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,。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],。可見光通信（Visible Light Communication,，VLC）同時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方向傳播，但是由于LED光源個數(shù)比較多,，因而在發(fā)射機和接收機之間會存在多條不同的傳播光路,，接收機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)生一個時間差，這個時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,。這個可見光通信系統(tǒng)是可以同時雙向工作的全雙工VLC系統(tǒng)。多個這樣的系統(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,，不能因為通信功能而損害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)計成光強度調(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：

　?。?）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,。VLC系統(tǒng)采用的是高帶寬的設(shè)備,，具有高強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,。

　　（3）對人體無害：因為采用的是照明所用的白光LED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車頭燈和車尾燈實現(xiàn)車輛與車輛之間的通信。利用可見光通信,，可以實現(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同樣可以在飛機上使用，讓旅行者聽音樂和看視頻,，也可以用于飛機航行燈傳輸標(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,，因為信號衰減更嚴(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,，通過多點到多點的通信，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)到多個參考點的距離不能直接測量得到，所以通過測量到達(dá)時間（Time Of Arrival，TOA）或到達(dá)時間差（Time Difference Of Arrival,，TDOA）來間接測量距離,。

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

　　R=c×t（1）

　　得到目標(biāo)到3個LED的距離R1,，R2,，R3（c為光速）。以這3個LED為圓心,，LED到目標(biāo)的距離為半徑所得到的3個圓的交點就是目標(biāo)的位置,。采用TOA有兩個問題，第一,，所有參考點以及目標(biāo)使用的時鐘要完全同步,，否則會造成定位誤差；第二,，必須在發(fā)送信號的同時發(fā)送時間標(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)時間差的算法,。如圖4所示,，與TOA不同的是，通過測量3個信號達(dá)到的時間差來實現(xiàn)定位,。tr是發(fā)送時間,，c是光速,，根據(jù)式（2）：

　　得到目標(biāo)到3個LED的時間差,，然后采用同TOA一樣的方法實現(xiàn)2D定位。3個LED必須精確地在同一時刻發(fā)送,，由于利用的是時間差,，所以接收機不必與發(fā)射機同步。此外,，這種方法不需要加入時間標(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),，實現(xiàn)室內(nèi)定位。

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

　　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LED到目標(biāo)的距離,，從而可以很容易地實現(xiàn)目標(biāo)定位。

　　2.3 無線接入

　　上海復(fù)旦大學(xué)實驗室已成功實現(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)計通過可見光通信構(gòu)建了一個局域網(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)議實現(xiàn)無線通信。雖然目前距離通過VLC來實現(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),。

　　（1）視距路徑：在VLC中的發(fā)射機和接收機之間是通過光源定向傳播信號的,，由于視距信號強度較強的,，換句話說，它正是VLC的優(yōu)點,，所以要求視距路徑,。可見光信號不能穿過所有對象只能經(jīng)過它們反射,，這是VLC的一個覆蓋范圍的缺點同時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)射機與接收機之間的數(shù)據(jù)速率嚴(yán)重受限,。如果光敏接收機以較低的光強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,，同時數(shù)據(jù)速率也較低,。

　　（2）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?，F(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。

　?。?）背景光干擾：當(dāng)發(fā)射機的發(fā)射角度比較大時,，將會在VLC中產(chǎn)生背景光干擾。白天的時候,，背景光的變化將會導(dǎo)致信噪比下降,，這對于VLC來說是一個更加嚴(yán)重的問題。通過使用質(zhì)量更好的接收機,，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)點使得VLC的應(yīng)用越來越廣泛,。列舉了多個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研究還處于實驗階段，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)。

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