朱振坤

（湖北經(jīng)濟(jì)學(xué)院 信息與通信工程學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

受益于半導(dǎo)體技術(shù)的高速發(fā)展和LED照明的廣泛應(yīng)用，VLC使用LED作為可見(jiàn)光光源，擁有LED反應(yīng)速度快、不受電磁干擾及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在照明的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線通信[1]。從一百多年前貝爾提出photophone起，經(jīng)過(guò)各類激光器與LED的逐步發(fā)明與應(yīng)用，VLC的概念在21世紀(jì)初被正式提出，并很快成為了歐、美、日等國(guó)家角逐通信技術(shù)的前沿陣地，國(guó)內(nèi)以中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)為代表的高校和研究機(jī)構(gòu)在VLC理論與實(shí)驗(yàn)方面取得了諸多突出成果。但是，VLC現(xiàn)階段還未趨于成熟，在生活與工業(yè)中的推廣應(yīng)用尚有許多技術(shù)難點(diǎn)需要解決。

1 基本結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

無(wú)線通信系統(tǒng)邏輯上一般都由下行鏈路（downlink）和上行鏈路（uplink）兩部分組成，VLC作為無(wú)線通信的一種也同樣如此。以典型的室內(nèi)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)為例，VLC基本結(jié)構(gòu)如下。

1.1 下行鏈路

下行鏈路由LED光源、光電檢測(cè)器（PD）及信號(hào)處理單元組成。其中，LED光源與信號(hào)處理單元組合可發(fā)射調(diào)制可見(jiàn)光，構(gòu)成發(fā)射部分；PD與信號(hào)處理單元接收發(fā)射光并轉(zhuǎn)換處理獲得原始信息，構(gòu)成接收部分。由于兩部分間存在多條光路徑，每種路徑上從發(fā)射到接收耗時(shí)不同，因而存在碼間干擾（ISI）。

1.2 上行鏈路

相較于下行鏈路，uplink的LED光源發(fā)射面積和發(fā)射角要小得多，同時(shí)uplink的PD安裝在吊頂上，用來(lái)接收用戶光信號(hào)。除去上述區(qū)別外，uplink和downlink的組成結(jié)構(gòu)基本相同。

實(shí)際使用的可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)是由全雙工VLC系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)，全雙工VLC系統(tǒng)通過(guò)在通信雙方對(duì)稱配置上述uplink和downlink實(shí)現(xiàn)雙向同時(shí)工作。由于VLC系統(tǒng)中LED光源高速調(diào)制，人眼察覺(jué)不到燈光的明暗交錯(cuò)，因而其通信功能對(duì)LED照明沒(méi)有影響。VLC系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)采用強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM-DD），這種方式的特征在于Optical receiver所接收到的光信號(hào)來(lái)自多個(gè)光源，即使部分光路徑被遮擋仍舊可以實(shí)現(xiàn)通信，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

VLC由于光源的特殊性，表現(xiàn)出許多優(yōu)于傳統(tǒng)光通信（Optical Communication）和射頻通信（RF Communication）的特點(diǎn)。第一，不受許可證限制?？梢?jiàn)光不在無(wú)線電頻譜管制范圍內(nèi)，因而不受許可證限制。第二，安全性?？梢?jiàn)光對(duì)人基本沒(méi)有傷害，將照明使用的可見(jiàn)光作為通信介質(zhì)安全性極高。第三，保密性。在封閉空間內(nèi)，可見(jiàn)光無(wú)法穿越磚墻，因而外界無(wú)法獲取通信內(nèi)容，可以有效防止信息外泄。第四，不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾。這一點(diǎn)對(duì)于飛機(jī)和醫(yī)院極為重要，因?yàn)檫@些場(chǎng)合對(duì)于電磁干擾有著嚴(yán)格限制。此外，可見(jiàn)光資源豐富、發(fā)射功率高等均為VLC優(yōu)勢(shì)。然而，由于VLC通信路徑損失較大，性能受溫度影響較明顯，因而目前無(wú)法取代RF Communication。因此，如何克服這些劣勢(shì)成為了VLC研究的熱門課題。

2 可見(jiàn)光通信應(yīng)用前景

2.1 智能交通應(yīng)用

智能交通是交通的物聯(lián)化體現(xiàn)，通過(guò)將交通系統(tǒng)內(nèi)所有的信息采集與管理系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合成一個(gè)整體，可以大幅提高運(yùn)輸效率，降低交通負(fù)荷，智能交通系統(tǒng)（ITS）是未來(lái)交通系統(tǒng)的發(fā)展方向[2]。ITS中用于輔助駕駛員路況識(shí)別的圖像處理技術(shù)屬于核心技術(shù)之一，這也是VLC技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)新領(lǐng)域，VLC配合高分辨率、高速攝像機(jī)可以實(shí)現(xiàn)車輛與路邊預(yù)設(shè)裝置的通信，進(jìn)而讓車主及時(shí)獲取障礙物、交通燈及其他車輛信息，以便做出適當(dāng)行車調(diào)整，提高交通質(zhì)量與效率。目前制約VLC在ITS中推廣應(yīng)用的主要因素是硬件設(shè)施成本過(guò)高，通信速度也有待進(jìn)一步提高。

2.2 航空應(yīng)用

VLC安全性與不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾這兩大優(yōu)勢(shì)使其在航空應(yīng)用中大放異彩，最新的商用飛機(jī)上應(yīng)用VLC后，進(jìn)一步降低了通信設(shè)備設(shè)施的重量和成本，波音公司已將VLC推廣應(yīng)用納入到了長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃中。航空應(yīng)用中，VLC可以在照明的同時(shí)輔助乘客進(jìn)行閱讀，并可以通過(guò)座位間的VLC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)講和娛樂(lè)交互。

2.3 室內(nèi)定位應(yīng)用

目前，室內(nèi)定位系統(tǒng)主要采用的是Bluetooth、RF和Ultrasonic，這些方式的通病在于會(huì)產(chǎn)生較大電磁干擾，穩(wěn)定性不高，且難以實(shí)現(xiàn)搞定度定位。VLC的諸多優(yōu)勢(shì)克服了這些不利因素。有專家稱，未來(lái)VLC將應(yīng)用在購(gòu)物中心、機(jī)場(chǎng)及博物館等場(chǎng)所，指導(dǎo)顧客可以利用手機(jī)端接收墻面固定位置LED光源發(fā)射的信號(hào)，快速尋找想要的商品和想去的地方，大大提升相關(guān)場(chǎng)所的人性化水平。文獻(xiàn)[3]中設(shè)計(jì)的基于RRS室內(nèi)定位系統(tǒng)，在59 mm范圍進(jìn)行測(cè)試，精確定位水平高達(dá)95%。

2.4 水下應(yīng)用

無(wú)線電波在水下傳播會(huì)大幅衰減，并且會(huì)對(duì)許多海洋生物造成干擾。因此，需要開(kāi)發(fā)一種通信方式克服水下衰減和電磁干擾。NUS和MIT等高等院校已聯(lián)合開(kāi)展了水下可見(jiàn)光通信研究，并已獲得了初步成果，在30 m距離內(nèi)達(dá)到了1.2 Mb/s的傳輸速度。

3 可見(jiàn)光通信發(fā)展挑戰(zhàn)

3.1 克服光源自身不足

市面上大多數(shù)LED光源調(diào)制帶寬較窄，幅頻響應(yīng)呈低通特性，尤其是非線性的電光功率轉(zhuǎn)換，成為制約VLC高速傳輸?shù)淖畲蠖贪濉ｋm然已經(jīng)研發(fā)出了高性能RGB LED，可以在一定程度上克服VLC光源自身不足。但是，造價(jià)過(guò)高、控制復(fù)雜等問(wèn)題依然無(wú)法使RGB LED在VLC大規(guī)模推廣使用。

3.2 MIMO模型改進(jìn)

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）是下一代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，MIMO可以克服VLC調(diào)頻帶寬有限的短板，大幅提高系統(tǒng)容量。目前，MIMO研究主要集中在自由空間光通信中。與自由空間光通信不同，VLC核心應(yīng)用領(lǐng)域在室內(nèi)，與光鏈路高度相關(guān)，VLC能否與MIMO完美融合有待進(jìn)一步論證，VLC的MIMO模型優(yōu)化和改進(jìn)課題也由此而來(lái)。

3.3 光電探測(cè)器研發(fā)

高質(zhì)量的光接收端探測(cè)器是增大VLC系統(tǒng)傳輸距離的前提條件，目前廣泛使用的多是紅外光電探測(cè)器，如APD、PIN等。而VLC無(wú)法使用這類探測(cè)器，需要針對(duì)性的開(kāi)發(fā)新型高質(zhì)量光電探測(cè)器。

3.4 uplink

Downlink是當(dāng)前VLC研究的熱門，對(duì)于uplink相關(guān)研究較少，作為VLC系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)的一部分，uplink是VLC技術(shù)推廣應(yīng)用不可越過(guò)的一道坎。目前，存在的三種uplink方案都有不利因素：紅外方向性過(guò)強(qiáng)，射頻通信要求發(fā)射端與接收端都具備無(wú)線接收機(jī)，可見(jiàn)光通信過(guò)程中照明可能會(huì)對(duì)用戶造成干擾，且對(duì)準(zhǔn)較為困難。

3.5 完善可見(jiàn)光信道模型

分析與設(shè)計(jì)VLC系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)建立可見(jiàn)光信道模型，完善模型可以輔助選擇最佳LED光源布局和光亮度，以減少盲區(qū)，降低ISI。對(duì)于許多對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，完善可見(jiàn)光信道模型顯得極其重要。

4 結(jié) 論

在新一代的光通信領(lǐng)域中VLC必然會(huì)占有重要一席，因而歐美、日本、中國(guó)的許多科研院所都投入了巨大資源進(jìn)行VLC關(guān)鍵技術(shù)研究，也取得了一些模擬仿真的階段性成果；但是，距離實(shí)際應(yīng)用還有很長(zhǎng)的一段距離。未來(lái)VLC技術(shù)將逐步滲透到智能交通、航空、室內(nèi)定位和水下應(yīng)用等領(lǐng)域。目前，面臨的主要發(fā)展挑戰(zhàn)主要集中在LED光源非線性效應(yīng)、MIMO模型、光電探測(cè)器、uplink及可見(jiàn)光信道模型等方面。在相關(guān)人員的不斷努力下，可見(jiàn)光通信光電模塊將伴隨相關(guān)行業(yè)的發(fā)布而推廣應(yīng)用至各類移動(dòng)終端和光源中。我國(guó)VLC起步雖然較晚，但得益于優(yōu)秀的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和科研機(jī)構(gòu)的投入，已逐步走到了行業(yè)前列。未來(lái)在逐步擴(kuò)大自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)研究成果范圍的基礎(chǔ)上，將致力于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制定和搶奪相關(guān)專利空白，占領(lǐng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)高地，實(shí)現(xiàn)VLC產(chǎn)業(yè)化。