移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)的融合

武漢虹信技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司 杜建新

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，信息化、網(wǎng)絡(luò)化的不斷普及，移動(dòng)通信技術(shù)成爆炸式的增長，因而導(dǎo)致出現(xiàn)Wi-Fi頻譜資源緊缺的問題。基于此，為解決Wi-Fi頻譜資源緊缺的問題，可見光通信技術(shù)得以在此背景下不斷研究發(fā)展，可見光通信能避免電磁干擾和信號(hào)泄露，構(gòu)建安全信息移動(dòng)通信空間，同時(shí)破解電磁頻譜資源匱乏困局，無需Wi-Fi信號(hào)，一個(gè)LED燈就能上網(wǎng)，因此將移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)進(jìn)行融合，具有極高的研究價(jià)值。

可見光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號(hào)來傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用的先進(jìn)技術(shù)。移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)不斷融合，相較于傳統(tǒng)無線通信技術(shù)，具備照明和通信的兩種不同的功能，同時(shí)其通信速度在一定發(fā)展下可超過現(xiàn)有的光纖通信技術(shù)，讓移動(dòng)通信技術(shù)在可見光通信技術(shù)的輔助下“亮起來”。

1 可見光通信技術(shù)在移動(dòng)通信中的作用

1.1 可見光通信技術(shù)的介紹以及基本原理

可見光通信技術(shù)，又被稱為Visible Light Communications VLC技術(shù),它是近十年來迅速發(fā)展的一種新型無線通信方式，其使用原理是利用可見光波譜進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線傳輸技術(shù)。由于可見光與我們的日常生活息息相關(guān)，對(duì)日常生活的影響巨大，基本的公共場所例如學(xué)校、醫(yī)院、辦公室等等場所均可以看到可見光光源，因此在公共基礎(chǔ)照明設(shè)備上增加其數(shù)據(jù)傳輸、信號(hào)傳輸?shù)榷喾N功能，就可以構(gòu)建可見光無線通信網(wǎng)絡(luò)，這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，只要在室內(nèi)開啟電燈，無需WI-FI也可接入互聯(lián)網(wǎng)，極大方便人們的工作、學(xué)習(xí)以及生活。可見光無線通信技術(shù)是以公共照明設(shè)備為有效載體，在正常照明的基礎(chǔ)上，將信息通過調(diào)制解調(diào)器，讓傳輸?shù)臄?shù)字信號(hào)發(fā)射于照明設(shè)備上，利用照明設(shè)備發(fā)出快速的光脈沖無線傳輸信息，為用戶提供隨時(shí)隨地的便捷數(shù)據(jù)服務(wù)，使人們的工作、學(xué)習(xí)、生活不受時(shí)間、地點(diǎn)等現(xiàn)實(shí)原因的限制，滿足人們的生產(chǎn)生活需要。通過在燈泡上植入一個(gè)微小的芯片，就能變成使照明設(shè)備變成類似于Wi-Fi熱點(diǎn)的設(shè)備，建立無線信號(hào)通信傳輸。

1.2 可見光通信技術(shù)的特點(diǎn)

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，智能設(shè)備得到越來越多的普及，其利用率也大大提高，人們對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的依賴性越來越強(qiáng)，成為人們生活中的一部分。在網(wǎng)絡(luò)為人類帶來便利的同時(shí)，也存在諸多的現(xiàn)實(shí)問題亟待解決。比如在生活中常常因受到信號(hào)的干擾，上網(wǎng)速度慢而導(dǎo)致工作、學(xué)習(xí)效率降低，因而將移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)進(jìn)行融合是社會(huì)發(fā)展的需要。通過對(duì)可見光通信技術(shù)的深入了解，發(fā)現(xiàn)可見光通信技術(shù)有以下幾個(gè)特點(diǎn)，其一，推廣性較強(qiáng)，照明設(shè)備通常使用壽命長且沒有輻射，符合當(dāng)前人們健康生活的新理念；其二，建設(shè)成本較低，無需再建立更多的信號(hào)基站即能滿足當(dāng)前的數(shù)字信號(hào)傳輸需要；其三，傳輸速度高，在不斷發(fā)展研究之下，未來可見光通信技術(shù)的傳輸速度可能超過光纖的傳輸速度；其四，頻譜范圍更廣，傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)的頻譜寬度最大為3×102GHz，而可見光的頻譜寬度大于4×106GHz，其適用范圍將更為廣闊；其五，可見光通信技術(shù)安全性更高，傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)容易受電磁波干擾而產(chǎn)生信息泄露的情況，可見光通信技術(shù)可以彌補(bǔ)此點(diǎn)不足；其六，移動(dòng)通信技術(shù)對(duì)地下的信號(hào)覆蓋存在一定的困難，可見光通信技術(shù)可以有效覆蓋，減少通信不暢通的情況。可見光通信技術(shù)的諸多特點(diǎn)，滿足社會(huì)發(fā)展的需要。

2 移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合過程中面臨的挑戰(zhàn)

雖然社會(huì)整體大環(huán)境對(duì)于可見光通信技術(shù)的研究成果越來越多，但移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)在融合過程中仍然有很多的問題，面臨諸多的挑戰(zhàn)。在移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合過程中，并不可能每個(gè)環(huán)節(jié)都能順利推進(jìn)，其中包含很多技術(shù)難題。第一點(diǎn)，傳輸速度上提高有限，受調(diào)制解調(diào)器等影響，可見光通信的傳輸速度雖然能有所提升，甚至超越現(xiàn)在的移動(dòng)通信速度，但其提高的程度有限；第二點(diǎn)，信號(hào)回傳數(shù)據(jù)丟失，數(shù)據(jù)傳輸線和現(xiàn)有的電力線不能很好的進(jìn)行融合，容易受到干擾而將數(shù)據(jù)丟失甚至無法回傳；第三點(diǎn)，在融合過程中可見光無法穿透墻壁，信號(hào)容易被切斷，使接受信號(hào)距離受到一定的限制；第四點(diǎn)，信號(hào)上傳方面存在困難，用戶在使用移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合過程中不僅需要下載文件，同時(shí)需要上傳文件，用戶需要在傳輸過程中安裝照明設(shè)備，造成使用上的不便捷；第五點(diǎn)，照明設(shè)備光線散亂，造成光源和探測器之間存在光路接收的困難，因而用戶在使用時(shí)可能產(chǎn)生無法準(zhǔn)確介入的現(xiàn)象，影響用戶體驗(yàn)感；第六點(diǎn)，在融合過程中可能存在多個(gè)照明設(shè)備之間的互相干擾，從而導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中有碼間干擾現(xiàn)象。雖然移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合過程中面臨不少的挑戰(zhàn)，但仍應(yīng)該積極尋找有效的融合方法，促進(jìn)可見光通信技術(shù)的不斷發(fā)展。

3 移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)的融合方法

3.1 提升可見光頻率響應(yīng)，突破移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合傳輸速度低難題

在可見光通信技術(shù)中，日常的照明設(shè)備將作為通信光源，可見光光源元件和光敏元件是可見光通信系統(tǒng)的基本器件，結(jié)合其中的驅(qū)動(dòng)電路由內(nèi)向外進(jìn)行發(fā)射，發(fā)射出攜帶調(diào)制信息的可見光，而后光敏元件捕捉其中的可見光信號(hào)，進(jìn)行一定的信號(hào)傳輸。因此，可見光通信技術(shù)中的可用寬帶在一定程度上取決于照明設(shè)備的響應(yīng)頻率，所以，在移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)的融合中，我們不僅應(yīng)當(dāng)提升照明功率的基礎(chǔ)輸出量，同時(shí)還需要將照明設(shè)備的響應(yīng)頻率進(jìn)行提升，并作為融合改進(jìn)的重中之重，以期有效拓展其帶寬，突破移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合整個(gè)傳輸速度低的問題，從而逐步實(shí)現(xiàn)可見光通信技術(shù)的高傳輸，滿足未來通信技術(shù)發(fā)展。

3.2 避免建立大量的網(wǎng)絡(luò)基站，使得移動(dòng)通信的能源利用率更高

現(xiàn)在社會(huì)廣泛使用的無線電數(shù)據(jù)傳輸方式，需要耗費(fèi)大量的人力、物力以及財(cái)力，在過程中通過建立大量的基站才能達(dá)到增強(qiáng)移動(dòng)通信信號(hào)的作用。而根據(jù)社會(huì)基礎(chǔ)調(diào)查顯示，現(xiàn)在僅我國一個(gè)國家就有140萬個(gè)信號(hào)基站，這個(gè)一個(gè)十分龐大的數(shù)字。雖然我國擁有如此龐大的信號(hào)基站數(shù)量，但其中的能源利用效率卻只有5%左右，設(shè)備都存在著發(fā)熱量大、能量轉(zhuǎn)化率低等不良問題，與信號(hào)基站的數(shù)量形成鮮明的對(duì)比，并且其中超過九成的能量都轉(zhuǎn)化成熱量，往往需要引入更多的冷卻設(shè)備才能保持網(wǎng)絡(luò)基站的正常運(yùn)行，大部分能量都用在冷卻功能上，產(chǎn)生資源浪費(fèi)的現(xiàn)狀。但通過不斷的研究發(fā)現(xiàn)，可見光通信技術(shù)比之傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)，其能源利用效率卻可以高出很多，極低的發(fā)熱量使其不需要過多的冷卻設(shè)備也能穩(wěn)定運(yùn)行，解決極大的問題，帶來一定的便利。因而將移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)進(jìn)行融合，在原有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)基站的基礎(chǔ)上，不必再耗費(fèi)大量的人力、物力以及財(cái)力，額外建立更多的網(wǎng)絡(luò)基站，使移動(dòng)通信的能源利用率可以更高，其通信功率僅占照明功率的5%左右，避免造成資源的浪費(fèi)，使問題得到有效解決，推動(dòng)移動(dòng)通信的可持續(xù)發(fā)展。

3.3 借助于WI-FI可穿透的功能，增強(qiáng)可見光通信的實(shí)用性

在2011年之時(shí)，德國物理學(xué)家教授哈拉爾德·哈斯在英國愛丁堡大學(xué)TED全球公開課上，向大眾科技迷們展示了一個(gè)相對(duì)奇妙的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容如下：在哈拉爾德·哈斯身邊放置了一盞LED的臺(tái)燈，而在臺(tái)燈下30cm左右的地方又安放了一個(gè)小小的設(shè)備，當(dāng)哈拉爾德.哈斯教授將燈打開之時(shí)，燈光剛好照向這個(gè)小小的設(shè)備時(shí)，教授身后的大型顯示屏播放起花朵盛開的視頻，在場之人都被這一奇妙的現(xiàn)象所震撼，而當(dāng)哈拉爾德·哈斯教授將手遮擋在臺(tái)燈與這個(gè)小小的設(shè)備之間時(shí)，剛剛播放花朵盛開的視頻卻突然停止，視頻被迫中斷，而后哈拉爾德·哈斯教授又再一次將手移開，不再遮擋臺(tái)燈和設(shè)備時(shí)，視頻內(nèi)容又開始重新播放，在場之人無不起立鼓掌，為哈拉爾德·哈斯教授展示的這一實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象而驚喜，這就是可見光的雛形。但對(duì)于可見光通信技術(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，可見光通信技術(shù)不能穿透墻壁，這一現(xiàn)象使得WI-FI仍然具有很大的優(yōu)勢，因此現(xiàn)階段的融合研究必須借助于WI-FI可穿透的功能，利用長焦鏡頭以及光學(xué)傳感器的恰當(dāng)調(diào)整，從而得以截獲光學(xué)信號(hào)，使得可見光通信技術(shù)也可以進(jìn)行長距離、穿透性的傳輸，而不受物體等外因的遮擋，增強(qiáng)可見光通信的實(shí)用效果，從而實(shí)現(xiàn)可見光通信技術(shù)的有效傳輸。

3.4 利用可見光通信技術(shù)的安全性，構(gòu)建移動(dòng)通信安全空間

傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)在應(yīng)用的過程中，容易被其他設(shè)備的電磁干擾，存在電磁信息泄露的可能，因而傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)并不適用于高保密性的信號(hào)傳輸場所，但同時(shí)可見光通信技術(shù)又恰恰可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)移動(dòng)通信技術(shù)的此點(diǎn)不足之處，利用好可見光通信技術(shù)的安全性，構(gòu)建移動(dòng)通信的安全空間。HomeGrid論壇主席Len Dauphinee博士在2019年的DEF CON 27駭客大會(huì)上曾經(jīng)強(qiáng)調(diào)可見光通信技術(shù)可以對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)攻擊，有效避免敏感信息的泄露，降低信息泄露引發(fā)的不良情況發(fā)生，因此可用于高保密性信號(hào)傳輸場所，比如相關(guān)金融機(jī)構(gòu)、政府內(nèi)部大樓、國防部軍事基地等關(guān)鍵性場所。Len Dauphinee博士曾經(jīng)指出：“可見光使一種新型的無線傳輸技術(shù)，它具有一定的獨(dú)特能力，能夠支持各種各樣的信號(hào)傳輸通信場合，并為之提供安全支持，從而消除使用場景中的相關(guān)安全問題”。移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)的融合，可以為任何通信場景提供給為安全、可靠的信號(hào)連接解決方案，而不再需要額外的新的基礎(chǔ)設(shè)施，可見光通信技術(shù)使用現(xiàn)有的照明設(shè)備，只需要添加一個(gè)調(diào)制解調(diào)器就可以，消除被視線之外的外部無關(guān)人員截取重要數(shù)據(jù)信息的風(fēng)險(xiǎn)，提供安全、可靠的信息傳輸平臺(tái)。隨著移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)的融合，通信技術(shù)行業(yè)發(fā)展的速度越來越快，不斷向前發(fā)展，為每個(gè)人提供安全、舒適的移動(dòng)通信空間，從而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信技術(shù)更大的目標(biāo)，推動(dòng)社會(huì)發(fā)展的不斷前行。

總結(jié)：綜上所述，隨著社會(huì)的高速發(fā)展，移動(dòng)通信與可見光通信的融合是一項(xiàng)新的通信技術(shù)突破。在融合過程中，其首要目標(biāo)就是明確可見光通信技術(shù)在移動(dòng)通信中的作用，而后找到移動(dòng)通信與可見光通信技術(shù)融合面臨的挑戰(zhàn)，進(jìn)而找到融合方法，使傳輸速度有效提升、能源利用率變高，增強(qiáng)融合后通信技術(shù)的實(shí)用性，為用戶構(gòu)建安全的移動(dòng)通信空間，真正讓通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)質(zhì)的發(fā)展，使通信技術(shù)發(fā)出璀璨的光芒。