摘  要： 可見光通信是一種新型的無線通信技術(shù)。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)例如藍(lán)牙、WiFi等采用射頻信號傳輸數(shù)據(jù)信息，而可見光通信在發(fā)射端采用白光發(fā)光二極管作為光源，在接收端采用光電傳感器作為檢測器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文全面分析了可見光通信的優(yōu)勢，列舉了可見光通信技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用研究與發(fā)展，并給出了目前可見光通信發(fā)展中面臨的一些挑戰(zhàn)。

　　關(guān)鍵詞： 可見光通信；智能交通；室內(nèi)定位；無線接入

0 引言

　　自從高亮度的白光發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）面世后，隨著光效的提高，白光LED越來越多地被用作有效光源取代白熾燈泡和熒光燈。與傳統(tǒng)的照明器件相比，白光LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。另外，白光LED具有非常高的響應(yīng)靈敏度，因此可以采用LED進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信[1]?？梢姽馔ㄐ牛╒isible Light Communication，VLC）同時(shí)具有照明和通信的優(yōu)勢。隨著LED在交通、室內(nèi)照明和傳感技術(shù)等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，LED可見光通信有望成為無處不在的通信手段，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技術(shù)[2]。當(dāng)然，目前的可見光通信技術(shù)的發(fā)展還面臨著一些挑戰(zhàn)。

1 可見光通信的基本結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢

　　圖1是可見光通信系統(tǒng)的典型系統(tǒng)組成框圖。從圖中可知可見光通信系統(tǒng)包括上行鏈路和下行鏈路兩部分。下行鏈路包括白光LED發(fā)送陣列和終端發(fā)送接收機(jī)的接收部分。白光LED陣列發(fā)出的已調(diào)光以很大的發(fā)射角度往空間的各個(gè)方向傳播，但是由于LED光源個(gè)數(shù)比較多，因而在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間會存在多條不同的傳播光路，接收機(jī)會收到來自不同光源的信號。來自視距路徑（Line Of Sight，LOS）和非視距路徑（Non-Line Of Sight，NLOS）的不同的光路到達(dá)接收端會產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差將會引起碼間干擾（inter-symbol interference，ISI）。

　　由于白光LED發(fā)出的是照明所用的可見光，且發(fā)射角度較大，對人體是無害的，所以可以使用較大的發(fā)射功率發(fā)送信號，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。接收機(jī)部分采用光電器件檢測接收到的光信號，然后轉(zhuǎn)換為電信號，對電信號進(jìn)行放大和處理，恢復(fù)出發(fā)送的信號。該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路除了使用的光源不同之外，其它基本一致。上行鏈路采用的光源仍為白光LED光源，只不過為了使光束更加準(zhǔn)直，會采用發(fā)射角較小、面積較小的白光LED。然后在天花板上安裝光電檢測裝置接收來自終端的光信號。這個(gè)可見光通信系統(tǒng)是可以同時(shí)雙向工作的全雙工VLC系統(tǒng)。多個(gè)這樣的系統(tǒng)可以組成可見光網(wǎng)絡(luò)。在VLC系統(tǒng)中的白光LED具有通信和照明的雙重作用，不能因?yàn)橥ㄐ殴δ芏鴵p害LED原本的照明功能，所以需要采用非常高的調(diào)制速率，使得人眼完全感覺不到光的閃爍。

　　目前大多數(shù)VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD）系統(tǒng)，采用曼徹斯特編碼和開關(guān)鍵控（On-Off Keying，OOK）調(diào)制方式。

　　VLC通信技術(shù)相比于其他現(xiàn)存的無線通信技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

　　（1）容量大：可見光頻譜是射頻頻譜的10 000倍。另外，可見光譜屬于ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療）頻段，不需要牌照而且免費(fèi)。VLC系統(tǒng)采用的是高帶寬的設(shè)備，具有高強(qiáng)度的光輸出和低干擾。這些都可以使得VLC系統(tǒng)獲得高數(shù)據(jù)速率。

　?。?）成本低：VLC系統(tǒng)需要的器件比RF系統(tǒng)少得多，這將會大大降低成本。LED光源的高發(fā)光效率使得數(shù)據(jù)傳輸要求的功耗可以忽略不計(jì)。

　　（3）對人體無害：因?yàn)椴捎玫氖钦彰魉玫陌坠釲ED作為發(fā)射光源，所以對于人體是健康無害的。而射頻（Radio Frequency，RF）天線在化工廠、醫(yī)院等場所是不允許使用的。

　　（4）保密性好：VLC系統(tǒng)的通信邊界被限制在照明區(qū)域內(nèi)，不可跨越被照明區(qū)域的墻壁之外。這很好地將自己的信號限制在了自己的使用區(qū)域內(nèi)，防止了被別人占用此VLC網(wǎng)絡(luò)[3]。

2 可見光通信的應(yīng)用研究與發(fā)展

　　VLC已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域當(dāng)中，引起了人們極大的關(guān)注。下面是目前國內(nèi)外非常熱門的幾個(gè)VLC的應(yīng)用研究方向。

　　2.1 智能交通

　　參考文獻(xiàn)[3]中提出了利用可見光通信實(shí)現(xiàn)路燈與車輛的通信。參考文獻(xiàn)[4]中利用高速圖像傳感器檢測LED交通燈的光信號實(shí)現(xiàn)信號燈與車輛的通信。文獻(xiàn)[5]中采用LED車頭燈和車尾燈實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間的通信。利用可見光通信，可以實(shí)現(xiàn)如圖2所示的智能交通網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)代的交通設(shè)備中越來越多地用到了LED光源，這種LED光源可用于道路交通燈與車輛間以及車輛與車輛之間的通信。這樣將有效提高道路安全和交通管理。VLC同樣可以在飛機(jī)上使用，讓旅行者聽音樂和看視頻，也可以用于飛機(jī)航行燈傳輸標(biāo)識[6]。在水下通信中VLC也比RF傳輸更加行之有效，水下RF通信是非常困難的，因?yàn)樾盘査p更嚴(yán)重[7]。

　　2.2 室內(nèi)定位

　　現(xiàn)有的主流定位系統(tǒng)主要是基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和無線電技術(shù)。GPS能夠很好地應(yīng)用于室外定位，但是由于其依賴于無線電傳播，在室內(nèi)的覆蓋很小，導(dǎo)致其在室內(nèi)的定位中出現(xiàn)較大的誤差，因而不適用于室內(nèi)定位?；跓o線電技術(shù)的室內(nèi)定位方案主要有：WLAN、RFID、UWB、超聲波技術(shù)、Bluetooth等。但是大多數(shù)基于無線電通信的系統(tǒng)都會受到電磁干擾的影響，所以限制了這些技術(shù)在特定場所的使用，而VLC不產(chǎn)生任何射頻干擾，受到的干擾也較少，更適用于室內(nèi)定位。

　　國內(nèi)外對于基于LED可見光的室內(nèi)定位技術(shù)主要分為非成像定位技術(shù)和成像定位技術(shù)兩種。目前基于VLC的室內(nèi)定位技術(shù)的研究主要集中在成像定位技術(shù)上。

　　2.2.1 非成像定位

　　非成像定位使用傳統(tǒng)的定位方法，通過多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，根據(jù)距離和角度進(jìn)行定位，主要使用三角測量法。由于目標(biāo)到多個(gè)參考點(diǎn)的距離不能直接測量得到，所以通過測量到達(dá)時(shí)間（Time Of Arrival，TOA）或到達(dá)時(shí)間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）來間接測量距離。

　　如圖3所示，測量出目標(biāo)到三個(gè)參考點(diǎn)的時(shí)間分別為t1，t2，t3。由如下式（1）

　　R=c×t（1）

　　得到目標(biāo)到3個(gè)LED的距離R1，R2，R3（c為光速）。以這3個(gè)LED為圓心，LED到目標(biāo)的距離為半徑所得到的3個(gè)圓的交點(diǎn)就是目標(biāo)的位置。采用TOA有兩個(gè)問題，第一，所有參考點(diǎn)以及目標(biāo)使用的時(shí)鐘要完全同步，否則會造成定位誤差；第二，必須在發(fā)送信號的同時(shí)發(fā)送時(shí)間標(biāo)記，這會影響一定的數(shù)據(jù)速率。

　　參考文獻(xiàn)[8]采用基于到達(dá)時(shí)間差的算法。如圖4所示，與TOA不同的是，通過測量3個(gè)信號達(dá)到的時(shí)間差來實(shí)現(xiàn)定位。tr是發(fā)送時(shí)間，c是光速，根據(jù)式（2）：

　　得到目標(biāo)到3個(gè)LED的時(shí)間差，然后采用同TOA一樣的方法實(shí)現(xiàn)2D定位。3個(gè)LED必須精確地在同一時(shí)刻發(fā)送，由于利用的是時(shí)間差，所以接收機(jī)不必與發(fā)射機(jī)同步。此外，這種方法不需要加入時(shí)間標(biāo)記信號，避免了傳輸速率的損耗。

　　2.2.2 成像定位

　　基于成像的可見光定位系統(tǒng)，利用LED陣列作為發(fā)射端，對其上的像素進(jìn)行調(diào)制，接收端采用圖像傳感器對接收到的圖像進(jìn)行處理，解調(diào)出發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

　　參考文獻(xiàn)[9]采用雙圖像傳感器實(shí)現(xiàn)VLC室內(nèi)定位。發(fā)送陣列中至少4個(gè)LED發(fā)送其三維坐標(biāo)，通過兩個(gè)光學(xué)透鏡接收，然后兩個(gè)圖像傳感器解調(diào)出坐標(biāo)，如圖5所示，任何一個(gè)LED到目標(biāo)的距離d都可以由式（3）計(jì)算得到：

　　其中，m1，m2分別是LED圖像中心距離成像接收器中心的距離，h為LED到透鏡的距離，f為透鏡的焦距。通過這些已知距離得到d后，同樣可以得到另外3個(gè)LED到目標(biāo)的距離，從而可以很容易地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

　　2.3 無線接入

　　上海復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)室已成功實(shí)現(xiàn)光照上網(wǎng)（Light Fidelity，LiFi）技術(shù)，科研人員將網(wǎng)絡(luò)信號接入一盞1 W的LED燈內(nèi)，燈光所到的4臺電腦立即可以正常上網(wǎng)。

　　參考文獻(xiàn)[10]構(gòu)建了一個(gè)基本的VLC無線接入系統(tǒng)。如圖6所示為其軟硬件架構(gòu)示意圖。該設(shè)計(jì)通過可見光通信構(gòu)建了一個(gè)局域網(wǎng)，并提供了一種新的方法，使得數(shù)字移動終端之間通過PPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)無線通信。雖然目前距離通過VLC來實(shí)現(xiàn)全面無線接入還有很長的路要走，但是VLC在無線接入方面的潛力還是值得期待的。

3 可見光通信面臨的挑戰(zhàn)

　　在目前的VLC技術(shù)的研究中，依然存在著一些需要解決的問題，VLC在進(jìn)一步發(fā)展中還面臨許多挑戰(zhàn)。

　?。?）視距路徑：在VLC中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間是通過光源定向傳播信號的，由于視距信號強(qiáng)度較強(qiáng)的，換句話說，它正是VLC的優(yōu)點(diǎn)，所以要求視距路徑?？梢姽庑盘柌荒艽┻^所有對象只能經(jīng)過它們反射，這是VLC的一個(gè)覆蓋范圍的缺點(diǎn)同時(shí)也是安全性方面的優(yōu)勢[11-12]。光反射將會損失很多的能量，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)速率嚴(yán)重受限。如果光敏接收機(jī)以較低的光強(qiáng)度水平接收到光信號，則意味著較低的數(shù)據(jù)速率。所以，非視距信號的能量較低，同時(shí)數(shù)據(jù)速率也較低。

　?。?）發(fā)送源：目前用作VLC發(fā)射源的LED不是專業(yè)理想的VLC光源。現(xiàn)在的LED光源更多的是考慮為照明使用，而非用于數(shù)據(jù)通信。其數(shù)據(jù)通信特性還不夠理想。

　?。?）多徑衰落：由于寬波束發(fā)射的作用，相同的信號經(jīng)過不同的路徑產(chǎn)生不同的時(shí)延和不同的路徑長度，會導(dǎo)致多徑衰落，將會產(chǎn)生嚴(yán)重影響VLC性能的碼間干擾。

　　（4）背景光干擾：當(dāng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射角度比較大時(shí)，將會在VLC中產(chǎn)生背景光干擾。白天的時(shí)候，背景光的變化將會導(dǎo)致信噪比下降，這對于VLC來說是一個(gè)更加嚴(yán)重的問題。通過使用質(zhì)量更好的接收機(jī)，用于分離高的信號衰減，例如低信噪比質(zhì)量信號，但是這將會增加系統(tǒng)成本。使用光學(xué)濾波器可以相對簡單地去除自然和人工光源的干擾。

4 結(jié)論

　　VLC已成為一個(gè)萬眾期待的技術(shù)。這里全面分析了VLC相比其他傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢，例如大容量、低成本、安全性和保密性等。這些優(yōu)點(diǎn)使得VLC的應(yīng)用越來越廣泛。列舉了多個(gè)VLC的熱門應(yīng)用研究方向，比如智能交通網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位與導(dǎo)航、家庭無線寬帶接入等等。當(dāng)然，目前的VLC研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，這里給出了VLC面臨的一些挑戰(zhàn)。不過，相信隨著VLC的深入研究，VLC有望成為人人觸手可及的技術(shù)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 丁德強(qiáng)，柯熙政.可見光通信及其關(guān)鍵技術(shù)研究[J].半導(dǎo)體光電，2006，27（5）：114-117.

　　[2] 許銀帆，黃星星，李榮玲，等.基于LED可見光通信的室內(nèi)定位技術(shù)研究[J].中國照明電器，2014（4）：11-15.

　　[3] WADA M， YENDO T， FUJII T， et al. Road-to-vehicle communication using LED traffic light， intelligent vehicles symposium， 2005[C]. IEEE， 2005： 601-606.

　　[4] PREMACHANDRA H C N， YENDO T， TEHRANI M P， et al. High-speed-camera image processing based LED traffic light detection for road-to-vehicle visible light communication[C]. Intelligent Vehicles Symposium（IV）， San Diego， CA， 2010 IEEE， 2010：793-798.

　　[5] JONG H Y， RIMHWAN L， JUN K O， et al. Demonstration of vehicular visible light communication based on LED headlamp[C]. Fifth International Conference on Ubiquitous and Future Networks（ICUFN）， Da Nang， 2013， IEEE， 2013：465-467.

　　[6] HARTMANN C， PEZ M. High throughput free space optical communication using white LED lighting equipment[C]. Fiber-Optics and Photonics Technology Conference， San Antonio， TX， 2009， IEEE， 2009： 78-79.

　　[8] SEONG H C， SANG R Y， HEON H C， et al. A design of synchronization method for TDOA-based positioning system[C]. 12th International Conference on Control， Automation and Systems， JeJu Island， 2012， IEEE， 2012：1373-1375.

　　[9] RAHMAN M S， HAQUE M M， KIM K D. Indoor positioning by LED visible light communication and image sensors[J]. International Journal of Electrical and Computer Engineering （IJECE）， 2011，1（2）：161-170.

　　[10] Ding Liwei， Liu Fang， Yu Zhiqiang， et al. The demonstration of wireless access via visible light communications[C]. International Conference on Wireless Communications & Signal Processing（WCSP）， HANGZHOU， 2013， IEEE， 2013：1-4.

　　[11] DEBBIE K， SHLOMI A. Non-line-of-sight optical wireless sensor network operating in multi-scattering channel [J]. Journal of Applied Optics， 2006， 45（33）：8454-8461.

　　[12] TANAKA Y， HARUYAMA S， NAKAGAWA M. Wireless optical transmission with white colored LED for wireless home links[C]. 11th IEEE International Symposium on Personal Indoor and Mobile Radio Communication， London， 2000：1325-1329.