XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Предполагается, что связь в видимом свете следующего поколения (VLC) превратится в высокоскоростную многопользовательскую систему. В этой работе был изготовлен, упакован и использован микро-светодиод с однослойной квантовой точкой (КТ) 75 мкм, который использовался для экспериментальной демонстрации 3-метровой системы VLC QAM-OFDMA, обеспечивающей нескольких пользователей с полосой модуляции 1,06 ГГц. Система OFDMA реализовала скорости передачи данных 1,2 Гбит / с и 750 Мбит / с с BER 0 и 3,6 × 10 ^-3 для двух независимых пользователей с коэффициентом пропускной способности 1: 1 соответственно. Дополнительные стратегии и сценарии распределения поднесущих для 2–6 пользователей были дополнительно оценены, и все предлагаемые стратегии достигают суммарной скорости свыше 1,41 Гбит / с, в то же время удовлетворяя критериям прямого исправления ошибок (FEC).

Ключевые слова: QD micro-LED, InGaN, система VLC QAM-OFDMA, метод OFDMA, LJV, BER, SNR.

Введение

Связь с видимым светом (VLC) становится перспективной беспроводной технологией для одновременной реализации связи и освещения с преимуществами высокой защищенности, электромагнитной помехоустойчивости (EMI) и совместимости с существующими средствами освещения. , Полосы электрооптических (ЭО) коммерческих светодиодов большой площади ограничены из-за времени жизни желтого люминофора. После устранения люминесценции люминофора фильтром, полоса пропускания может быть увеличена до 10–20 МГц. Таким образом, характеристики EO-модуляции затрудняют создание высокоскоростной многопользовательской системы VLC. Чтобы еще больше увеличить пропускную способность системы, предлагаются микроразмерные светодиоды (микро-светодиоды) на основе нитрида галлия с превосходными характеристиками, такими как малый размер, короткий срок службы несущей и низкая постоянная RC, для устранения существующего узкого места в полосе пропускания. Типичные микро-светодиоды с квантовой ямой (QW) могут достигать ширины полосы EO до сотен МГц. Благодаря преимуществам высокой пропускной способности EO и параллельного возбуждения, микро-светодиод и его массивы имеют большой потенциал для высокоскоростных приложений VLC. Несмотря на усилия, предпринятые для увеличения полосы пропускания ЭО, плотности рабочего тока микро-светодиодов по-прежнему составляют порядка кА/см² . Таким образом, практический светодиод с высокой полосой пропускания ЭО с более низкой плотностью тока инжекции стал острой мотивацией изготовления микро-светодиодов с квантовыми точками (КТ).

Многие предыдущие усилия были в основном направлены на повышение скорости передачи данных одного пользователя в системах VLC на основе микро-светодиодов. В типичной внутренней среде светодиоды в качестве осветительных устройств всегда устанавливаются на потолке с информацией о сохранении и передаче, а излучаемый свет, несущий данные для разных пользователей, транслируется на каждый терминал. Система, обслуживающая нескольких пользователей, привлекла большое внимание из-за растущих требований к нисходящей линии связи в переполненной внутренней среде связи. Тем не менее, реализация многопользовательских методов в системе VLC все еще является сложной задачей, учитывая ограниченную пропускную способность, и, следовательно, объясняет причину, по которой мы должны исследовать основанную на микро-LED QD широкополосную систему VLC. Многостанционный доступ с ортогональным частотным разделением (OFDMA) - это технология множественного доступа, которая позволяет передавать данные нескольким пользователям с ограниченной полосой пропускания. Также сообщалось о системе VLC OFDMA на основе светодиодов , которая достигла скорости передачи данных только 13,6 Мбит / с. Предоставляя множеству пользователей возможность занимать независимые поднесущие в частотной области, OFDMA выигрывает от низких помех, что соответствует лучшим показателям битовых ошибок, чем множественный доступ с частотным разделением (FDMA) и множественный доступ с временным разделением (TDMA). В последнее время, не множественный доступ с ортогональным (НОМА) в VLC также привлек значительное внимание благодаря своей высокой спектральной эффективности. При правильно разработанной стратегии распределения поднесущих и мощности система VLC OFDMA может полностью использовать ограниченную полосу пропускания и может предоставить несколько терминалов с высокоскоростным VLC в различных сценариях.

В этой статье изготовлен и упакован для реализации VLC синий однослойный микро-светодиод QD толщиной 75 мкм. Его оптические и электрические характеристики измерены экспериментально. Ширина полосы модуляции системы VLC может достигать 1,06 ГГц при сверхнизкой плотности тока 178,8 А/см² . Пропускная способность EO для микро-светодиодов QD лучше, чем у других высокоскоростных светодиодов, выращенных на стандартном сапфировом с-плоскости, и этот результат сопоставим с полуполярными светодиодами, изготовленными Dinh et al . Впервые, расширяясь по сравнению с нашими предыдущими работами, мы демонстрируем многопользовательскую систему VLC QAM-OFDMA на основе микро-светодиодов QD по линии связи длиной 3 м, которая обеспечивает передачу данных со скоростью 1,2 Гбит / с и 750 Мбит / с для двух пользователей с BER 0 и 3,6 × 10 ⁻³соответственно. Кроме того, стратегии распределения двух поднесущих для двух пользователей с различными соотношениями частотных полос оцениваются для получения суммарной скорости 1,5 Гбит / с. Впоследствии представлена стратегия распределения поднесущих для трех-шести пользователей, чтобы предоставить пользователям равную занятость в полосе частот, и все продемонстрированные сценарии достигают высокой суммарной скорости в 1,41 Гбит / с. Вышеупомянутые линии передачи находятся ниже критерия прямого исправления ошибок (FEC). Для достижения более высокой скорости передачи данных предложена стратегия с большим отношением для уменьшения потерь в канале высокочастотного пользователя.

Структура и упаковка QD micro-LED

Эпитаксиальная структура микро-светодиодов QD на основе InGaN выращена на обычной сапфировой подложке c-плоскости с использованием системы химического осаждения из паров металлов и металлов (MOCVD, AIXTRON 2000HT). Этот образец эпитаксиальной структуры содержит ряд компонентов, в том числе: слой GaN, нелегированный 1 мкм, слой GaN, легированный Si, толщиной 3,5 мкм, 10 пар In _0,03 Ga, _0,97 N (3 нм) / GaN (3 нм) n. -тип сверхрешетка (SL) вставка слой, 1,5 нм слой InGaN , КТ, 20-нм нелегированного GaN - барьер, в 20-нм Mg-Al , легированный _0,2 Ga _0,8 N электроны блокирующего слоя (ЭПС), и , наконец, 150 нма Контактный слой GaN, легированный магнием. Основной слой QD InGaN получен двухступенчатым методом прерывания роста. Рисунок 1 (а) показывает картину микро-светодиода QD, который выращивается после эпитаксии материала, и активная область с 75 мкм формируется влажным травлением. Затем оксид индия-олова (ITO) помещают на поверхность микро-светодиода QD для формирования омического контактного слоя. Затем меза пассивируется слоем SiO ₂ для уменьшения тока утечки сухим травлением. Наконец, кольцевой электрод предназначен для соединения со слоем ITO. После формирования матрицы микро-светодиодов QD нам нужно отдельно обрезать их и инкапсулировать, чтобы обеспечить реализацию для приложений VLC. Рисунок 1 (б) представляет собой микрофотографию упакованного QD микро-LED с поверхностным рисунком же , как показано на рис. 1(а). Два металлических штифта выполнены в виде анода и катода. Рисунок 1 (с) представляет собой фотографию упакованного микро-светодиода QD, и его размер очень компактен по сравнению с монетой. Рисунок 1 (d) - передатчик нашей предложенной системы VLC на основе микро-светодиодов QD, которая включает в себя управляющую печатную плату (PCB), 3-мерную (3D) перестраиваемую ступень, Tx. объектив, уклон-тройник и предварительный усилитель.

Рис. 1. (а) Принципиальная схема и (б) микрофотография QD микро-светодиода. (c) его упакованная схема по сравнению с монетой и (d) световое изображение, установленное на перестраиваемой 3D-сцене в качестве передатчика.

Система VLC и обработка сигналов QAM-OFDMA

Мы создали 3-метровую экспериментальную систему VLC QAM-OFDMA, использующую упакованный микро-светодиод QD в типичной внутренней среде. Рисунок 2На фиг.3 показана принципиальная схема многопользовательской системы QLC-OFDMA VLC на основе микро-светодиодов QD с расстоянием передачи 3 метра. Экспериментальная установка состоит из двух основных частей, включая линию распространения света в реальном времени на основе оптических устройств и модуль автономной обработки данных с использованием MATLAB. В предложенной схеме система VLC QAM-OFDMA может поддерживать многопользовательский ввод и многопользовательский вывод. Здесь, чтобы упростить процесс демонстрации, мы принимаем только двух пользователей в качестве типичного сценария. Чтобы смоделировать информацию, передаваемую для двух разных пользователей, сначала генерируются две псевдослучайные двоичные последовательности (PRBS) независимо, а затем отображаются в формате QAM. Затем выполняется последовательное (S / P) преобразование, прежде чем преобразованный сигнал QAM дополнительно модулируется в формат мультиплексирования с ортогональным частотным разделением (OFDM). Учитывая ограниченную пропускную способность системы и производительность двух пользователей, реализуются и оцениваются различные стратегии распределения поднесущих, которые будут обсуждаться на следующем сеансе, для повышения производительности. Обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT) с 256 точками выполняется для работы модуляции OFDM, где эрмитова симметрия необходима для генерации реального сигнала. Затем, отбрасывая компоненты постоянного тока (DC), данные QAM для обоих пользователей полностью загружаются на 120 эффективных поднесущих. Впоследствии все 120 независимых поднесущих будут распределены двум разным пользователям с заданной скоростью, которая будет подробно описана в следующем разделе. Чтобы уменьшить межсимвольные помехи (ISI), Циклические префиксы (CP) вставляются, и полученный сигнал OFDM преобразуется в последовательный формат после параллельного преобразования (P / S). На последнем этапе генерации данных в MATLAB к последовательному сигналу QAM-OFDMA добавляется синхронизирующая последовательность.

Рис. 2. Принципиальная схема многопользовательской системы VLC QAM-OFDMA VLC на основе 3-метрового QD.

Полный дискретный сигнал QAM-OFDMA подвергается дискретизации с повышением частоты и отправляется в генератор сигналов произвольной формы (AWG, AWG7000A, Tektronix) для генерации непрерывного выходного сигнала. Сначала усиливается усилителем (ZX60-43 +, мини-схема), затем на выходной сигнал накладывается компонент постоянного тока, который обеспечивается смещающим тройником (ZFBT-6GW +, мини-цепь) при напряжении смещения 5,5 В. Затем соответствующий действительный положительный сигнал посылается для управления упакованным микро-светодиодом QD. Для улучшения направленности испускаемого луча используются выпуклые линзы как на стороне передатчика, так и на стороне приемника. Приемная линза фокусирует луч прямо в центре активной области высокочувствительного модуля кремниевых лавинных фотодиодов (APD) (APD210, Menlo Systems) с шириной полосы модуляции 1 ГГц, расположенной на расстоянии 3 м от источника света, который преобразует оптический сигнал. сигнал в электрический сигнал. Принятый электрический сигнал проходит через усилитель (ZX60-43 +, мини-цепь) для компенсации потерь, а затем регистрируется осциллографом реального времени (OSC, DPO75902SX, Tektronix). После этого выполняется цифровая обработка сигналов (DSP) для собранных данных с осциллографа, чтобы восстановить переданные двоичные данные для двух пользователей. Операции понижающей дискретизации и синхронизации сначала извлекают эффективные полученные данные, а затем преобразуют S / P. Впоследствии, после удаления CP, быстрое преобразование Фурье (FFT) реализует демодуляцию OFDM и получает сигнал в частотной области. Принятые сигналы для двух пользователей затем извлекаются из соответствующих поднесущих после оценки канала и выравнивания.

OFDMA поднесущая и схемы распределения полосы пропускания

Метод OFDMA позволяет нескольким пользователям занимать независимые ортогональные поднесущие в пределах ограниченной полосы пропускания системы. В нашей предложенной системе VLC OFDMA пользователь представлен исключительно через последовательность ортогональных поднесущих в частотной области. Правильно разработанная стратегия распределения поднесущих важна для того, чтобы в полной мере использовать всю эффективную полосу пропускания и достичь компромисса между пользователями. Усиление поднесущей следует за неравномерным распределением, где высокочастотные поднесущие всегда страдают от большей потери канала и помех из-за ограничения полосы пропускания устройств. В нашем эксперименте вся полоса пропускания с 120 поднесущими данных делится на части сервалов в соответствии со следующими стратегиями. Предлагаются пять различных стратегий распределения поднесущих для двух пользователей, как показано на рисунке 3.(а), из которых показатели КОБ оцениваются при разных частотах выборки. Соотношения номеров поднесущих, назначенных пользователю 1 и пользователям 2, устанавливаются как 1: 9, 1: 4, 3: 7, 2: 3 и 1: 1 соответственно, чтобы оценить влияние распределения полосы пропускания на производительность BER. , Затем мы увеличиваем количество пользователей, одновременно назначая поднесущие в ресурсе ограниченной полосы пропускания. Для оценки эффективности связи каждого отдельного пользователя используется тот же метод, что и на рисунке 3.(Б). Этот простой способ выделения для разделения разных пользователей в соответствии с порядком поднесущих может генерировать независимые каналы с различными скоростями передачи данных между передатчиком и приемником разных пользователей. Это очень полезно для приложений Интернета вещей (IoT) с разной скоростью передачи данных с большим количеством различных датчиков.

Рис. 3. Диаграммы стратегий распределения полосы пропускания для (а) 2 пользователей с разными соотношениями частот и (б) большего количества пользователей с одинаковым соотношением.

В качестве VLC-системы с модуляцией интенсивности и прямым детектированием (IM / DD) с некогерентным источником света сигналы OFDMA являются действительными и однополярными, полученными с помощью упомянутой эрмитовой симметрии. В нашей предложенной системе всего