可見(jiàn)光通信的研究與發(fā)展

費(fèi)海榮

（南京郵電大學(xué)　通信與信息工程學(xué)院，江蘇　南京　210003）

可見(jiàn)光通信的研究與發(fā)展

費(fèi)海榮

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇南京210003）

可見(jiàn)光通信是一種新型的無(wú)線通信技術(shù)。傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)例如藍(lán)牙、WiFi等采用射頻信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)信息，而可見(jiàn)光通信在發(fā)射端采用白光發(fā)光二極管作為光源，在接收端采用光電傳感器作為檢測(cè)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本文全面分析了可見(jiàn)光通信的優(yōu)勢(shì)，列舉了可見(jiàn)光通信技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用研究與發(fā)展，并給出了目前可見(jiàn)光通信發(fā)展中面臨的一些挑戰(zhàn)。

可見(jiàn)光通信；智能交通；室內(nèi)定位；無(wú)線接入

0　引言

自從高亮度的白光發(fā)光二極管（LightEmitting Diode，LED）面世后，隨著光效的提高，白光LED越來(lái)越多地被用作有效光源取代白熾燈泡和熒光燈。與傳統(tǒng)的照明器件相比，白光LED具有功耗低、使用壽命長(zhǎng)、尺寸小、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。另外，白光LED具有非常高的響應(yīng)靈敏度，因此可以采用LED進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信［1］?？梢?jiàn)光通信（Visible Light Communication，VLC）同時(shí)具有照明和通信的優(yōu)勢(shì)。隨著LED在交通、室內(nèi)照明和傳感技術(shù)等不同領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，LED可見(jiàn)光通信有望成為無(wú)處不在的通信手段，被認(rèn)為是極具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的技術(shù)［2］。當(dāng)然，目前的可見(jiàn)光通信技術(shù)的發(fā)展還面臨著一些挑戰(zhàn)。

1　可見(jiàn)光通信的基本結(jié)構(gòu)與優(yōu)勢(shì)

圖1是可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的典型系統(tǒng)組成框圖。從圖中可知可見(jiàn)光通信系統(tǒng)包括上行鏈路和下行鏈路兩部分。下行鏈路包括白光LED發(fā)送陣列和終端發(fā)送接收機(jī)的接收部分。白光LED陣列發(fā)出的已調(diào)光以很大的發(fā)射角度往空間的各個(gè)方向傳播，但是由于LED光源個(gè)數(shù)比較多，因而在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間會(huì)存在多條不同的傳播光路，接收機(jī)會(huì)收到來(lái)自不同光源的信號(hào)。來(lái)自視距路徑（Line Of Sight，LOS）和非視距路徑（Non-Line Of Sight，NLOS）的不同的光路到達(dá)接收端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間差，這個(gè)時(shí)間差將會(huì)引起碼間干擾（inter-symbol interference，ISI）。

圖1　系統(tǒng)組成框圖

由于白光LED發(fā)出的是照明所用的可見(jiàn)光，且發(fā)射角度較大，對(duì)人體是無(wú)害的，所以可以使用較大的發(fā)射功率發(fā)送信號(hào)，提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。接收機(jī)部分采用光電器件檢測(cè)接收到的光信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和處理，恢復(fù)出發(fā)送的信號(hào)。該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路除了使用的光源不同之外，其它基本一致。上行鏈路采用的光源仍為白光LED光源，只不過(guò)為了使光束更加準(zhǔn)直，會(huì)采用發(fā)射角較小、面積較小的白光LED。然后在天花板上安裝光電檢測(cè)裝置接收來(lái)自終端的光信號(hào)。這個(gè)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)是可以同時(shí)雙向工作的全雙工VLC系統(tǒng)。多個(gè)這樣的系統(tǒng)可以組成可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)。在VLC系統(tǒng)中的白光LED具有通信和照明的雙重作用，不能因?yàn)橥ㄐ殴δ芏鴵p害LED原本的照明功能，所以需要采用非常高的調(diào)制速率，使得人眼完全感覺(jué)不到光的閃爍。

目前大多數(shù)VLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接檢測(cè)（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD）系統(tǒng)，采用曼徹斯特編碼和開(kāi)關(guān)鍵控（On-Off Keying，OOK）調(diào)制方式。

VLC通信技術(shù)相比于其他現(xiàn)存的無(wú)線通信技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）容量大：可見(jiàn)光頻譜是射頻頻譜的10 000倍。另外，可見(jiàn)光譜屬于ISM（工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療）頻段，不需要牌照而且免費(fèi)。VLC系統(tǒng)采用的是高帶寬的設(shè)備，具有高強(qiáng)度的光輸出和低干擾。這些都可以使得VLC系統(tǒng)獲得高數(shù)據(jù)速率。

（2）成本低：VLC系統(tǒng)需要的器件比RF系統(tǒng)少得多，這將會(huì)大大降低成本。LED光源的高發(fā)光效率使得數(shù)據(jù)傳輸要求的功耗可以忽略不計(jì)。

（3）對(duì)人體無(wú)害：因?yàn)椴捎玫氖钦彰魉玫陌坠釲ED作為發(fā)射光源，所以對(duì)于人體是健康無(wú)害的。而射頻（Radio Frequency，RF）天線在化工廠、醫(yī)院等場(chǎng)所是不允許使用的。

（4）保密性好：VLC系統(tǒng)的通信邊界被限制在照明區(qū)域內(nèi)，不可跨越被照明區(qū)域的墻壁之外。這很好地將自己的信號(hào)限制在了自己的使用區(qū)域內(nèi)，防止了被別人占用此VLC網(wǎng)絡(luò)［3］。

2　可見(jiàn)光通信的應(yīng)用研究與發(fā)展

VLC已經(jīng)被應(yīng)用到很多領(lǐng)域當(dāng)中，引起了人們極大的關(guān)注。下面是目前國(guó)內(nèi)外非常熱門的幾個(gè)VLC的應(yīng)用研究方向。

2.1智能交通

［3］中提出了利用可見(jiàn)光通信實(shí)現(xiàn)路燈與車輛的通信。參考文獻(xiàn)［4］中利用高速圖像傳感器檢測(cè)LED交通燈的光信號(hào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)燈與車輛的通信。文獻(xiàn)［5］中采用LED車頭燈和車尾燈實(shí)現(xiàn)車輛與車輛之間的通信。利用可見(jiàn)光通信，可以實(shí)現(xiàn)如圖2所示的智能交通網(wǎng)絡(luò)。在現(xiàn)代的交通設(shè)備中越來(lái)越多地用到了LED光源，這種LED光源可用于道路交通燈與車輛間以及車輛與車輛之間的通信。這樣將有效提高道路安全和交通管理。VLC同樣可以在飛機(jī)上使用，讓旅行者聽(tīng)音樂(lè)和看視頻，也可以用于飛機(jī)航行燈傳輸標(biāo)識(shí)［6］。在水下通信中VLC也比RF傳輸更加行之有效，水下RF通信是非常困難的，因?yàn)樾盘?hào)衰減更嚴(yán)重［7］。

圖2　VLC在智能交通中的應(yīng)用

2.2室內(nèi)定位

現(xiàn)有的主流定位系統(tǒng)主要是基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）和無(wú)線電技術(shù)。GPS能夠很好地應(yīng)用于室外定位，但是由于其依賴于無(wú)線電傳播，在室內(nèi)的覆蓋很小，導(dǎo)致其在室內(nèi)的定位中出現(xiàn)較大的誤差，因而不適用于室內(nèi)定位?；跓o(wú)線電技術(shù)的室內(nèi)定位方案主要有：WLAN、RFID、UWB、超聲波技術(shù)、Bluetooth等。但是大多數(shù)基于無(wú)線電通信的系統(tǒng)都會(huì)受到電磁干擾的影響，所以限制了這些技術(shù)在特定場(chǎng)所的使用，而VLC不產(chǎn)生任何射頻干擾，受到的干擾也較少，更適用于室內(nèi)定位。

國(guó)內(nèi)外對(duì)于基于LED可見(jiàn)光的室內(nèi)定位技術(shù)主要分為非成像定位技術(shù)和成像定位技術(shù)兩種。目前基于VLC的室內(nèi)定位技術(shù)的研究主要集中在成像定位技術(shù)上。

2.2.1非成像定位

非成像定位使用傳統(tǒng)的定位方法，通過(guò)多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信，根據(jù)距離和角度進(jìn)行定位，主要使用三角測(cè)量法。由于目標(biāo)到多個(gè)參考點(diǎn)的距離不能直接測(cè)量得到，所以通過(guò)測(cè)量到達(dá)時(shí)間（Time Of Arrival，TOA）或到達(dá)時(shí)間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）來(lái)間接測(cè)量距離。

如圖3所示，測(cè)量出目標(biāo)到三個(gè)參考點(diǎn)的時(shí)間分別為t1，t2，t3。由如下式（1）

得到目標(biāo)到3個(gè)LED的距離R1，R2，R3（c為光速）。以這3個(gè)LED為圓心，LED到目標(biāo)的距離為半徑所得到的3個(gè)圓的交點(diǎn)就是目標(biāo)的位置。采用TOA有兩個(gè)問(wèn)題，第一，所有參考點(diǎn)以及目標(biāo)使用的時(shí)鐘要完全同步，否則會(huì)造成定位誤差；第二，必須在發(fā)送信號(hào)的同時(shí)發(fā)送時(shí)間標(biāo)記，這會(huì)影響一定的數(shù)據(jù)速率。

圖3　TOA測(cè)量方法示意圖

參考文獻(xiàn)［8］采用基于到達(dá)時(shí)間差的算法。如圖4所示，與TOA不同的是，通過(guò)測(cè)量3個(gè)信號(hào)達(dá)到的時(shí)間差來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。tr是發(fā)送時(shí)間，c是光速，根據(jù)式（2）：

得到目標(biāo)到3個(gè)LED的時(shí)間差，然后采用同TOA一樣的方法實(shí)現(xiàn)2D定位。3個(gè)LED必須精確地在同一時(shí)刻發(fā)送，由于利用的是時(shí)間差，所以接收機(jī)不必與發(fā)射機(jī)同步。此外，這種方法不需要加入時(shí)間標(biāo)記信號(hào)，避免了傳輸速率的損耗。

圖4　TDOA測(cè)量示意圖

2.2.2成像定位

基于成像的可見(jiàn)光定位系統(tǒng)，利用LED陣列作為發(fā)射端，對(duì)其上的像素進(jìn)行調(diào)制，接收端采用圖像傳感器對(duì)接收到的圖像進(jìn)行處理，解調(diào)出發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位。

參考文獻(xiàn)［9］采用雙圖像傳感器實(shí)現(xiàn)VLC室內(nèi)定位。發(fā)送陣列中至少4個(gè)LED發(fā)送其三維坐標(biāo)，通過(guò)兩個(gè)光學(xué)透鏡接收，然后兩個(gè)圖像傳感器解調(diào)出坐標(biāo)，如圖5所示，任何一個(gè)LED到目標(biāo)的距離d都可以由式（3）計(jì)算得到：

其中，m1，m2分別是LED圖像中心距離成像接收器中心的距離，h為L(zhǎng)ED到透鏡的距離，f為透鏡的焦距。通過(guò)這些已知距離得到d后，同樣可以得到另外3個(gè)LED到目標(biāo)的距離，從而可以很容易地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位。

2.3無(wú)線接入

上海復(fù)旦大學(xué)實(shí)驗(yàn)室已成功實(shí)現(xiàn)光照上網(wǎng)（Light Fidelity，LiFi）技術(shù)，科研人員將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的LED燈內(nèi)，燈光所到的4臺(tái)電腦立即可以正常上網(wǎng)。

圖5　成像定位的幾何示意圖

參考文獻(xiàn)［10］構(gòu)建了一個(gè)基本的VLC無(wú)線接入系統(tǒng)。如圖6所示為其軟硬件架構(gòu)示意圖。該設(shè)計(jì)通過(guò)可見(jiàn)光通信構(gòu)建了一個(gè)局域網(wǎng)，并提供了一種新的方法，使得數(shù)字移動(dòng)終端之間通過(guò)PPP協(xié)議實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。雖然目前距離通過(guò)VLC來(lái)實(shí)現(xiàn)全面無(wú)線接入還有很長(zhǎng)的路要走，但是VLC在無(wú)線接入方面的潛力還是值得期待的。

圖6　無(wú)線接入軟硬件架構(gòu)示意圖

3　可見(jiàn)光通信面臨的挑戰(zhàn)

在目前的VLC技術(shù)的研究中，依然存在著一些需要解決的問(wèn)題，VLC在進(jìn)一步發(fā)展中還面臨許多挑戰(zhàn)。

（1）視距路徑：在VLC中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間是通過(guò)光源定向傳播信號(hào)的，由于視距信號(hào)強(qiáng)度較強(qiáng)的，換句話說(shuō)，它正是VLC的優(yōu)點(diǎn)，所以要求視距路徑?？梢?jiàn)光信號(hào)不能穿過(guò)所有對(duì)象只能經(jīng)過(guò)它們反射，這是VLC的一個(gè)覆蓋范圍的缺點(diǎn)同時(shí)也是安全性方面的優(yōu)勢(shì)［11-12］。光反射將會(huì)損失很多的能量，導(dǎo)致發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的數(shù)據(jù)速率嚴(yán)重受限。如果光敏接收機(jī)以較低的光強(qiáng)度水平接收到光信號(hào)，則意味著較低的數(shù)據(jù)速率。所以，非視距信號(hào)的能量較低，同時(shí)數(shù)據(jù)速率也較低。

（2）發(fā)送源：目前用作VLC發(fā)射源的LED不是專業(yè)理想的VLC光源?，F(xiàn)在的LED光源更多的是考慮為照明使用，而非用于數(shù)據(jù)通信。其數(shù)據(jù)通信特性還不夠理想。

（3）多徑衰落：由于寬波束發(fā)射的作用，相同的信號(hào)經(jīng)過(guò)不同的路徑產(chǎn)生不同的時(shí)延和不同的路徑長(zhǎng)度，會(huì)導(dǎo)致多徑衰落，將會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響VLC性能的碼間干擾。

（4）背景光干擾：當(dāng)發(fā)射機(jī)的發(fā)射角度比較大時(shí)，將會(huì)在VLC中產(chǎn)生背景光干擾。白天的時(shí)候，背景光的變化將會(huì)導(dǎo)致信噪比下降，這對(duì)于VLC來(lái)說(shuō)是一個(gè)更加嚴(yán)重的問(wèn)題。通過(guò)使用質(zhì)量更好的接收機(jī)，用于分離高的信號(hào)衰減，例如低信噪比質(zhì)量信號(hào)，但是這將會(huì)增加系統(tǒng)成本。使用光學(xué)濾波器可以相對(duì)簡(jiǎn)單地去除自然和人工光源的干擾。

4　結(jié)論

VLC已成為一個(gè)萬(wàn)眾期待的技術(shù)。這里全面分析了VLC相比其他傳統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，例如大容量、低成本、安全性和保密性等。這些優(yōu)點(diǎn)使得VLC的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。列舉了多個(gè)VLC的熱門應(yīng)用研究方向，比如智能交通網(wǎng)絡(luò)、室內(nèi)定位與導(dǎo)航、家庭無(wú)線寬帶接入等等。當(dāng)然，目前的VLC研究還處于實(shí)驗(yàn)階段，這里給出了VLC面臨的一些挑戰(zhàn)。不過(guò)，相信隨著VLC的深入研究，VLC有望成為人人觸手可及的技術(shù)。

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Research and development of visible light communication

Fei Hairong

（College of Telecommunications and Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China）

Visible light communication is a new technique of wireless communication.Traditionally，data or information is transmitted over the wireless medium using radio frequency signal in conventional wireless communication like Bluetooth and WiFi.However，white light emitting diodes used as transmitters and photoelectric sensors used as receivers are adopted to deliver data or information.In this paper，advantages of VLC，applications and development of VLC，challenges for VLC are provided.

visible light communication；intelligent transportation；indoor positioning；wireless access

TN929.1

A

1674-7720（2015）15-0011-04

費(fèi)海榮.可見(jiàn)光通信的研究與發(fā)展［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2015，34（15）：11-14.

2015-03-11）

費(fèi)海榮（1991-），通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：下一代網(wǎng)絡(luò)。E-mail：22727137@qq.com。