朱振坤

（湖北经济学院 信息与通信工程学院，湖北 武汉 430000）

0 引 言

受益于半导体技术的高速发展和LED照明的广泛应用，VLC使用LED作为可见光光源，拥有LED反应速度快、不受电磁干扰及可靠性高等优点，在照明的同时实现了无线通信[1]。从一百多年前贝尔提出photophone起，经过各类激光器与LED的逐步发明与应用，VLC的概念在21世纪初被正式提出，并很快成为了欧、美、日等国家角逐通信技术的前沿阵地，国内以中国科学技术大学为代表的高校和研究机构在VLC理论与实验方面取得了诸多突出成果。但是，VLC现阶段还未趋于成熟，在生活与工业中的推广应用尚有许多技术难点需要解决。

1 基本结构及其特点

无线通信系统逻辑上一般都由下行链路（downlink）和上行链路（uplink）两部分组成，VLC作为无线通信的一种也同样如此。以典型的室内可见光通信系统为例，VLC基本结构如下。

1.1 下行链路

下行链路由LED光源、光电检测器（PD）及信号处理单元组成。其中，LED光源与信号处理单元组合可发射调制可见光，构成发射部分；PD与信号处理单元接收发射光并转换处理获得原始信息，构成接收部分。由于两部分间存在多条光路径，每种路径上从发射到接收耗时不同，因而存在码间干扰（ISI）。

1.2 上行链路

相较于下行链路，uplink的LED光源发射面积和发射角要小得多，同时uplink的PD安装在吊顶上，用来接收用户光信号。除去上述区别外，uplink和downlink的组成结构基本相同。

实际使用的可见光网络是由全双工VLC系统组成的网络，全双工VLC系统通过在通信双方对称配置上述uplink和downlink实现双向同时工作。由于VLC系统中LED光源高速调制，人眼察觉不到灯光的明暗交错，因而其通信功能对LED照明没有影响。VLC系统一般设计采用强度调制直接检测（IM-DD），这种方式的特征在于Optical receiver所接收到的光信号来自多个光源，即使部分光路径被遮挡仍旧可以实现通信，大大提高了系统可靠性。

VLC由于光源的特殊性，表现出许多优于传统光通信（Optical Communication）和射频通信（RF Communication）的特点。第一，不受许可证限制。可见光不在无线电频谱管制范围内，因而不受许可证限制。第二，安全性。可见光对人基本没有伤害，将照明使用的可见光作为通信介质安全性极高。第三，保密性。在封闭空间内，可见光无法穿越砖墙，因而外界无法获取通信内容，可以有效防止信息外泄。第四，不会产生电磁干扰。这一点对于飞机和医院极为重要，因为这些场合对于电磁干扰有着严格限制。此外，可见光资源丰富、发射功率高等均为VLC优势。然而，由于VLC通信路径损失较大，性能受温度影响较明显，因而目前无法取代RF Communication。因此，如何克服这些劣势成为了VLC研究的热门课题。

2 可见光通信应用前景

2.1 智能交通应用

智能交通是交通的物联化体现，通过将交通系统内所有的信息采集与管理系统有机结合成一个整体，可以大幅提高运输效率，降低交通负荷，智能交通系统（ITS）是未来交通系统的发展方向[2]。ITS中用于辅助驾驶员路况识别的图像处理技术属于核心技术之一，这也是VLC技术应用的一个新领域，VLC配合高分辨率、高速摄像机可以实现车辆与路边预设装置的通信，进而让车主及时获取障碍物、交通灯及其他车辆信息，以便做出适当行车调整，提高交通质量与效率。目前制约VLC在ITS中推广应用的主要因素是硬件设施成本过高，通信速度也有待进一步提高。

2.2 航空应用

VLC安全性与不会产生电磁干扰这两大优势使其在航空应用中大放异彩，最新的商用飞机上应用VLC后，进一步降低了通信设备设施的重量和成本，波音公司已将VLC推广应用纳入到了长远规划中。航空应用中，VLC可以在照明的同时辅助乘客进行阅读，并可以通过座位间的VLC网络实现对讲和娱乐交互。

2.3 室内定位应用

目前，室内定位系统主要采用的是Bluetooth、RF和Ultrasonic，这些方式的通病在于会产生较大电磁干扰，稳定性不高，且难以实现搞定度定位。VLC的诸多优势克服了这些不利因素。有专家称，未来VLC将应用在购物中心、机场及博物馆等场所，指导顾客可以利用手机端接收墙面固定位置LED光源发射的信号，快速寻找想要的商品和想去的地方，大大提升相关场所的人性化水平。文献[3]中设计的基于RRS室内定位系统，在59 mm范围进行测试，精确定位水平高达95%。

2.4 水下应用

无线电波在水下传播会大幅衰减，并且会对许多海洋生物造成干扰。因此，需要开发一种通信方式克服水下衰减和电磁干扰。NUS和MIT等高等院校已联合开展了水下可见光通信研究，并已获得了初步成果，在30 m距离内达到了1.2 Mb/s的传输速度。

3 可见光通信发展挑战

3.1 克服光源自身不足

市面上大多数LED光源调制带宽较窄，幅频响应呈低通特性，尤其是非线性的电光功率转换，成为制约VLC高速传输的最大短板。虽然已经研发出了高性能RGB LED，可以在一定程度上克服VLC光源自身不足。但是，造价过高、控制复杂等问题依然无法使RGB LED在VLC大规模推广使用。

3.2 MIMO模型改进

多输入多输出系统（MIMO）是下一代移动通信的核心技术，MIMO可以克服VLC调频带宽有限的短板，大幅提高系统容量。目前，MIMO研究主要集中在自由空间光通信中。与自由空间光通信不同，VLC核心应用领域在室内，与光链路高度相关，VLC能否与MIMO完美融合有待进一步论证，VLC的MIMO模型优化和改进课题也由此而来。

3.3 光电探测器研发

高质量的光接收端探测器是增大VLC系统传输距离的前提条件，目前广泛使用的多是红外光电探测器，如APD、PIN等。而VLC无法使用这类探测器，需要针对性的开发新型高质量光电探测器。

3.4 uplink

Downlink是当前VLC研究的热门，对于uplink相关研究较少，作为VLC系统基本组成结构的一部分，uplink是VLC技术推广应用不可越过的一道坎。目前，存在的三种uplink方案都有不利因素：红外方向性过强，射频通信要求发射端与接收端都具备无线接收机，可见光通信过程中照明可能会对用户造成干扰，且对准较为困难。

3.5 完善可见光信道模型

分析与设计VLC系统时，首先应建立可见光信道模型，完善模型可以辅助选择最佳LED光源布局和光亮度，以减少盲区，降低ISI。对于许多对数据传输速率要求较高的应用领域，完善可见光信道模型显得极其重要。

4 结 论

在新一代的光通信领域中VLC必然会占有重要一席，因而欧美、日本、中国的许多科研院所都投入了巨大资源进行VLC关键技术研究，也取得了一些模拟仿真的阶段性成果；但是，距离实际应用还有很长的一段距离。未来VLC技术将逐步渗透到智能交通、航空、室内定位和水下应用等领域。目前，面临的主要发展挑战主要集中在LED光源非线性效应、MIMO模型、光电探测器、uplink及可见光信道模型等方面。在相关人员的不断努力下，可见光通信光电模块将伴随相关行业的发布而推广应用至各类移动终端和光源中。我国VLC起步虽然较晚，但得益于优秀的LED产业基础和科研机构的投入，已逐步走到了行业前列。未来在逐步扩大自主知识产权研究成果范围的基础上，将致力于行业标准制定和抢夺相关专利空白，占领知识经济高地，实现VLC产业化。