可見光通信技術(shù)

目前室內(nèi)無(wú)線通信能滿足要求的最好選擇就是白光LED。白光 LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無(wú)線高速數(shù)據(jù)接入。目前，商品化的大功率白光LED功率已經(jīng)達(dá)到5W，發(fā)光效率也已經(jīng)達(dá)到90lm/W，其發(fā)光效率(流明效率)已經(jīng)超過白熾燈，接近熒光燈。白光LED的光效超過100lm/W并達(dá)到200lm/W(可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備)在不久的將來即可實(shí)現(xiàn)。因而LED照明光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，已引起人們的廣泛關(guān)注和研究[4-5]。

經(jīng)工業(yè)和信息化部測(cè)試認(rèn)證，我國(guó)"可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究"近日獲得重大突破，實(shí)時(shí)通信速率提高至50Gbps(比特每秒)，相當(dāng)于0.2秒即可完成一部高清電影的下載。

可見光通信是利用半導(dǎo)體照明(LED燈)的光線實(shí)現(xiàn)"有光照就能上網(wǎng)"的新型高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。可見光通信技術(shù)綠色低碳、可實(shí)現(xiàn)近乎零耗能通信，還可有效避免無(wú)線電通信電磁信號(hào)泄露等弱點(diǎn)，快速構(gòu)建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

我國(guó)信息領(lǐng)域著名專家、中國(guó)工程院院士鄔江興介紹說，目前，全球大約擁有440億盞燈具構(gòu)成的照明網(wǎng)絡(luò)，數(shù)百億的LED照明設(shè)備與其它設(shè)備融合將構(gòu)筑一個(gè)巨大的可見光通信網(wǎng)。可以設(shè)想，未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可見光通信后，每盞燈都可以當(dāng)做一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，人們等車的時(shí)候在路燈下就可下載幾部電影，在飛機(jī)、高鐵上也可借助LED光源無(wú)線高速上網(wǎng)，滿足室內(nèi)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、安全支付、智慧城市、國(guó)防通信、武器裝備、電磁敏感區(qū)域等網(wǎng)絡(luò)末端無(wú)線通信需求，為互聯(lián)網(wǎng)+提供一種嶄新的廉價(jià)接入方法。

鄔江興預(yù)測(cè)，在未來數(shù)十年內(nèi)，信息的傳輸量將超出現(xiàn)有無(wú)線電頻譜的承載能力，可見光通信技術(shù)可有效突破無(wú)線電頻譜資源嚴(yán)重匱乏的困局，是具有廣闊應(yīng)用前景的下一代無(wú)線通信技術(shù)之一，可形成萬(wàn)億級(jí)年產(chǎn)值的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

高速傳輸一直是可見光通信領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)課題之一，解放軍信息工程大學(xué)于宏毅研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用光學(xué)和電學(xué)相協(xié)同的處理方法，突破了可見光空間通道互干擾高效抑制等關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)入集成化、微型化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段。這所大學(xué)是國(guó)內(nèi)較早從事可見光通信技術(shù)研發(fā)的科研單位，2013年?duì)款^承擔(dān)了我國(guó)首個(gè)可見光863計(jì)劃項(xiàng)目，并組建了"中國(guó)可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟"。經(jīng)過3年多的科技攻關(guān)，先后研發(fā)成功"可見光點(diǎn)播電視業(yè)務(wù)""可見光新型無(wú)線廣播""可見光精確定位"等應(yīng)用示范系統(tǒng)。

LED無(wú)線通信的研究在日本首先開展

將LED照明燈組成可見光無(wú)線通信系統(tǒng)的研究工作，在日本首先開展，并得到日本政府的重視。在2006-11-28發(fā)布的科技日?qǐng)?bào)報(bào)道:"日本總務(wù)省計(jì)劃與NTT研究所及NEC公司等聯(lián)手，共同開發(fā)一種利用照明燈光傳輸高速信息的"可見光通信"系統(tǒng)。日本政府將把這一技術(shù)作為下一代寬帶網(wǎng)普及，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)實(shí)用化"。

室內(nèi)白光LED無(wú)線通信的研究在日本首先開展。日本大學(xué)的日本KEIO大學(xué)的Tanaka等人和SONY計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無(wú)線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)[4]。他們以Gfeller和Bapst的室內(nèi)光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，并認(rèn)為L(zhǎng)ED光源滿足朗伯(Lambertian)照射形式,且以強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)(IM-DD)為光調(diào)制形式進(jìn)行了建模仿真，獲得了數(shù)據(jù)率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系。認(rèn)為當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在10Mbps以下的系統(tǒng)是可行的，碼間干擾(InterSymbol Interference, ISI)和多徑效應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的兩大因素。2001年,Tanaka等人在原來的基礎(chǔ)上分別采用OOK_RZ調(diào)制方式與OFDM調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真[6]，結(jié)果表明::當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在100Mbps以下時(shí)這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的，當(dāng)數(shù)據(jù)率大于100Mbps時(shí)，OFDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK_RZ調(diào)制技術(shù)。

Tanaka和Komine等人的具體分析

2002年, Tanaka和Komine等人對(duì)LED可見光無(wú)線通信系統(tǒng)展開了具體分析[7]，包括光源屬性信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等，求出了系統(tǒng)所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以O(shè)OK_RZ、OOK_NRZ、m-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真分析,得到了不同條件下的誤碼率大小。同年Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對(duì)可見光無(wú)線系統(tǒng)造成的影響，分別以O(shè)OK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真，結(jié)果表明:在數(shù)據(jù)率小于60Mbps，接收視場(chǎng)角小于50度的條件下，采用8-PPM調(diào)制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應(yīng)。以后, Komine等繼續(xù)對(duì)LED單元燈的設(shè)計(jì)布局、可見光傳播信道(分直達(dá)信道和反射信道兩部分)、室內(nèi)人員走動(dòng)導(dǎo)致的反射陰影、墻壁反射光,碼間干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響等展開研究[8]，并得出了不同接收視場(chǎng)角和不同數(shù)據(jù)傳送率下各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響曲線。同年，Komine等提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[9]。2005年, Komine等利用基于最小均方誤差算法的自適應(yīng)均衡技術(shù)來克服碼間干擾(ISI) [10]。仿真表明在數(shù)據(jù)率為400Mbps以下時(shí)，F(xiàn)IR均衡器和DFE均衡器都可有效減少ISI的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)率高于400Mbps時(shí)，DFE均衡器更能有效克服ISI。

應(yīng)用前景非?？春?/p>

國(guó)內(nèi)在這方面的研究剛剛起步，暨南大學(xué)光電工程系的陳長(zhǎng)纓教授對(duì)LED發(fā)光特性、室內(nèi)通信鏈路和信道模型進(jìn)行了初步的研究 [11]。

總之，LED照明光無(wú)線通信在國(guó)外也還出在起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非?？春?，不僅可以用于室內(nèi)無(wú)線接入，還可以為城市車輛的移動(dòng)導(dǎo)航及定位提供一種全新的方法。汽車照明燈基本都采用LED燈，可以組成汽車與交通控制中心、交通信號(hào)燈至汽車、汽車至汽車的通信鏈路。這也是LED可見光無(wú)線通信在智能交通系統(tǒng)的發(fā)展方向。

與目前使用的無(wú)線局域網(wǎng)(無(wú)線LAN)相比，"可見光通信"系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替無(wú)線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號(hào)，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。利用專用的、能夠接發(fā)信號(hào)功能的電腦以及移動(dòng)信息終端，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以長(zhǎng)時(shí)間下載和上傳高清晰畫像和動(dòng)畫等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還具有安全性高的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線，信息就不會(huì)外泄至室外，同時(shí)使用多臺(tái)電腦也不會(huì)影響通信速度。由于不使用無(wú)線電波通信，對(duì)電磁信號(hào)敏感的醫(yī)院等部門可以自由使用該系統(tǒng)。

無(wú)需WiFi信號(hào)，點(diǎn)一盞LED燈就能上網(wǎng)。一種利用屋內(nèi)可見光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的國(guó)際前沿通訊技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)。研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M，堪稱世界最快的"燈光上網(wǎng)"。可見光通訊被稱為L(zhǎng)ifi 。

無(wú)線電信號(hào)傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機(jī)，全球數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站幫助其增強(qiáng)信號(hào)，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡，尤其在國(guó)內(nèi)LED光源正在大規(guī)模取代傳統(tǒng)白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個(gè)微芯片，便可讓燈泡變成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。

可見光通訊安全又經(jīng)濟(jì)?？蒲腥藛T不僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中利用可見光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，并且實(shí)現(xiàn)能夠"一拖四"，即點(diǎn)亮一盞小燈，4臺(tái)電腦即可同時(shí)上網(wǎng)、互傳網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。光和無(wú)線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的基本原理是一致的。

給普通的LED燈泡裝上微芯片，可以控制它每秒數(shù)百萬(wàn)次閃爍，亮了表示1,滅了代表0。由于頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化。二進(jìn)制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號(hào)并進(jìn)行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過一套特制的接收裝置傳輸信號(hào)。有燈光的地方，就有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。關(guān)掉燈，網(wǎng)絡(luò)全無(wú)。與現(xiàn)有WiFi相比，未來的可見光通訊安全又經(jīng)濟(jì)。WiFi依賴看不見的無(wú)線電波傳輸，設(shè)備功率越來越大，局部電磁輻射勢(shì)必增強(qiáng);無(wú)線信號(hào)穿墻而過，網(wǎng)絡(luò)信息不安全。這些安全隱患，在可見光通訊中"一掃而光"。而且，光譜比無(wú)線電頻譜大10000倍，意味著更大的帶寬和更高的速度，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置又幾乎不需要任何新的基礎(chǔ)設(shè)施。

LED照明光通信技術(shù)