[发明专利]基于LED的近距离点对点高速双向数据传输系统

说明书

技术领域

本发明属于LED可见光无线通信技术领域，具体涉及一种基于LED的近距离点对点高速双向数据传输系统。

背景技术

1880年，美国科学家贝尔利用他发明的光电话进行了实验，通话距离达到了200米，该实验的成功为使用可见光进行信息传输开辟了早期思路。将用于照明领域的可见光，来实现语音与数据业务的可见光通信系统，这方面的研究是随着近20年来白光LED灯的大规模照明应用而逐渐形成的。随着经济的快速发展，人们对能源提供与高速实时信息服务两个方面的迫切需求日益增加；一方面，LED灯具有安全高效、绿色环保、低功耗、发热低、体积小、寿命长等优势，所以目前高亮度发光二极管LED的应用，已经从早期的显示领域完全扩展到了当前的照明领域和灯光美化领域，并被称为新世纪的照明技术；另一方面，LED还具备响应灵敏度高、调制性能好、发射功率大，支持多波段光束波分复用、信息不易泄露、无电磁辐射且无需无线频谱认证等等突出性能与优点，所以，基于LED发光二极管的可见光无线通信技术的研究与应用，正在快速发展中。虽然，目前有采用蓝牙等技术进行的近距离无线低速数据通信的应用实例，但是蓝牙设备具有功耗高、信息传输速率相对低、通信距离短、易受干扰、易泄密安全性不够好等缺点^[1]。其它近距离无线通信技术还有Wi-Fi局域网技术、RFID射频技术、UWB超宽带技术、ZIGBEE传感器技术等。这些技术都属于微波或射频通信领域，具有商家或用户设备成本较高、不易安装、需要使用无线电波产生一定辐射、信息传输易泄露安全性能较差等缺点。

对于采用LED发光二极管来传输信号的通信系统，早在2000年以前，就有研究人员提出利用LED发出的光来进行通信的设想，并付诸于实验系统。其中具有代表性的是香港大学的Grantham Pang于1999年的实现方案，其实验小组搭建并演示了基于可见光LED的低速语音信号传输装置。当时这些设想方案提出时，LED在照明领域还没有得到广泛运用，对LED可见光通信的诸多关键技术也没有实现一定的研究，所以其影响力有限。

2000年，日本KEIO(庆应义塾)大学M.Nakagawa教授的研究团队提出了白光LED实现室内可见光接入的方案，并针对室内可见光通信信道进行建模与计算，实现了10Mbps室内可见光通信的接入方案，这一成果被视为可见光通信（VLC）领域具有影响力的开创性研究工作。2001年庆应义塾大学的其他研究人员研究了利用交通灯进行可见光通信，并对系统的调制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性进行了分析总结。2004年，M.Nakagawa教授研究团队对LED室内可见光通信系统的可行性进一步分析，对光源进行建模，仿真了在多盏LED灯照射下室内光照分布、信道冲激响应，并对有直射情况下的室内信噪比分布、信号间干扰等参数进行了研究；并在此研究基础上，指出了接收端视场角足够小并且传输距离足够近的情况下，可见光通信的信号速率可望达到G比特数量级，该系统能够作为下一代近距离高速无线通信系统的选择方案。2008年，德国海因里希研究所提出利用可见光与红外通信组成家庭局域网的设想，从理论上对其可行性进行了研究与论证，并通过采用DMT（离散多音调制）调制方法，达到了300Mbps的通信系统传输速率。2012年，通过采用RGB三色LED和DMT调制方式，室内实现了单个LED 800Mbps 的通信速率。美国政府于2008年10月开启资助一项名为“智慧照明(smart-lighting)”的计划,专门研究可见光通信技术,希望通过可见光光束（Light Beam）实现无线设备与LED照明设备之间的通信,该计划共投资一亿八千万美元，为期10年,有超过30所大学的研究人员参与。2013至2014年，据报道，英国思克莱德大学和爱丁堡大学的研究者将新型LED用于可见光系统进行了实验，通信系统的速率先后达到了1.5Gbps和3Gbps，这为高速可见光通信系统的实现奠定了坚实的基础。