可見光通信（VLC）是一個新興的在傳統的短距離無線射頻（RF）通信的替代方案。發光二極體（LED）由於其可靠性和低成本，已成為首選技術。LED的亮度可以迅速調整，其速度比傳統的發光設備要高几個數量級。通過改變LED光源的強度，數據信息可以通過可見光傳達給對光敏感的接收器。LED會發光，但也可以作為接收器來測量進入的光線，就像光電二極體一樣，它允許在點對點連結中傳輸。我們把這種方法稱為LED-to-LED通信。LED-to-LED通信中，我們可以通過光傳播的指向性和視覺範圍來控制通信，這使得它具有互動性（與紅外或射頻相反）。
在這項工作中，我們解決了使用LED進行雙向通信的基本挑戰，並建立了一個完整的LED到LED網絡。一個基本特徵是，LED發出的可見光信號可以同時被看作是一個光源，而目標接收器則將其解釋為信息源。因此，光學設備之間的通信可能會導致附近的人類觀察者出現不希望看到的閃光。此外，為了實現通信網絡，需要一個協調訪問光學無線通道的通信協議。應選擇臨時協議，以便系統能夠擴展到更多的設備。
可見光通信聯盟（VLCC）成立於2003年11月，由日本的主要公司組成，旨在宣傳VLC技術並使之標準化。最近的IEEE802.15.7標準利用LED在無線個人區域網絡中進行無線數據傳輸
(WPAN)。該標準使用用於照明的寬頻白光LED進行高速通信。為了實現高PHY速率，項目使用天花板照明上的LED實現了100Mb/s。相比之下，我們的目標是窄帶（15-150納米）LED的低複雜度應用和低PHY速率，因為這些足夠用於娛樂業的低成本應用，如玩具。
LED與LED之間的溝通
LED到LED通信的用例和應用的特點是低成本和低複雜性（玩具、消費電子產品）。這需要低PHY數據率來交換信息，並且通常在可見光發射器和接收器之間建立一個簡單的臨時性質的通信網絡。這些要求必須由一個輕量級的結構和通信協議以及一個基於一個LED和一個微控制器的簡單收發電路來滿足，如下面所述。
一個簡單而低成本的非相干光調製和解調可以通過發射器的強度調製（IM）和接收器的直接檢測（DD）來實現。在發射器處，我們使用了通斷鍵控（OOK），其中二進位信息被映射到光信號的存在（符號ONE）或不存在（符號ZERO）。在我們的設計中，LED既被用作發射器也被用作接收器的前端，因此能夠進行雙向通信。我們的設計只需要最少的元件，因為LED直接連接到一個數字IO引腳和一個模數（ADC）輸入/數字輸出引腳。數字IO引腳與LED的陽極相連，而ADC引腳則與陰極相連。接下來，我們將介紹為什麼這種設置能夠使我們同時傳輸和接收可見光信號。
在我們的系統中，「一」的符號是通過在時間T內發光來傳輸的，而「零」是通過在時間T內不發光來傳輸的。與光電二極體相比，LED的光敏感度較低，因為其接收區域較小，收集的光較少，因此，它不能由微控制器的標準ADC引腳直接測量。相反，我們使用提出的用LED檢測光線的原理：我們利用入射光線產生的反向電流緩慢地對一個電容放電，該電容對應於測量期間入射光線的積分。
現在我們將更詳細地描述傳輸和接收。（1）符號一：當發射符號一時，LED在正向偏壓下提供電壓Vcc，這樣電流就從陽極流向陰極。LED發出的光的強度與陽極和陰極之間流動的電流成正比。通常情況下，微控制器在其引腳上提供有限的電流，我們不需要為LED提供額外的限流電阻。（2）符號ZERO和接收：要傳送一個零符號，只需將LED供應到低於閾值Vγ>0的位置，這樣就能保證沒有光發射。我們使用以下的關鍵想法：與其在沒有偏壓的情況下驅動LED（正如在光通信中通常所做的那樣）來感知信道，我們在傳輸時以反向偏壓操作LED，而不是像這項工作中那樣使用一個數字I/O引腳和一個ADC引腳。
一個ZERO符號。其優點是，在傳輸ZERO時可以感應到光，這一點接下來會解釋。入射光線的測量方法如下。首先，一個具有電容C的電容器被充電到某個參考電壓，並施加一個反向偏壓。由於微控制器的高輸出電流（與電容C相比），這種充電只需要幾納秒。一旦電容被加載，它就會在反向偏壓模式下被LED慢慢放電。在某個時期結束時，微控制器會測量電容器的剩餘電量。圖中給出了我們的原型設置在數據接收過程中的放電過程的例子。底部顯示的是發射的信號，頂部顯示的是接收的信號。發送器發送零和隨後的一。接收器測量符號周期結束時的電壓。
當它接收到「一」時，由於入射光線在LED2中產生光電流Iphoto，放電速度較快。在實踐中，LED的內部電容可以用於此，不需要額外的組件。讓我們把Vca≥0表示為LED（陰極和陽極）引腳之間的電壓。符號決定是在以下情況下做出的：（i）在反向偏壓下將內部LED電容C充電到Vca=Vcc；（ii）在一個符號周期T後測量電壓下降
在某些方面，可見光中的通信與無線電通信有很大的不同。我們從人類觀察者的角度將頻域劃分為幾個區域，如下文所述。
視覺反饋區域：可見光信號的低通分量是由人眼觀察到的。人眼還規定，通過調整虹膜的孔徑，可以容忍相當大的動態範圍的光照。因此，光強度的微小變化由於連接了示波器探頭，C對ONE和ZERO的放電速度比正常情況下快。在正常操作中，接收ONE和ZERO符號時，電荷的衰減不太陡峭。這也是可用於感知建立連接和通信範圍的頻譜部分。這個頻譜中包含的信號不一定能將信息傳達給遠程LED站。
閃爍區：當光源的照度變化對人眼來說是明顯的，就可以觀察到閃爍。一個重要的因素是閃爍的頻率、可以達到上百赫茲。頻閃的影響可以是在一個網絡中，不同的發射器在不同的時間被點亮來傳輸他們的信息，這一點甚至更加明顯。因此，在頻域中存在一個中間區域，我們的信號應該具有低能量或根本沒有能量。在這個區域的信號是由信息傳輸過程中只有一個（或零）符號的長時間運行造成的（表示為信息內閃爍）。在信息傳輸過程中的非活動期間，或在接收信息時，也可能發生閃爍（表示為信息間閃爍）。
LED到LED的數據區域：在較高頻率的區域可用於光通信。人眼無法檢測到這些信號，因為視覺系統的時間反應會掩蓋高頻率，這是由於神經系統反應速度的限制。
消除顫動的設計：所產生的光信號必須由低通和高通信號分量組成，以避免禁止的抖動區域。一個簡單的解決方案是增加符號率1/T，這將不會被人眼察覺，以減輕這兩個來源的顫動。然而，這不是一個有效的選擇，因為1/T的增加會減少符號周期T，從而減少LED的靈敏度範圍。其他選擇如或類似的線編碼也不適合我們的範圍，因為它們只能提供信息內的抖動補償（在與信息同步後），但不提供任何信息間抖動的解決方案。下文將介紹一種方案，以全面消除這兩種來源的抖動的影響。
我們假設一個網絡環境，有兩個或更多的站共享一個共同的光學無線信道，例如在紅色或黃色光譜中。每個LED站i平均發出的能量水平為i。我們將通信信道劃分為時間長度等於符號周期T的符號，並引入數據和能量符號的概念。根據上面介紹的數據通信協議，傳輸信息的設備訪問信道並使用數據符號發送幀。
消除閃爍方案：（a）信道被劃分為數據（D）和能量（E）符號。(b)接收器只在能量符號期間發出光。信道空閒時發送相同的圖案。(c)發射器在數據（信息）期間發光，最終在能量符號期間發光（以補償顫動）。介質訪問和高層通信協議依賴於數據符號期間交換的幀。在信息傳輸過程中，通信範圍內的任何站點（除當前發射器外）都不應該在數據符號期間發射ONE。
能量符號：在能量符號中，沒有任何站點傳輸數據。在能量符號期間，任何發射器都可以自由地向光媒介輸出能量。所有站點都可以選擇使用能量符號來輸出信號，以保持一個特定的平均功率輸出水平i，並由其選擇。例如，數據符號中傳輸的每一個零都可以由能量符號中的一個一來補償，反之亦然。能量符號中的脈衝不攜帶任何信息，也不打算被其他電台接收，而是由人眼接收。如果需要並得到發射機的支持，它們也可以使用不同的強度。這樣，發射器就可以在整個信息傳輸過程中保持恆定的目標功率輸出水平，從而消除發射光的任何顫動。
以上介紹的。我們首先考慮當只有一個發射器（站A）和一個接收器（站B）時的信道訪問實例。在傳輸信息之前，會產生一個隨機退避時間（RBT）。當發射器的計數器在倒計時時，發射器感知光媒介以檢測網絡上其他站點的信息傳輸嘗試。在檢測到沒有活動（空閒信道）的時間等於插槽時間後，A站將RBT減去一個單位。當A站進行倒計時時，它只測量專用於數據符號的那部分符號的信道活動（其中它發送零符號）。
能量符號不能使用，因為發射器發送一個符號用於干擾補償。數據信息在定時器達到0後被傳送。站B在收到信息後立即發送ACK信息。一旦收到ACK，A站在範圍內生成一個新的RBT用於下一個消息。每次在ACK結束時間內沒有收到ACK，信息就會在一個新的RBT後重新傳輸，其中RBT是雙倍的，以減少未來碰撞的風險。一個最大的值RBTlimit限制了RBT，所以這個變量不能無限增長。在最大的嘗試次數之後，消息被丟棄。
我們參考上圖。當一個LED站獲得對光媒介的訪問並傳輸信息時，它希望在數據符號期間，其他LED站不發出任何光。雖然LED在傳輸一個在數據符號期間，它可以這樣做，同時在數據符號期間發送一個ZERO，以傳輸信息的第0位。發射器期望ACK消息使用沒有數據內容的MAC層格式（即數據有效載荷等於零字節），只是確認成功接收。為了減少通信的開銷，由於數據發射器和接收器已經同步，所以在發送ACK時，同步序列較短，相當於一個前導音。由於LED可以在1微秒（<T）的時間內從正向偏壓切換到反向偏壓，因此在發送ACK之前不需要等待周轉時間。
牽頭的系統之間的權衡
我們研究了哪些參數限制了LED到LED的通信性能。特別是，符號周期T的選擇是由（i）光的閃爍，（ii）LED在反向偏置時產生的噪聲，以及（iii）目標通信速率和範圍驅動的。我們發現：使用高達160位元組的有效載荷，一種顏色的最大系統吞吐量≈0.45/T。我們的可見光收發器由數字和模擬部分組成。數字部分包括數據源，一個由Arduino微控制器（µC）控制的驅動電路，內置模擬-數字轉換器（ADC）。我們在Vcc=5V的情況下為LED供電，而不損壞LED，因為輸出電流被限制在20mA。除非另有規定，每個收發器使用的符號周期為T=512µs。符號邊界是通過Arduino產生的中斷獲得的，並由我們的軟體處理。由此產生的十六進位文件約為11kB。
我們使用我們的原型實現來衡量可實現的吞吐量，即在一秒鐘內成功確認的MAC數據位的數量。我們在紅色頻譜上進行了多達四個發射器的數據發送測試，有效載荷為40和160位元組，有碰撞檢測（CSMA/CD）和沒有（CSMA/CA），符號持續時間為512µs。每個測試持續600秒，我們在圖中總結了結果。我們測量了160位元組的信息的系統吞吐量，高達872比特/秒（b/s），吞吐量在較短的信息長度下有所下降。正如預期的那樣，在CSMA/CA中，由於信道爭用和碰撞，系統吞吐量在增加節點數時下降。
由於碰撞的早期檢測，當多個傳輸器爭奪光媒介時，CD可以獲得更高的吞吐量。此外，由於信息的時間長度和早期檢測碰撞事件所節省的時間，CD的吞吐量增益在數據有效載荷較長時更高。
在圖中左邊，我們展示了一個沒有消除頻閃的例子。正如預期的那樣，有一些低頻成分（低於100Hz）會對人類造成頻閃效應，而且fmin<1/T。在右邊，我們展示了消除頻閃的情況。頻譜是這樣的：發射的平均光（0Hz）對人來說是可見的，並且平均高於無頻閃補償的情況，但較高的可見頻率成分被衰減了20-25dB。信號在≈500Hz處有一個更強的峰值，如fmin=1/(4T)所預期的那樣，人眼是看不到的。
我們還評估了哪一個符號周期T，我們開始直觀地觀察到閃爍，即使使用閃爍補償。我們改變T，並使用我們的抖動消除機制將數據信息傳輸到範圍內的另一個節點。在我們的實驗中，我們開始觀察到T=1.5毫秒時的輕微顫動，這導致fmin=CFF==166Hz。請注意，對於不同的LED輸出電流（我們的測試為20mA），可能會觀察到不同的結果。
在接收機上，符號周期T受制於反向偏置時在半導體結中產生的暗電流。這個電流是一個噪聲源，因為它在沒有通信時和接收符號ZERO時都會對電容C放電。第二個噪聲源是環境照明產生的污染，如現代室內照明設備產生的光學光譜。由於在微控制器中表示電壓的解析度有限，陰陽極之間的電壓的靈敏度是有限的。
因此，在符號周期TZERO之前，用ADC測量的電壓Vca不會改變。T=ZERO保證了最大的靈敏度，因為LED在對光學介質上存在的「一」或「零」做出判斷之前收集了最高的光量。我們評估了噪音對我們原型的實際影響。結果總結在圖中，它顯示了黑暗中的T=ZERO（上圖）和室內環境光（下圖）。我們選擇TZERO作為使用10位ADC引腳，少於1%的測量結果導致電容的電壓下降的值。在黑暗中，我們對暗電流感興趣，我們在黑暗的環境中測量時儘量減少任何入射光線的影響，敏感區用黑色紙板箱覆蓋。
在室內環境光下，我們使用安裝在LabJackU3DAQ設備上的TAOSTSL230rd光度測量傳感器來描述室內的輻照度。我們在靠近被測LED的地方測量54µW/cm2的輻照度。我們使用3毫米和5毫米的LED，顏色為藍色（B）、黃色（Y）、綠色（G）和紅色（R）。例如，標籤Y5表示一個黃色的5毫米LED。在測試中，我們以64µs的比例倍數來調整符號周期。
我們通過實驗研究了使用5毫米LED的藍-藍和紅-紅通信的可實現距離。在測試中，我們有一個在Vcc=5V下提供的藍色（紅色）發射器，它連續發射光，還有一個藍色（紅色）接收器，它在一個符號周期T後測量電壓降。LED被排列起來，以研究最大範圍。在每次測量中，我們將符號周期T={256,512,1024}μs，以及LED之間的距離。µs和LED之間的距離，並根據III-A2節中提出的方法，測量符號周期T後的電壓Vca。
我們收集1000個樣本（符號），計算出平均電壓，並將其繪製在圖中，作為LEDs距離的函數。該圖顯示，通信範圍是T和LED本身的函數。使用藍色LED和T=[512,1024]µs可以獲得90厘米以上的距離，而紅色LED只能通信到≈30厘米。這些距離對於可能位於一個房間內的娛樂和互動玩具來說可能是足夠的。正如預期的那樣，較長的符號周期有助於收集更多的光並增加通信範圍。例如，當使用T=1024µs時，藍色LED在15厘米處測量的平均電壓為3.5V，而使用T=512µs時的平均值為4.15V。結果還表明，符號周期不能任意減少（在不使用我們的消除抖動方案的情況下，這將減少任何抖動效應），因為較小的符號周期會減少通信的範圍。
對主導協議的深入了解
我們首先關注MAC層，並展示了一些使用我們的原型平台連接到示波器的數據流量的例子。然後，我們考慮PHY層的幀格式。
表一總結了實現中使用的主要MAC參數。MACSlotTime持續時間等於16個符號，即（16-T）。MaxTry表示數據被丟棄前的最大嘗試次數。ACK超時表示數據發射器在數據傳輸結束後等待有效幀的時間。在每次從繁忙信道（數據符號中存在能量）過渡到空閒信道（數據符號中沒有能量）後，每個站都要等待一個幀間空間IFS，然後開始新的傳輸或恢復倒計時。
圖中顯示了一串數據和ACK幀，取自兩個通信站的陽極（TX）引腳。為了便於解釋該圖，在這個例子中，只在數據傳輸和接收期間激活了消除干擾。例如，站A（底部）在一個後關期時間後發送一個數據幀，站B（頂部）收到並回復一個ACK。然後，在另一個空閒時間後，兩個站都感覺到信道活動，站B發送下一個數據幀，站A收到它，並在接收後確認。
在圖中，我們展示了一個使用閃爍補償的例子，也是信息間的。在感知信道活動的同時，兩個站在能量符號中發送符號ONE，信息可以成功交換。
在圖中，我們展示了三個站的網絡中的數據/ACK通信。如上所述，為了便於解釋該圖，只在信息傳輸過程中進行了消除干擾的處理。
研究總結
今天，可見光通信通常被看作是家庭網絡、設備定位的又一方法，或者是訪問網際網路的新方式。然而，通過使用LED收發器而不是紅外線或無線電設備來構建短距離自由空間通信系統，可以實現各種各樣的娛樂應用。在本文中，我們提出並評估了一個完整的LED到LED通信系統，包括物理層傳輸和網絡協議，重點是娛樂應用。我們建立並評估了一個原型，該原型能夠在短距離內進行數據交換，同時避免了無線電輻射。這樣的好處是，當用戶指向一個設備時，可以得到明確的視覺反饋，系統的簡單性和基於LED的系統的低成本性。我們的評估解決了技術上的挑戰，如消除眩暈，引入並評估了檢測碰撞的協議。結果表明，用一個微控制器驅動的LED，在一個選定的光色的LED網絡中可以實現每秒870比特的系統吞吐量，這對於玩具世界中的娛樂性互動應用是足夠的。