可見光在通信技術中的應用研究

張經緯 焦 爽

華北水利水電大學電力學院（河南 鄭州 450011）

0 引言

隨著我國通信技術及互聯網技術的發展，人們對通信的需求不斷增加，電磁波頻率資源已無法滿足社會發展及人們生活的需要。可見光由于具有頻率高、不易被干擾、儲量豐富、且無污染等優點，已逐漸被應用到通信技術中，可見光無線通信技術應運而生。可見光無線通信技術最早是由德國物理學家Harald Hass教授提出的，是一種利用發光二極管（LED）的快速響應特性實現高速數據傳輸的綠色信息技術，學術界一般稱之為可見光通信技術[1]。分析和試驗均證明了可見光通信在提供高速數據通信方面具有較大的潛力，同時，其在通信安全性與私密性方面也具備極大的優勢。雖然可見光通信的應用范圍涵蓋了諸多領域，但受制于自身不足，其發展仍然面臨許多問題。

1 可見光通信技術的產生背景

（1）頻譜資源短缺。隨著5G通信與互聯網技術的進步，人們的通信需求不斷擴大，以厘米波為代表的GHz無線電資源已不足，頻譜資源越來越緊缺[2]。據估算，5 000 MHz以下的頻譜被開發殆盡，沒有足夠的頻率配置后續的無線通信[3]。國際電信聯盟（ITU）警示：擠占頻率資源將導致全球頻譜使用超負荷；全球無線頻譜的使用效率只有在現基礎上提升10倍左右才能滿足當下的需求[4]。為緩解日益增長的無線通信需求與頻率資源緊缺之間的矛盾，新的無線通信技術亟待發展，其中一個重要途徑就是利用可見光取代無線電。

（2）LED不斷進步。1996年第一批LED商業化后不久，人們就意識到LED作為照明光源的前景。LED耐用性好、低碳高效、不含汞，與白熾燈相比可減少約90%的能耗，且生命周期增加了30倍，因此傳統照明技術日漸被固態照明取代。隨著LED生產技術水平的提高，LED的價格不斷下降，功耗不斷降低，預計未來LED在照明市場的份額將增至約70%。LED光源在公共室內場所分布廣泛，使其具備了提供便捷、高效無線通信的便利條件。

2 可見光通信技術的優勢

（1）適用性廣。無線電的使用會對飛機、工業、科學或醫療等設備產生干擾。當發射功率過高時，電磁波也會對人體或設備體造成傷害。此外，在開采石油、天然氣或煤等資源時，無線電的使用也具有較高的危險。由此可見，無線電通信應用場景有限，在許多對無線電信號敏感的工況下不宜使用。可見光通信技術無電磁污染，安全范圍廣。可見光對設備的損傷和對人體的傷害微乎其微。同時，可見光頻率非常高，不存在電磁干擾。

（2）資源豐富。無線電波是頻率在3 000 GHz以下的電磁波，其中30 GHz以下的一般用于民用通信。可見光波長為380～780 nm，頻率為4.2×1014～7.8×1014Hz。可見光通信技術具有更寬的頻帶，是無線電的105倍，這意味著其頻譜資源豐富，可在很大程度上緩解緊張的無線電頻譜。無線電波與可見光波頻譜示意圖如圖1所示。

圖1 無線電波與可見光波頻譜示意圖

（3）速率快。在通信上，一般認為媒介工作頻率越高，其傳輸信號的帶寬就越寬，系統的信息傳輸能力就越大。根據香農第二定理，可得出如下結論：

式中：B為信道帶寬；S為信號平均功率；n0為單邊功率密度。

由公式（1）可知，信息的運載能力與信道帶寬成正相關。據此計算，可見光通信技術的最大理論速率為無線電的1 000倍；受條件限制，實測最高速率50 Gb/s，是IEEE 802.11ac標準下Wi-Fi的23倍。

（4）安全私密。無線電波衍射能力強，能繞過障礙物（如墻壁、車輛等），因此無線電通信的傳輸信號不易被阻擋、傳輸范圍不容易受限。黑客能借此入侵連接至同一路由器的移動終端，會造成信息泄露，埋下安全隱患。可見光無法繞過或穿透不透明物體，可見光通信技術的信息傳輸范圍只局限于照明范圍，因此傳輸范圍容易控制，只要遮住光源，照明區以外就無信息泄露，安全性大幅度提高。2011年，德國物理學家Harald Haas教授在英國愛丁堡大學通過暗色紙板遮擋可見光通信技術的光源實現了視頻的播放與暫停，驗證了可見光通信技術的安全性。

鑒于可見光通信的獨特優勢，光通信技術已逐漸受到各國政府的重視，成為重大的科學主題和研究熱點。早在2000年，慶應義塾大學就提出了可用于家庭網絡的白光LED可見光通信[5]；日本隨后也成立了可見光通信協會（VLCC）；美國國家科學基金會（NSF）成立的照明系統研究與應用中心（LESA）成功研制了全球首個高速率、零誤差且可長距離傳輸的可見光全集成微芯片接收機鏈路。我國復旦大學、東南大學、北京郵電大學、華中科技大學、中國科學院半導體研究所等高校與科研院所，在先進調制均衡技術和高速可見光傳輸方面也取得了一系列成果。

3 可見光通信技術的應用場景

根據可見光通信技術的工作環境，將該技術的應用場景分為兩類：一類是室外場景，另一類是室內場景。

3.1 室外場景

室外場景的主要應用對象是智能交通運輸系統（ITS）。智能交通運輸系統涉及先進信息處理技術、控制技術、傳感器技術和通信技術等。可見光通信技術在智能交通系統中的應用就是依此背景實現的。可見光通信技術網絡由車載單元、各類車輛和交通基礎設施（交通燈、路燈或路邊廣告牌等）組成，其以車輛的照明燈為光源，光檢測元件被放置在光源的側邊。為了擴大覆蓋范圍，可以在車輛側面（如后視鏡的后側）安裝額外的光檢測元件。汽車上的圖像傳感器或攝像頭可用作可見光通信技術的接收器件[6]。

具備可見光通信技術功能的車輛可以通過該技術實現車輛之間及與交通基礎設施之間的通信，實現車輛間高速數據傳輸、車輛定位、車輛安全駕駛和避障等。可見光通信技術在智能交通系統中的應用如圖2所示。根據試驗評估，可以在70 m實現50 Mb/s的數據傳輸速率。

圖2 可見光通信技術在智能交通系統中的應用

3.2 室內場景

由于可見光在空間自由信道中易散射，因此短距離（室內）場景是可見光通信技術的一大研究熱點。室內可見光通信技術主要分為低速和高速兩種工作方式。低速方式速率的要求不高，一般應用在室內定位方面。高速方式的目的則是利用復雜的調制格式（如正交頻分復用）完成高速數據傳輸。

可見光通信技術室內定位技術利用微控制單元將坐標位置數據編碼成LED光信息并發送，通過接收端的光傳感器等裝置接收信號，并將光信號轉化為電信號，最后處理和分析解調數據，并給出被測點的位置。應用了可見光通信技術的室內定位系統可以為視障人士導航；傳感器可以根據光源方向計算當前點的位置，在后臺處理后選擇路徑，以聲音方式引導視覺障礙者。

大型展館室內定位與高速數據傳輸相結合是可見光通信技術定位的另一個應用方向，其可以為室內人員提供位置監測、智慧導覽等服務，數據傳輸功能可以在大型會議、展覽中應用。此外，可見光通信技術在室內還可以應用于手機支付、視頻或圖像傳輸等。

4 可見光通信技術存在的問題

可見光通信技術雖然具有很大的優勢，有效彌補了無線電技術的缺陷，但其自身仍然存在一些問題，這些問題使其在商業化應用中難以迅速推廣。文章主要介紹信道障礙、上行通信實現困難兩個方面的問題。

4.1 信道障礙

（1）非完全障礙。非完全障礙僅對可見光通信技術造成暫時的影響，在障礙作用期間仍然可以實現無線通信。因為室內可見光通信技術系統信號在自由空間內傳播，沒有硬載體，所以在通信過程中，外界因素的影響會造成可見光通信障礙，如飛蟲或細顆粒物等都會停留在空氣中阻擋信道，從而削弱正常通信。

（2）完全障礙。完全障礙和非完全障礙有很大的差異：非完全障礙是指僅對可見光通信技術造成暫時的影響，且容易排除的障礙；而完全障礙對可見光通信技術造成的影響是持續的、不可逆轉的。當信道被障礙物完全擋住時，全部的光源信號都會被切斷，因此接收端無法接收任何來自發射端的信號，可見光通信技術也會完全停滯。

（3）多徑效應。作為電磁波的一種，可見光在大氣環境下會發生反射，人的衣物形成的漫反射，水杯、鏡面、墻面或其他光滑物體的鏡面反射光會使接收器接收多路信號，這被稱為多徑效應。多徑效應示意圖如圖3所示。多徑效應會增加可見光通信技術的傳輸距離，降低信號接收效率。

圖3 多徑效應示意圖

4.2 上行通信實現困難

可見光通信技術的上行傳輸很難利用可見光實現。理論上，要利用可見光上行通信，需要在接收芯片中嵌入用于上行傳輸的LED燈，并在下行傳輸的LED旁側加裝接收上行信號的光檢測器件。用于上行的LED體積受功率限制，這就限制了上行傳輸的速率與可靠性。

5 結束語

可見光通信技術的應用范圍很廣，涵蓋了室內點對點通信、智能交通系統、智慧城市、智能物流與倉儲、定位系統、可穿戴設備、公共衛生等諸多領域。經過不斷發展，可見光通信技術無論是在理論還是應用方面，均取得了大量研究成果，極大地推動了自身的發展，也加快了該技術的實用化進程。在解決LED器件關鍵技術、雙向通信、信道障礙等難題的基礎上，可見光通信技術無疑將在5G通信中扮演極其重要的角色，成為現有無線通信方式的有效補充。