可見光通信的研究與發展

費海榮

（南京郵電大學　通信與信息工程學院，江蘇　南京　210003）

可見光通信的研究與發展

費海榮

（南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京210003）

可見光通信是一種新型的無線通信技術。傳統的無線通信技術例如藍牙、WiFi等采用射頻信號傳輸數據信息，而可見光通信在發射端采用白光發光二極管作為光源，在接收端采用光電傳感器作為檢測器進行數據傳輸。本文全面分析了可見光通信的優勢，列舉了可見光通信技術在國內外的應用研究與發展，并給出了目前可見光通信發展中面臨的一些挑戰。

可見光通信；智能交通；室內定位；無線接入

0　引言

自從高亮度的白光發光二極管（LightEmitting 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、綠色環保等優點。另外，白光LED具有非常高的響應靈敏度，因此可以采用LED進行高速數據通信［1］。可見光通信（Visible Light Communication，VLC）同時具有照明和通信的優勢。隨著LED在交通、室內照明和傳感技術等不同領域的廣泛應用，LED可見光通信有望成為無處不在的通信手段，被認為是極具發展潛力和應用前景的技術［2］。當然，目前的可見光通信技術的發展還面臨著一些挑戰。

1　可見光通信的基本結構與優勢

圖1是可見光通信系統的典型系統組成框圖。從圖中可知可見光通信系統包括上行鏈路和下行鏈路兩部分。下行鏈路包括白光LED發送陣列和終端發送接收機的接收部分。白光LED陣列發出的已調光以很大的發射角度往空間的各個方向傳播，但是由于LED光源個數比較多，因而在發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）的不同的光路到達接收端會產生一個時間差，這個時間差將會引起碼間干擾（inter-symbol interference，ISI）。

圖1　系統組成框圖

由于白光LED發出的是照明所用的可見光，且發射角度較大，對人體是無害的，所以可以使用較大的發射功率發送信號，提高系統的可靠性和穩定性。接收機部分采用光電器件檢測接收到的光信號，然后轉換為電信號，對電信號進行放大和處理，恢復出發送的信號。該系統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直，會采用發射角較小、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是可以同時雙向工作的全雙工VLC系統。多個這樣的系統可以組成可見光網絡。在VLC系統中的白光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制速率，使得人眼完全感覺不到光的閃爍。

目前大多數VLC系統設計成光強度調制/直接檢測（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD）系統，采用曼徹斯特編碼和開關鍵控（On-Off Keying，OOK）調制方式。

VLC通信技術相比于其他現存的無線通信技術具有以下優勢：

（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，科學和醫療）頻段，不需要牌照而且免費。VLC系統采用的是高帶寬的設備，具有高強度的光輸出和低干擾。這些都可以使得VLC系統獲得高數據速率。

（2）成本低：VLC系統需要的器件比RF系統少得多，這將會大大降低成本。LED光源的高發光效率使得數據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、醫院等場所是不允許使用的。

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

2　可見光通信的應用研究與發展

VLC已經被應用到很多領域當中，引起了人們極大的關注。下面是目前國內外非常熱門的幾個VLC的應用研究方向。

2.1智能交通

［3］中提出了利用可見光通信實現路燈與車輛的通信。參考文獻［4］中利用高速圖像傳感器檢測LED交通燈的光信號實現信號燈與車輛的通信。文獻［5］中采用LED車頭燈和車尾燈實現車輛與車輛之間的通信。利用可見光通信，可以實現如圖2所示的智能交通網絡。在現代的交通設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，因為信號衰減更嚴重［7］。

圖2　VLC在智能交通中的應用

2.2室內定位

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

國內外對于基于LED可見光的室內定位技術主要分為非成像定位技術和成像定位技術兩種。目前基于VLC的室內定位技術的研究主要集中在成像定位技術上。

2.2.1非成像定位

非成像定位使用傳統的定位方法，通過多點到多點的通信，根據距離和角度進行定位，主要使用三角測量法。由于目標到多個參考點的距離不能直接測量得到，所以通過測量到達時間（Time Of Arrival，TOA）或到達時間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）來間接測量距離。

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

得到目標到3個LED的距離R1，R2，R3（c為光速）。以這3個LED為圓心，LED到目標的距離為半徑所得到的3個圓的交點就是目標的位置。采用TOA有兩個問題，第一，所有參考點以及目標使用的時鐘要完全同步，否則會造成定位誤差；第二，必須在發送信號的同時發送時間標記，這會影響一定的數據速率。

圖3　TOA測量方法示意圖

參考文獻［8］采用基于到達時間差的算法。如圖4所示，與TOA不同的是，通過測量3個信號達到的時間差來實現定位。tr是發送時間，c是光速，根據式（2）：

得到目標到3個LED的時間差，然后采用同TOA一樣的方法實現2D定位。3個LED必須精確地在同一時刻發送，由于利用的是時間差，所以接收機不必與發射機同步。此外，這種方法不需要加入時間標記信號，避免了傳輸速率的損耗。

圖4　TDOA測量示意圖

2.2.2成像定位

基于成像的可見光定位系統，利用LED陣列作為發射端，對其上的像素進行調制，接收端采用圖像傳感器對接收到的圖像進行處理，解調出發送的數據，實現室內定位。

參考文獻［9］采用雙圖像傳感器實現VLC室內定位。發送陣列中至少4個LED發送其三維坐標，通過兩個光學透鏡接收，然后兩個圖像傳感器解調出坐標，如圖5所示，任何一個LED到目標的距離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到目標的距離，從而可以很容易地實現目標定位。

2.3無線接入

上海復旦大學實驗室已成功實現光照上網（Light Fidelity，LiFi）技術，科研人員將網絡信號接入一盞1W的LED燈內，燈光所到的4臺電腦立即可以正常上網。

圖5　成像定位的幾何示意圖

參考文獻［10］構建了一個基本的VLC無線接入系統。如圖6所示為其軟硬件架構示意圖。該設計通過可見光通信構建了一個局域網，并提供了一種新的方法，使得數字移動終端之間通過PPP協議實現無線通信。雖然目前距離通過VLC來實現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。

圖6　無線接入軟硬件架構示意圖

3　可見光通信面臨的挑戰

在目前的VLC技術的研究中，依然存在著一些需要解決的問題，VLC在進一步發展中還面臨許多挑戰。

（1）視距路徑：在VLC中的發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勢［11-12］。光反射將會損失很多的能量，導致發射機與接收機之間的數據速率嚴重受限。如果光敏接收機以較低的光強度水平接收到光信號，則意味著較低的數據速率。所以，非視距信號的能量較低，同時數據速率也較低。

（2）發送源：目前用作VLC發射源的LED不是專業理想的VLC光源。現在的LED光源更多的是考慮為照明使用，而非用于數據通信。其數據通信特性還不夠理想。

（3）多徑衰落：由于寬波束發射的作用，相同的信號經過不同的路徑產生不同的時延和不同的路徑長度，會導致多徑衰落，將會產生嚴重影響VLC性能的碼間干擾。

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

4　結論

VLC已成為一個萬眾期待的技術。這里全面分析了VLC相比其他傳統無線通信系統的優勢，例如大容量、低成本、安全性和保密性等。這些優點使得VLC的應用越來越廣泛。列舉了多個VLC的熱門應用研究方向，比如智能交通網絡、室內定位與導航、家庭無線寬帶接入等等。當然，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。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。

參考文獻

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Research and development of visible light communication

Fei Hairong

（College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Visible light communication is a new technique of wireless communication.Traditionally，data or information is transmitted over the wireless medium using radio frequency signal in conventional wireless communication like Bluetooth and WiFi.However，white light emitting diodes used as transmitters and photoelectric sensors used as receivers are adopted to deliver data or information.In this paper，advantages of VLC，applications and development of VLC，challenges for VLC are provided.

visible light communication；intelligent transportation；indoor positioning；wireless access

TN929.1

A

1674-7720（2015）15-0011-04

費海榮.可見光通信的研究與發展［J］.微型機與應用，2015，34（15）：11-14.

2015-03-11）

費海榮（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：下一代網絡。E-mail：22727137@qq.com。