可見(jiàn)光通信概述

　　可見(jiàn)光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）是指利用可見(jiàn)光波段的光作為信息載體，無(wú)需光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，在空氣中直接傳輸光信號(hào)的通信方式。

　　可見(jiàn)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。

　　未來(lái)，可見(jiàn)光通信也將與WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)（3G、4G、甚至5G）等通信技術(shù)交互融合，在物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市（家庭）、航空、航海、地鐵、高鐵、室內(nèi)導(dǎo)航和井下作業(yè)等領(lǐng)域帶來(lái)創(chuàng)新應(yīng)用和價(jià)值體驗(yàn)。

　　可見(jiàn)光通信的關(guān)鍵技術(shù)

　　1、高性能編碼、調(diào)制技術(shù)

　　對(duì)信源進(jìn)行何種編碼以及采用何種調(diào)制方式，將直接決定通信系統(tǒng)的通信性能。由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，VLC 系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)（IM/DD）系統(tǒng)，采用曼切斯特編碼和OOK 調(diào)制方式。二進(jìn)制OOK 編碼通過(guò)光學(xué)鏈路一次只能發(fā)送一個(gè)比特，傳輸慢；曼切斯特編碼雖然可以降低系統(tǒng)的誤碼率，但要求較寬度頻帶，而現(xiàn)有的基于藍(lán)光激發(fā)磷光體產(chǎn)生“白光”的LED 可用調(diào)制帶寬非常有限，所以必須探索新的編碼、調(diào)制方法。

　　由于正交頻分復(fù)用技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Technology， OFDM）具有頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優(yōu)點(diǎn)，在VLC中得到了廣泛研究。OFDM被證明在高速通信情況下可有效抑制碼間干擾（Inter-symbol Interference， ISI）。

　　該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：

　?。?）將數(shù)據(jù)進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后同時(shí)傳輸，在時(shí)域上符號(hào)持續(xù)時(shí)間得到增加，能夠減少信道時(shí)域彌散產(chǎn)生的ISI，并可通過(guò)插入循環(huán)前綴的方法進(jìn)一步消除信道ISI；

　?。?） 具有較高的頻譜利用率；

　?。?） 調(diào)制解調(diào)過(guò)程中的快速傅里葉變換和快速傅里葉逆變換隨著DSP技術(shù)的發(fā)展易于實(shí)現(xiàn)；

　?。?） 可根據(jù)上下行鏈路不同數(shù)據(jù)量和通信質(zhì)量要求進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)制；方便與多址技術(shù)結(jié)合等。其面臨的主要挑戰(zhàn)在于如何將信息有效地加載到OFDM載波上，以及如何對(duì)LED的非線性進(jìn)行補(bǔ)償。

　　2、 碼間干擾消除技術(shù)

　　在室內(nèi)LED 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，LED 光源通常是由多個(gè)發(fā)光LED 的陣列組成，具有較大的表面積、較大的發(fā)射功率和寬廣的輻射角，光線分布在整個(gè)房間。另一方面，為了達(dá)到較好的照明和通信效果，防止“陰影”影響，一個(gè)房間通常安裝多個(gè)LED 光源。由于LED 單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導(dǎo)致了不同的傳輸延遲， 加上光的色散，已調(diào)光脈沖會(huì)在時(shí)間上延伸，每個(gè)符號(hào)的脈沖將加寬延伸到相鄰符號(hào)的時(shí)間間隔內(nèi)， 不可避免地產(chǎn)生碼間干擾，極大地降低了系統(tǒng)的性能甚至導(dǎo)致不能正常通信。

　　因此，如何消除碼間干擾，對(duì)保證高性能的VLC 通信至關(guān)重要。針對(duì)VLC 系統(tǒng)中ISI 的起因不同，主要采用以下方式來(lái)削弱碼間干擾：運(yùn)用部分響應(yīng)技術(shù)、采用均衡技術(shù)、采用消ISI 的調(diào)制方式等。下面詳細(xì)解釋下均衡技術(shù)。 作為室內(nèi)照明用的LED，其調(diào)制帶寬僅限于幾兆赫茲。為了提高LED的調(diào)制帶寬，人們研究了使用濾光片，將由熒光層產(chǎn)生的黃色光濾去（熒光層的響應(yīng)速度較慢），讓較快速響應(yīng)的藍(lán)光部分入射到接收端上。

　　另外一種方法是使用發(fā)射端均衡技術(shù)，該方案實(shí)質(zhì)就是使用模擬均衡技術(shù)補(bǔ)償白光LED在高頻時(shí)的快速降落。例如，使用16個(gè)LED構(gòu)成陣列，并使用具有某一最大輸出頻率的諧振技術(shù)為每一個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)均衡部分電路。實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)使用NRZ-OOK（ No Return Zero On-off Keying）調(diào)制方式時(shí)，16個(gè)LED組成的陣列可在距離為2m、覆蓋半徑為0.5m范圍內(nèi)達(dá)到40MB/s的通信速率，并保證較低的誤碼率。如果增加均衡電路復(fù)雜度，其單個(gè)LED的通信速率甚至可達(dá)到80MB/s。

　　單獨(dú)為每一個(gè)LED都添加一個(gè)均衡電路，這無(wú)疑會(huì)增加系統(tǒng)成本和發(fā)射端能耗，若在接收端選擇使用均衡技術(shù)，就會(huì)在提高系統(tǒng)傳輸速率的情況下降低系統(tǒng)的復(fù)雜性。例如，研究人員在接收端使用一階模擬均衡器在NRZ-OOK調(diào)制方式下，模擬得到了最大傳輸速率為32MB/s、誤碼率小于10-6的通信系統(tǒng)。發(fā)射端和接收端的均衡技術(shù)都有待進(jìn)一步優(yōu)化以增加系統(tǒng)覆蓋面積和減少誤碼率。

　　3、全雙工通信

　　VLC系統(tǒng)要接入互聯(lián)網(wǎng)就必須實(shí)現(xiàn)全雙工通信，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳與下載。要實(shí)現(xiàn)VLC 全雙工通信方式，除了要具有現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)下行鏈路外，還必須具備上行鏈路。目前，幾乎所有的研究更多集中于下行鏈路的實(shí)現(xiàn)，很少關(guān)注上行鏈路的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

　　確保上行鏈路實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要問(wèn)題在于如何避免具有照明功能的下行鏈路的干擾，目前已提出的方案包括：

　?。?）使用紅外波段作為上行鏈路，以區(qū)別下行鏈路的可見(jiàn)光；

　　（2）使用激光反射器將入射光的一部分反射回發(fā)射系統(tǒng)，并將這一部分反射光進(jìn)行調(diào)制以實(shí)現(xiàn)上行鏈路；

　?。?）將VLC與RF結(jié)合，即使用VLC實(shí)現(xiàn)下行鏈路，RF系統(tǒng)完成上行鏈路；

　　（4）采用時(shí)分技術(shù)，將上下行鏈路傳遞信息的時(shí)間分開(kāi)。另有我國(guó)學(xué)者提出可利用上下鏈路光的不同偏振態(tài)或利用隔板去阻隔下行鏈路對(duì)上行鏈路的干擾。

　　可見(jiàn)光通信的應(yīng)用

　　隨著LED在照明、顯示上替代傳統(tǒng)光源，使得這些設(shè)施在原有基礎(chǔ)上具備了傳輸信息的功能。另外，由于圖像傳感器在VLC領(lǐng)域的應(yīng)用，使得接收端除了能夠接收到數(shù)據(jù)外還能夠準(zhǔn)確判斷發(fā)射端與接收端的相對(duì)位置，這就為VLC應(yīng)用于室內(nèi)導(dǎo)航、機(jī)器人或車輛之間的精確控制、準(zhǔn)確的位置測(cè)量等提供了可能。

　　VLC應(yīng)用可分為室外及室內(nèi)應(yīng)用。對(duì)于室外主要應(yīng)用于：

　　（1） 智能交通系統(tǒng)（Intelligent Transport System， ITS）。包括車輛與車輛之間、車輛與路燈等基礎(chǔ)設(shè)施之間信息的傳遞。前者可以傳遞路況、剎車等信息進(jìn)而有效避免交通事故，后者可將車輛車速、車牌等相關(guān)信息傳遞到交通檢測(cè)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛信息的采集工作。

　?。?） 戶外顯示屏及信號(hào)燈通信。行人可手持手機(jī)等終端向戶外顯示屏下載商品廣告、產(chǎn)品信息、促銷活動(dòng)、股市行情等信息，而信號(hào)燈可向行人提供路況信息、道路指南等信息服務(wù)。

　?。?） 海上VLC。將發(fā)射端放置在燈塔和浮標(biāo)等處，裝備有圖像傳感器的船只便可解碼信息并在監(jiān)視器中顯示燈塔所傳遞的內(nèi)容。

　　（4） 基于VLC的三維位置測(cè)量。使用接收器為圖像傳感器的VLC系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)橋梁等設(shè)施測(cè)量，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)24h對(duì)目標(biāo)物體的測(cè)量，目前精度可達(dá)毫米量級(jí)。

　?。?） 水下VLC。無(wú)線電波在水下的傳播距離非常有限，導(dǎo)致其幾乎無(wú)法運(yùn)用到水下環(huán)境，而LED閃光信號(hào)燈已經(jīng)被日本學(xué)者證實(shí)可以在水下30m范圍內(nèi)傳輸信號(hào)。該項(xiàng)技術(shù)將會(huì)對(duì)潛水艇和海底觀測(cè)站的通信起到重要作用。

　　VLC在室內(nèi)的應(yīng)用主要涉及高速連接和導(dǎo)航，具體包括點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、廣播式通信和室內(nèi)定位：

　?。?）點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。為了實(shí)現(xiàn)該種通信方式，需要兩個(gè)終端做到充分的對(duì)準(zhǔn)，并使LED發(fā)出的光束盡可能窄，以保證不會(huì)有太多的路徑損耗。通過(guò)合理設(shè)計(jì)外圍設(shè)備，可以保證通信和下載的高速率從而代替IrDA、Bluetooth、UWB等技術(shù)。同時(shí)，由于VLC在安全性能上的保證，無(wú)疑增加了其在諸多方面應(yīng)用的可能性。例如，日本Casio公司研制了一種LED徽章，通過(guò)接受端的圖像傳感器，可以在顯示器上同時(shí)獲得使用者的身份信息并采集到圖像。該公司還提出了一種利用手機(jī)上的LED閃光燈與裝備有光電探測(cè)器的自動(dòng)取款機(jī)進(jìn)行信息傳遞以實(shí)現(xiàn)用手機(jī)查詢賬戶信息和取款的方法，這種方法使外人無(wú)法竊取通信信息。

　?。?） 廣播服務(wù)。白光LED陣列可以實(shí)現(xiàn)信息的廣播，例如當(dāng)我們?cè)跒g覽名勝古跡和博物館時(shí)，通過(guò)LED即可將相關(guān)知識(shí)內(nèi)容

　　可見(jiàn)光通信究竟是個(gè)什么鬼

　　光究竟是怎樣傳輸信息的？

　　早在 2004 年，IEEE 雜志上就有論文解釋通過(guò)發(fā)光二極管（也就是 LED 燈管）提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接的方法，具體的原理是這樣的：

　　LED 燈本來(lái)就是一個(gè)半導(dǎo)體芯片，跟傳統(tǒng)的燈絲是不一樣的是，芯片可以特別快地開(kāi)關(guān)，例如使用交流電的燈是 60 赫茲，人類眼球無(wú)法識(shí)別燈光閃動(dòng)。在一開(kāi)一關(guān)的時(shí)候，光就有方波了，經(jīng)過(guò)調(diào)制就可以傳信息了，跟我們平常使用的電話的無(wú)線電通訊無(wú)異。

　　目前全球的多所大學(xué)都有相關(guān)的研究項(xiàng)目，他們大多數(shù)都在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。在 2012 年，通訊業(yè)雜志 IEEE 上就曾經(jīng)發(fā)表一篇讓可見(jiàn)光傳輸速率達(dá)到 96 Mb/s 的論文。到 2013 年年底，上海復(fù)旦大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里已經(jīng)可以讓光一盞功率為 1W 的 LED 燈珠，提供燈光下的 4 臺(tái)電腦上網(wǎng)，最高速率可達(dá) 3.25 Gbp 每秒，平均上網(wǎng)速率達(dá)到 150Mb 每秒。

　　微軟亞研早前也在做這方面的研究。和實(shí)驗(yàn)室將把光到設(shè)備的傳輸速率拉峰值極限的嘗試不太一樣，想要研究這種技術(shù)在普通電子設(shè)備上的可能性，于是他的團(tuán)隊(duì)就在淘寶買了便宜的 LCD 面板，幾塊錢的太陽(yáng)能電池板、電路板和可以進(jìn)行試驗(yàn)。

　　目前，沈國(guó)斌的團(tuán)隊(duì)研究了如何用逆向反射器（Retro-Reflector），其實(shí)就是一種反光鏡，將光線原路反射回到 LED 燈上，形成了LED 和電子設(shè)備間相互通訊。他們已經(jīng)能做到，在燈光 1 兆的開(kāi)關(guān)頻率之下，從燈光到設(shè)備的下行速度達(dá)到 10 kb/s，而從設(shè)備反光的上行速度達(dá)到 0.5 kb/s。

　　在微軟的亞洲研發(fā)中心，我們看到了這個(gè)用價(jià)格低廉的組件做成的試驗(yàn)品：不需要充電線，也沒(méi)有 Wi-Fi 信號(hào)，只有一塊裝有 LCD 屏幕、反射鏡和太陽(yáng)能板的類似手機(jī)大小的設(shè)備。點(diǎn)亮 LED 燈泡的手電筒直射，設(shè)備便亮起來(lái)，并且開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。LED 燈變成了一個(gè)普通設(shè)備的能量源和信息源。

　　智能交通路牌、無(wú)需充電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

　　試試想象這樣的場(chǎng)景——車燈照到了路邊的路牌，路牌馬上可以給車輛導(dǎo)航儀傳輸附近的路況，告訴你到達(dá)目的地最通暢的道路；早上起來(lái)一開(kāi)燈，空氣檢測(cè)儀就能會(huì)告訴你室外的空氣質(zhì)量、溫度和濕度如何，而這檢測(cè)儀的顯示屏就一直掛在床頭，不需要充電，也不需要連接 Wi-Fi 或者藍(lán)牙。

　　微軟亞研的沈國(guó)斌博士告訴記者，智能的路牌、不需要充電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上述可能就是他們認(rèn)為的可見(jiàn)光通訊的未來(lái)的樣子。聽(tīng)起來(lái)很美，但現(xiàn)在依然停留在理論階段。“我們第一個(gè)思路就是想去和產(chǎn)品部門(mén)討論，看看這個(gè)東西有沒(méi)有可能放到微軟的大的產(chǎn)品藍(lán)圖里面去，無(wú)論是我們?cè)O(shè)計(jì)，還是我們的想法，只要他們能夠接受，我們就會(huì)很高興。”

　　但要實(shí)現(xiàn)這些其實(shí)并不容易，需要推出改造好的 LED 燈具，還需要推出有逆向發(fā)射器的電子產(chǎn)品同時(shí)推向市場(chǎng)售賣。而對(duì)于一個(gè)公司來(lái)說(shuō)，光是從技術(shù)到產(chǎn)品，需要配合的相關(guān)團(tuán)隊(duì)有太多。

　　研究和產(chǎn)品之間的距離有多遠(yuǎn)？

　　1880 年，加拿大發(fā)明家亞歷山大·貝爾發(fā)現(xiàn)了一個(gè)有趣的玩法：通過(guò)調(diào)節(jié)光束的變化，傳遞語(yǔ)音信號(hào)，可以進(jìn)行雙方無(wú)線對(duì)話——這就是人類第一次實(shí)現(xiàn)無(wú)線電話，利用的就是可見(jiàn)光通訊。貝爾為此發(fā)明申請(qǐng)專利的時(shí)候，連電力都沒(méi)有出現(xiàn)，他也認(rèn)為這“光電話”沒(méi)有任何實(shí)用價(jià)值。

　　事實(shí)上，無(wú)論是什么科研項(xiàng)目，在一個(gè)做產(chǎn)品的企業(yè)，產(chǎn)品部門(mén)依然是主導(dǎo)。產(chǎn)品部門(mén)有一些問(wèn)題待解決的時(shí)候，根據(jù)此開(kāi)發(fā)的技術(shù)是很快可以用到產(chǎn)品之上，而沒(méi)有相關(guān)的產(chǎn)品計(jì)劃的時(shí)候，將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化成產(chǎn)品十分有難度。

　　“這種情況下，研究院的任務(wù)就是把這些很酷的技術(shù)通過(guò)發(fā)論文或者是內(nèi)部的 demo 讓產(chǎn)品部門(mén)了解，希望他們?cè)谙乱淮巫霎a(chǎn)品計(jì)劃的時(shí)候會(huì)考慮這個(gè)技術(shù)。”沈國(guó)斌這么說(shuō)。