无 线 光 通 信 中文核心期刊 基于 MIMO 技术的可见光通信系统的研究 王旭颖，梁忠诚 南京邮电大学 光电工程学院 （ 南京 ， 210046） 摘要 ：讨论了 MIMO 技术思想在可见光并行通信系统中的应用,探索并构建了一种更加高效的室内 VLC 并行通信系统。根据该方案搭建了实物演示系统，验证了其可行性,应用透镜搭建成像系统，进一步完善 了系统模型，通过实验演示验证了其可行性。 关键词 中图分类号 ：可见光通信;LED;并行通信;MIMO A 文章编号 文献标识码 1002-5561 01-056-04 2013 ：TN929.1 ： ： （ ） Research of the visible light communication system based on MIMO technology WANGXu-ying,LIANGZhong-chen (Department of Opt-electronic Engineering,Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210046,China) Discussed the application of MIMO in visible light parallel communication system. explore and Abstract: construct a more efficient VLC parallel communication system which is suitable for indoor. According to this plan set up a physical demonstration system and to validate its feasibility, the lens is applicated to build the imaging system, further improved the system model, the feasibility of this method has been verified by the ex- periment. VLC;LED;parallel communication;MIMO Key words： 引言 0 ， RF LED 减轻 照明之中 频带的拥 挤程度 （Visible Light Communication,VLC) 可见光通 信 一种建立在白光 LED 兴光无线通信技术 [1]。 在 通信提供一种全新的宽带接入方式[2,3]。 具有无电磁干扰 信相比 、 大和设备兼容性好等突出优点 明系统中获得无线通信能力是可行的 力嵌入未来 LED 一个发展方 向 [4]， 目标[5]， 是 高速发光响应特性基础上的新 这项技术可以把通信能力构建 并为 光 与射频无线通 信道容量 、 照 从 将无线通信能 不仅是无线通信技术的 照明系统中 也可能 是光无线接 入网的一个 发展 发射功率高 实验证明 目前已受到业界的重视 ，VLC LED 。 。 ， ， ， ， 现有高频率响应的 价格昂贵 室中使用 尝试应用一种基于多路输入多路输出 限制了 VLC LED 通信速率的提高[6]。 ， ， 且仅限于实验 我们 技术的 因此 ， （MIMO） 收稿日期 ：2012-08-31。 作者简介 王旭颖 ： （1987-）， 硕士生 女 ， ， 主要研究方向为信 息 光 学 及 其 应用 。 輩輴訛 2013 年第 1 期 可见光并行通信系统 信号 阵列同时传送多路 LED 从而提 高系统的 传输速率 本 文将介绍基 于 技术的可见光并行通信原理以及通信系统的构 由一个 。 ， ， MIMO 建和实验 。 基于 1 MIMO 可见光并行通信系统的关键技术是 技术的可见光并行通信系统原理 技术 。 技 术中多路 信号同 时 实 现 收 以及接收端对接收到信号的后续识别 MIMO MIMO ， 这就意味着要设计出复杂的 特定的物理系统 。 技 术 只 所 以 不 用 过 于 要 求 设 计 复 杂 的 物 理 系 、 MIMO 系统原理如图 该系统 主要借鉴 发的传输模式 解码思想 ， ， ， 在普通的可见光 通常需 通信系统中 要精准的定位技术为 特定的探测器 来描 述 发 射 源 的 空 间 位 置 ， 所示 。 1 图 1 VLC 并行通信系统原理示意图 

无 线 光 通 信 王旭颖 梁忠诚 基于 ： ， MIMO 技术的可见光通信系统的研究 “ ， ， 。 MIMO 技术可以 是因为它不需要信号光源精准地打在单个探测器 信道矩阵 通过这个矩阵估 从而量化每一个信源和探 统 上 学习 ” 算出系统所传输的数据 [7]。 测器间产生的信道串扰 。 所以其 系统的接收端信号处理过程涉及到逆矩阵 的运算 这也意味着 系统发射端的 天线阵列和 接收端的 天线阵列的 空间 相对位置必须是非对称的 矩阵必须是满秩矩阵 MIMO H ， ， 。 ， ， ， 1 中 图 LED LED 阵列上 采用可调 阵列作为发射端 电信号 经过特定调制加载到 可以同时以多路光 系统的接收端是由光电检测器 信号的形式发射出去 该阵列可同时接收多路 光 件组成的多天线阵列 光信号将通过自由空间信道同时照 信号 射到组成接收天线阵列的每一个光电检测器上 接收 端的数据采 集芯片会将 采集到的模 拟信号发送 给信 号处理芯片 在这里采集到的信号最终将被解码为发 射端所要传输的原始信息 每一路 LED LED ， 。 。 。 。 。 基于 2 构建 MIMO 技术的可见光并 行 通 信 系 统 的 2.1 MIMO 系统模型 光学 我们在天花板上预装了 阵列除了负责提供室内照明外 4 ， ， 阵列 个白光 该系统的接收端由 每个 LED 还负责在同一时 个独立的 。 以两行两列的形式布局在正方形 阵列上发射的光信号 每个探测器的相对距离 阵列的光 对来自不同 LED 4 LED 间内独立传输数据流 光电检测器件构成 从 区域的 将同时被所有探测器接收到 和角度是不一样的 信号的感应强度也是有差异的 个顶角处 [8-10]。 因此 4 ， 。 ， ， LED 。 2.2 发射端与接收端的设计 发射端采用 只型号为 4 照明灯组成 白光 LED 用边长为 用 几何布局采用边长为 0.2m 个大平面 PIN 4 LED 的正方形布局 ， 0.1m Cree XLamp XP-G Q5 信号发射阵列 。 所示 如图 的 该阵列采 接收端采 其 光 ， 。 。 3 光电探测器组成接收天线阵列 所示 的正方形 如图 2 ， 图 2 发射端实物图 图 3 接收端实物图 ， 。 电 探 测 器 产 生 的 响 应 电 流 一 般 是 很 微 弱的 不便于直接检 ， 测 为了解决这一难 题 在该接收天线阵 列 后 接 入 了 前 置 放 大 电 路 所 实验中设定收发 示 垂直放 距离为 置 发射端所 在 的 平 面 与 接 收 端 所在的平面需形成一定角度 并用 如 图 注意 30cm 4 ， 。 。 ， 图 4 前置放大电路 以满足 矩阵的满秩 ， H ， 的直流电驱动放大电路 。 矩阵 ±12V 描述信道特性的 信号在 ) ( ， H 2.3 矩阵 MIMO 来描述 本文称其为 为方便起见 H 系统 中的 传 播 可 以 用 一 个 信 道 矩 阵 室内自由 当系统的发射 空间信道是一个相对稳定的空间信道 天线阵 列与接收 天线阵列的 自身位置以 及两者的相 矩阵所 对位置给定时 限定 学习 来 获取 阵 列 该信道的特性也将被唯一的 该系统在正式工作开始时会通过自动 矩阵 其 假定该系统的发射端是一个正方形 用 一 维 向 量 个 数 为 H H ， ， 。 。 。 “ ” K。 NT 表示用于接收的探测器 LED ， 用一维向量 LED， 算 所有从第 收器的能量总和 间的直流增益 i NR 个 发射器的 个 LED 估算出发射器件 K 传播到第 j 和探测器件 i LED 表 示 这 些 通过计 个 接 之 。 j ， 得到 矩阵 H hij， h11 h1j … h1NT ： H= hi1 hij … h2NT … … …… hNR 1 hi2 … hNR NT ! " " " " " " " " " " " " " " # $ % % % % % % % % % % % % % % & 3.1 基于 技术的可见光并行通信系统的实 MIMO 3 验与结果 实验中 系统的发射 端按照同步 时钟信号单 独 点 亮 每 一 也就是单位时间内只 ， 而其它所有通路都为 矩阵的具体学习过程 路用于传送光信号的 保持其中某一路信号为 断 阵列 通 LED ”， H “ “ ”。 系统的接收端按照同步时钟信号 分别记录每一 采 集芯片采集 到的探测数 据 时 通 路信号单独为 并根据这些数据建立信道矩阵 到 开始正式传输信息 矩阵后 ， “ ” H ， H。 。 系统通过 这时 ， 得 系统的接收端 学习 “ ” ， ， 2013 年 第 期 1 輩輵訛 

王旭颖 梁忠诚 基于 ： ， MIMO 技术的可见光通信系统的研究 无 线 光 通 信 可以将接收到的采集数据以矩阵的形式与信道矩阵 的逆矩阵做相乘运算 处理过的结果进行 传至信宿区 H 用设定了判决门限的比较器对 转换 进而将还原的数字信号 A/D 。 ， 。 在实验中 。 ， ， 另外 所以要考虑去抖动方案 由于光电探测器的响应数据随时间变 实 化会有一定的抖动 验室无法做 到零噪音环 境 所以也要 考虑去噪音 方 鉴于这两方面的考虑 案 路信号同时测 并将 测量数据与 噪音数据 的差值取绝 对值作为 量 ， 我们先分别对 学习 阵列和 “ 个 光电探测器阵列的每个独立器件进行编号 三号灯和四号灯 灯分别被标为一号灯 ， 我们采用 矩阵的原始数据 二号灯 例如 LED ”H ，4 4 ， 。 ， 。 ， ， LED 接收器则分别为 、 号 、 。 矩阵的获得与计算如下 1、2、3、4 H ： 灯单独点亮的响应采集相应数据 矩阵如下 ， ： 通过系统对每路 经噪声处理得到 LED H 0.51 0.11 0.21 0.06 H= 0.20 0.24 0.10 0.07 0.32 0.08 0.42 0.11 ! " " " " " " " " " " " " # $ % % % % % % % % % % % % 0.22 0.07 0.21 0.2 &5 系统已经通过 学习 并计算出其逆矩阵 “ 。 系统发射信息 得到了描述信道特性 ” 此时 系统接收了一组 ， 时采集的数据如 0011。 0011 至此 ， 的 矩阵 随机数据 所示 表 H ， 。 1 表 1 系统发射信息 0011 时采集的数据 数据位 ：0001 四号灯点亮 /V 所有灯关闭 背景噪声 （ ）/V 去除噪声后 /V 号光电探测器 号光电探测器 号光电探测器 号光电探测器 1 2 3 4 0.12 -0.29 0.36 0.40 0.39 -0.12 0.89 0.87 0.27 0.17 0.53 0.47 结合这组数据有 描述了通信过程中 ， 收到的一组模拟数据 R=[0.27,0.17，0.53,0.47]T，R 矩阵 系统接收端光电探测器阵列所接 结合式子 。 Test=H-1×R 有 ： 得到 Test 进 行 比 较 Test=[0.0015，-0.0113，0.9872，1.0526]T 后 将其结果与判定门限设为 ， 最 终 得 到 了 准 确 的 原 始 信 息 0.5 的比较器 ： Test = ， [0，0，1，1]T。 3.2 实验结果分析 实验通过将 数据构成 ） 探测矩阵 T ， T H 矩阵的逆矩阵 由实际测量 与接收端接收到的采集数据的乘积推算出 的比 矩阵的结果与判定门限为 矩阵 将 R （ 0.5 輩輶訛 2013 年第 1 期 ， 较器进行比较 射的随机数据 的基于 MIMO 最终得到了 吻合 0011。 通过实验证明 这个数据与系统发 本文所构建 0011 思想的可见光并行通信系统是可行的 。 ， 。 成像系统 4 4.1 ） 和一个单一的检测器 成 像系统的接 收机由单一 的光集中器 成像系统接收机理 一般非成像 系统的光接 收机使用 一 个 光 汇 聚 器 相对非成像 通 结合一个能分割成若干像元的光检 集成 因此 我们 通常是非成像的 （ 系统而言 常是成像透镜 测器组成 度不够高 又引入了成像接收机系统 由于非成像系统接收机具有体积大 结 构复杂且有 位置限制 的缺点 ）， ， 。 、 。 （ 、 ， 。 如果 Lpx×Lpy，4 个 如图 假设探测器 每个象元的 大 小 为 阵列在探测器阵列上的像的大小为 且 示 Lpx＞bx，Lpy＞by， 了一个检测器的象元内 恢复 上 才能被恢复 LED 所 阵列的像全部落在 4 这样接收到的信号就不能被 且信号落在探测器 接 收到的信号 个探 测器都能探 测到信号 Lpx＜bx，Lpy＜by, 也就是说 。 保证 bx×by， 只有 LED 个 4 6 ， ， ， ， 。 。 ， ， 导致 6 （a） ， LED4 如 果 接 收 到 的 光 信 号 分 布如图 所 示 收 到 其 他 信 号 的 平 均 干 扰 值 是 相 矩 等的 H 从 阵 不 再 满 秩 而 无 法 求 逆 矩 阵 也 就 无 法 恢 复出发 送 信 号 。 但 如 果 接 收 到 的 光 信 号 分 布 所 示 如 图 , 中 不 仅 像 元 收 到 的 也收到 光信号 和 的 部 分 信 可 以 表 示 为 LED1、LED2 LED4 6 （b） 4 ， , LED3 号 ， 信 道 1、 和 信 道 道 4 信 道 2 对 信 在 ， 3 的干扰 (a) Lpx＞bx，Lpy＞by 时光信号分布图 （b） Lpx＜bx，Lpy＜by 时光信号分布图 图 6 接收机原理图 

无 线 光 通 信 王旭颖 梁忠诚 基于 ： ， MIMO 技术的可见光通信系统的研究 通过对 矩阵求 H 。 器都能探测到信号的条件下 方法 接收到的信号可以被恢复 ， ， 。 根据非成像系统的计算 ， ， H43 H 逆 的值 和 。 发送的信号 即为 H41、H42 矩阵中 便可以恢复出 成像系统实验 改进非成像系统的接收端 ， 光电探测器组成接收天线阵列 LED4 4.2 依据成像机理 在 ， PIN 发射端与 非成像系统 一样 3mm， 透 镜 。 采用 每个 管正前端 ， 4 PIN 个大平面 PIN 管的间距为 处放置凸 只 型号为 2.5cm ， 采用 照 明 灯 组 成 4 的 白 光 Cree XLamp XP-G Q5 信号发射阵列 如图 所示 。 （ 2 ）， 水平垂直放置 2m 到去除噪声后的 LED LED 该阵列采用边长为 的正方形布局 依据成像机理将接收端与发射端相距 得 应用与非成像系统相同的方法 矩阵如下 0.2m 。 ， H ： 结束语 5 ， ， MIMO MIMO 本文论述了 实验结果表明 在此基础上构建了基于 技术 思 想 在 可 见 光 并 行 通 信 技 系统方案中的应用 通过实验的手段验证了该 术的可见光并行通信系统 系统的可行性 技术的成 像系统与非成 像系统都能 够成功实现 可见光信号 的 并行多路传输与接收 成像系统的 结构简 接收机使用单一的光集中 器 单 在实际应用 中有 更高的可行性 接收范围 广和误码 率小等优点 相比非成像系统 具有集成 度高 MIMO 基于 。 ， 。 ， 、 ， ， 、 。 参考文献 - 85. 107. 2533. [1] KOMINE T,NAKAGAWA M.Fundamental analysis for visible-light communication system using LED lights [J].IEEE Transactions on Con- sumer Electronics,2004,50(1):100 - [2] TANAKA Y,KOMINE T,HARUYAMA S,et al.Indoor visible commu- nication utilizing plural white LEDs as lighting [C].12th IEEE International Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications, September 2001,2:81 - [3] DOUSEKI T.Abatteryless optical-wireless system with white LED illu- mination [C].15th IEEE Internationa1 Symposium on Personal,Indoor and Mobile Radio Communications,2004:2529 [4] O'BRIEN D,ZENG L B,HOA LE M,et al.Visible light communications [C]. Personal,Indoor and Mobile Radio Communications, Challenges 2008,12:15 18 . [5] 刘宏展,吕晓旭,王发强,等.白光 LED 照明的可见光通信的现状及发 展[J].光通信技术,2009,33(7):53 - [6] 李忻,黄绣江,聂在平.MIMO 无线传输技术综述[J].无线电工程,2006, 36(8):42 - [7] GESBERT D.From theory to practice:an overview of MIMO space-time coded wireless systems [C].IEEE J.Sel.Areas Communication,2003:281 302. [8] GARFILED M.MIMO space-time coding for diffuse optical communi- cation[J].Microwave and Optical Technology Letters,2006,48 10. [9] HRANILOVIC S.A pixelated MIMO wireless optical communication system[J].IEEE J.Sel.Topics Quantum Electron,2006,12 [10] 王晓明,郭伟玲,高国,等.LED- 新一代照明光源[J].现代显示,2005,33 (7):15 - :1108 :859 74. 19. 56. 47. 3 3 - - - - （ ） （ ） 18.8 31.2 26.2 20.8 27.7 181.4 173.3 33.7 27 188.8 20.1 68.8 H= ， 195 41 系统已经通过 至此 矩阵并计算出其逆矩阵 。 和 40 学习 “ 2 2 得到了描述信道特性 ” 系统分别接收了 此时 ， 表 为 探 测 器 探 （1001、0011 1101）, 2 H 的 三组随机数 据 测到的数据 。 表 2 探测器探测到的数据 （V） 灯 1001 0011 1101 噪声 -188 -186.3 -188.5 -6.3 -65 -188.4 -80.1 -16.9 号探测器 1 -83 -80.4 -193.8 -192 -61.6 -201 应用非成像系统的算法得 ： T1,4=[0.8689 -0.0390 -0.0286 0.9227] T3,4=[0.0251 -0.0012 0.8182 0.8649] -4 -5 T1,2,4=[0.7849 0.5931 0.0157 0.8187] 应用非成像系统以 0.5 为判定门限的比较方法可 通过实验可以证明 ， 个探测 保证 1001、0011、1101。 且信号落在探测器上 得原始数据为 满足 Lpx＜bx,Lpy＜by， ， 4 凡向本刊投稿的作者 - ------------------------------------------------ - - - - - - - - - - - - ------------------------------------------------- 以便编辑部邮寄稿费和赠送杂志 被录用的稿件在尚未刊登之前 请及时提供新的联系方式 除提供电子信箱地址外 还请提供联系电话 敬告作者 者离开原单位 本刊编辑部 如果作 ， ， 。 ， ， 。 ， 2013 年 第 期 1 輩輷訛