可见光通信技术应用研究

朱蔓菁

（江西开放大学现代教育技术中心，江西 南昌 330046）

0 引 言

日常生活中通常可以使用多种多样的无线通信技术突破空间和时间的限制得到联系。但是在许多特殊场景中一般不能够使用无线接入网络，如医院、机舱等。主要原因在于无线接入网络的许多视频信号可能会对仪器产生干扰，引发威胁生命的灾难和隐患。所以，针对当前频谱资源紧缺的情况下，提出可见光通信（Visible Light Communication，VLC）作为无线射频通信的有益补充。

1 可见光通信技术的研究现状

可见光通信技术最早由日本学者于2000 年提出，他们通过仿真探讨将发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯作为无线传输通信基站的可行性,并率先成立了可见光通信的综合性研究组织，即日本可见光通信联合体[1]。2004 年，日本中川实验室成功地在自由空间中使用LED作为光源进行了100 MHz以上的信息传输，正式实现了自由空间高速可见光通倍实验[2]。鉴于可见光通信的诸多优势与光明前景，欧美研究人员也非常重视，投入了大量的人力与物力进行研究。为此，欧盟特地开展了代号为OMEGA项目，该项目的目标是对1 Gb/s以上的超高速家庭接入网进行研究，根据研究人员搭建的测试网络显示，该超高速接入网理论速度为1.25 Gb/s，最高传输速度为300 Gb/s[3]。除了实验室的研究平台之外，一些研究人员也在尝试走向商业化。英国爱丁堡大学的哈斯教授专门参与创建一个探讨将可见光通信用于生活的工作室“Purdifi”，而哈斯教授与他们的研究成员已经研制出用于电脑上网的微型接收端[4]。

2 可见光通信技术

当前许多基础的LED灯泡在进行技术研究的过程中，一般都需要加固微芯片能够在自身基础之上去进行快速的闪烁。这种闪烁频率往往可以达到每秒百万次级别。只有在这样的基础上才能够去进行灯泡数据的传输。利用这种传输方式，LED灯可以通过对二进制编码进行快速传输，以实现信息数据的传送[5]。

可见光通信技术是一种基于LED发出快速的、人眼无法察觉的明暗闪烁的光信号，实现“有光照就能上网”的新型高速数据传输技术，在接收端利用可见光探测器接收明暗闪烁的光信号并解调以获得通信数据。与传统射频通信相比，VLC具有以下明显的优势。

（1）传输速率高，室内白光 LED 的功率之和高达10 W 以上，使 VLC具备了非常高的信噪比，为实现高速通打下了良好的基础。

（2）无电磁干扰，白光和射频信号不存在相互干扰，无电磁污染，可应用于核电站、机舱、医院、工业控制等电磁敏感的环境中。

（3）绿色低碳、成本低，VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合国家节能减排战略。

（4）传输安全性高，白光不可穿透墙壁甚至窗帘，VLC具有高度的保密性。

（5）频谱无需授权即可使用。

（6）白光对人眼的伤害较小。因其具有这些优点，迅速获得世界各国的关注和支持[6,7]。

3 可见光通信应用与挑战

3.1 飞机和高铁上的应用

可见光通信在发展过程中逐渐开始能够使用到各种场景当中，其中包括飞机、地铁、高铁等，如图1所示。之所以不能坐在飞机和高铁上使用高频率的电磁信号，主要原因在于飞机的导航以及通信系统在使用的过程中很容易受到各种电磁信号的干扰，容易让飞机在飞行过程中出现安全隐患[8]。所以在乘坐飞机过程中，一般都会禁止乘客使用手机和互联网。可见光通信技术可以对这一难题进行有效地解决，而且飞机在通过核心控制器接收卫星信号的过程中，需要将网络接入到LED上，客户可以通过自身座位上的小白灯和可见光让手机能够使用网络[9]。

图1 可见光通信在智能家居和交通中的应用

高铁作为我国最主要的交通工具之一，也是我国最发达的交通工具之一，因此通信困难也是高铁上存在的重要难题之一。由于高铁时速较快，使得用户手机、电脑在接入网络速度的基础上会存在较慢的现象。通过可见光通信技术以后，就能够通过车厢上的LED灯实现和卫星信号进行接入，最终用户可以通过移动终端实现上网[10]。

3.2 物联网中的应用

可见光通信技术可以同时提供照明和通信服务，因此可以替代室内的照明设备来实现自身的无限局网基站发射信号，而且通信效率通常可以达到每秒10 M或者是数百兆，在未来的传输速率可能会达到更高的标准和要求。当下的可见光通信技术往往能够和物联网进行联动，可见光通信技术能够使得物联网上的电器得到相应的数据连接，例如空调的控制工作、灯泡的关闭和开启等[11]。

LED可见光通信系统将自身的照明系统和网络通信系统进行功能上融合，可以将自身的中央控制器安装在墙面和天花板上,探测器安装在家用电视上就可以通过中央控制器对家庭电器进行控制，在此基础上还能够安装一些安保系统。可见光系统可以发射监控信息，让居民在使用可见光通信系统时获取信息。具体的实现路径可以简单表达为人们在办公室使用手机或者是网络控制器，对空调发送指令，控制器就将进行LED灯光信号传输[12]。一般情况下，将LED光源的可见光传输到光照的范围内，空调上的检测器将接收到信息，最后实现相应的指令动作。所以可见光通信技术在实现数据通信传输的过程中，能够和家居物联网进行融合发展，对家居中许多设备进行控制，在此过程中照明和通信都能够通过可见光通信来实现，节约了能源，减少了电磁辐射。

3.3 室内购物导航

人们的日常生活中购物的实现一般都是通过线上和线下2种模式。在线下进行购物的过程中，会出现找不到路的情况，在这种时候就可以通过无线通信来进行解决。可见光通信能够在人们走进超市的过程中，通过智能移动设备寻找可见光通信功能，在建立网络连接以后，寻找自身需要的物品。收银员能够在可见光通信技术中快速传输数据，让购买信息能够得到快速计算，最终用户能够在短时间内获得自身想要的物品，并且在最终的购物环节中节省大量时间。不仅如此，商家还可以通过可见光技术对各种商品进行监控。如果使用无线传输技术，其中的电磁波信号很容易被干扰，但使用可见光技术就能够避免出现无线传输技术带来的室内导航不准确及相应问题隐患[13]。

3.4 可见光通信的挑战

虽然可见光通信技术在未来的应用场景中有着许多的优势和突破口，但是也存在一定的挑战，主要包括两方面，一是可见光容易受到太阳光的影响；二是由可见光无法穿透物体或障碍物，容易受到障碍物的影响，终端信息容易被切断。因此可见光通信和无线射频通信将相互补充[14,15]。

4 结 论

可见光通信技术是一项有发展前途的通信技术，能够同时提供照明和通信服务，而且具备高速率、高安全性、高频谱带宽、低成本、绿色环保等优势，必将和无线射频通信并行前进。特别是针对许多其他无线通信射频技术无法进行传输的范围内，可见光通信技术能够得到一定的突破。现今可见光通信技术的主要研究方向是如何延长其使用距离、如何提升信号方向准确度及如何降低成本。在未来，如果这些技术问题都能够解决，那么可见光通信技术将会发挥自身的巨大潜能，改变当下许多生活现状，并普及到人们的日常生活当中, 最终成为无线通信技术的新方向。