可见光在通信技术中的应用研究

张经纬 焦 爽

华北水利水电大学电力学院（河南 郑州 450011）

0 引言

随着我国通信技术及互联网技术的发展，人们对通信的需求不断增加，电磁波频率资源已无法满足社会发展及人们生活的需要。可见光由于具有频率高、不易被干扰、储量丰富、且无污染等优点，已逐渐被应用到通信技术中，可见光无线通信技术应运而生。可见光无线通信技术最早是由德国物理学家Harald Hass教授提出的，是一种利用发光二极管（LED）的快速响应特性实现高速数据传输的绿色信息技术，学术界一般称之为可见光通信技术[1]。分析和试验均证明了可见光通信在提供高速数据通信方面具有较大的潜力，同时，其在通信安全性与私密性方面也具备极大的优势。虽然可见光通信的应用范围涵盖了诸多领域，但受制于自身不足，其发展仍然面临许多问题。

1 可见光通信技术的产生背景

（1）频谱资源短缺。随着5G通信与互联网技术的进步，人们的通信需求不断扩大，以厘米波为代表的GHz无线电资源已不足，频谱资源越来越紧缺[2]。据估算，5 000 MHz以下的频谱被开发殆尽，没有足够的频率配置后续的无线通信[3]。国际电信联盟（ITU）警示：挤占频率资源将导致全球频谱使用超负荷；全球无线频谱的使用效率只有在现基础上提升10倍左右才能满足当下的需求[4]。为缓解日益增长的无线通信需求与频率资源紧缺之间的矛盾，新的无线通信技术亟待发展，其中一个重要途径就是利用可见光取代无线电。

（2）LED不断进步。1996年第一批LED商业化后不久，人们就意识到LED作为照明光源的前景。LED耐用性好、低碳高效、不含汞，与白炽灯相比可减少约90%的能耗，且生命周期增加了30倍，因此传统照明技术日渐被固态照明取代。随着LED生产技术水平的提高，LED的价格不断下降，功耗不断降低，预计未来LED在照明市场的份额将增至约70%。LED光源在公共室内场所分布广泛，使其具备了提供便捷、高效无线通信的便利条件。

2 可见光通信技术的优势

（1）适用性广。无线电的使用会对飞机、工业、科学或医疗等设备产生干扰。当发射功率过高时，电磁波也会对人体或设备体造成伤害。此外，在开采石油、天然气或煤等资源时，无线电的使用也具有较高的危险。由此可见，无线电通信应用场景有限，在许多对无线电信号敏感的工况下不宜使用。可见光通信技术无电磁污染，安全范围广。可见光对设备的损伤和对人体的伤害微乎其微。同时，可见光频率非常高，不存在电磁干扰。

（2）资源丰富。无线电波是频率在3 000 GHz以下的电磁波，其中30 GHz以下的一般用于民用通信。可见光波长为380～780 nm，频率为4.2×1014～7.8×1014Hz。可见光通信技术具有更宽的频带，是无线电的105倍，这意味着其频谱资源丰富，可在很大程度上缓解紧张的无线电频谱。无线电波与可见光波频谱示意图如图1所示。

图1 无线电波与可见光波频谱示意图

（3）速率快。在通信上，一般认为媒介工作频率越高，其传输信号的带宽就越宽，系统的信息传输能力就越大。根据香农第二定理，可得出如下结论：

式中：B为信道带宽；S为信号平均功率；n0为单边功率密度。

由公式（1）可知，信息的运载能力与信道带宽成正相关。据此计算，可见光通信技术的最大理论速率为无线电的1 000倍；受条件限制，实测最高速率50 Gb/s，是IEEE 802.11ac标准下Wi-Fi的23倍。

（4）安全私密。无线电波衍射能力强，能绕过障碍物（如墙壁、车辆等），因此无线电通信的传输信号不易被阻挡、传输范围不容易受限。黑客能借此入侵连接至同一路由器的移动终端，会造成信息泄露，埋下安全隐患。可见光无法绕过或穿透不透明物体，可见光通信技术的信息传输范围只局限于照明范围，因此传输范围容易控制，只要遮住光源，照明区以外就无信息泄露，安全性大幅度提高。2011年，德国物理学家Harald Haas教授在英国爱丁堡大学通过暗色纸板遮挡可见光通信技术的光源实现了视频的播放与暂停，验证了可见光通信技术的安全性。

鉴于可见光通信的独特优势，光通信技术已逐渐受到各国政府的重视，成为重大的科学主题和研究热点。早在2000年，庆应义塾大学就提出了可用于家庭网络的白光LED可见光通信[5]；日本随后也成立了可见光通信协会（VLCC）；美国国家科学基金会（NSF）成立的照明系统研究与应用中心（LESA）成功研制了全球首个高速率、零误差且可长距离传输的可见光全集成微芯片接收机链路。我国复旦大学、东南大学、北京邮电大学、华中科技大学、中国科学院半导体研究所等高校与科研院所，在先进调制均衡技术和高速可见光传输方面也取得了一系列成果。

3 可见光通信技术的应用场景

根据可见光通信技术的工作环境，将该技术的应用场景分为两类：一类是室外场景，另一类是室内场景。

3.1 室外场景

室外场景的主要应用对象是智能交通运输系统（ITS）。智能交通运输系统涉及先进信息处理技术、控制技术、传感器技术和通信技术等。可见光通信技术在智能交通系统中的应用就是依此背景实现的。可见光通信技术网络由车载单元、各类车辆和交通基础设施（交通灯、路灯或路边广告牌等）组成，其以车辆的照明灯为光源，光检测元件被放置在光源的侧边。为了扩大覆盖范围，可以在车辆侧面（如后视镜的后侧）安装额外的光检测元件。汽车上的图像传感器或摄像头可用作可见光通信技术的接收器件[6]。

具备可见光通信技术功能的车辆可以通过该技术实现车辆之间及与交通基础设施之间的通信，实现车辆间高速数据传输、车辆定位、车辆安全驾驶和避障等。可见光通信技术在智能交通系统中的应用如图2所示。根据试验评估，可以在70 m实现50 Mb/s的数据传输速率。

图2 可见光通信技术在智能交通系统中的应用

3.2 室内场景

由于可见光在空间自由信道中易散射，因此短距离（室内）场景是可见光通信技术的一大研究热点。室内可见光通信技术主要分为低速和高速两种工作方式。低速方式速率的要求不高，一般应用在室内定位方面。高速方式的目的则是利用复杂的调制格式（如正交频分复用）完成高速数据传输。

可见光通信技术室内定位技术利用微控制单元将坐标位置数据编码成LED光信息并发送，通过接收端的光传感器等装置接收信号，并将光信号转化为电信号，最后处理和分析解调数据，并给出被测点的位置。应用了可见光通信技术的室内定位系统可以为视障人士导航；传感器可以根据光源方向计算当前点的位置，在后台处理后选择路径，以声音方式引导视觉障碍者。

大型展馆室内定位与高速数据传输相结合是可见光通信技术定位的另一个应用方向，其可以为室内人员提供位置监测、智慧导览等服务，数据传输功能可以在大型会议、展览中应用。此外，可见光通信技术在室内还可以应用于手机支付、视频或图像传输等。

4 可见光通信技术存在的问题

可见光通信技术虽然具有很大的优势，有效弥补了无线电技术的缺陷，但其自身仍然存在一些问题，这些问题使其在商业化应用中难以迅速推广。文章主要介绍信道障碍、上行通信实现困难两个方面的问题。

4.1 信道障碍

（1）非完全障碍。非完全障碍仅对可见光通信技术造成暂时的影响，在障碍作用期间仍然可以实现无线通信。因为室内可见光通信技术系统信号在自由空间内传播，没有硬载体，所以在通信过程中，外界因素的影响会造成可见光通信障碍，如飞虫或细颗粒物等都会停留在空气中阻挡信道，从而削弱正常通信。

（2）完全障碍。完全障碍和非完全障碍有很大的差异：非完全障碍是指仅对可见光通信技术造成暂时的影响，且容易排除的障碍；而完全障碍对可见光通信技术造成的影响是持续的、不可逆转的。当信道被障碍物完全挡住时，全部的光源信号都会被切断，因此接收端无法接收任何来自发射端的信号，可见光通信技术也会完全停滞。

（3）多径效应。作为电磁波的一种，可见光在大气环境下会发生反射，人的衣物形成的漫反射，水杯、镜面、墙面或其他光滑物体的镜面反射光会使接收器接收多路信号，这被称为多径效应。多径效应示意图如图3所示。多径效应会增加可见光通信技术的传输距离，降低信号接收效率。

图3 多径效应示意图

4.2 上行通信实现困难

可见光通信技术的上行传输很难利用可见光实现。理论上，要利用可见光上行通信，需要在接收芯片中嵌入用于上行传输的LED灯，并在下行传输的LED旁侧加装接收上行信号的光检测器件。用于上行的LED体积受功率限制，这就限制了上行传输的速率与可靠性。

5 结束语

可见光通信技术的应用范围很广，涵盖了室内点对点通信、智能交通系统、智慧城市、智能物流与仓储、定位系统、可穿戴设备、公共卫生等诸多领域。经过不断发展，可见光通信技术无论是在理论还是应用方面，均取得了大量研究成果，极大地推动了自身的发展，也加快了该技术的实用化进程。在解决LED器件关键技术、双向通信、信道障碍等难题的基础上，可见光通信技术无疑将在5G通信中扮演极其重要的角色，成为现有无线通信方式的有效补充。