可見光通信技術(shù)應(yīng)用研究

朱蔓菁

（江西開放大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)中心，江西 南昌 330046）

0 引 言

日常生活中通?？梢允褂枚喾N多樣的無線通信技術(shù)突破空間和時間的限制得到聯(lián)系。但是在許多特殊場景中一般不能夠使用無線接入網(wǎng)絡(luò)，如醫(yī)院、機(jī)艙等。主要原因在于無線接入網(wǎng)絡(luò)的許多視頻信號可能會對儀器產(chǎn)生干擾，引發(fā)威脅生命的災(zāi)難和隱患。所以，針對當(dāng)前頻譜資源緊缺的情況下，提出可見光通信（Visible Light Communication，VLC）作為無線射頻通信的有益補(bǔ)充。

1 可見光通信技術(shù)的研究現(xiàn)狀

可見光通信技術(shù)最早由日本學(xué)者于2000 年提出，他們通過仿真探討將發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈作為無線傳輸通信基站的可行性,并率先成立了可見光通信的綜合性研究組織，即日本可見光通信聯(lián)合體[1]。2004 年，日本中川實(shí)驗(yàn)室成功地在自由空間中使用LED作為光源進(jìn)行了100 MHz以上的信息傳輸，正式實(shí)現(xiàn)了自由空間高速可見光通倍實(shí)驗(yàn)[2]。鑒于可見光通信的諸多優(yōu)勢與光明前景，歐美研究人員也非常重視，投入了大量的人力與物力進(jìn)行研究。為此，歐盟特地開展了代號為OMEGA項(xiàng)目，該項(xiàng)目的目標(biāo)是對1 Gb/s以上的超高速家庭接入網(wǎng)進(jìn)行研究，根據(jù)研究人員搭建的測試網(wǎng)絡(luò)顯示，該超高速接入網(wǎng)理論速度為1.25 Gb/s，最高傳輸速度為300 Gb/s[3]。除了實(shí)驗(yàn)室的研究平臺之外，一些研究人員也在嘗試走向商業(yè)化。英國愛丁堡大學(xué)的哈斯教授專門參與創(chuàng)建一個探討將可見光通信用于生活的工作室“Purdifi”，而哈斯教授與他們的研究成員已經(jīng)研制出用于電腦上網(wǎng)的微型接收端[4]。

2 可見光通信技術(shù)

當(dāng)前許多基礎(chǔ)的LED燈泡在進(jìn)行技術(shù)研究的過程中，一般都需要加固微芯片能夠在自身基礎(chǔ)之上去進(jìn)行快速的閃爍。這種閃爍頻率往往可以達(dá)到每秒百萬次級別。只有在這樣的基礎(chǔ)上才能夠去進(jìn)行燈泡數(shù)據(jù)的傳輸。利用這種傳輸方式，LED燈可以通過對二進(jìn)制編碼進(jìn)行快速傳輸，以實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳送[5]。

可見光通信技術(shù)是一種基于LED發(fā)出快速的、人眼無法察覺的明暗閃爍的光信號，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)，在接收端利用可見光探測器接收明暗閃爍的光信號并解調(diào)以獲得通信數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)射頻通信相比，VLC具有以下明顯的優(yōu)勢。

（1）傳輸速率高，室內(nèi)白光 LED 的功率之和高達(dá)10 W 以上，使 VLC具備了非常高的信噪比，為實(shí)現(xiàn)高速通打下了良好的基礎(chǔ)。

（2）無電磁干擾，白光和射頻信號不存在相互干擾，無電磁污染，可應(yīng)用于核電站、機(jī)艙、醫(yī)院、工業(yè)控制等電磁敏感的環(huán)境中。

（3）綠色低碳、成本低，VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。

（4）傳輸安全性高，白光不可穿透墻壁甚至窗簾，VLC具有高度的保密性。

（5）頻譜無需授權(quán)即可使用。

（6）白光對人眼的傷害較小。因其具有這些優(yōu)點(diǎn)，迅速獲得世界各國的關(guān)注和支持[6,7]。

3 可見光通信應(yīng)用與挑戰(zhàn)

3.1 飛機(jī)和高鐵上的應(yīng)用

可見光通信在發(fā)展過程中逐漸開始能夠使用到各種場景當(dāng)中，其中包括飛機(jī)、地鐵、高鐵等，如圖1所示。之所以不能坐在飛機(jī)和高鐵上使用高頻率的電磁信號，主要原因在于飛機(jī)的導(dǎo)航以及通信系統(tǒng)在使用的過程中很容易受到各種電磁信號的干擾，容易讓飛機(jī)在飛行過程中出現(xiàn)安全隱患[8]。所以在乘坐飛機(jī)過程中，一般都會禁止乘客使用手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)可以對這一難題進(jìn)行有效地解決，而且飛機(jī)在通過核心控制器接收衛(wèi)星信號的過程中，需要將網(wǎng)絡(luò)接入到LED上，客戶可以通過自身座位上的小白燈和可見光讓手機(jī)能夠使用網(wǎng)絡(luò)[9]。

圖1 可見光通信在智能家居和交通中的應(yīng)用

高鐵作為我國最主要的交通工具之一，也是我國最發(fā)達(dá)的交通工具之一，因此通信困難也是高鐵上存在的重要難題之一。由于高鐵時速較快，使得用戶手機(jī)、電腦在接入網(wǎng)絡(luò)速度的基礎(chǔ)上會存在較慢的現(xiàn)象。通過可見光通信技術(shù)以后，就能夠通過車廂上的LED燈實(shí)現(xiàn)和衛(wèi)星信號進(jìn)行接入，最終用戶可以通過移動終端實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)[10]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

可見光通信技術(shù)可以同時提供照明和通信服務(wù)，因此可以替代室內(nèi)的照明設(shè)備來實(shí)現(xiàn)自身的無限局網(wǎng)基站發(fā)射信號，而且通信效率通?？梢赃_(dá)到每秒10 M或者是數(shù)百兆，在未來的傳輸速率可能會達(dá)到更高的標(biāo)準(zhǔn)和要求。當(dāng)下的可見光通信技術(shù)往往能夠和物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行聯(lián)動，可見光通信技術(shù)能夠使得物聯(lián)網(wǎng)上的電器得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)連接，例如空調(diào)的控制工作、燈泡的關(guān)閉和開啟等[11]。

LED可見光通信系統(tǒng)將自身的照明系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)進(jìn)行功能上融合，可以將自身的中央控制器安裝在墻面和天花板上,探測器安裝在家用電視上就可以通過中央控制器對家庭電器進(jìn)行控制，在此基礎(chǔ)上還能夠安裝一些安保系統(tǒng)?？梢姽庀到y(tǒng)可以發(fā)射監(jiān)控信息，讓居民在使用可見光通信系統(tǒng)時獲取信息。具體的實(shí)現(xiàn)路徑可以簡單表達(dá)為人們在辦公室使用手機(jī)或者是網(wǎng)絡(luò)控制器，對空調(diào)發(fā)送指令，控制器就將進(jìn)行LED燈光信號傳輸[12]。一般情況下，將LED光源的可見光傳輸?shù)焦庹盏姆秶鷥?nèi)，空調(diào)上的檢測器將接收到信息，最后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的指令動作。所以可見光通信技術(shù)在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信傳輸?shù)倪^程中，能夠和家居物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行融合發(fā)展，對家居中許多設(shè)備進(jìn)行控制，在此過程中照明和通信都能夠通過可見光通信來實(shí)現(xiàn)，節(jié)約了能源，減少了電磁輻射。

3.3 室內(nèi)購物導(dǎo)航

人們的日常生活中購物的實(shí)現(xiàn)一般都是通過線上和線下2種模式。在線下進(jìn)行購物的過程中，會出現(xiàn)找不到路的情況，在這種時候就可以通過無線通信來進(jìn)行解決。可見光通信能夠在人們走進(jìn)超市的過程中，通過智能移動設(shè)備尋找可見光通信功能，在建立網(wǎng)絡(luò)連接以后，尋找自身需要的物品。收銀員能夠在可見光通信技術(shù)中快速傳輸數(shù)據(jù)，讓購買信息能夠得到快速計算，最終用戶能夠在短時間內(nèi)獲得自身想要的物品，并且在最終的購物環(huán)節(jié)中節(jié)省大量時間。不僅如此，商家還可以通過可見光技術(shù)對各種商品進(jìn)行監(jiān)控。如果使用無線傳輸技術(shù)，其中的電磁波信號很容易被干擾，但使用可見光技術(shù)就能夠避免出現(xiàn)無線傳輸技術(shù)帶來的室內(nèi)導(dǎo)航不準(zhǔn)確及相應(yīng)問題隱患[13]。

3.4 可見光通信的挑戰(zhàn)

雖然可見光通信技術(shù)在未來的應(yīng)用場景中有著許多的優(yōu)勢和突破口，但是也存在一定的挑戰(zhàn)，主要包括兩方面，一是可見光容易受到太陽光的影響；二是由可見光無法穿透物體或障礙物，容易受到障礙物的影響，終端信息容易被切斷。因此可見光通信和無線射頻通信將相互補(bǔ)充[14,15]。

4 結(jié) 論

可見光通信技術(shù)是一項(xiàng)有發(fā)展前途的通信技術(shù)，能夠同時提供照明和通信服務(wù)，而且具備高速率、高安全性、高頻譜帶寬、低成本、綠色環(huán)保等優(yōu)勢，必將和無線射頻通信并行前進(jìn)。特別是針對許多其他無線通信射頻技術(shù)無法進(jìn)行傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)，可見光通信技術(shù)能夠得到一定的突破?，F(xiàn)今可見光通信技術(shù)的主要研究方向是如何延長其使用距離、如何提升信號方向準(zhǔn)確度及如何降低成本。在未來，如果這些技術(shù)問題都能夠解決，那么可見光通信技術(shù)將會發(fā)揮自身的巨大潛能，改變當(dāng)下許多生活現(xiàn)狀，并普及到人們的日常生活當(dāng)中, 最終成為無線通信技術(shù)的新方向。