可見光通信技術

可見光通信技術，是利用螢光燈或發光二極體等發出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的，將高速網際網路的電線裝置連線在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術做成的系統能夠覆蓋室內燈光達到的範圍，電腦不需要電線連線，因而具有廣泛的開發前景。

基本介紹

• 中文名：可見光通信技術
• 外文名：visible light communication,VLC
• 利用：螢光燈
• 信號：高速明暗閃爍
• 特點：無線LAN

特點

與目前使用的無線區域網路（無線LAN）相比，“可見光通信”系統可利用室內照明設備代替無線LAN區域網路基站發射信號，其通信速度可達每秒數十兆至數百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。利用專用的、能夠接發信號功能的電腦以及移動信息終端，只要在室內燈光照到的地方，就可以長時間下載和上傳高清晰畫像和動畫等數據。該系統還具有安全性高的特點。用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至室外，同時使用多台電腦也不會影響通信速度。由於不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的醫院等部門可以自由使用該系統。

無需WiFi信號，點一盞LED燈就能上網。一種利用屋內可見光傳輸網路信號的國際前沿通訊技術在實驗室成功實現。研究人員將網路信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4台電腦即可上網，最高速率可達3.25G，平均上網速率達到150M，堪稱世界最快的“燈光上網”。可見光通訊被稱為Lifi。

無線電信號傳輸設備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機，全球數百萬個基站幫助其增強信號，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡，尤其在國內LED光源正在大規模取代傳統白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個微晶片，便可讓燈泡變成無線網路發射器。

可見光通訊安全又經濟。科研人員不僅在實驗室環境中利用可見光傳輸網路信號，並且實現能夠“一拖四”，即點亮一盞小燈，4台電腦即可同時上網、互傳網路信號。光和無線電波一樣，都屬於電磁波的一種，傳播網路信號的基本原理是一致的。

給普通的LED燈泡裝上微晶片，可以控制它每秒數百萬次閃爍，亮了表示1,滅了代表0。由於頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏感測器卻可以接收到這些變化。二進制的數據就被快速編碼成燈光信號並進行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過一套特製的接收裝置傳輸信號。有燈光的地方，就有網路信號。關掉燈，網路全無。與現有WiFi相比，未來的可見光通訊安全又經濟。WiFi依賴看不見的無線電波傳輸，設備功率越來越大，局部電磁輻射勢必增強；無線信號穿牆而過，網路信息不安全。這些安全隱患，在可見光通訊中“一掃而光”。而且，光譜比無線電頻譜大10000倍，意味著更大的頻寬和更高的速度，網路設定又幾乎不需要任何新的基礎設施。

LED照明光通信技術

發展前景

目前室內無線通信能滿足要求的最好選擇就是白光LED。白光 LED在提供室內照明的同時，被用作通信光源有望實現室內無線高速數據接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已經達到5W，發光效率也已經達到90lm/W，其發光效率（流明效率）已經超過白熾燈，接近螢光燈。白光LED的光效超過100lm/W並達到200lm/W（可以完全取代現有的照明設備）在不久的將來即可實現。因而LED照明光通信技術具有極大的發展前景，已引起人們的廣泛關注和研究[4-5]。

我國可見光通信研究

經工業和信息化部測試認證，我國“可見光通信系統關鍵技術研究”近日獲得重大突破，實時通信速率提高至50Gbps（比特每秒），相當於0．2秒即可完成一部高清電影的下載。

可見光通信是利用半導體照明（LED燈）的光線實現“有光照就能上網”的新型高速數據傳輸技術。可見光通信技術綠色低碳、可實現近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點，快速構建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

我國信息領域著名專家、中國工程院院士鄔江興介紹說，目前，全球大約擁有440億盞燈具構成的照明網路，數百億的LED照明設備與其它設備融合將構築一個巨大的可見光通信網。可以構想，未來實現大規模可見光通信後，每盞燈都可以當做一個高速網路熱點，人們等車的時候在路燈下就可下載幾部電影，在飛機、高鐵上也可藉助LED光源無線高速上網，滿足室區域網路、物聯網、車聯網、工業4．0、安全支付、智慧城市、國防通信、武器裝備、電磁敏感區域等網路末端無線通信需求，為網際網路+提供一種嶄新的廉價接入方法。

鄔江興預測，在未來數十年內，信息的傳輸量將超出現有無線電頻譜的承載能力，可見光通信技術可有效突破無線電頻譜資源嚴重匱乏的困局，是具有廣闊套用前景的下一代無線通信技術之一，可形成萬億級年產值的戰略性新興產業。

高速傳輸一直是可見光通信領域研究的焦點課題之一，解放軍信息工程大學於宏毅研發團隊採用光學和電學相協同的處理方法，突破了可見光空間通道互干擾高效抑制等關鍵技術，進入集成化、微型化設計與實現階段。這所大學是國內較早從事可見光通信技術研發的科研單位，2013年牽頭承擔了我國首個可見光863計畫項目，並組建了“中國可見光通信產業技術聯盟”。經過3年多的科技攻關，先後研發成功“可見光點播電視業務”“可見光新型無線廣播”“可見光精確定位”等套用示範系統。

LED無線通信的研究在日本首先開展

將LED照明燈組成可見光無線通信系統的研究工作，在日本首先開展，並得到日本政府的重視。在2006-11-28發布的科技日報報導：“日本總務省計畫與NTT研究所及NEC公司等聯手，共同開發一種利用照明燈光傳輸高速信息的“可見光通信”系統。日本政府將把這一技術作為下一代寬頻網普及，預計在5年內實用化“。

室內白光LED無線通信的研究在日本首先開展。日本大學的日本KEIO大學的Tanaka等人和SONY計算機科學研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統[4]。他們以Gfeller和Bapst的室內光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，並認為LED光源滿足朗伯（Lambertian）照射形式,且以強度調製直接檢測（IM-DD）為光調製形式進行了建模仿真，獲得了數據率、誤碼率以及接收功率等之間的關係。認為當傳送數據率在10Mbps以下的系統是可行的，碼間干擾（InterSymbol Interference, ISI）和多徑效應是影響系統性能的兩大因素。2001年,Tanaka等人在原來的基礎上分別採用OOK_RZ調製方式與OFDM調製方式對系統進行了仿真[6]，結果表明：:當傳送數據率在100Mbps以下時這兩種調製技術都是可行的，當數據率大於100Mbps時，OFDM調製技術優於OOK_RZ調製技術。

Tanaka和Komine等人的具體分析

2002年, Tanaka和Komine等人對LED可見光無線通信系統展開了具體分析[7]，包括光源屬性信道模型、噪聲模型、室內不同位置的信噪比分布等，求出了系統所需的LED單元燈的基本功率要求，並分別以OOK_RZ、OOK_NRZ、m-PPM調製方式進行仿真分析,得到了不同條件下的誤碼率大小。同年Komine等研究了由牆壁反射引起的多徑效應對可見光無線系統造成的影響，分別以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調製方式進行仿真，結果表明：在數據率小於60Mbps，接收視場角小於50度的條件下，採用8-PPM調製方式可有效克服牆壁反射引起的多徑效應。以後, Komine等繼續對LED單元燈的設計布局、可見光傳播信道（分直達信道和反射信道兩部分）、室內人員走動導致的反射陰影、牆壁反射光,碼間干擾對系統性能的影響等展開研究[8]，並得出了不同接收視場角和不同數據傳送率下各因素對系統性能的影響曲線。同年，Komine等提出了一套結合電力線載波通信和LED可見光通信的數據傳輸系統[9]。2005年, Komine等利用基於最小均方誤差算法的自適應均衡技術來克服碼間干擾(ISI) [10]。仿真表明在數據率為400Mbps以下時，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效減少ISI的影響，當數據率高於400Mbps時，DFE均衡器更能有效克服ISI。

套用前景非常看好

國內在這方面的研究剛剛起步，暨南大學光電工程系的陳長纓教授對LED發光特性、室內通信鏈路和信道模型進行了初步的研究 [11]。

總之，LED照明光無線通信在國外也還處在起步和摸索階段，但其套用前景非常看好，不僅可以用於室內無線接入，還可以為城市車輛的移動導航及定位提供一種全新的方法。汽車照明燈基本都採用LED燈，可以組成汽車與交通控制中心、交通信號燈至汽車、汽車至汽車的通信鏈路。這也是LED可見光無線通信在智慧型交通系統的發展方向。