移動通信與可見光通信技術的融合

武漢虹信技術服務有限責任公司 杜建新

隨著社會的高速發展，信息化、網絡化的不斷普及，移動通信技術成爆炸式的增長，因而導致出現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，可見光通信技術得以在此背景下不斷研究發展，可見光通信能避免電磁干擾和信號泄露，構建安全信息移動通信空間，同時破解電磁頻譜資源匱乏困局，無需Wi-Fi信號，一個LED燈就能上網，因此將移動通信與可見光通信技術進行融合，具有極高的研究價值。

可見光通信技術，是利用熒光燈或發光二極管等發出的肉眼看不到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的，將高速因特網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技術。移動通信與可見光通信技術不斷融合，相較于傳統無線通信技術，具備照明和通信的兩種不同的功能，同時其通信速度在一定發展下可超過現有的光纖通信技術，讓移動通信技術在可見光通信技術的輔助下“亮起來”。

1 可見光通信技術在移動通信中的作用

1.1 可見光通信技術的介紹以及基本原理

可見光通信技術，又被稱為Visible Light Communications VLC技術,它是近十年來迅速發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行數據傳輸的全新無線傳輸技術。由于可見光與我們的日常生活息息相關，對日常生活的影響巨大，基本的公共場所例如學校、醫院、辦公室等等場所均可以看到可見光光源，因此在公共基礎照明設備上增加其數據傳輸、信號傳輸等多種功能，就可以構建可見光無線通信網絡，這種技術做成的系統能夠覆蓋室內燈光達到的范圍，只要在室內開啟電燈，無需WI-FI也可接入互聯網，極大方便人們的工作、學習以及生活。可見光無線通信技術是以公共照明設備為有效載體，在正常照明的基礎上，將信息通過調制解調器，讓傳輸的數字信號發射于照明設備上，利用照明設備發出快速的光脈沖無線傳輸信息，為用戶提供隨時隨地的便捷數據服務，使人們的工作、學習、生活不受時間、地點等現實原因的限制，滿足人們的生產生活需要。通過在燈泡上植入一個微小的芯片，就能變成使照明設備變成類似于Wi-Fi熱點的設備，建立無線信號通信傳輸。

1.2 可見光通信技術的特點

隨著社會的高速發展，智能設備得到越來越多的普及，其利用率也大大提高，人們對于網絡的依賴性越來越強，成為人們生活中的一部分。在網絡為人類帶來便利的同時，也存在諸多的現實問題亟待解決。比如在生活中常常因受到信號的干擾，上網速度慢而導致工作、學習效率降低，因而將移動通信與可見光通信技術進行融合是社會發展的需要。通過對可見光通信技術的深入了解，發現可見光通信技術有以下幾個特點，其一，推廣性較強，照明設備通常使用壽命長且沒有輻射，符合當前人們健康生活的新理念；其二，建設成本較低，無需再建立更多的信號基站即能滿足當前的數字信號傳輸需要；其三，傳輸速度高，在不斷發展研究之下，未來可見光通信技術的傳輸速度可能超過光纖的傳輸速度；其四，頻譜范圍更廣，傳統移動通信技術的頻譜寬度最大為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，可見光通信技術安全性更高，傳統的移動通信技術容易受電磁波干擾而產生信息泄露的情況，可見光通信技術可以彌補此點不足；其六，移動通信技術對地下的信號覆蓋存在一定的困難，可見光通信技術可以有效覆蓋，減少通信不暢通的情況。可見光通信技術的諸多特點，滿足社會發展的需要。

2 移動通信與可見光通信技術融合過程中面臨的挑戰

雖然社會整體大環境對于可見光通信技術的研究成果越來越多，但移動通信與可見光通信技術在融合過程中仍然有很多的問題，面臨諸多的挑戰。在移動通信與可見光通信技術融合過程中，并不可能每個環節都能順利推進，其中包含很多技術難題。第一點，傳輸速度上提高有限，受調制解調器等影響，可見光通信的傳輸速度雖然能有所提升，甚至超越現在的移動通信速度，但其提高的程度有限；第二點，信號回傳數據丟失，數據傳輸線和現有的電力線不能很好的進行融合，容易受到干擾而將數據丟失甚至無法回傳；第三點，在融合過程中可見光無法穿透墻壁，信號容易被切斷，使接受信號距離受到一定的限制；第四點，信號上傳方面存在困難，用戶在使用移動通信與可見光通信技術融合過程中不僅需要下載文件，同時需要上傳文件，用戶需要在傳輸過程中安裝照明設備，造成使用上的不便捷；第五點，照明設備光線散亂，造成光源和探測器之間存在光路接收的困難，因而用戶在使用時可能產生無法準確介入的現象，影響用戶體驗感；第六點，在融合過程中可能存在多個照明設備之間的互相干擾，從而導致數字信號在傳輸過程中有碼間干擾現象。雖然移動通信與可見光通信技術融合過程中面臨不少的挑戰，但仍應該積極尋找有效的融合方法，促進可見光通信技術的不斷發展。

3 移動通信與可見光通信技術的融合方法

3.1 提升可見光頻率響應，突破移動通信與可見光通信技術融合傳輸速度低難題

在可見光通信技術中，日常的照明設備將作為通信光源，可見光光源元件和光敏元件是可見光通信系統的基本器件，結合其中的驅動電路由內向外進行發射，發射出攜帶調制信息的可見光，而后光敏元件捕捉其中的可見光信號，進行一定的信號傳輸。因此，可見光通信技術中的可用寬帶在一定程度上取決于照明設備的響應頻率，所以，在移動通信與可見光通信技術的融合中，我們不僅應當提升照明功率的基礎輸出量，同時還需要將照明設備的響應頻率進行提升，并作為融合改進的重中之重，以期有效拓展其帶寬，突破移動通信與可見光通信技術融合整個傳輸速度低的問題，從而逐步實現可見光通信技術的高傳輸，滿足未來通信技術發展。

3.2 避免建立大量的網絡基站，使得移動通信的能源利用率更高

現在社會廣泛使用的無線電數據傳輸方式，需要耗費大量的人力、物力以及財力，在過程中通過建立大量的基站才能達到增強移動通信信號的作用。而根據社會基礎調查顯示，現在僅我國一個國家就有140萬個信號基站，這個一個十分龐大的數字。雖然我國擁有如此龐大的信號基站數量，但其中的能源利用效率卻只有5%左右，設備都存在著發熱量大、能量轉化率低等不良問題，與信號基站的數量形成鮮明的對比，并且其中超過九成的能量都轉化成熱量，往往需要引入更多的冷卻設備才能保持網絡基站的正常運行，大部分能量都用在冷卻功能上，產生資源浪費的現狀。但通過不斷的研究發現，可見光通信技術比之傳統的移動通信技術，其能源利用效率卻可以高出很多，極低的發熱量使其不需要過多的冷卻設備也能穩定運行，解決極大的問題，帶來一定的便利。因而將移動通信與可見光通信技術進行融合，在原有移動通信網絡基站的基礎上，不必再耗費大量的人力、物力以及財力，額外建立更多的網絡基站，使移動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，使問題得到有效解決，推動移動通信的可持續發展。

3.3 借助于WI-FI可穿透的功能，增強可見光通信的實用性

在2011年之時，德國物理學家教授哈拉爾德·哈斯在英國愛丁堡大學TED全球公開課上，向大眾科技迷們展示了一個相對奇妙的實驗，實驗的內容如下：在哈拉爾德·哈斯身邊放置了一盞LED的臺燈，而在臺燈下30cm左右的地方又安放了一個小小的設備，當哈拉爾德.哈斯教授將燈打開之時，燈光剛好照向這個小小的設備時，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象所震撼，而當哈拉爾德·哈斯教授將手遮擋在臺燈與這個小小的設備之間時，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，不再遮擋臺燈和設備時，視頻內容又開始重新播放，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驗現象而驚喜，這就是可見光的雛形。但對于可見光通信技術的研究發現，可見光通信技術不能穿透墻壁，這一現象使得WI-FI仍然具有很大的優勢，因此現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傳感器的恰當調整，從而得以截獲光學信號，使得可見光通信技術也可以進行長距離、穿透性的傳輸，而不受物體等外因的遮擋，增強可見光通信的實用效果，從而實現可見光通信技術的有效傳輸。

3.4 利用可見光通信技術的安全性，構建移動通信安全空間

傳統的移動通信技術在應用的過程中，容易被其他設備的電磁干擾，存在電磁信息泄露的可能，因而傳統移動通信技術并不適用于高保密性的信號傳輸場所，但同時可見光通信技術又恰恰可以彌補傳統移動通信技術的此點不足之處，利用好可見光通信技術的安全性，構建移動通信的安全空間。HomeGrid論壇主席Len Dauphinee博士在2019年的DEF CON 27駭客大會上曾經強調可見光通信技術可以對抗網絡攻擊，有效避免敏感信息的泄露，降低信息泄露引發的不良情況發生，因此可用于高保密性信號傳輸場所，比如相關金融機構、政府內部大樓、國防部軍事基地等關鍵性場所。Len Dauphinee博士曾經指出：“可見光使一種新型的無線傳輸技術，它具有一定的獨特能力，能夠支持各種各樣的信號傳輸通信場合，并為之提供安全支持，從而消除使用場景中的相關安全問題”。移動通信與可見光通信技術的融合，可以為任何通信場景提供給為安全、可靠的信號連接解決方案，而不再需要額外的新的基礎設施，可見光通信技術使用現有的照明設備，只需要添加一個調制解調器就可以，消除被視線之外的外部無關人員截取重要數據信息的風險，提供安全、可靠的信息傳輸平臺。隨著移動通信與可見光通信技術的融合，通信技術行業發展的速度越來越快，不斷向前發展，為每個人提供安全、舒適的移動通信空間，從而實現移動通信技術更大的目標，推動社會發展的不斷前行。

總結：綜上所述，隨著社會的高速發展，移動通信與可見光通信的融合是一項新的通信技術突破。在融合過程中，其首要目標就是明確可見光通信技術在移動通信中的作用，而后找到移動通信與可見光通信技術融合面臨的挑戰，進而找到融合方法，使傳輸速度有效提升、能源利用率變高，增強融合后通信技術的實用性，為用戶構建安全的移動通信空間，真正讓通信技術實現質的發展，使通信技術發出璀璨的光芒。