将其转换成光信号放射出去，这样就完成数据的发送。
它的处理过程其实可以理解
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