摘 要：可见光通信是一种新型的无线通信技术。传统的无线通信技术例如蓝牙、WiFi等采用射频信号传输数据信息，而可见光通信在发射端采用白光发光二极管作为光源，在接收端采用光电传感器作为检测器进行数据传输。本文全面分析了可见光通信的优势，列举了可见光通信技术在国内外的应用研究与发展，并给出了目前可见光通信发展中面临的一些挑战。
关键词：可见光通信；智能交通；室内定位；无线接入
0 引言
自从高亮度的白光发光二极管（LightEmitting Diode，LED）面世后，随着光效的提高，白光LED越来越多地被用作有效光源取代白炽灯泡和荧光灯。与传统的照明器件相比，白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等优点。另外，白光LED具有非常高的响应灵敏度，因此可以采用LED进行高速数据通信［1］。可见光通信（Visible Light Communication，VLC）同时具有照明和通信的优势。随着LED在交通、室内照明和传感技术等不同领域的广泛应用，LED可见光通信有望成为无处不在的通信手段，被认为是极具发展潜力和应用前景的技术［2］。当然，目前的可见光通信技术的发展还面临着一些挑战。
1 可见光通信的基本结构与优势
图1是可见光通信系统的典型系统组成框图。从图中可知可见光通信系统包括上行链路和下行链路两部分。下行链路包括白光LED发送阵列和终端发送接收机的接收部分。白光LED阵列发出的已调光以很大的发射角度往空间的各个方向传播，但是由于LED光源个数比较多，因而在发射机和接收机之间会存在多条不同的传播光路，接收机会收到来自不同光源的信号。来自视距路径（Line Of Sight，LOS）和非视距路径（Non-Line Of Sight，NLOS）的不同的光路到达接收端会产生一个时间差，这个时间差将会引起码间干扰（inter-symbol interference，ISI）。
图1 系统组成框图
由于白光LED发出的是照明所用的可见光，且发射角度较大，对人体是无害的，所以可以使用较大的发射功率发送信号，提高系统的可靠性和稳定性。接收机部分采用光电器件检测接收到的光信号，然后转换为电信号，对电信号进行放大和处理，恢复出发送的信号。该系统的上行链路与下行链路除了使用的光源不同之外，其它基本一致。上行链路采用的光源仍为白光LED光源，只不过为了使光束更加准直，会采用发射角较小、面积较小的白光LED。然后在天花板上安装光电检测装置接收来自终端的光信号。这个可见光通信系统是可以同时双向工作的全双工VLC系统。多个这样的系统可以组成可见光网络。在VLC系统中的白光LED具有通信和照明的双重作用，不能因为通信功能而损害LED原本的照明功能，所以需要采用非常高的调制速率，使得人眼完全感觉不到光的闪烁。
目前大多数VLC系统设计成光强度调制/直接检测（Intensity Modulation/Direct Detection，IM/DD）系统，采用曼彻斯特编码和开关键控（On-Off Keying，OOK）调制方式。
VLC通信技术相比于其他现存的无线通信技术具有以下优势：
（1）容量大：可见光频谱是射频频谱的10 000倍。另外，可见光谱属于ISM（工业，科学和医疗）频段，不需要牌照而且免费。VLC系统采用的是高带宽的设备，具有高强度的光输出和低干扰。这些都可以使得VLC系统获得高数据速率。
（2）成本低：VLC系统需要的器件比RF系统少得多，这将会大大降低成本。LED光源的高发光效率使得数据传输要求的功耗可以忽略不计。
（3）对人体无害：因为采用的是照明所用的白光LED作为发射光源，所以对于人体是健康无害的。而射频（Radio Frequency，RF）天线在化工厂、医院等场所是不允许使用的。
（4）保密性好：VLC系统的通信边界被限制在照明区域内，不可跨越被照明区域的墙壁之外。这很好地将自己的信号限制在了自己的使用区域内，防止了被别人占用此VLC网络［3］。
2 可见光通信的应用研究与发展
VLC已经被应用到很多领域当中，引起了人们极大的关注。下面是目前国内外非常热门的几个VLC的应用研究方向。
2.1 智能交通
参考文献：［3］中提出了利用可见光通信实现路灯与车辆的通信。参考文献［4］中利用高速图像传感器检测LED交通灯的光信号实现信号灯与车辆的通信。文献［5］中采用LED车头灯和车尾灯实现车辆与车辆之间的通信。利用可见光通信，可以实现如图2所示的智能交通网络。在现代的交通设备中越来越多地用到了LED光源，这种LED光源可用于道路交通灯与车辆间以及车辆与车辆之间的通信。这样将有效提高道路安全和交通管理。VLC同样可以在飞机上使用，让旅行者听音乐和看视频，也可以用于飞机航行灯传输标识［6］。在水下通信中VLC也比RF传输更加行之有效，水下RF通信是非常困难的，因为信号衰减更严重［7］。
图2 VLC在智能交通中的应用
2.2 室内定位
现有的主流定位系统主要是基于全球定位系统（Global Positioning System，GPS）和无线电技术。GPS能够很好地应用于室外定位，但是由于其依赖于无线电传播，在室内的覆盖很小，导致其在室内的定位中出现较大的误差，因而不适用于室内定位。基于无线电技术的室内定位方案主要有：WLAN、RFID、UWB、超声波技术、Bluetooth等。但是大多数基于无线电通信的系统都会受到电磁干扰的影响，所以限制了这些技术在特定场所的使用，而VLC不产生任何射频干扰，受到的干扰也较少，更适用于室内定位。
国内外对于基于LED可见光的室内定位技术主要分为非成像定位技术和成像定位技术两种。目前基于VLC的室内定位技术的研究主要集中在成像定位技术上。
2.2.1 非成像定位
非成像定位使用传统的定位方法，通过多点到多点的通信，根据距离和角度进行定位，主要使用三角测量法。由于目标到多个参考点的距离不能直接测量得到，所以通过测量到达时间（Time Of Arrival，TOA）或到达时间差（Time Difference Of Arrival，TDOA）来间接测量距离。
如图3所示，测量出目标到三个参考点的时间分别为t1，t2，t3。由如下式（1）
得到目标到3个LED的距离R1，R2，R3（c为光速）。以这3个LED为圆心，LED到目标的距离为半径所得到的3个圆的交点就是目标的位置。采用TOA有两个问题，第一，所有参考点以及目标使用的时钟要完全同步，否则会造成定位误差；第二，必须在发送信号的同时发送时间标记，这会影响一定的数据速率。
图3 TOA测量方法示意图
参考文献［8］采用基于到达时间差的算法。如图4所示，与TOA不同的是，通过测量3个信号达到的时间差来实现定位。tr是发送时间，c是光速，根据式（2）：
得到目标到3个LED的时间差，然后采用同TOA一样的方法实现2D定位。3个LED必须精确地在同一时刻发送，由于利用的是时间差，所以接收机不必与发射机同步。此外，这种方法不需要加入时间标记信号，避免了传输速率的损耗。
图4 TDOA测量示意图
2.2.2 成像定位
基于成像的可见光定位系统，利用LED阵列作为发射端，对其上的像素进行调制，接收端采用图像传感器对接收到的图像进行处理，解调出发送的数据，实现室内定位。
参考文献［9］采用双图像传感器实现VLC室内定位。发送阵列中至少4个LED发送其三维坐标，通过两个光学透镜接收，然后两个图像传感器解调出坐标，如图5所示，任何一个LED到目标的距离d都可以由式（3）计算得到：
其中，m1，m2分别是LED图像中心距离成像接收器中心的距离，h为LED到透镜的距离，f为透镜的焦距。通过这些已知距离得到d后，同样可以得到另外3个LED到目标的距离，从而可以很容易地实现目标定位。
2.3 无线接入
上海复旦大学实验室已成功实现光照上网（Light Fidelity，LiFi）技术，科研人员将网络信号接入一盏1W的LED灯内，灯光所到的4台电脑立即可以正常上网。
图5 成像定位的几何示意图
参考文献［10］构建了一个基本的VLC无线接入系统。如图6所示为其软硬件架构示意图。该设计通过可见光通信构建了一个局域网，并提供了一种新的方法，使得数字移动终端之间通过PPP协议实现无线通信。虽然目前距离通过VLC来实现全面无线接入还有很长的路要走，但是VLC在无线接入方面的潜力还是值得期待的。
图6 无线接入软硬件架构示意图
3 可见光通信面临的挑战
在目前的VLC技术的研究中，依然存在着一些需要解决的问题，VLC在进一步发展中还面临许多挑战。
（1）视距路径：在VLC中的发射机和接收机之间是通过光源定向传播信号的，由于视距信号强度较强的，换句话说，它正是VLC的优点，所以要求视距路径。可见光信号不能穿过所有对象只能经过它们反射，这是VLC的一个覆盖范围的缺点同时也是安全性方面的优势［11-12］。光反射将会损失很多的能量，导致发射机与接收机之间的数据速率严重受限。如果光敏接收机以较低的光强度水平接收到光信号，则意味着较低的数据速率。所以，非视距信号的能量较低，同时数据速率也较低。
（2）发送源：目前用作VLC发射源的LED不是专业理想的VLC光源。现在的LED光源更多的是考虑为照明使用，而非用于数据通信。其数据通信特性还不够理想。
（3）多径衰落：由于宽波束发射的作用，相同的信号经过不同的路径产生不同的时延和不同的路径长度，会导致多径衰落，将会产生严重影响VLC性能的码间干扰。
（4）背景光干扰：当发射机的发射角度比较大时，将会在VLC中产生背景光干扰。白天的时候，背景光的变化将会导致信噪比下降，这对于VLC来说是一个更加严重的问题。通过使用质量更好的接收机，用于分离高的信号衰减，例如低信噪比质量信号，但是这将会增加系统成本。使用光学滤波器可以相对简单地去除自然和人工光源的干扰。
4 结论
VLC已成为一个万众期待的技术。这里全面分析了VLC相比其他传统无线通信系统的优势，例如大容量、低成本、安全性和保密性等。这些优点使得VLC的应用越来越广泛。列举了多个VLC的热门应用研究方向，比如智能交通网络、室内定位与导航、家庭无线宽带接入等等。当然，目前的VLC研究还处于实验阶段，这里给出了VLC面临的一些挑战。不过，相信随着VLC的深入研究，VLC有望成为人人触手可及的技术。
