可見光通信應用前景與發(fā)展挑戰(zhàn)

朱振坤

（湖北經(jīng)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(fā)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(yōu)點，在照明的同時實現(xiàn)了無線通信[1]。從一百多年前貝爾提出photophone起，經(jīng)過各類激光器與LED的逐步發(fā)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(nèi)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(xiàn)階段還未趨于成熟，在生活與工業(yè)中的推廣應用尚有許多技術難點需要解決。

1 基本結(jié)構及其特點

無線通信系統(tǒng)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(nèi)可見光通信系統(tǒng)為例，VLC基本結(jié)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(fā)射調(diào)制可見光，構成發(fā)射部分；PD與信號處理單元接收發(fā)射光并轉(zhuǎn)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(fā)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(fā)射面積和發(fā)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(qū)別外，uplink和downlink的組成結(jié)構基本相同。

實際使用的可見光網(wǎng)絡是由全雙工VLC系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡，全雙工VLC系統(tǒng)通過在通信雙方對稱配置上述uplink和downlink實現(xiàn)雙向同時工作。由于VLC系統(tǒng)中LED光源高速調(diào)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(tǒng)一般設計采用強度調(diào)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(xiàn)通信，大大提高了系統(tǒng)可靠性。

VLC由于光源的特殊性，表現(xiàn)出許多優(yōu)于傳統(tǒng)光通信（Optical Communication）和射頻通信（RF Communication）的特點。第一，不受許可證限制?？梢姽獠辉跓o線電頻譜管制范圍內(nèi)，因而不受許可證限制。第二，安全性?？梢姽鈱θ嘶緵]有傷害，將照明使用的可見光作為通信介質(zhì)安全性極高。第三，保密性。在封閉空間內(nèi)，可見光無法穿越磚墻，因而外界無法獲取通信內(nèi)容，可以有效防止信息外泄。第四，不會產(chǎn)生電磁干擾。這一點對于飛機和醫(yī)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(fā)射功率高等均為VLC優(yōu)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(lián)化體現(xiàn)，通過將交通系統(tǒng)內(nèi)所有的信息采集與管理系統(tǒng)有機結(jié)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(tǒng)（ITS）是未來交通系統(tǒng)的發(fā)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(xiàn)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(diào)整，提高交通質(zhì)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(chǎn)生電磁干擾這兩大優(yōu)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(guī)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(wǎng)絡實現(xiàn)對講和娛樂交互。

2.3 室內(nèi)定位應用

目前，室內(nèi)定位系統(tǒng)主要采用的是Bluetooth、RF和Ultrasonic，這些方式的通病在于會產(chǎn)生較大電磁干擾，穩(wěn)定性不高，且難以實現(xiàn)搞定度定位。VLC的諸多優(yōu)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(fā)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(nèi)定位系統(tǒng)，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(fā)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(lián)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(nèi)達到了1.2 Mb/s的傳輸速度。

3 可見光通信發(fā)展挑戰(zhàn)

3.1 克服光源自身不足

市面上大多數(shù)LED光源調(diào)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(zhuǎn)換，成為制約VLC高速傳輸?shù)淖畲蠖贪?。雖然已經(jīng)研發(fā)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(guī)模推廣使用。

3.2 MIMO模型改進

多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）是下一代移動通信的核心技術，MIMO可以克服VLC調(diào)頻帶寬有限的短板，大幅提高系統(tǒng)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(nèi)，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(yōu)化和改進課題也由此而來。

3.3 光電探測器研發(fā)

高質(zhì)量的光接收端探測器是增大VLC系統(tǒng)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(fā)新型高質(zhì)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(tǒng)基本組成結(jié)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(fā)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(tǒng)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(qū)，降低ISI。對于許多對數(shù)據(jù)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(jié) 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(nèi)定位和水下應用等領域。目前，面臨的主要發(fā)展挑戰(zhàn)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(yè)的發(fā)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(yōu)秀的LED產(chǎn)業(yè)基礎和科研機構的投入，已逐步走到了行業(yè)前列。未來在逐步擴大自主知識產(chǎn)權研究成果范圍的基礎上，將致力于行業(yè)標準制定和搶奪相關專利空白，占領知識經(jīng)濟高地，實現(xiàn)VLC產(chǎn)業(yè)化。