可见光通信重点技术与应用解读

可见光通信重点技术与应用解读

1．概述

可见光通信技术是以LED为载体的新型光无线通信技术。白光LED采用电场发光和低电压供电，具有寿命长、光效高、稳定性高、安全性好、无辐射、低功耗、抗震、可靠耐用等特点。几乎综合了各种传统光源的优点，被誉为2l世纪新固体光源时代的革命性技术。白光LED同时又具备响应时间短、高速调制的特性，因此，使得白光LED从照明领域扩展到了通信领域，能够同时实现照明和通信双重功能，催生了一门新兴的无线通信技术——可见光通信技术(Visible Light Communication，简称VLC)。与传统的射频通信以及其它无线光通信系统相比较，可见光通信技术具有发射功率高、不占用无线电频谱、无电磁干扰和无电磁辐射、节约能源等优点。目前，可见光通信技术已经成为多个国家研究的热点，现阶段，可见光通信大多处于实验阶段，虽然整体系统已有实现，但离实用阶段还有一定的距离。系统的各项性能有待进一步提高。

2．全球可见光通信技术发展及应用现状

2．1 国际现状

日本是可见光通信技术研究的先行者，尤其以KEIO大学的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama为代表率先开展了一系列基础性的理论研究。2000年，他们提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统的思想，在接下来的几年里展开了多项研究分析。2003年，在中川正雄的倡导下，日本可见光通信联合体(VLCC)ml成立，并吸引了一大批研究单位及企业参与，包括NEC、Sonv、Toshiba、Samsung等。VLCC在可将光通信研究领域已经取得了很大的成就，例如Samsung公司展出过工作距离为1m的100 Mbit／s双向可见光通信系统；中川研究室还开发了基于可见光通信的超市定位及导航系统，而且是面向商业化的产品。

欧洲的OMEGA计划也对可见光通信展开了深入的研究。OMEGA计划由欧洲的20多家大学科研单位和企业组成，它的目标是发展出一种全新的能够提供宽带和高速服务的室内接入网路。OMEGA计划把可见光通信技术列为重要的高速接入技术之一，并且已经取得了丰硕的研究成果。2011年，德国Heinrich Henz实验室的科研人员利用色光三原色(RGB)型白光LED以及密集波分复用(wDM)技术实现了803Mbit/s的通信速率。

美国的UC-Light也是进行可见光通信研究的重要机构。UC-Light依托于加州大学的4所分校和1个美国国家实验室，其研究人员的研究背景涉及建筑学、无线通信、网络、照明、光学、器件等领域。UC-Light成立的目的是开发一种基于LED照明的高速通信和定位系统。

2．2 国内现状

中国的可见光通信研究起步相对较晚，尚没有比较成熟的商用化的可见光通信系统。目前，关于可见光通信的国际专利数已超过500项，而国内所占比例则低于1%。可见，与国际相比仍然落后很多。近年来，在国家大力支持的背景下，中国的可见光通信研究也逐步取得了一定的进步，在可见光通信理论、系统设计和计算机仿真、实验演示系统设计制作等方面取得了一些成果。主要项目包括：国家863计划信息技术领域“可见光通信系统关键技术研究”主题项目以及由清华大学电子工程系“千人计划”徐正元教授任首席科学家的国家973计划“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”项目。我国正逐步布局进一步加大可见光通信生态链各环节的投入。

3．可见光通信特点及关键技术

室内可见光通信系统示意图如图1所示。在可见光通信系统中，白光LED具有通信与照明的双重功能，由于LED的调制速率非常高，人眼完全感觉不到其闪烁。可见光通信系统可利用室内白光LED照明设备代替无线局域网基站，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆，只要在室内灯光照到的地方，就可以实现长时间的高速数据传输；可见光通信系统具有安全性高的特点，室内的信息不会外泄漏到室外；由于不使用无线电波通信，在对电磁信号敏感的环境中可以自由使用该系统。除此之外，与传统的射频通信以及红外无线光通信技术相比，可见光通信还具有对人体安全、频率资源丰富等优点。

室内可见光通信系统示意图

虽然可见光通信具有巨大的应用前景，但在实用过程中还有很多关键问题需要解决。目前限制可见光可见光通信的应用领域通信发展的难点在于：光源信号的提取、混杂光干扰、传输环境复杂、传输链路脆弱、多用户接入、遮挡与信道畸变、接入点切换等问题。因此，为了实现可见光通信高速的数据传输，有以下几项关键技术：

(1)高调制带宽的LED光源

目前商用白光LED的调制带宽有限，只有约3-50 MHz。这是因为白光LED设计的初衷是用于照明，而并非用于通信，其结电容很大，限制了调制带宽。因此，在保证大功率输出的前提下，开发出具有更高调制带宽的LED光源，将极大地促进可见光通信的发展。

(2)LED的大电流驱动和非线性效应补偿技术

在可见光通信系统中，LED的工作电流较大，需要进行大电流驱动，而LED的非线性效应则会使可见光信号发生畸变。因此在实际使用中需要合理地控制偏置电压、信号动态范围、信号带宽等参数，并且根据LED的非线性传输曲线的特征有意识地对调制信号进行预畸变处理等等，以提高调制效率，提升传输容量。

(3)LED光源的布局优化

在可见光通信系统中，白光LED光源需要同时实现室内照明和通信的双重功能，而单个LED的发光强度比较小，因此在实际系统中光源应采用多个LED组成的阵列。LED阵列的布局是影响可见光通信系统性能的重要因素之一。一方面，为了满足室内照明的要求，首先要考虑室内照明度的分布；另一方面，为了保证通信的性能，还需要考虑室内信噪比的分布，避免盲区和阴影的出现。一般来说，LED的数目越大，室内的照明度越高，系统接受到的光信号的功率也越大，但由不同路径造成的符号间干扰也越严重。因此，在对可见光通信系统的研究中，应对LED阵列进行合理的布局。

(4)编码调制OFDM

早在2001年，日本庆应大学中川研究室就提出，为提高传输的数据率，在VLC中引入正交频分复用（OFDM）调制方式的必要性。OFDM技术的基本原理是将高速串行数据变换成多路相对低速的并行数据并对不同的载波进行调制。由于OFDM具有很强的抗多径能力，已经在高速无线通信中获得了广泛应用。对无线光通信来说，多径传播是引入ISI的主要原因，限制了通信传输速率。在基于白光LED的VLC系统中，也可以采用OFDM方式降低ISI。

(5)高速MIMO通信

可见光并行通信系统的关键技术是MIMO技术。该系统主要借鉴MIMO技术中多路信号同时实现收发的传输模式，以及接收端对接收到信号的后续识别解码思想。在普通的可见光通信系统中，通常需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，这就意味着要设计出复杂的、特定的物理系统。MIMO技术之所以不要求设计复杂的物理系统，是因为它不需要信号光源精准地打在单个探测器上。MIMO技术可以“学习”信道矩阵，通过这个矩阵估算出系统所传输的数据，从而量化每一个信源和探测器间产生的信道串扰。

4．可见光通信的技术融合边界与应用领域

可见光通信技术除了满足照明灯需要，还广泛渗透于室内导航、智能交通等多个领域，是目前国际上少有的产业关联度高、带动能力强、应用领域广的前沿尖端技术。在许多领域有巨大的应用前景。

(1)信息安全和安全通信

在政府、银行、金融、海关等由于信息安全需求不能采用传统射频无线通信系统的行业，由于白光不会绕射穿墙，因此具有较高的保密性，可开发的市场容量巨大。此外，可见光通信还可以实现手持终端之间的点对点通信，并在智能门禁、手机支付、防伪及手机数据安全传输等智能移动设备的近距离安全通信领域有广泛的应用空间。

(2)室内定位与导航

传统的卫星定位方法很难实现室内移动用户的精确定位，而可见光通信则可以将用户的位置信息通过LED照明设施来进行传递，从而实现精准的室内定位。目前，已有国内外多家研究机构成功实现了室内定位实验，并在超市导购及人流调查、停车场导航、地下矿井定位等应用领域进行了项目尝试，取得了较好的效果。

(3)用于射频辐射敏感或受限领域

在飞机、医院、工业控制等行业，由于其对于射频电磁辐射有严格要求，由与可见光没有电磁辐射的影响，因此可以大规模采用可见光通信系统。另外由于无线电频率不能在水下有效传播、存在传输途中的数据损失等问题，利用可见光通信技术实现的水下高带宽通信在海啸监控、地震监控、海底考古、潜艇内部以及搜救工作领域具有广阔的发展前景。

(4)视觉信号与数据传输

信号灯在航海和地面交通等领域有着非常广泛的应用，它通过颜色的变化给人们提供信号，而将数据通信与信号灯相结合则可以为交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可见光通信的信号灯已有若干演示系统。可将光通信能便捷地将数据传递给用户终端。这种显示与通信相结合的系统在机场、博物馆等场所有着巨大的应用场景。

(5)与电力线通信融合

LED在全球照明市场中所占据的比重逐年递增，我国照明产业正处于向绿色照明升级转型的关键期。由于LED照明灯通常安装在天花板、公路两旁或交通枢纽上，铺设新的通信电缆成本太高，如与电力线载波通信结合在一起，则可利用电力线来传输通信信号，从而大幅降低投资成本，实现“绿色”通信，也解决了LED可见光用于室内通信时重新布线的繁琐和困难。VLC与电力线载波通信（PLC）相结合将是未来的发展趋势。将可见光通信和电力线载波通信两种技术相结合，构建新型宽带接入系统，可有效应用于家庭网络，促进室内可见光通信的研究和发展。

(6)与现有网络融合

目前，全球已经开展了光纤到户的工作，并取得很大的进展。光纤到户后，可为单用户提供300 Mbit/s的下行带宽，在此网络带宽下，目前的微波无线低频段广播覆盖的频谱资源不够，无法满足如此高的带宽需求，因此，在最后10m距离内的高速接入将成为宽带通信的瓶颈。可见光波段位于380～780 nm，属于新频谱资源。室内可见光通信由于具有诸多优点，已经成为了理想的短距离高速无线接人方案之一。将可见光通信系统与光纤到户系统融合，例如，可以通过“光电-电光”的转换将信息调制到LED光源发射到用户终端，实现高速率、高保密性的无线光接入。

[1]骆宏图，陈长缨．白光LED室内可见光通信的关键技术[J]．中兴通信技术，2013，19（1）：49-52．