可見光通信技術應用研究

朱蔓菁

（江西開放大學現代教育技術中心，江西 南昌 330046）

0 引 言

日常生活中通常可以使用多種多樣的無線通信技術突破空間和時間的限制得到聯系。但是在許多特殊場景中一般不能夠使用無線接入網絡，如醫院、機艙等。主要原因在于無線接入網絡的許多視頻信號可能會對儀器產生干擾，引發威脅生命的災難和隱患。所以，針對當前頻譜資源緊缺的情況下，提出可見光通信（Visible Light Communication，VLC）作為無線射頻通信的有益補充。

1 可見光通信技術的研究現狀

可見光通信技術最早由日本學者于2000 年提出，他們通過仿真探討將發光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈作為無線傳輸通信基站的可行性,并率先成立了可見光通信的綜合性研究組織，即日本可見光通信聯合體[1]。2004 年，日本中川實驗室成功地在自由空間中使用LED作為光源進行了100 MHz以上的信息傳輸，正式實現了自由空間高速可見光通倍實驗[2]。鑒于可見光通信的諸多優勢與光明前景，歐美研究人員也非常重視，投入了大量的人力與物力進行研究。為此，歐盟特地開展了代號為OMEGA項目，該項目的目標是對1 Gb/s以上的超高速家庭接入網進行研究，根據研究人員搭建的測試網絡顯示，該超高速接入網理論速度為1.25 Gb/s，最高傳輸速度為300 Gb/s[3]。除了實驗室的研究平臺之外，一些研究人員也在嘗試走向商業化。英國愛丁堡大學的哈斯教授專門參與創建一個探討將可見光通信用于生活的工作室“Purdifi”，而哈斯教授與他們的研究成員已經研制出用于電腦上網的微型接收端[4]。

2 可見光通信技術

當前許多基礎的LED燈泡在進行技術研究的過程中，一般都需要加固微芯片能夠在自身基礎之上去進行快速的閃爍。這種閃爍頻率往往可以達到每秒百萬次級別。只有在這樣的基礎上才能夠去進行燈泡數據的傳輸。利用這種傳輸方式，LED燈可以通過對二進制編碼進行快速傳輸，以實現信息數據的傳送[5]。

可見光通信技術是一種基于LED發出快速的、人眼無法察覺的明暗閃爍的光信號，實現“有光照就能上網”的新型高速數據傳輸技術，在接收端利用可見光探測器接收明暗閃爍的光信號并解調以獲得通信數據。與傳統射頻通信相比，VLC具有以下明顯的優勢。

（1）傳輸速率高，室內白光 LED 的功率之和高達10 W 以上，使 VLC具備了非常高的信噪比，為實現高速通打下了良好的基礎。

（2）無電磁干擾，白光和射頻信號不存在相互干擾，無電磁污染，可應用于核電站、機艙、醫院、工業控制等電磁敏感的環境中。

（3）綠色低碳、成本低，VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國家節能減排戰略。

（4）傳輸安全性高，白光不可穿透墻壁甚至窗簾，VLC具有高度的保密性。

（5）頻譜無需授權即可使用。

（6）白光對人眼的傷害較小。因其具有這些優點，迅速獲得世界各國的關注和支持[6,7]。

3 可見光通信應用與挑戰

3.1 飛機和高鐵上的應用

可見光通信在發展過程中逐漸開始能夠使用到各種場景當中，其中包括飛機、地鐵、高鐵等，如圖1所示。之所以不能坐在飛機和高鐵上使用高頻率的電磁信號，主要原因在于飛機的導航以及通信系統在使用的過程中很容易受到各種電磁信號的干擾，容易讓飛機在飛行過程中出現安全隱患[8]。所以在乘坐飛機過程中，一般都會禁止乘客使用手機和互聯網。可見光通信技術可以對這一難題進行有效地解決，而且飛機在通過核心控制器接收衛星信號的過程中，需要將網絡接入到LED上，客戶可以通過自身座位上的小白燈和可見光讓手機能夠使用網絡[9]。

圖1 可見光通信在智能家居和交通中的應用

高鐵作為我國最主要的交通工具之一，也是我國最發達的交通工具之一，因此通信困難也是高鐵上存在的重要難題之一。由于高鐵時速較快，使得用戶手機、電腦在接入網絡速度的基礎上會存在較慢的現象。通過可見光通信技術以后，就能夠通過車廂上的LED燈實現和衛星信號進行接入，最終用戶可以通過移動終端實現上網[10]。

3.2 物聯網中的應用

可見光通信技術可以同時提供照明和通信服務，因此可以替代室內的照明設備來實現自身的無限局網基站發射信號，而且通信效率通常可以達到每秒10 M或者是數百兆，在未來的傳輸速率可能會達到更高的標準和要求。當下的可見光通信技術往往能夠和物聯網進行聯動，可見光通信技術能夠使得物聯網上的電器得到相應的數據連接，例如空調的控制工作、燈泡的關閉和開啟等[11]。

LED可見光通信系統將自身的照明系統和網絡通信系統進行功能上融合，可以將自身的中央控制器安裝在墻面和天花板上,探測器安裝在家用電視上就可以通過中央控制器對家庭電器進行控制，在此基礎上還能夠安裝一些安保系統。可見光系統可以發射監控信息，讓居民在使用可見光通信系統時獲取信息。具體的實現路徑可以簡單表達為人們在辦公室使用手機或者是網絡控制器，對空調發送指令，控制器就將進行LED燈光信號傳輸[12]。一般情況下，將LED光源的可見光傳輸到光照的范圍內，空調上的檢測器將接收到信息，最后實現相應的指令動作。所以可見光通信技術在實現數據通信傳輸的過程中，能夠和家居物聯網進行融合發展，對家居中許多設備進行控制，在此過程中照明和通信都能夠通過可見光通信來實現，節約了能源，減少了電磁輻射。

3.3 室內購物導航

人們的日常生活中購物的實現一般都是通過線上和線下2種模式。在線下進行購物的過程中，會出現找不到路的情況，在這種時候就可以通過無線通信來進行解決。可見光通信能夠在人們走進超市的過程中，通過智能移動設備尋找可見光通信功能，在建立網絡連接以后，尋找自身需要的物品。收銀員能夠在可見光通信技術中快速傳輸數據，讓購買信息能夠得到快速計算，最終用戶能夠在短時間內獲得自身想要的物品，并且在最終的購物環節中節省大量時間。不僅如此，商家還可以通過可見光技術對各種商品進行監控。如果使用無線傳輸技術，其中的電磁波信號很容易被干擾，但使用可見光技術就能夠避免出現無線傳輸技術帶來的室內導航不準確及相應問題隱患[13]。

3.4 可見光通信的挑戰

雖然可見光通信技術在未來的應用場景中有著許多的優勢和突破口，但是也存在一定的挑戰，主要包括兩方面，一是可見光容易受到太陽光的影響；二是由可見光無法穿透物體或障礙物，容易受到障礙物的影響，終端信息容易被切斷。因此可見光通信和無線射頻通信將相互補充[14,15]。

4 結 論

可見光通信技術是一項有發展前途的通信技術，能夠同時提供照明和通信服務，而且具備高速率、高安全性、高頻譜帶寬、低成本、綠色環保等優勢，必將和無線射頻通信并行前進。特別是針對許多其他無線通信射頻技術無法進行傳輸的范圍內，可見光通信技術能夠得到一定的突破。現今可見光通信技術的主要研究方向是如何延長其使用距離、如何提升信號方向準確度及如何降低成本。在未來，如果這些技術問題都能夠解決，那么可見光通信技術將會發揮自身的巨大潛能，改變當下許多生活現狀，并普及到人們的日常生活當中, 最終成為無線通信技術的新方向。