LED可見光通訊的時代到了！

目前主要的LED供應商（如Cree、Nichia、Osram與Lumileds等）正積極的改進其輸出功率性能；例如Nichia在2009年早些時期，當其開發之LED於350 mA驅動電流下可獲致145 lm/W輸出功率時、而Cree則同時宣布LED在相同的驅動電流下可具186 lm/W輸出功率，顯見其技術競爭與日新月異。

而LED燈同時可作為車燈、戶外與室內照明、LCD用背光模組等用途。與傳統螢光照明燈具相較，LED則比其具較快速之頻率響應速度與頻寬使用範圍（~10 MHz寬）。因此LED除了可作為照明（Lighting）用之外，未來同時也可提供網路通訊（Networking）的服務應用；因此LED可見光通訊（Visible Light Communication；VLC）技術的應用情境可由圖一所描繪。

圖一 : 　LED可見光通訊應用情境

因LED的輸出波段在可見光（Visible Light）範圍內，因此不會產生電磁干擾（Electro-Magnetic Interference；EMI），因此可以在飛機、機場、醫院等不允許EMI干擾的環境場域中，可同時進行安全的網路通訊頻道。但是LED輸出的可見光之光功率在空間中衰減較快，因此LED約能提供較短距離的傳輸（約幾公尺長左右）。且相較於現行無線通訊系統，LED通訊網路則有不需頻寬使用權（License）及具資訊安全性（Security）等優勢。

另外LED原本就是作為照明用光源，另額外增設附加的通訊功能的模組並不會增加功率的使用與佈建成本之增加。怎麼說呢？舉例而言，過去為了增加佔有率於手機市場上，除了基本的通話功能外，現在的手機還增加了高畫數照像功能，此外還逐漸增加其閃光模組與攝影機功能，現在更像是一小型的NB進行高速網路的接取與應用等等。

因此，發展基於LED光源作為可見光通訊為將來為科技發展與產業應用的重要一環。VLC通訊可以在手機之間進行的安全的連接，主要是因為其光源可見的，因此用戶們可透過控制可見光的方向進行選擇安全的通訊目標，因此其它人是無法偷取該網路傳輸資訊的。此外因LED光是無法穿透牆壁的，所以其它房間的光信號是不會與其產生干擾問題。

由日本Keio大學於2000年開始先進行使用照明用系統的VLC通訊技術研究與發展[1]，儘管現在有好幾個主要的研究計劃與相關標準在制定，但是到目前為止仍然還沒有商業化產品出現；接下來我們將介紹世界上主要研究的機構與相關標準於VLC通訊系統上的發展：

●在美國由UC所於提供資金的Center for Ubiquitous Communication by Light已被建立[2]，其主要係以把無線通信號嵌入下世代之LED照明系統內以提供照明、通訊、交通管制、廣告和其它的應用等。

●歐洲的OMEGA計劃Seventh Research Framework Programme（FP7）於2008年度開始執行VLC相關技術開發[3]，其目標是它將發展一個Gbit/s的傳輸速度等級之VLC高頻寬服務的家庭區域網路。參與的成員包含近20個歐盟的研究機構，如France Telecom、Siemens、Oxford University等。

●目前也有幾個相關的標準正在制定，像日本的Visible Light Communication Consortium（VLCC）[4] 於2003年開始制定VLC通訊規範，目前有18個日本主要的公司與研究機構參與，如NEC、Panasonic、Toshiba、Sony…等等。此外於2008年，IEEE也開始成立VLC Study Group於IEEE 802.15 Wireless Personal Area Network（WPAN）[5] 之下，主要在MAC與PHY上進行探討與制定，其主要之參與成員有Samsung、Intel、ETRI等。

圖二 : 　白光LED種類示意圖[6]

目前LED通訊有上述兩國際標準在制定，但仍是以PHY與MAC方面為主，及提出以單向的LED傳輸模式，但在上傳信號部分還是應用RF或是Infrared方式來進行。

照明用白光LED的製程主要有兩種方式，一為使用藍光LED加上黃色螢光粉（Blue LED+Yellow Phosphor），另為使用RGB三光LED混合而成等兩個方式，如圖二所示[6]，但最具成本效益的白光LED仍是以第一種製程方式為主。因利用黃色螢光粉激發的動作會導致LED自身的頻率響應時間變慢，因此會導致其有效地3-dB頻寬於1-MHz寬左右，此對於LED可見光通訊系統極為不利；例如於簡易的信號調變格式OOK-NRZ系統下，並以bit/Hz的狀態來看，其傳輸速率也僅可到1-Mit/s左右，實在難與現行WiFi、WiMAZ、LTE等競爭。

而白光RGB-LED的製作成本較高，但是其3-dB頻寬可達10-MHz以上，此為其優勢但亦為其缺點。因此在目前室內照明系統上，還是以具成本效益之Blue-LED + Yellow Phosphor白光LED為主；所以現在全球目前主要的LED可見光通訊技術也是以該種類型白光作為主要發展研發技術。

在目前的B+Phosphor LED可見光通訊系統下，主要且常見的相關技術議題如下列所描述：

●光傳送端（Tx）：目前者要受限於Phosphor效應影響，因此LED可調變的有效3-dB頻寬約為1-MHz左右，此為VLC通訊系統最大的問題。

●光接收端（Rx）：目前常用的光信號接收器有PIN、APD及Image Sensor等類型，並無太大的使用限制，大多主要還是以佈建成本考量為導向，因此PIN或是APD光接收器還是首選。

●頻道效應（Channel Effect）：因在幾米的傳輸距離下，其VLC系統總傳輸率需達到100-Mbit/s以上才會有Inter-Symbol Interference（ISI）問題產生。

●信號調變格式：可以藉由不同的信號調變格式於LED上以增加其調變速率，如使用OOK-NRZ、m-QAM OFDM及DMT等信號調變技術[7-9]。

●Equalization技術：為了有效地延伸與使用LED的3-dB頻寬，我們可使用Pre-及Post-Equalization技術分別於發射端與接收端以處理調光變信號所延伸佔據之頻寬範圍，如此可增加其傳輸率[10-12]。

●Blue Filter應用：因為係使用B+Phosphor LED，因此可以藉由Blue Filter於Rx端將Blue LED部分的頻譜濾下來，其直接就可以有10-MHz寬的頻寬可調變信號用並同時增加其傳輸速率[13]；但是使用該濾波器的話會造成較大的光功率損耗，此會導致VLC傳輸距離下降至cm等級，無法滿足實際LED VLC網路傳輸系統；此外其購置的成本也較高。此VLC傳輸距離很短，因此在實驗VLC通訊下，極有可能是LED頭端電信號直接洩漏至光接端Rx並被接收所致，因此通常在拉遠VLC傳輸距離後（>10cm）則無法量測到LED傳輸信號[14]。因此使用Blue Filter於VLC系統中，其無法作為實際的LED VLC系統佈建與使用，但仍有其學術應用價值。

圖三 : 　OOK與4-ASK調變技術的差異示意圖

目前工研院資通所與交大合作研發VLC通訊系統關鍵技術，目的在於使用B+Phosphor LED並特殊設計Pre-distorted 4-ASK調變格式、Equalization技術及數位濾波技術，以增加其LED的頻寬使用效率至20倍，甚至以上；接下來我們將就此部分進行簡易的技術介紹。

常用的OOK調變技術是ASK調變的其中一種方式（通常以其振幅為+1或1來代表傳輸數位資訊的0或1），若把振幅提高至數個振幅，便可以在符號傳輸率（Symbol Rate/Baud Rate）相同下提升頻譜使用效率。

如圖三，在單位符元區間（Ts）內，則4-ASK調變波形可把振幅分成四個位準，如此便可以表示兩個位元的資訊，傳輸速率是一般OOK的兩倍；但是也因此Noise Margin變小，需要更高的Signal to Noise Ratio（SNR）的通道環境。

因此接下來我們可先應用一階RC等化電路（First Order RC Equalization）技術與Pre-distorted ASK 調變格式技術來改善B+Phosphor LED頻寬（1-MHz）不足的問題。在LED頻寬受限的環境下，若是要達到10-Mbit/s OOK的下傳資訊量則會受到LED本身的1-MHz 3-dB頻寬的影響，如此會產生符際干擾（Inter-Symbol Interference）問題，因此於VLC實驗上其所量測出來10-Mbit/s OOK信號眼圖（Eye Diagram）會產生極混亂的現象，如圖四(a)所示。

圖四 : 　在10-Mbit/s ASK調變信號下量測到的信號眼圖。(a)在無RC等化電路與Pre-distorted調變技術、(b)僅具下RC等化電路技術與(c)同時具RC等化電路與Pre-distorted調變技術下的狀況。

當我們在接收端透過RC等化電路設計濾波作用後，其下傳的10-Mbit/s傳輸信號品質則可被改善，可由圖四(b)所呈現。然而在濾波的過程當中，LED傳輸信號的SNR也會被影響，因為Zero Crossing穿越的轉換瞬間仍然不夠穩定。

因此我們則再提出使用Pre-distorted ASK信號調變方式加在LED發射端，和一般發射端的前端濾波不同之處是在於傳輸的信號只會在轉換的瞬間提供較大的電壓差來推動欲傳輸之信號，此種做法並不像一般的線性濾波器，是一種非線性的對波形作調整，以期望在接收端能得到訊號品質的改善。

因此LED可見光通訊之Channel的ISI記憶效應在Pre-distorted波形的效應下會更加地穩定。然而這種Pre-distorted調變做法是在ISI初步被濾波器補償後才被改善，其實際實驗驗證之效果則如圖四(c)所示。

再者我們可應用4-ASK和Pre-distorted調變方式的設計，在First-Order Low Pass System頻寬限制的模擬條件下，使用三倍3 dB頻寬的符元傳輸率來模擬（例如在1MHz的VLC通道中傳輸4Mbit/s資料），經由對LED作線性系統的假設，並加入具20dB的SNR雜訊比來進行LED通訊系統模擬，其所得到的結果如下說明。

圖五 : 　不具RC等化技術之Pre-distorted 4-ASK調變波形設計及系統模擬示意圖

圖五(a)的紅色線為一般4-ASK調變波形，振幅可被預設的值可以為+1、+0.5、0.5、1；而藍色線為經過Pre-distorted Scheme加強過後的訊號，因此藍色訊號大部分時間和紅色訊號相同，但是在轉換瞬間會加入大小不同的突波補償訊號（相較於ASK的Pre-distortion，4-ASK的補償量和兩符元間轉換差異成正比）。

圖五(b)之藍色線為一般4-ASK的訊號波形，而紅色為一般4-ASK經過通道頻寬限制後的失真波形。因此最後圖五(c)則為透過Pre-distorted 4-ASK調變後經過通道後之眼圖；而圖五(d)為一般4-ASK調變的眼圖。總之於此模擬系統的條件之下，具1MHz頻寬的白光LED則可增加其傳輸資料量至20-Mbit/s左右，此即為增加20倍頻寬使用效率的信號調變關鍵技術。

圖六 : 　(a)不具及(b)具有Pre-distorted設計下所量測到之眼圖。(c)其VLC系統的誤碼率BER之效能。

最後經由實驗證明，在使用單顆LED實驗傳輸下，我們可達到具20-Mbit/s傳輸率且>1-m傳輸距離長的VLC通訊系統[15]。所以圖六(a)及圖六(b)為在不具與具有Pre-distorted設計下所量測到之眼圖，而圖六(c)為其VLC系統於1-m自由空間傳輸的誤碼率BER頻譜圖。由圖六可發現我們提出之4-ASK調變與數位濾波技術，在無使用FEC修正狀態下仍可使LED可見光通訊系統之BER達到10-10以上等級。

圖七 : 　用於醫院之LED可見光通訊示意圖

結語

醫院為最需要無RF無線信號干擾與無EMI存在之場域以進行無線接取通訊，因此無EMI效應之LED可見光無線通訊系統未來則是醫療環境的首選，因LED可見光通訊系統除了可於院內傳輸衛教資訊及具網路安全的病人生理資訊傳輸（如圖七示意圖），同時VLC系統還可用於對病理醫療人員的位置偵測。

因此目前工研院與輔大醫院（及其合作醫院）預計共同合作並建置LED可見光通訊系統，目標將於輔大醫院內首先建置一LED VLC通訊應用平台，此將是台灣第一個LED VLC應用場域，其目的是將藉由醫院的示範Filed Trial，期盼未來將LED VLC技術更廣泛地應用於其它的場域及環境上。

（本文作者葉建宏為工研院資通所正研究員、鄒志偉為交大光電系副教授）

參考文獻

[1]Y. Tanaka, et al, “Wireless optical transmission with the white colored LED for the wireless home links,” Proc. of the 11th Int. Symp. on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications, London, pp. 1325-1329, 2000.

[2]http://www.uclight.ucr.edu/

[3]http://www.ict-omega.eu/

[4]http://www.vlcc.net/e/index.html

[5]http://www.ieee802.org/15/

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[12]C. W. Chow, C. H. Yeh, Y. F. Liu, and Y. Liu, “Improved modulation speed of LED visible light communication system integrated to main electricity network,” Electron. Lett., vol. 47, pp. 867-868, 2011.

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[14]H. L. Minh, D. O’Brien, G. Faulkner, L. Zeng, K. Lee, D. Jung, Y. J. Oh, and E. T. Won, “100-Mb/s NRZ Visible Light Communications Using a Postequalized White LED,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 21, pp.1063-1065, 2009.

[15]C. H. Yeh, Y. F. Liu, C. W. Chow, Y. Liu, P. Y. Huang and H. K. Tsang, “Investigation of 4-ASK modulation with digital filtering to increase 20 times of direct modulation speed of white-light LED visible light communication system,” Opt. Express, vol. 20, pp. 16218-16223, 2012.

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