可見光通信應用前景與發展挑戰

朱振坤

（湖北經濟學院 信息與通信工程學院，湖北 武漢 430000）

0 引 言

受益于半導體技術的高速發展和LED照明的廣泛應用，VLC使用LED作為可見光光源，擁有LED反應速度快、不受電磁干擾及可靠性高等優點，在照明的同時實現了無線通信[1]。從一百多年前貝爾提出photophone起，經過各類激光器與LED的逐步發明與應用，VLC的概念在21世紀初被正式提出，并很快成為了歐、美、日等國家角逐通信技術的前沿陣地，國內以中國科學技術大學為代表的高校和研究機構在VLC理論與實驗方面取得了諸多突出成果。但是，VLC現階段還未趨于成熟，在生活與工業中的推廣應用尚有許多技術難點需要解決。

1 基本結構及其特點

無線通信系統邏輯上一般都由下行鏈路（downlink）和上行鏈路（uplink）兩部分組成，VLC作為無線通信的一種也同樣如此。以典型的室內可見光通信系統為例，VLC基本結構如下。

1.1 下行鏈路

下行鏈路由LED光源、光電檢測器（PD）及信號處理單元組成。其中，LED光源與信號處理單元組合可發射調制可見光，構成發射部分；PD與信號處理單元接收發射光并轉換處理獲得原始信息，構成接收部分。由于兩部分間存在多條光路徑，每種路徑上從發射到接收耗時不同，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光源發射面積和發射角要小得多，同時uplink的PD安裝在吊頂上，用來接收用戶光信號。除去上述區別外，uplink和downlink的組成結構基本相同。

實際使用的可見光網絡是由全雙工VLC系統組成的網絡，全雙工VLC系統通過在通信雙方對稱配置上述uplink和downlink實現雙向同時工作。由于VLC系統中LED光源高速調制，人眼察覺不到燈光的明暗交錯，因而其通信功能對LED照明沒有影響。VLC系統一般設計采用強度調制直接檢測（IM-DD），這種方式的特征在于Optical receiver所接收到的光信號來自多個光源，即使部分光路徑被遮擋仍舊可以實現通信，大大提高了系統可靠性。

VLC由于光源的特殊性，表現出許多優于傳統光通信（Optical Communication）和射頻通信（RF Communication）的特點。第一，不受許可證限制。可見光不在無線電頻譜管制范圍內，因而不受許可證限制。第二，安全性。可見光對人基本沒有傷害，將照明使用的可見光作為通信介質安全性極高。第三，保密性。在封閉空間內，可見光無法穿越磚墻，因而外界無法獲取通信內容，可以有效防止信息外泄。第四，不會產生電磁干擾。這一點對于飛機和醫院極為重要，因為這些場合對于電磁干擾有著嚴格限制。此外，可見光資源豐富、發射功率高等均為VLC優勢。然而，由于VLC通信路徑損失較大，性能受溫度影響較明顯，因而目前無法取代RF Communication。因此，如何克服這些劣勢成為了VLC研究的熱門課題。

2 可見光通信應用前景

2.1 智能交通應用

智能交通是交通的物聯化體現，通過將交通系統內所有的信息采集與管理系統有機結合成一個整體，可以大幅提高運輸效率，降低交通負荷，智能交通系統（ITS）是未來交通系統的發展方向[2]。ITS中用于輔助駕駛員路況識別的圖像處理技術屬于核心技術之一，這也是VLC技術應用的一個新領域，VLC配合高分辨率、高速攝像機可以實現車輛與路邊預設裝置的通信，進而讓車主及時獲取障礙物、交通燈及其他車輛信息，以便做出適當行車調整，提高交通質量與效率。目前制約VLC在ITS中推廣應用的主要因素是硬件設施成本過高，通信速度也有待進一步提高。

2.2 航空應用

VLC安全性與不會產生電磁干擾這兩大優勢使其在航空應用中大放異彩，最新的商用飛機上應用VLC后，進一步降低了通信設備設施的重量和成本，波音公司已將VLC推廣應用納入到了長遠規劃中。航空應用中，VLC可以在照明的同時輔助乘客進行閱讀，并可以通過座位間的VLC網絡實現對講和娛樂交互。

2.3 室內定位應用

目前，室內定位系統主要采用的是Bluetooth、RF和Ultrasonic，這些方式的通病在于會產生較大電磁干擾，穩定性不高，且難以實現搞定度定位。VLC的諸多優勢克服了這些不利因素。有專家稱，未來VLC將應用在購物中心、機場及博物館等場所，指導顧客可以利用手機端接收墻面固定位置LED光源發射的信號，快速尋找想要的商品和想去的地方，大大提升相關場所的人性化水平。文獻[3]中設計的基于RRS室內定位系統，在59 mm范圍進行測試，精確定位水平高達95%。

2.4 水下應用

無線電波在水下傳播會大幅衰減，并且會對許多海洋生物造成干擾。因此，需要開發一種通信方式克服水下衰減和電磁干擾。NUS和MIT等高等院校已聯合開展了水下可見光通信研究，并已獲得了初步成果，在30 m距離內達到了1.2 Mb/s的傳輸速度。

3 可見光通信發展挑戰

3.1 克服光源自身不足

市面上大多數LED光源調制帶寬較窄，幅頻響應呈低通特性，尤其是非線性的電光功率轉換，成為制約VLC高速傳輸的最大短板。雖然已經研發出了高性能RGB LED，可以在一定程度上克服VLC光源自身不足。但是，造價過高、控制復雜等問題依然無法使RGB LED在VLC大規模推廣使用。

3.2 MIMO模型改進

多輸入多輸出系統（MIMO）是下一代移動通信的核心技術，MIMO可以克服VLC調頻帶寬有限的短板，大幅提高系統容量。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核心應用領域在室內，與光鏈路高度相關，VLC能否與MIMO完美融合有待進一步論證，VLC的MIMO模型優化和改進課題也由此而來。

3.3 光電探測器研發

高質量的光接收端探測器是增大VLC系統傳輸距離的前提條件，目前廣泛使用的多是紅外光電探測器，如APD、PIN等。而VLC無法使用這類探測器，需要針對性的開發新型高質量光電探測器。

3.4 uplink

Downlink是當前VLC研究的熱門，對于uplink相關研究較少，作為VLC系統基本組成結構的一部分，uplink是VLC技術推廣應用不可越過的一道坎。目前，存在的三種uplink方案都有不利因素：紅外方向性過強，射頻通信要求發射端與接收端都具備無線接收機，可見光通信過程中照明可能會對用戶造成干擾，且對準較為困難。

3.5 完善可見光信道模型

分析與設計VLC系統時，首先應建立可見光信道模型，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，降低ISI。對于許多對數據傳輸速率要求較高的應用領域，完善可見光信道模型顯得極其重要。

4 結 論

在新一代的光通信領域中VLC必然會占有重要一席，因而歐美、日本、中國的許多科研院所都投入了巨大資源進行VLC關鍵技術研究，也取得了一些模擬仿真的階段性成果；但是，距離實際應用還有很長的一段距離。未來VLC技術將逐步滲透到智能交通、航空、室內定位和水下應用等領域。目前，面臨的主要發展挑戰主要集中在LED光源非線性效應、MIMO模型、光電探測器、uplink及可見光信道模型等方面。在相關人員的不斷努力下，可見光通信光電模塊將伴隨相關行業的發布而推廣應用至各類移動終端和光源中。我國VLC起步雖然較晚，但得益于優秀的LED產業基礎和科研機構的投入，已逐步走到了行業前列。未來在逐步擴大自主知識產權研究成果范圍的基礎上，將致力于行業標準制定和搶奪相關專利空白，占領知識經濟高地，實現VLC產業化。