可見光通信概述

　　可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）是指利用可見光波段的光作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。

　　可見光通信技術(shù)綠色低碳、可實現(xiàn)近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點，快速構(gòu)建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

　　未來，可見光通信也將與WiFi、蜂窩網(wǎng)絡（3G、4G、甚至5G）等通信技術(shù)交互融合，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市（家庭）、航空、航海、地鐵、高鐵、室內(nèi)導航和井下作業(yè)等領(lǐng)域帶來創(chuàng)新應用和價值體驗。

　　可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)

　　1、高性能編碼、調(diào)制技術(shù)

　　對信源進行何種編碼以及采用何種調(diào)制方式，將直接決定通信系統(tǒng)的通信性能。由于實現(xiàn)簡單，VLC 系統(tǒng)大多設(shè)計成光強度調(diào)制/直接探測（IM/DD）系統(tǒng)，采用曼切斯特編碼和OOK 調(diào)制方式。二進制OOK 編碼通過光學鏈路一次只能發(fā)送一個比特，傳輸慢；曼切斯特編碼雖然可以降低系統(tǒng)的誤碼率，但要求較寬度頻帶，而現(xiàn)有的基于藍光激發(fā)磷光體產(chǎn)生“白光”的LED 可用調(diào)制帶寬非常有限，所以必須探索新的編碼、調(diào)制方法。

　　由于正交頻分復用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Technology， OFDM）具有頻譜效率高、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優(yōu)點，在VLC中得到了廣泛研究。OFDM被證明在高速通信情況下可有效抑制碼間干擾（Inter-symbol Interference， ISI）。

　　該技術(shù)的優(yōu)點在于：

　?。?）將數(shù)據(jù)進行串并轉(zhuǎn)換后同時傳輸，在時域上符號持續(xù)時間得到增加，能夠減少信道時域彌散產(chǎn)生的ISI，并可通過插入循環(huán)前綴的方法進一步消除信道ISI；

　?。?） 具有較高的頻譜利用率；

　?。?） 調(diào)制解調(diào)過程中的快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換隨著DSP技術(shù)的發(fā)展易于實現(xiàn)；

　?。?） 可根據(jù)上下行鏈路不同數(shù)據(jù)量和通信質(zhì)量要求進行自適應的調(diào)制；方便與多址技術(shù)結(jié)合等。其面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何將信息有效地加載到OFDM載波上，以及如何對LED的非線性進行補償。

　　2、 碼間干擾消除技術(shù)

　　在室內(nèi)LED 可見光通信系統(tǒng)中，LED 光源通常是由多個發(fā)光LED 的陣列組成，具有較大的表面積、較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角，光線分布在整個房間。另一方面，為了達到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個房間通常安裝多個LED 光源。由于LED 單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導致了不同的傳輸延遲， 加上光的色散，已調(diào)光脈沖會在時間上延伸，每個符號的脈沖將加寬延伸到相鄰符號的時間間隔內(nèi)， 不可避免地產(chǎn)生碼間干擾，極大地降低了系統(tǒng)的性能甚至導致不能正常通信。

　　因此，如何消除碼間干擾，對保證高性能的VLC 通信至關(guān)重要。針對VLC 系統(tǒng)中ISI 的起因不同，主要采用以下方式來削弱碼間干擾：運用部分響應技術(shù)、采用均衡技術(shù)、采用消ISI 的調(diào)制方式等。下面詳細解釋下均衡技術(shù)。 作為室內(nèi)照明用的LED，其調(diào)制帶寬僅限于幾兆赫茲。為了提高LED的調(diào)制帶寬，人們研究了使用濾光片，將由熒光層產(chǎn)生的黃色光濾去（熒光層的響應速度較慢），讓較快速響應的藍光部分入射到接收端上。

　　另外一種方法是使用發(fā)射端均衡技術(shù)，該方案實質(zhì)就是使用模擬均衡技術(shù)補償白光LED在高頻時的快速降落。例如，使用16個LED構(gòu)成陣列，并使用具有某一最大輸出頻率的諧振技術(shù)為每一個LED的驅(qū)動電路設(shè)計均衡部分電路。實驗證明當使用NRZ-OOK（ No Return Zero On-off Keying）調(diào)制方式時，16個LED組成的陣列可在距離為2m、覆蓋半徑為0.5m范圍內(nèi)達到40MB/s的通信速率，并保證較低的誤碼率。如果增加均衡電路復雜度，其單個LED的通信速率甚至可達到80MB/s。

　　單獨為每一個LED都添加一個均衡電路，這無疑會增加系統(tǒng)成本和發(fā)射端能耗，若在接收端選擇使用均衡技術(shù)，就會在提高系統(tǒng)傳輸速率的情況下降低系統(tǒng)的復雜性。例如，研究人員在接收端使用一階模擬均衡器在NRZ-OOK調(diào)制方式下，模擬得到了最大傳輸速率為32MB/s、誤碼率小于10-6的通信系統(tǒng)。發(fā)射端和接收端的均衡技術(shù)都有待進一步優(yōu)化以增加系統(tǒng)覆蓋面積和減少誤碼率。

　　3、全雙工通信

　　VLC系統(tǒng)要接入互聯(lián)網(wǎng)就必須實現(xiàn)全雙工通信，即實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下載。要實現(xiàn)VLC 全雙工通信方式，除了要具有現(xiàn)在研究的熱點下行鏈路外，還必須具備上行鏈路。目前，幾乎所有的研究更多集中于下行鏈路的實現(xiàn)，很少關(guān)注上行鏈路的實現(xiàn)技術(shù)。

　　確保上行鏈路實現(xiàn)的一個重要問題在于如何避免具有照明功能的下行鏈路的干擾，目前已提出的方案包括：

　?。?）使用紅外波段作為上行鏈路，以區(qū)別下行鏈路的可見光；

　?。?）使用激光反射器將入射光的一部分反射回發(fā)射系統(tǒng)，并將這一部分反射光進行調(diào)制以實現(xiàn)上行鏈路；

　?。?）將VLC與RF結(jié)合，即使用VLC實現(xiàn)下行鏈路，RF系統(tǒng)完成上行鏈路；

　?。?）采用時分技術(shù)，將上下行鏈路傳遞信息的時間分開。另有我國學者提出可利用上下鏈路光的不同偏振態(tài)或利用隔板去阻隔下行鏈路對上行鏈路的干擾。

　　可見光通信的應用

　　隨著LED在照明、顯示上替代傳統(tǒng)光源，使得這些設(shè)施在原有基礎(chǔ)上具備了傳輸信息的功能。另外，由于圖像傳感器在VLC領(lǐng)域的應用，使得接收端除了能夠接收到數(shù)據(jù)外還能夠準確判斷發(fā)射端與接收端的相對位置，這就為VLC應用于室內(nèi)導航、機器人或車輛之間的精確控制、準確的位置測量等提供了可能。

　　VLC應用可分為室外及室內(nèi)應用。對于室外主要應用于：

　?。?） 智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System， ITS）。包括車輛與車輛之間、車輛與路燈等基礎(chǔ)設(shè)施之間信息的傳遞。前者可以傳遞路況、剎車等信息進而有效避免交通事故，后者可將車輛車速、車牌等相關(guān)信息傳遞到交通檢測系統(tǒng)中，實現(xiàn)對車輛信息的采集工作。

　　（2） 戶外顯示屏及信號燈通信。行人可手持手機等終端向戶外顯示屏下載商品廣告、產(chǎn)品信息、促銷活動、股市行情等信息，而信號燈可向行人提供路況信息、道路指南等信息服務。

　　（3） 海上VLC。將發(fā)射端放置在燈塔和浮標等處，裝備有圖像傳感器的船只便可解碼信息并在監(jiān)視器中顯示燈塔所傳遞的內(nèi)容。

　?。?） 基于VLC的三維位置測量。使用接收器為圖像傳感器的VLC系統(tǒng)可實現(xiàn)對橋梁等設(shè)施測量，該系統(tǒng)可實現(xiàn)24h對目標物體的測量，目前精度可達毫米量級。

　?。?） 水下VLC。無線電波在水下的傳播距離非常有限，導致其幾乎無法運用到水下環(huán)境，而LED閃光信號燈已經(jīng)被日本學者證實可以在水下30m范圍內(nèi)傳輸信號。該項技術(shù)將會對潛水艇和海底觀測站的通信起到重要作用。

　　VLC在室內(nèi)的應用主要涉及高速連接和導航，具體包括點對點、廣播式通信和室內(nèi)定位：

　　（1）點對點通信。為了實現(xiàn)該種通信方式，需要兩個終端做到充分的對準，并使LED發(fā)出的光束盡可能窄，以保證不會有太多的路徑損耗。通過合理設(shè)計外圍設(shè)備，可以保證通信和下載的高速率從而代替IrDA、Bluetooth、UWB等技術(shù)。同時，由于VLC在安全性能上的保證，無疑增加了其在諸多方面應用的可能性。例如，日本Casio公司研制了一種LED徽章，通過接受端的圖像傳感器，可以在顯示器上同時獲得使用者的身份信息并采集到圖像。該公司還提出了一種利用手機上的LED閃光燈與裝備有光電探測器的自動取款機進行信息傳遞以實現(xiàn)用手機查詢賬戶信息和取款的方法，這種方法使外人無法竊取通信信息。

　?。?） 廣播服務。白光LED陣列可以實現(xiàn)信息的廣播，例如當我們在瀏覽名勝古跡和博物館時，通過LED即可將相關(guān)知識內(nèi)容

　　可見光通信究竟是個什么鬼

　　光究竟是怎樣傳輸信息的？

　　早在 2004 年，IEEE 雜志上就有論文解釋通過發(fā)光二極管（也就是 LED 燈管）提供無線網(wǎng)絡連接的方法，具體的原理是這樣的：

　　LED 燈本來就是一個半導體芯片，跟傳統(tǒng)的燈絲是不一樣的是，芯片可以特別快地開關(guān)，例如使用交流電的燈是 60 赫茲，人類眼球無法識別燈光閃動。在一開一關(guān)的時候，光就有方波了，經(jīng)過調(diào)制就可以傳信息了，跟我們平常使用的電話的無線電通訊無異。

　　目前全球的多所大學都有相關(guān)的研究項目，他們大多數(shù)都在實驗室進行。在 2012 年，通訊業(yè)雜志 IEEE 上就曾經(jīng)發(fā)表一篇讓可見光傳輸速率達到 96 Mb/s 的論文。到 2013 年年底，上海復旦大學的實驗室里已經(jīng)可以讓光一盞功率為 1W 的 LED 燈珠，提供燈光下的 4 臺電腦上網(wǎng)，最高速率可達 3.25 Gbp 每秒，平均上網(wǎng)速率達到 150Mb 每秒。

　　微軟亞研早前也在做這方面的研究。和實驗室將把光到設(shè)備的傳輸速率拉峰值極限的嘗試不太一樣，想要研究這種技術(shù)在普通電子設(shè)備上的可能性，于是他的團隊就在淘寶買了便宜的 LCD 面板，幾塊錢的太陽能電池板、電路板和可以進行試驗。

　　目前，沈國斌的團隊研究了如何用逆向反射器（Retro-Reflector），其實就是一種反光鏡，將光線原路反射回到 LED 燈上，形成了LED 和電子設(shè)備間相互通訊。他們已經(jīng)能做到，在燈光 1 兆的開關(guān)頻率之下，從燈光到設(shè)備的下行速度達到 10 kb/s，而從設(shè)備反光的上行速度達到 0.5 kb/s。

　　在微軟的亞洲研發(fā)中心，我們看到了這個用價格低廉的組件做成的試驗品：不需要充電線，也沒有 Wi-Fi 信號，只有一塊裝有 LCD 屏幕、反射鏡和太陽能板的類似手機大小的設(shè)備。點亮 LED 燈泡的手電筒直射，設(shè)備便亮起來，并且開始傳輸數(shù)據(jù)。LED 燈變成了一個普通設(shè)備的能量源和信息源。

　　智能交通路牌、無需充電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

　　試試想象這樣的場景——車燈照到了路邊的路牌，路牌馬上可以給車輛導航儀傳輸附近的路況，告訴你到達目的地最通暢的道路；早上起來一開燈，空氣檢測儀就能會告訴你室外的空氣質(zhì)量、溫度和濕度如何，而這檢測儀的顯示屏就一直掛在床頭，不需要充電，也不需要連接 Wi-Fi 或者藍牙。

　　微軟亞研的沈國斌博士告訴記者，智能的路牌、不需要充電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上述可能就是他們認為的可見光通訊的未來的樣子。聽起來很美，但現(xiàn)在依然停留在理論階段。“我們第一個思路就是想去和產(chǎn)品部門討論，看看這個東西有沒有可能放到微軟的大的產(chǎn)品藍圖里面去，無論是我們設(shè)計，還是我們的想法，只要他們能夠接受，我們就會很高興。”

　　但要實現(xiàn)這些其實并不容易，需要推出改造好的 LED 燈具，還需要推出有逆向發(fā)射器的電子產(chǎn)品同時推向市場售賣。而對于一個公司來說，光是從技術(shù)到產(chǎn)品，需要配合的相關(guān)團隊有太多。

　　研究和產(chǎn)品之間的距離有多遠？

　　1880 年，加拿大發(fā)明家亞歷山大·貝爾發(fā)現(xiàn)了一個有趣的玩法：通過調(diào)節(jié)光束的變化，傳遞語音信號，可以進行雙方無線對話——這就是人類第一次實現(xiàn)無線電話，利用的就是可見光通訊。貝爾為此發(fā)明申請專利的時候，連電力都沒有出現(xiàn)，他也認為這“光電話”沒有任何實用價值。

　　事實上，無論是什么科研項目，在一個做產(chǎn)品的企業(yè)，產(chǎn)品部門依然是主導。產(chǎn)品部門有一些問題待解決的時候，根據(jù)此開發(fā)的技術(shù)是很快可以用到產(chǎn)品之上，而沒有相關(guān)的產(chǎn)品計劃的時候，將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品十分有難度。

　　“這種情況下，研究院的任務就是把這些很酷的技術(shù)通過發(fā)論文或者是內(nèi)部的 demo 讓產(chǎn)品部門了解，希望他們在下一次做產(chǎn)品計劃的時候會考慮這個技術(shù)。”沈國斌這么說。