可見光通信重點(diǎn)技術(shù)與應(yīng)用解讀

1．概述

可見光通信技術(shù)是以LED為載體的新型光無線通信技術(shù)。白光LED采用電場發(fā)光和低電壓供電，具有壽命長、光效高、穩(wěn)定性高、安全性好、無輻射、低功耗、抗震、可靠耐用等特點(diǎn)。幾乎綜合了各種傳統(tǒng)光源的優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為2l世紀(jì)新固體光源時(shí)代的革命性技術(shù)。白光LED同時(shí)又具備響應(yīng)時(shí)間短、高速調(diào)制的特性，因此，使得白光LED從照明領(lǐng)域擴(kuò)展到了通信領(lǐng)域，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明和通信雙重功能，催生了一門新興的無線通信技術(shù)——可見光通信技術(shù)(Visible Light Communication，簡稱VLC)。與傳統(tǒng)的射頻通信以及其它無線光通信系統(tǒng)相比較，可見光通信技術(shù)具有發(fā)射功率高、不占用無線電頻譜、無電磁干擾和無電磁輻射、節(jié)約能源等優(yōu)點(diǎn)。目前，可見光通信技術(shù)已經(jīng)成為多個(gè)國家研究的熱點(diǎn)，現(xiàn)階段，可見光通信大多處于實(shí)驗(yàn)階段，雖然整體系統(tǒng)已有實(shí)現(xiàn)，但離實(shí)用階段還有一定的距離。系統(tǒng)的各項(xiàng)性能有待進(jìn)一步提高。

2．全球可見光通信技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀

2．1 國際現(xiàn)狀

日本是可見光通信技術(shù)研究的先行者，尤其以KEIO大學(xué)的研究者Tanaka、Komine和Sugiyama為代表率先開展了一系列基礎(chǔ)性的理論研究。2000年，他們提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)的思想，在接下來的幾年里展開了多項(xiàng)研究分析。2003年，在中川正雄的倡導(dǎo)下，日本可見光通信聯(lián)合體(VLCC)ml成立，并吸引了一大批研究單位及企業(yè)參與，包括NEC、Sonv、Toshiba、Samsung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1m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(jì)劃也對(duì)可見光通信展開了深入的研究。OMEGA計(jì)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(jì)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。2011年，德國Heinrich Henz實(shí)驗(yàn)室的科研人員利用色光三原色(RGB)型白光LED以及密集波分復(fù)用(wDM)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了803Mbit/s的通信速率。

美國的UC-Light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(gè)美國國家實(shí)驗(yàn)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)。

2．2 國內(nèi)現(xiàn)狀

中國的可見光通信研究起步相對(duì)較晚，尚沒有比較成熟的商用化的可見光通信系統(tǒng)。目前，關(guān)于可見光通信的國際專利數(shù)已超過500項(xiàng)，而國內(nèi)所占比例則低于1%?？梢姡c國際相比仍然落后很多。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(jì)和計(jì)算機(jī)仿真、實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作等方面取得了一些成果。主要項(xiàng)目包括：國家863計(jì)劃信息技術(shù)領(lǐng)域“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”主題項(xiàng)目以及由清華大學(xué)電子工程系“千人計(jì)劃”徐正元教授任首席科學(xué)家的國家973計(jì)劃“寬光譜信號(hào)無線傳輸理論與方法研究”項(xiàng)目。我國正逐步布局進(jìn)一步加大可見光通信生態(tài)鏈各環(huán)節(jié)的投入。

3．可見光通信特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)示意圖如圖1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?？梢姽馔ㄐ畔到y(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(shí)現(xiàn)長時(shí)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(diǎn)，室內(nèi)的信息不會(huì)外泄漏到室外；由于不使用無線電波通信，在對(duì)電磁信號(hào)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(duì)人體安全、頻率資源豐富等優(yōu)點(diǎn)。

室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)示意圖

雖然可見光通信具有巨大的應(yīng)用前景，但在實(shí)用過程中還有很多關(guān)鍵問題需要解決。目前限制可見光可見光通信的應(yīng)用領(lǐng)域通信發(fā)展的難點(diǎn)在于：光源信號(hào)的提取、混雜光干擾、傳輸環(huán)境復(fù)雜、傳輸鏈路脆弱、多用戶接入、遮擋與信道畸變、接入點(diǎn)切換等問題。因此，為了實(shí)現(xiàn)可見光通信高速的數(shù)據(jù)傳輸，有以下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

(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?yàn)榘坠釲ED設(shè)計(jì)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(dòng)和非線性效應(yīng)補(bǔ)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(dòng)，而LED的非線性效應(yīng)則會(huì)使可見光信號(hào)發(fā)生畸變。因此在實(shí)際使用中需要合理地控制偏置電壓、信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍、信號(hào)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(shí)地對(duì)調(diào)制信號(hào)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(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明和通信的雙重功能，而單個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度比較小，因此在實(shí)際系統(tǒng)中光源應(yīng)采用多個(gè)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(hào)的功率也越大，但由不同路徑造成的符號(hào)間干擾也越嚴(yán)重。因此，在對(duì)可見光通信系統(tǒng)的研究中，應(yīng)對(duì)LED陣列進(jìn)行合理的布局。

(4)編碼調(diào)制OFDM

早在2001年，日本慶應(yīng)大學(xué)中川研究室就提出，為提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率，在VLC中引入正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制方式的必要性。OFDM技術(shù)的基本原理是將高速串行數(shù)據(jù)變換成多路相對(duì)低速的并行數(shù)據(jù)并對(duì)不同的載波進(jìn)行調(diào)制。由于OFDM具有很強(qiáng)的抗多徑能力，已經(jīng)在高速無線通信中獲得了廣泛應(yīng)用。對(duì)無線光通信來說，多徑傳播是引入ISI的主要原因，限制了通信傳輸速率。在基于白光LED的VLC系統(tǒng)中，也可以采用OFDM方式降低ISI。

(5)高速M(fèi)IMO通信

可見光并行通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是MIMO技術(shù)。該系統(tǒng)主要借鑒MIMO技術(shù)中多路信號(hào)同時(shí)實(shí)現(xiàn)收發(fā)的傳輸模式，以及接收端對(duì)接收到信號(hào)的后續(xù)識(shí)別解碼思想。在普通的可見光通信系統(tǒng)中，通常需要精準(zhǔn)的定位技術(shù)為特定的探測(cè)器來描述發(fā)射源的空間位置，這就意味著要設(shè)計(jì)出復(fù)雜的、特定的物理系統(tǒng)。MIMO技術(shù)之所以不要求設(shè)計(jì)復(fù)雜的物理系統(tǒng)，是因?yàn)樗恍枰盘?hào)光源精準(zhǔn)地打在單個(gè)探測(cè)器上。MIMO技術(shù)可以“學(xué)習(xí)”信道矩陣，通過這個(gè)矩陣估算出系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而量化每一個(gè)信源和探測(cè)器間產(chǎn)生的信道串?dāng)_。

4．可見光通信的技術(shù)融合邊界與應(yīng)用領(lǐng)域

可見光通信技術(shù)除了滿足照明燈需要，還廣泛滲透于室內(nèi)導(dǎo)航、智能交通等多個(gè)領(lǐng)域，是目前國際上少有的產(chǎn)業(yè)關(guān)聯(lián)度高、帶動(dòng)能力強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣的前沿尖端技術(shù)。在許多領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。

(1)信息安全和安全通信

在政府、銀行、金融、海關(guān)等由于信息安全需求不能采用傳統(tǒng)射頻無線通信系統(tǒng)的行業(yè)，由于白光不會(huì)繞射穿墻，因此具有較高的保密性，可開發(fā)的市場容量巨大。此外，可見光通信還可以實(shí)現(xiàn)手持終端之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，并在智能門禁、手機(jī)支付、防偽及手機(jī)數(shù)據(jù)安全傳輸?shù)戎悄芤苿?dòng)設(shè)備的近距離安全通信領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用空間。

(2)室內(nèi)定位與導(dǎo)航

傳統(tǒng)的衛(wèi)星定位方法很難實(shí)現(xiàn)室內(nèi)移動(dòng)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(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的室內(nèi)定位。目前，已有國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)定位實(shí)驗(yàn)，并在超市導(dǎo)購及人流調(diào)查、停車場導(dǎo)航、地下礦井定位等應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了項(xiàng)目嘗試，取得了較好的效果。

(3)用于射頻輻射敏感或受限領(lǐng)域

在飛機(jī)、醫(yī)院、工業(yè)控制等行業(yè)，由于其對(duì)于射頻電磁輻射有嚴(yán)格要求，由與可見光沒有電磁輻射的影響，因此可以大規(guī)模采用可見光通信系統(tǒng)。另外由于無線電頻率不能在水下有效傳播、存在傳輸途中的數(shù)據(jù)損失等問題，利用可見光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)的水下高帶寬通信在海嘯監(jiān)控、地震監(jiān)控、海底考古、潛艇內(nèi)部以及搜救工作領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景。

(4)視覺信號(hào)與數(shù)據(jù)傳輸

信號(hào)燈在航海和地面交通等領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，它通過顏色的變化給人們提供信號(hào)，而將數(shù)據(jù)通信與信號(hào)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(hào)燈已有若干演示系統(tǒng)。可將光通信能便捷地將數(shù)據(jù)傳遞給用戶終端。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)用場景。

(5)與電力線通信融合

LED在全球照明市場中所占據(jù)的比重逐年遞增，我國照明產(chǎn)業(yè)正處于向綠色照明升級(jí)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵期。由于LED照明燈通常安裝在天花板、公路兩旁或交通樞紐上，鋪設(shè)新的通信電纜成本太高，如與電力線載波通信結(jié)合在一起，則可利用電力線來傳輸通信信號(hào)，從而大幅降低投資成本，實(shí)現(xiàn)“綠色”通信，也解決了LED可見光用于室內(nèi)通信時(shí)重新布線的繁瑣和困難。VLC與電力線載波通信（PLC）相結(jié)合將是未來的發(fā)展趨勢(shì)。將可見光通信和電力線載波通信兩種技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建新型寬帶接入系統(tǒng)，可有效應(yīng)用于家庭網(wǎng)絡(luò)，促進(jìn)室內(nèi)可見光通信的研究和發(fā)展。

(6)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)融合

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10m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(diǎn)，已經(jīng)成為了理想的短距離高速無線接人方案之一。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(shí)現(xiàn)高速率、高保密性的無線光接入。

[1]駱宏圖，陳長纓．白光LED室內(nèi)可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)[J]．中興通信技術(shù)，2013，19（1）：49-52．