移动通信与可见光通信技术的融合

武汉虹信技术服务有限责任公司 杜建新

随着社会的高速发展，信息化、网络化的不断普及，移动通信技术成爆炸式的增长，因而导致出现Wi-Fi频谱资源紧缺的问题。基于此，为解决Wi-Fi频谱资源紧缺的问题，可见光通信技术得以在此背景下不断研究发展，可见光通信能避免电磁干扰和信号泄露，构建安全信息移动通信空间，同时破解电磁频谱资源匮乏困局，无需Wi-Fi信号，一个LED灯就能上网，因此将移动通信与可见光通信技术进行融合，具有极高的研究价值。

可见光通信技术，是利用荧光灯或发光二极管等发出的肉眼看不到的高速明暗闪烁信号来传输信息的，将高速因特网的电线装置连接在照明装置上，插入电源插头即可使用的先进技术。移动通信与可见光通信技术不断融合，相较于传统无线通信技术，具备照明和通信的两种不同的功能，同时其通信速度在一定发展下可超过现有的光纤通信技术，让移动通信技术在可见光通信技术的辅助下“亮起来”。

1 可见光通信技术在移动通信中的作用

1.1 可见光通信技术的介绍以及基本原理

可见光通信技术，又被称为Visible Light Communications VLC技术,它是近十年来迅速发展的一种新型无线通信方式，其使用原理是利用可见光波谱进行数据传输的全新无线传输技术。由于可见光与我们的日常生活息息相关，对日常生活的影响巨大，基本的公共场所例如学校、医院、办公室等等场所均可以看到可见光光源，因此在公共基础照明设备上增加其数据传输、信号传输等多种功能，就可以构建可见光无线通信网络，这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，只要在室内开启电灯，无需WI-FI也可接入互联网，极大方便人们的工作、学习以及生活。可见光无线通信技术是以公共照明设备为有效载体，在正常照明的基础上，将信息通过调制解调器，让传输的数字信号发射于照明设备上，利用照明设备发出快速的光脉冲无线传输信息，为用户提供随时随地的便捷数据服务，使人们的工作、学习、生活不受时间、地点等现实原因的限制，满足人们的生产生活需要。通过在灯泡上植入一个微小的芯片，就能变成使照明设备变成类似于Wi-Fi热点的设备，建立无线信号通信传输。

1.2 可见光通信技术的特点

随着社会的高速发展，智能设备得到越来越多的普及，其利用率也大大提高，人们对于网络的依赖性越来越强，成为人们生活中的一部分。在网络为人类带来便利的同时，也存在诸多的现实问题亟待解决。比如在生活中常常因受到信号的干扰，上网速度慢而导致工作、学习效率降低，因而将移动通信与可见光通信技术进行融合是社会发展的需要。通过对可见光通信技术的深入了解，发现可见光通信技术有以下几个特点，其一，推广性较强，照明设备通常使用寿命长且没有辐射，符合当前人们健康生活的新理念；其二，建设成本较低，无需再建立更多的信号基站即能满足当前的数字信号传输需要；其三，传输速度高，在不断发展研究之下，未来可见光通信技术的传输速度可能超过光纤的传输速度；其四，频谱范围更广，传统移动通信技术的频谱宽度最大为3×102GHz，而可见光的频谱宽度大于4×106GHz，其适用范围将更为广阔；其五，可见光通信技术安全性更高，传统的移动通信技术容易受电磁波干扰而产生信息泄露的情况，可见光通信技术可以弥补此点不足；其六，移动通信技术对地下的信号覆盖存在一定的困难，可见光通信技术可以有效覆盖，减少通信不畅通的情况。可见光通信技术的诸多特点，满足社会发展的需要。

2 移动通信与可见光通信技术融合过程中面临的挑战

虽然社会整体大环境对于可见光通信技术的研究成果越来越多，但移动通信与可见光通信技术在融合过程中仍然有很多的问题，面临诸多的挑战。在移动通信与可见光通信技术融合过程中，并不可能每个环节都能顺利推进，其中包含很多技术难题。第一点，传输速度上提高有限，受调制解调器等影响，可见光通信的传输速度虽然能有所提升，甚至超越现在的移动通信速度，但其提高的程度有限；第二点，信号回传数据丢失，数据传输线和现有的电力线不能很好的进行融合，容易受到干扰而将数据丢失甚至无法回传；第三点，在融合过程中可见光无法穿透墙壁，信号容易被切断，使接受信号距离受到一定的限制；第四点，信号上传方面存在困难，用户在使用移动通信与可见光通信技术融合过程中不仅需要下载文件，同时需要上传文件，用户需要在传输过程中安装照明设备，造成使用上的不便捷；第五点，照明设备光线散乱，造成光源和探测器之间存在光路接收的困难，因而用户在使用时可能产生无法准确介入的现象，影响用户体验感；第六点，在融合过程中可能存在多个照明设备之间的互相干扰，从而导致数字信号在传输过程中有码间干扰现象。虽然移动通信与可见光通信技术融合过程中面临不少的挑战，但仍应该积极寻找有效的融合方法，促进可见光通信技术的不断发展。

3 移动通信与可见光通信技术的融合方法

3.1 提升可见光频率响应，突破移动通信与可见光通信技术融合传输速度低难题

在可见光通信技术中，日常的照明设备将作为通信光源，可见光光源元件和光敏元件是可见光通信系统的基本器件，结合其中的驱动电路由内向外进行发射，发射出携带调制信息的可见光，而后光敏元件捕捉其中的可见光信号，进行一定的信号传输。因此，可见光通信技术中的可用宽带在一定程度上取决于照明设备的响应频率，所以，在移动通信与可见光通信技术的融合中，我们不仅应当提升照明功率的基础输出量，同时还需要将照明设备的响应频率进行提升，并作为融合改进的重中之重，以期有效拓展其带宽，突破移动通信与可见光通信技术融合整个传输速度低的问题，从而逐步实现可见光通信技术的高传输，满足未来通信技术发展。

3.2 避免建立大量的网络基站，使得移动通信的能源利用率更高

现在社会广泛使用的无线电数据传输方式，需要耗费大量的人力、物力以及财力，在过程中通过建立大量的基站才能达到增强移动通信信号的作用。而根据社会基础调查显示，现在仅我国一个国家就有140万个信号基站，这个一个十分庞大的数字。虽然我国拥有如此庞大的信号基站数量，但其中的能源利用效率却只有5%左右，设备都存在着发热量大、能量转化率低等不良问题，与信号基站的数量形成鲜明的对比，并且其中超过九成的能量都转化成热量，往往需要引入更多的冷却设备才能保持网络基站的正常运行，大部分能量都用在冷却功能上，产生资源浪费的现状。但通过不断的研究发现，可见光通信技术比之传统的移动通信技术，其能源利用效率却可以高出很多，极低的发热量使其不需要过多的冷却设备也能稳定运行，解决极大的问题，带来一定的便利。因而将移动通信与可见光通信技术进行融合，在原有移动通信网络基站的基础上，不必再耗费大量的人力、物力以及财力，额外建立更多的网络基站，使移动通信的能源利用率可以更高，其通信功率仅占照明功率的5%左右，避免造成资源的浪费，使问题得到有效解决，推动移动通信的可持续发展。

3.3 借助于WI-FI可穿透的功能，增强可见光通信的实用性

在2011年之时，德国物理学家教授哈拉尔德·哈斯在英国爱丁堡大学TED全球公开课上，向大众科技迷们展示了一个相对奇妙的实验，实验的内容如下：在哈拉尔德·哈斯身边放置了一盏LED的台灯，而在台灯下30cm左右的地方又安放了一个小小的设备，当哈拉尔德.哈斯教授将灯打开之时，灯光刚好照向这个小小的设备时，教授身后的大型显示屏播放起花朵盛开的视频，在场之人都被这一奇妙的现象所震撼，而当哈拉尔德·哈斯教授将手遮挡在台灯与这个小小的设备之间时，刚刚播放花朵盛开的视频却突然停止，视频被迫中断，而后哈拉尔德·哈斯教授又再一次将手移开，不再遮挡台灯和设备时，视频内容又开始重新播放，在场之人无不起立鼓掌，为哈拉尔德·哈斯教授展示的这一实验现象而惊喜，这就是可见光的雏形。但对于可见光通信技术的研究发现，可见光通信技术不能穿透墙壁，这一现象使得WI-FI仍然具有很大的优势，因此现阶段的融合研究必须借助于WI-FI可穿透的功能，利用长焦镜头以及光学传感器的恰当调整，从而得以截获光学信号，使得可见光通信技术也可以进行长距离、穿透性的传输，而不受物体等外因的遮挡，增强可见光通信的实用效果，从而实现可见光通信技术的有效传输。

3.4 利用可见光通信技术的安全性，构建移动通信安全空间

传统的移动通信技术在应用的过程中，容易被其他设备的电磁干扰，存在电磁信息泄露的可能，因而传统移动通信技术并不适用于高保密性的信号传输场所，但同时可见光通信技术又恰恰可以弥补传统移动通信技术的此点不足之处，利用好可见光通信技术的安全性，构建移动通信的安全空间。HomeGrid论坛主席Len Dauphinee博士在2019年的DEF CON 27骇客大会上曾经强调可见光通信技术可以对抗网络攻击，有效避免敏感信息的泄露，降低信息泄露引发的不良情况发生，因此可用于高保密性信号传输场所，比如相关金融机构、政府内部大楼、国防部军事基地等关键性场所。Len Dauphinee博士曾经指出：“可见光使一种新型的无线传输技术，它具有一定的独特能力，能够支持各种各样的信号传输通信场合，并为之提供安全支持，从而消除使用场景中的相关安全问题”。移动通信与可见光通信技术的融合，可以为任何通信场景提供给为安全、可靠的信号连接解决方案，而不再需要额外的新的基础设施，可见光通信技术使用现有的照明设备，只需要添加一个调制解调器就可以，消除被视线之外的外部无关人员截取重要数据信息的风险，提供安全、可靠的信息传输平台。随着移动通信与可见光通信技术的融合，通信技术行业发展的速度越来越快，不断向前发展，为每个人提供安全、舒适的移动通信空间，从而实现移动通信技术更大的目标，推动社会发展的不断前行。

总结：综上所述，随着社会的高速发展，移动通信与可见光通信的融合是一项新的通信技术突破。在融合过程中，其首要目标就是明确可见光通信技术在移动通信中的作用，而后找到移动通信与可见光通信技术融合面临的挑战，进而找到融合方法，使传输速度有效提升、能源利用率变高，增强融合后通信技术的实用性，为用户构建安全的移动通信空间，真正让通信技术实现质的发展，使通信技术发出璀璨的光芒。