摘要：文章介紹了全球可見光通信的研究現(xiàn)狀，并針對可見光通信研究中存在的問題提出了未來可見光通信的研究趨勢。文章認(rèn)為可見光通信能夠同時實現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高、保密性強、無電磁干擾、無需頻譜認(rèn)證等優(yōu)點，已經(jīng)成為世界范圍的研究熱點。文章指出可見光通信在未來的通信領(lǐng)域中將會占據(jù)重要的地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：發(fā)光二級管；可見光通信；正交頻分復(fù)用

Abstract： In this paper， we review the status of visible light communication and discuss research trends in this field. We suggest that illumination and communication can be achieved simultaneously， and this has the advantages of high bitrates， enhanced security， abundant spectrum resource， and no electromagnetic interference. Visible light communication will be an important part of future communication， and will greatly promote the development of information society.

Key words： light-emitting diode （LED）； visible light communication； orthogonal frequency division multiplexing （OFDM）

白光發(fā)光二極管（LED）面世后，發(fā)光效率逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域逐步從顯示擴(kuò)展到照明。與傳統(tǒng)的照明設(shè)備相比，白光LED具有驅(qū)動電壓低、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明設(shè)備[1]。由圖1可以看出，LED在全球照明市場中所占據(jù)的比重正逐年遞增。據(jù)專業(yè)人士預(yù)測，隨著白光LED 照明技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，到2021年，LED將占據(jù)52%以上的全球商用照明燈泡市場份額[2-3]。

由于白光LED具有很高的響應(yīng)靈敏度，因此可以被用于進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)通信。可見光通信（VLC）就是在白光LED技術(shù)上發(fā)展起來的新型的無線光通信技術(shù)。

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)示意圖如圖2所示。在可見光通信系統(tǒng)中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調(diào)制速率非常高，人眼完全感覺不到其閃爍。可見光通信系統(tǒng)可利用室內(nèi)白光LED照明設(shè)備代替無線局域網(wǎng)基站，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以實現(xiàn)長時間的高速數(shù)據(jù)傳輸；可見光通信系統(tǒng)具有安全性高的特點，室內(nèi)的信息不會外泄漏到室外；由于不使用無線電波通信，在對電磁信號敏感的環(huán)境中可以自由使用該系統(tǒng)。除此之外，與傳統(tǒng)的射頻通信以及紅外無線光通信技術(shù)相比，可見光通信還具有對人體安全、頻率資源豐富等優(yōu)點。

1 可見光通信的研究現(xiàn)狀

1.1 國際上的相關(guān)研究現(xiàn)狀

由于可見光通信技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，它在未來通信領(lǐng)域中占有重要的地位和價值，因此很多研究機(jī)構(gòu)和電信運營公司加入到無線光通信的研究領(lǐng)域中來，特別是日本、歐洲、美國等國家在可見光通信的領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財力。

可見光通信的研究最早在日本開展。早在2000年，中川研究室的Tannaka Yuichi等人就對基于白光LED的可見光通信信道進(jìn)行了初步的數(shù)學(xué)分析和仿真計算，分析了白光LED作為室內(nèi)照明和通信光源的可能性[4]。2002年，中川研究室的研究人員又對可見光通信系統(tǒng)展開了具體的分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等[5]。2003年，在中川正雄的倡導(dǎo)下，日本可見光通信聯(lián)合體（VLCC）[6]成立，并吸引了一大批研究單位及企業(yè)參與，包括NEC、Sony、Toshiba、Samsung等。VLCC關(guān)于可見光通信的研究范圍比較寬廣，根據(jù)具體的應(yīng)用場景可分為室內(nèi)移動通信、可見光定位、可見光無線局域網(wǎng)接入、交通信號燈通信、水下可見光通信等。VLCC在可將光通信研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了很大的成就，例如Samsung公司展出過工作距離為1 m的100 Mbit/s雙向可見光通信系統(tǒng)；中川研究室還開發(fā)了基于可見光通信的超市定位及導(dǎo)航系統(tǒng)，而且是面向商業(yè)化的產(chǎn)品。

歐洲的OMEGA計劃 [7]也對可見光通信展開了深入的研究。OMEGA計劃由歐洲的20多家大學(xué)科研單位和企業(yè)組成，它的目標(biāo)是發(fā)展出一種全新的能夠提供寬帶和高速服務(wù)的室內(nèi)接入網(wǎng)路。OMEGA計劃把可見光通信技術(shù)列為重要的高速接入技術(shù)之一，并且已經(jīng)取得了豐碩的研究成果。2009年，牛津大學(xué)的Dominic O’Brien等人利用均衡技術(shù)實現(xiàn)了100 Mbit/s的通信速率[8]；2010年，他們又利用多輸入多輸出（MIMO）和正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM）技術(shù)，實現(xiàn)了220 Mbit/s的傳輸速率[9]。2010年在OMEGA計劃的年會上展出的室內(nèi)可將光通信演示系統(tǒng)的通信速率達(dá)到了100 Mbit/s，該系統(tǒng)利用房間天花板上的16個白光LED通信，完成了4路高清視頻的實時廣播。在2010年1月，德國Heinrich Hertz實驗室的科研人員創(chuàng)造了可見光通信速率的世界紀(jì)錄，他們利用普通商用的熒光白光LED搭建的可見光通信系統(tǒng)達(dá)到了513 Mbit/s的通信速率，并且他們通過分析認(rèn)為該系統(tǒng)的通信速率還有提升的空間，可達(dá)到700 Mbit/s甚至1 000 Mbit/s [10]。2011年，Heinrich Hertz實驗室的科研人員又利用色光三原色（RGB）型白光LED以及密集波分復(fù)用（WDM）技術(shù)實現(xiàn)了803 Mbit/s的通信速率[11]。

除了日本和歐洲的科研單位，美國的UC-Light[12]也是進(jìn)行可見光通信研究的重要機(jī)構(gòu)。UC-Light依托于加州大學(xué)的4所分校和1個美國國家實驗室，其研究人員的研究背景涉及建筑學(xué)、無線通信、網(wǎng)絡(luò)、照明、光學(xué)、器件等領(lǐng)域。UC-Light成立的目的是開發(fā)一種基于LED照明的高速通信和定位系統(tǒng)。

1.2 中國的研究現(xiàn)狀

中國的可見光通信研究起步相對較晚，與國際相比仍然落后很多，尚沒有比較成熟的商用化的可見光通信系統(tǒng)。近年來，在國家大力支持的背景下，中國的可見光通信研究也逐步取得了一定的進(jìn)步，在可見光通信理論、系統(tǒng)設(shè)計和計算機(jī)仿真、實驗演示系統(tǒng)設(shè)計制作等方面取得了一些成果。

北京大學(xué)在2006年首次提出了基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案，并進(jìn)行了一系列的理論和實驗工作。此外，在LED的調(diào)制驅(qū)動、LED陣列的布局優(yōu)化以及高靈敏度接收等方面進(jìn)行了一定的研究，并在可見光通信與無源光網(wǎng)絡(luò)（PON）的融合接入中的物理層、鏈路層和傳輸層等方面開展了探索研究。在2010年的Intel杯大學(xué)生嵌入式系統(tǒng)大賽中，北京大學(xué)的參賽作品（基于白光LED的照明及綜合信息發(fā)布系統(tǒng)）實現(xiàn)了5個頻道的廣播，在6 m的工作距離下實現(xiàn)了3 Mbit/s的通信速率，該系統(tǒng)在大賽中榮獲二等獎。

1.3 可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作

由于可見光通信有著廣闊的前景，IEEE在2003年開始并最終于2011年發(fā)布了可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.7[13]。這是VLC的第一個標(biāo)準(zhǔn)，包含了3個物理層類型，分別對應(yīng)于低中高速數(shù)據(jù)傳輸。但是，由于缺少LED照明部門的參與，IEEE 802.15.7并沒有給出可見光通信最終的標(biāo)準(zhǔn)。

在日本，VLCC也為可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行了很多年的努力。近年來，國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會（IrDA）和VLCC在可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作中開展了一系列的合作。2009年它們在IrDA標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)布了第一個可見光通信標(biāo)準(zhǔn)，在這個標(biāo)準(zhǔn)下，現(xiàn)有的IrDA光學(xué)模塊可以在經(jīng)過改造后被用于可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸。

2 可見光通信的應(yīng)用領(lǐng)域

可見光通信由于具有眾多的優(yōu)點，因此在很多領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。

（1） 照明與通信

白光LED可以同時被用于照明與通信，因此信息可以在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行廣播[14]，并同時滿足照明的需求。此外，可見光通信還可以實現(xiàn)手持終端之間的點對點通信，由于發(fā)散角較小，因此可以有效地降低傳輸損耗，實現(xiàn)高速通信。

（2） 視覺信號與數(shù)據(jù)傳輸

信號燈在航海和地面交通等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，它通過顏色的變化來給人們提供信號，而將數(shù)據(jù)通信與信號燈相結(jié)合則可以為交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可見光通信的信號燈已有若干演示系統(tǒng)，如將數(shù)據(jù)由交通燈傳遞給汽車[15]，或?qū)?shù)據(jù)在汽車與汽車之間傳遞等。

（3） 顯示與數(shù)據(jù)通信

LED陣列常常被用于信息顯示，如廣告牌、信息板等。若將相應(yīng)的信息調(diào)制到這些LED陣列上，則可便捷地將數(shù)據(jù)傳遞給用戶手持終端[16]。這種顯示與通信相結(jié)合的系統(tǒng)在機(jī)場、博物館等場所有著巨大的應(yīng)用前景。

（4） 室內(nèi)定位

傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位方法很難實現(xiàn)室內(nèi)移動用戶的精確定位，而可見光通信則可以將用戶的位置信息通過LED照明設(shè)施來進(jìn)行傳遞，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位。目前，基于可見光通信的諸多室內(nèi)定位方案已經(jīng)被提出[17]，日本的VLCC則已經(jīng)實現(xiàn)了基于超市環(huán)境下的室內(nèi)定位實驗。

3 可見光通信的研究趨勢

雖然可見光通信具有巨大的應(yīng)用前景，但在實用過程中還有很多關(guān)鍵問題需要解決。目前限制可見光通信發(fā)展的主要因素有：受限的LED調(diào)制帶寬、LED器件的非線性效應(yīng)、可見光通信室內(nèi)信道的多徑效應(yīng)等等。因此，為了實現(xiàn)可見光通信高速的數(shù)據(jù)傳輸，以下幾個方面已經(jīng)成為了可見光通信的研究趨勢。

（1）高調(diào)制帶寬的LED光源

目前商用白光LED的調(diào)制帶寬有限，只有約3～50 MHz。這是因為白光LED設(shè)計的初衷是用于照明，而并非用于通信，其結(jié)電容很大，限制了調(diào)制帶寬。因此，在保證大功率輸出的前提下，開發(fā)出具有更高調(diào)制帶寬的LED光源，將極大地促進(jìn)可見光通信的發(fā)展。

（2）LED的大電流驅(qū)動和非線性效應(yīng)補償技術(shù)

在可見光通信系統(tǒng)中，LED的工作電流較大，需要進(jìn)行大電流驅(qū)動，而LED的非線性效應(yīng)則會使可見光信號發(fā)生畸變。因此在實際使用中需要合理地控制偏置電壓、信號動態(tài)范圍、信號帶寬等參數(shù)，并且根據(jù)LED的非線性傳輸曲線的特征有意識地對調(diào)制信號進(jìn)行預(yù)畸變處理等等，以提高調(diào)制效率，提升傳輸容量。

（3）LED光源的布局優(yōu)化

在可見光通信系統(tǒng)中，白光LED光源需要同時實現(xiàn)室內(nèi)照明和通信的雙重功能，而單個LED的發(fā)光強度比較小，因此在實際系統(tǒng)中光源應(yīng)采用多個LED組成的陣列。LED陣列的布局是影響可見光通信系統(tǒng)性能的重要因素之一。一方面，為了滿足室內(nèi)照明的要求，首先要考慮室內(nèi)照明度的分布；另一方面，為了保證通信的性能，還需要考慮室內(nèi)信噪比的分布，避免盲區(qū)和陰影的出現(xiàn)。一般來說，LED的數(shù)目越大，室內(nèi)的照明度越高，系統(tǒng)接受到的光信號的功率也越大，但由不同路徑造成的符號間干擾也越嚴(yán)重。因此，在對可見光通信系統(tǒng)的研究中，應(yīng)對LED陣列進(jìn)行合理的布局。

此外，對于不同的室內(nèi)環(huán)境，如何迅速地建立光功率與信噪比分布模型，實現(xiàn)快速的智能布局也是可見光通信研究中需解決的關(guān)鍵問題。

（4）光學(xué)MIMO技術(shù)

與射頻系統(tǒng)相似，通過采用多個發(fā)射和接收單元的并行傳輸可以提高可見光通信的性能。此外需要指出的是，一個典型的室內(nèi)照明方案需要采用白光LED陣列來滿足一定的照明度，這恰好使MIMO技術(shù)更具有吸引力。

（5）光學(xué)OFDM技術(shù)

為了在有限帶寬的條件下實現(xiàn)高速傳輸速率，OFDM成為了一個極具吸引力的高頻譜效率的調(diào)制技術(shù)。OFDM技術(shù)為信道色散提供了一個簡單的解決方法，而且可以完全在數(shù)字域?qū)嵤?，它將信道的可用帶寬劃分為許多個子信道，利用子信道間的正交性實現(xiàn)頻分復(fù)用，并可以在子載波上通過對比特和功率的分配來實現(xiàn)信號傳輸對信道條件的調(diào)節(jié)適應(yīng)。由于降低了子載波的傳輸速率，延長了碼元周期，因此具有優(yōu)良的抗多徑效應(yīng)性能；此外OFDM還可以使不同用戶占用互不重疊的子載波集，從而實現(xiàn)下行鏈路的多用戶傳輸。

（6） 高靈敏度的廣角接收技術(shù)

室內(nèi)光通信系統(tǒng)大多數(shù)工作在直射光條件下，當(dāng)室內(nèi)有人走動或者在直射通道上有障礙物時，將會在接收機(jī)處形成陰影效應(yīng)，影響通信性能，甚至出現(xiàn)通信盲區(qū)，使通信無法繼續(xù)。而采用大視場的廣角光學(xué)接收系統(tǒng)可以解決這一問題，其大視場角的特性可以保證同時接收直射和散射光信號，這樣就避免了“陰影”和“盲區(qū)”現(xiàn)象的發(fā)生。同時，室內(nèi)光通信系統(tǒng)采用MIMO技術(shù)要求接收機(jī)能夠接收到發(fā)端LED光源陣列發(fā)出的光信號，以解析出多個獨立的通信信道。這也需要接收光學(xué)系統(tǒng)具有大視場特性。

（7）消除碼間干擾的技術(shù)

在室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，LED光源通常由多個發(fā)光LED陣列組成，另外為了達(dá)到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個房間通常要安裝多個LED光源。由于LED單元分布位置的不同以及墻面的反射、折射及散射，不可避免的產(chǎn)生碼間干擾，極大降低了系統(tǒng)的性能。自適應(yīng)均衡技術(shù)以及前面提到的OFDM技術(shù)已經(jīng)在高速無線通信中得到了廣泛的應(yīng)用。在可見光通信系統(tǒng)中，也可以采用這些方式降低符號間干擾。目前，應(yīng)用于可見光通信的均衡和OFDM技術(shù)的研究已經(jīng)成為可見光通信研究中的熱點。

（8）可見光通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合接入技術(shù)

目前，全球已經(jīng)開展了光纖到戶的工作，并取得很大的進(jìn)展。光纖到戶后，可為單用戶提供300 Mbit/s的下行帶寬，在此網(wǎng)絡(luò)帶寬下，目前的微波無線低頻段廣播覆蓋的頻譜資源不夠，無法滿足如此高的帶寬需求，因此，在最后10 m距離內(nèi)的高速接入將成為寬帶通信的瓶頸?？梢姽獠ǘ挝挥?80～780 nm，屬于新頻譜資源。室內(nèi)可見光通信由于具有諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為了理想的短距離高速無線接入方案之一。將可見光通信系統(tǒng)與光纖到戶系統(tǒng)融合，例如，可以通過“光電—電光”的轉(zhuǎn)換將信息調(diào)制到LED光源發(fā)射到用戶終端，實現(xiàn)高速率、高保密性的無線光接入。此外，可見光通信可與電力線通信（PLC）技術(shù)相融合，利用現(xiàn)有的電力線設(shè)備傳輸信號并驅(qū)動LED光源，將會大幅度降低成本，因此，這種技術(shù)融合在未來也將會成為可見光通信的研究趨勢。

4 結(jié)束語

可見光通信能夠同時實現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高，保密性強，無電磁干擾，無需頻譜認(rèn)證等優(yōu)點，是理想的室內(nèi)高速無線接入方案之一。可見光通信在全球已經(jīng)成為了研究的熱點，特別是日本、歐洲和美國對可見光通信的研究投入了大量的人力和物力，并取得了一定的進(jìn)展。在可見光通信的研究中，高調(diào)制帶寬的LED光源、LED的大電流驅(qū)動和非線性效應(yīng)補償技術(shù)、LED光源的布局優(yōu)化、光學(xué)MIMO與OFDM技術(shù)、高靈敏度的廣角接收技術(shù)、消除碼間干擾的技術(shù)以及可見光通信與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的融合接入技術(shù)等已經(jīng)成為了研究趨勢?？梢姽馔ㄐ旁谖磥淼耐ㄐ蓬I(lǐng)域中將會占據(jù)重要的地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。

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收稿日期：2012-10-08

作者簡介

陳特，北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生；主要研究方向為光通信。

劉璐，北京大學(xué)博士畢業(yè)；北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院副教授；主要研究領(lǐng)域為衛(wèi)星激光通信以及光電精密測控技術(shù)；已發(fā)表學(xué)術(shù)文章20余篇，申請發(fā)明專利5項，已獲授權(quán)3項。

胡薇薇，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士畢業(yè)；北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師；主要研究領(lǐng)域為無線光通信、ROF通信、光學(xué)相控陣等；已發(fā)表學(xué)術(shù)文章100余篇，出版著作3部，已獲授權(quán)9項。