可見光通信的研究

摘要：文章介紹了全球可見光通信的研究現狀，并針對可見光通信研究中存在的問題提出了未來可見光通信的研究趨勢。文章認為可見光通信能夠同時實現照明與通信的功能，具有傳輸數據率高、保密性強、無電磁干擾、無需頻譜認證等優(yōu)點，已經成為世界范圍的研究熱點。文章指出可見光通信在未來的通信領域中將會占據重要的地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。

關鍵詞：發(fā)光二級管；可見光通信；正交頻分復用

Abstract： In this paper， we review the status of visible light communication and discuss research trends in this field. We suggest that illumination and communication can be achieved simultaneously， and this has the advantages of high bitrates， enhanced security， abundant spectrum resource， and no electromagnetic interference. Visible light communication will be an important part of future communication， and will greatly promote the development of information society.

Key words： light-emitting diode （LED）； visible light communication； orthogonal frequency division multiplexing （OFDM）

白光發(fā)光二極管（LED）面世后，發(fā)光效率逐步提高，其應用領域逐步從顯示擴展到照明。與傳統的照明設備相比，白光LED具有驅動電壓低、功耗低、使用壽命長等優(yōu)點，是一種綠色環(huán)保的照明器件，被視為第四代節(jié)能環(huán)保型照明設備[1]。由圖1可以看出，LED在全球照明市場中所占據的比重正逐年遞增。據專業(yè)人士預測，隨著白光LED 照明技術的不斷發(fā)展和完善，到2021年，LED將占據52%以上的全球商用照明燈泡市場份額[2-3]。

由于白光LED具有很高的響應靈敏度，因此可以被用于進行高速的數據通信?？梢姽馔ㄐ牛╒LC）就是在白光LED技術上發(fā)展起來的新型的無線光通信技術。

室內可見光通信系統示意圖如圖2所示。在可見光通信系統中，白光LED具有通信與照明的雙重功能，由于LED的調制速率非常高，人眼完全感覺不到其閃爍。可見光通信系統可利用室內白光LED照明設備代替無線局域網基站，其通信速度可達每秒數十兆至數百兆，只要在室內燈光照到的地方，就可以實現長時間的高速數據傳輸；可見光通信系統具有安全性高的特點，室內的信息不會外泄漏到室外；由于不使用無線電波通信，在對電磁信號敏感的環(huán)境中可以自由使用該系統。除此之外，與傳統的射頻通信以及紅外無線光通信技術相比，可見光通信還具有對人體安全、頻率資源豐富等優(yōu)點。

1 可見光通信的研究現狀

1.1 國際上的相關研究現狀

由于可見光通信技術具有較好的應用前景，它在未來通信領域中占有重要的地位和價值，因此很多研究機構和電信運營公司加入到無線光通信的研究領域中來，特別是日本、歐洲、美國等國家在可見光通信的領域已經投入了大量的人力、物力以及財力。

可見光通信的研究最早在日本開展。早在2000年，中川研究室的Tannaka Yuichi等人就對基于白光LED的可見光通信信道進行了初步的數學分析和仿真計算，分析了白光LED作為室內照明和通信光源的可能性[4]。2002年，中川研究室的研究人員又對可見光通信系統展開了具體的分析，包括光源屬性、信道模型、噪聲模型、室內不同位置的信噪比分布等[5]。2003年，在中川正雄的倡導下，日本可見光通信聯合體（VLCC）[6]成立，并吸引了一大批研究單位及企業(yè)參與，包括NEC、Sony、Toshiba、Samsung等。VLCC關于可見光通信的研究范圍比較寬廣，根據具體的應用場景可分為室內移動通信、可見光定位、可見光無線局域網接入、交通信號燈通信、水下可見光通信等。VLCC在可將光通信研究領域已經取得了很大的成就，例如Samsung公司展出過工作距離為1 m的100 Mbit/s雙向可見光通信系統；中川研究室還開發(fā)了基于可見光通信的超市定位及導航系統，而且是面向商業(yè)化的產品。

歐洲的OMEGA計劃 [7]也對可見光通信展開了深入的研究。OMEGA計劃由歐洲的20多家大學科研單位和企業(yè)組成，它的目標是發(fā)展出一種全新的能夠提供寬帶和高速服務的室內接入網路。OMEGA計劃把可見光通信技術列為重要的高速接入技術之一，并且已經取得了豐碩的研究成果。2009年，牛津大學的Dominic O’Brien等人利用均衡技術實現了100 Mbit/s的通信速率[8]；2010年，他們又利用多輸入多輸出（MIMO）和正交頻分復用技術（OFDM）技術，實現了220 Mbit/s的傳輸速率[9]。2010年在OMEGA計劃的年會上展出的室內可將光通信演示系統的通信速率達到了100 Mbit/s，該系統利用房間天花板上的16個白光LED通信，完成了4路高清視頻的實時廣播。在2010年1月，德國Heinrich Hertz實驗室的科研人員創(chuàng)造了可見光通信速率的世界紀錄，他們利用普通商用的熒光白光LED搭建的可見光通信系統達到了513 Mbit/s的通信速率，并且他們通過分析認為該系統的通信速率還有提升的空間，可達到700 Mbit/s甚至1 000 Mbit/s [10]。2011年，Heinrich Hertz實驗室的科研人員又利用色光三原色（RGB）型白光LED以及密集波分復用（WDM）技術實現了803 Mbit/s的通信速率[11]。

除了日本和歐洲的科研單位，美國的UC-Light[12]也是進行可見光通信研究的重要機構。UC-Light依托于加州大學的4所分校和1個美國國家實驗室，其研究人員的研究背景涉及建筑學、無線通信、網絡、照明、光學、器件等領域。UC-Light成立的目的是開發(fā)一種基于LED照明的高速通信和定位系統。

1.2 中國的研究現狀

中國的可見光通信研究起步相對較晚，與國際相比仍然落后很多，尚沒有比較成熟的商用化的可見光通信系統。近年來，在國家大力支持的背景下，中國的可見光通信研究也逐步取得了一定的進步，在可見光通信理論、系統設計和計算機仿真、實驗演示系統設計制作等方面取得了一些成果。

北京大學在2006年首次提出了基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案，并進行了一系列的理論和實驗工作。此外，在LED的調制驅動、LED陣列的布局優(yōu)化以及高靈敏度接收等方面進行了一定的研究，并在可見光通信與無源光網絡（PON）的融合接入中的物理層、鏈路層和傳輸層等方面開展了探索研究。在2010年的Intel杯大學生嵌入式系統大賽中，北京大學的參賽作品（基于白光LED的照明及綜合信息發(fā)布系統）實現了5個頻道的廣播，在6 m的工作距離下實現了3 Mbit/s的通信速率，該系統在大賽中榮獲二等獎。

1.3 可見光通信的標準化工作

由于可見光通信有著廣闊的前景，IEEE在2003年開始并最終于2011年發(fā)布了可見光通信的標準IEEE 802.15.7[13]。這是VLC的第一個標準，包含了3個物理層類型，分別對應于低中高速數據傳輸。但是，由于缺少LED照明部門的參與，IEEE 802.15.7并沒有給出可見光通信最終的標準。

在日本，VLCC也為可見光通信的標準化進行了很多年的努力。近年來，國際紅外數據協會（IrDA）和VLCC在可見光通信的標準化工作中開展了一系列的合作。2009年它們在IrDA標準的基礎上發(fā)布了第一個可見光通信標準，在這個標準下，現有的IrDA光學模塊可以在經過改造后被用于可見光通信的數據傳輸。

2 可見光通信的應用領域

可見光通信由于具有眾多的優(yōu)點，因此在很多領域具有巨大的應用前景。

（1） 照明與通信

白光LED可以同時被用于照明與通信，因此信息可以在室內環(huán)境下進行廣播[14]，并同時滿足照明的需求。此外，可見光通信還可以實現手持終端之間的點對點通信，由于發(fā)散角較小，因此可以有效地降低傳輸損耗，實現高速通信。

（2） 視覺信號與數據傳輸

信號燈在航海和地面交通等領域有著非常廣泛的應用，它通過顏色的變化來給人們提供信號，而將數據通信與信號燈相結合則可以為交通管理提供更好的安全性和可靠性。目前，基于可見光通信的信號燈已有若干演示系統，如將數據由交通燈傳遞給汽車[15]，或將數據在汽車與汽車之間傳遞等。

（3） 顯示與數據通信

LED陣列常常被用于信息顯示，如廣告牌、信息板等。若將相應的信息調制到這些LED陣列上，則可便捷地將數據傳遞給用戶手持終端[16]。這種顯示與通信相結合的系統在機場、博物館等場所有著巨大的應用前景。

（4） 室內定位

傳統的衛(wèi)星定位方法很難實現室內移動用戶的精確定位，而可見光通信則可以將用戶的位置信息通過LED照明設施來進行傳遞，從而實現精準的室內定位。目前，基于可見光通信的諸多室內定位方案已經被提出[17]，日本的VLCC則已經實現了基于超市環(huán)境下的室內定位實驗。

3 可見光通信的研究趨勢

雖然可見光通信具有巨大的應用前景，但在實用過程中還有很多關鍵問題需要解決。目前限制可見光通信發(fā)展的主要因素有：受限的LED調制帶寬、LED器件的非線性效應、可見光通信室內信道的多徑效應等等。因此，為了實現可見光通信高速的數據傳輸，以下幾個方面已經成為了可見光通信的研究趨勢。

（1）高調制帶寬的LED光源

目前商用白光LED的調制帶寬有限，只有約3～50 MHz。這是因為白光LED設計的初衷是用于照明，而并非用于通信，其結電容很大，限制了調制帶寬。因此，在保證大功率輸出的前提下，開發(fā)出具有更高調制帶寬的LED光源，將極大地促進可見光通信的發(fā)展。

（2）LED的大電流驅動和非線性效應補償技術

在可見光通信系統中，LED的工作電流較大，需要進行大電流驅動，而LED的非線性效應則會使可見光信號發(fā)生畸變。因此在實際使用中需要合理地控制偏置電壓、信號動態(tài)范圍、信號帶寬等參數，并且根據LED的非線性傳輸曲線的特征有意識地對調制信號進行預畸變處理等等，以提高調制效率，提升傳輸容量。

（3）LED光源的布局優(yōu)化

在可見光通信系統中，白光LED光源需要同時實現室內照明和通信的雙重功能，而單個LED的發(fā)光強度比較小，因此在實際系統中光源應采用多個LED組成的陣列。LED陣列的布局是影響可見光通信系統性能的重要因素之一。一方面，為了滿足室內照明的要求，首先要考慮室內照明度的分布；另一方面，為了保證通信的性能，還需要考慮室內信噪比的分布，避免盲區(qū)和陰影的出現。一般來說，LED的數目越大，室內的照明度越高，系統接受到的光信號的功率也越大，但由不同路徑造成的符號間干擾也越嚴重。因此，在對可見光通信系統的研究中，應對LED陣列進行合理的布局。

此外，對于不同的室內環(huán)境，如何迅速地建立光功率與信噪比分布模型，實現快速的智能布局也是可見光通信研究中需解決的關鍵問題。

（4）光學MIMO技術

與射頻系統相似，通過采用多個發(fā)射和接收單元的并行傳輸可以提高可見光通信的性能。此外需要指出的是，一個典型的室內照明方案需要采用白光LED陣列來滿足一定的照明度，這恰好使MIMO技術更具有吸引力。

（5）光學OFDM技術

為了在有限帶寬的條件下實現高速傳輸速率，OFDM成為了一個極具吸引力的高頻譜效率的調制技術。OFDM技術為信道色散提供了一個簡單的解決方法，而且可以完全在數字域實施，它將信道的可用帶寬劃分為許多個子信道，利用子信道間的正交性實現頻分復用，并可以在子載波上通過對比特和功率的分配來實現信號傳輸對信道條件的調節(jié)適應。由于降低了子載波的傳輸速率，延長了碼元周期，因此具有優(yōu)良的抗多徑效應性能；此外OFDM還可以使不同用戶占用互不重疊的子載波集，從而實現下行鏈路的多用戶傳輸。

（6） 高靈敏度的廣角接收技術

室內光通信系統大多數工作在直射光條件下，當室內有人走動或者在直射通道上有障礙物時，將會在接收機處形成陰影效應，影響通信性能，甚至出現通信盲區(qū)，使通信無法繼續(xù)。而采用大視場的廣角光學接收系統可以解決這一問題，其大視場角的特性可以保證同時接收直射和散射光信號，這樣就避免了“陰影”和“盲區(qū)”現象的發(fā)生。同時，室內光通信系統采用MIMO技術要求接收機能夠接收到發(fā)端LED光源陣列發(fā)出的光信號，以解析出多個獨立的通信信道。這也需要接收光學系統具有大視場特性。

（7）消除碼間干擾的技術

在室內可見光通信系統中，LED光源通常由多個發(fā)光LED陣列組成，另外為了達到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個房間通常要安裝多個LED光源。由于LED單元分布位置的不同以及墻面的反射、折射及散射，不可避免的產生碼間干擾，極大降低了系統的性能。自適應均衡技術以及前面提到的OFDM技術已經在高速無線通信中得到了廣泛的應用。在可見光通信系統中，也可以采用這些方式降低符號間干擾。目前，應用于可見光通信的均衡和OFDM技術的研究已經成為可見光通信研究中的熱點。

（8）可見光通信與現有網絡的融合接入技術

目前，全球已經開展了光纖到戶的工作，并取得很大的進展。光纖到戶后，可為單用戶提供300 Mbit/s的下行帶寬，在此網絡帶寬下，目前的微波無線低頻段廣播覆蓋的頻譜資源不夠，無法滿足如此高的帶寬需求，因此，在最后10 m距離內的高速接入將成為寬帶通信的瓶頸?？梢姽獠ǘ挝挥?80～780 nm，屬于新頻譜資源。室內可見光通信由于具有諸多優(yōu)點，已經成為了理想的短距離高速無線接入方案之一。將可見光通信系統與光纖到戶系統融合，例如，可以通過“光電—電光”的轉換將信息調制到LED光源發(fā)射到用戶終端，實現高速率、高保密性的無線光接入。此外，可見光通信可與電力線通信（PLC）技術相融合，利用現有的電力線設備傳輸信號并驅動LED光源，將會大幅度降低成本，因此，這種技術融合在未來也將會成為可見光通信的研究趨勢。

4 結束語

可見光通信能夠同時實現照明與通信的功能，具有傳輸數據率高，保密性強，無電磁干擾，無需頻譜認證等優(yōu)點，是理想的室內高速無線接入方案之一?？梢姽馔ㄐ旁谌蛞呀洺蔀榱搜芯康臒狳c，特別是日本、歐洲和美國對可見光通信的研究投入了大量的人力和物力，并取得了一定的進展。在可見光通信的研究中，高調制帶寬的LED光源、LED的大電流驅動和非線性效應補償技術、LED光源的布局優(yōu)化、光學MIMO與OFDM技術、高靈敏度的廣角接收技術、消除碼間干擾的技術以及可見光通信與現有網絡的融合接入技術等已經成為了研究趨勢?？梢姽馔ㄐ旁谖磥淼耐ㄐ蓬I域中將會占據重要的地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。

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收稿日期：2012-10-08

作者簡介

陳特，北京大學信息科學技術學院博士生；主要研究方向為光通信。

劉璐，北京大學博士畢業(yè)；北京大學信息科學技術學院副教授；主要研究領域為衛(wèi)星激光通信以及光電精密測控技術；已發(fā)表學術文章20余篇，申請發(fā)明專利5項，已獲授權3項。

胡薇薇，中國科學技術大學博士畢業(yè)；北京大學信息科學技術學院教授、博士生導師；主要研究領域為無線光通信、ROF通信、光學相控陣等；已發(fā)表學術文章100余篇，出版著作3部，已獲授權9項。