可见光通信究竟是个什么鬼

可见光通信概述

　　可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）是指利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。

　　可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。

　　未来，可见光通信也将与WiFi、蜂窝网络（3G、4G、甚至5G）等通信技术交互融合，在物联网、智慧城市（家庭）、航空、航海、地铁、高铁、室内导航和井下作业等领域带来创新应用和价值体验。

　　可见光通信的关键技术

　　1、高性能编码、调制技术

　　对信源进行何种编码以及采用何种调制方式，将直接决定通信系统的通信性能。由于实现简单，VLC 系统大多设计成光强度调制/直接探测（IM/DD）系统，采用曼切斯特编码和OOK 调制方式。二进制OOK 编码通过光学链路一次只能发送一个比特，传输慢；曼切斯特编码虽然可以降低系统的误码率，但要求较宽度频带，而现有的基于蓝光激发磷光体产生“白光”的LED 可用调制带宽非常有限，所以必须探索新的编码、调制方法。

　　由于正交频分复用技术（Orthogonal Frequency Division Technology， OFDM）具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、频谱资源灵活分配等优点，在VLC中得到了广泛研究。OFDM被证明在高速通信情况下可有效抑制码间干扰（Inter-symbol Interference， ISI）。

　　该技术的优点在于：

　　（1）将数据进行串并转换后同时传输，在时域上符号持续时间得到增加，能够减少信道时域弥散产生的ISI，并可通过插入循环前缀的方法进一步消除信道ISI；

　　（2） 具有较高的频谱利用率；

　　（3） 调制解调过程中的快速傅里叶变换和快速傅里叶逆变换随着DSP技术的发展易于实现；

　　（4） 可根据上下行链路不同数据量和通信质量要求进行自适应的调制；方便与多址技术结合等。其面临的主要挑战在于如何将信息有效地加载到OFDM载波上，以及如何对LED的非线性进行补偿。

　　2、 码间干扰消除技术

　　在室内LED 可见光通信系统中，LED 光源通常是由多个发光LED 的阵列组成，具有较大的表面积、较大的发射功率和宽广的辐射角，光线分布在整个房间。另一方面，为了达到较好的照明和通信效果，防止“阴影”影响，一个房间通常安装多个LED 光源。由于LED 单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致了不同的传输延迟， 加上光的色散，已调光脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内， 不可避免地产生码间干扰，极大地降低了系统的性能甚至导致不能正常通信。

　　因此，如何消除码间干扰，对保证高性能的VLC 通信至关重要。针对VLC 系统中ISI 的起因不同，主要采用以下方式来削弱码间干扰：运用部分响应技术、采用均衡技术、采用消ISI 的调制方式等。下面详细解释下均衡技术。 作为室内照明用的LED，其调制带宽仅限于几兆赫兹。为了提高LED的调制带宽，人们研究了使用滤光片，将由荧光层产生的黄色光滤去（荧光层的响应速度较慢），让较快速响应的蓝光部分入射到接收端上。

　　另外一种方法是使用发射端均衡技术，该方案实质就是使用模拟均衡技术补偿白光LED在高频时的快速降落。例如，使用16个LED构成阵列，并使用具有某一最大输出频率的谐振技术为每一个LED的驱动电路设计均衡部分电路。实验证明当使用NRZ-OOK（ No Return Zero On-off Keying）调制方式时，16个LED组成的阵列可在距离为2m、覆盖半径为0.5m范围内达到40MB/s的通信速率，并保证较低的误码率。如果增加均衡电路复杂度，其单个LED的通信速率甚至可达到80MB/s。

　　单独为每一个LED都添加一个均衡电路，这无疑会增加系统成本和发射端能耗，若在接收端选择使用均衡技术，就会在提高系统传输速率的情况下降低系统的复杂性。例如，研究人员在接收端使用一阶模拟均衡器在NRZ-OOK调制方式下，模拟得到了最大传输速率为32MB/s、误码率小于10-6的通信系统。发射端和接收端的均衡技术都有待进一步优化以增加系统覆盖面积和减少误码率。

　　3、全双工通信

　　VLC系统要接入互联网就必须实现全双工通信，即实现数据的上传与下载。要实现VLC 全双工通信方式，除了要具有现在研究的热点下行链路外，还必须具备上行链路。目前，几乎所有的研究更多集中于下行链路的实现，很少关注上行链路的实现技术。

　　确保上行链路实现的一个重要问题在于如何避免具有照明功能的下行链路的干扰，目前已提出的方案包括：

　　（1）使用红外波段作为上行链路，以区别下行链路的可见光；

　　（2）使用激光反射器将入射光的一部分反射回发射系统，并将这一部分反射光进行调制以实现上行链路；

　　（3）将VLC与RF结合，即使用VLC实现下行链路，RF系统完成上行链路；

　　（4）采用时分技术，将上下行链路传递信息的时间分开。另有我国学者提出可利用上下链路光的不同偏振态或利用隔板去阻隔下行链路对上行链路的干扰。

　　可见光通信的应用

　　随着LED在照明、显示上替代传统光源，使得这些设施在原有基础上具备了传输信息的功能。另外，由于图像传感器在VLC领域的应用，使得接收端除了能够接收到数据外还能够准确判断发射端与接收端的相对位置，这就为VLC应用于室内导航、机器人或车辆之间的精确控制、准确的位置测量等提供了可能。

　　VLC应用可分为室外及室内应用。对于室外主要应用于：

　　（1） 智能交通系统（Intelligent Transport System， ITS）。包括车辆与车辆之间、车辆与路灯等基础设施之间信息的传递。前者可以传递路况、刹车等信息进而有效避免交通事故，后者可将车辆车速、车牌等相关信息传递到交通检测系统中，实现对车辆信息的采集工作。

　　（2） 户外显示屏及信号灯通信。行人可手持手机等终端向户外显示屏下载商品广告、产品信息、促销活动、股市行情等信息，而信号灯可向行人提供路况信息、道路指南等信息服务。

　　（3） 海上VLC。将发射端放置在灯塔和浮标等处，装备有图像传感器的船只便可解码信息并在监视器中显示灯塔所传递的内容。

　　（4） 基于VLC的三维位置测量。使用接收器为图像传感器的VLC系统可实现对桥梁等设施测量，该系统可实现24h对目标物体的测量，目前精度可达毫米量级。

　　（5） 水下VLC。无线电波在水下的传播距离非常有限，导致其几乎无法运用到水下环境，而LED闪光信号灯已经被日本学者证实可以在水下30m范围内传输信号。该项技术将会对潜水艇和海底观测站的通信起到重要作用。

　　VLC在室内的应用主要涉及高速连接和导航，具体包括点对点、广播式通信和室内定位：

　　（1）点对点通信。为了实现该种通信方式，需要两个终端做到充分的对准，并使LED发出的光束尽可能窄，以保证不会有太多的路径损耗。通过合理设计外围设备，可以保证通信和下载的高速率从而代替IrDA、Bluetooth、UWB等技术。同时，由于VLC在安全性能上的保证，无疑增加了其在诸多方面应用的可能性。例如，日本Casio公司研制了一种LED徽章，通过接受端的图像传感器，可以在显示器上同时获得使用者的身份信息并采集到图像。该公司还提出了一种利用手机上的LED闪光灯与装备有光电探测器的自动取款机进行信息传递以实现用手机查询账户信息和取款的方法，这种方法使外人无法窃取通信信息。

　　（2） 广播服务。白光LED阵列可以实现信息的广播，例如当我们在浏览名胜古迹和博物馆时，通过LED即可将相关知识内容

　　可见光通信究竟是个什么鬼

　　光究竟是怎样传输信息的？

　　早在 2004 年，IEEE 杂志上就有论文解释通过发光二极管（也就是 LED 灯管）提供无线网络连接的方法，具体的原理是这样的：

　　LED 灯本来就是一个半导体芯片，跟传统的灯丝是不一样的是，芯片可以特别快地开关，例如使用交流电的灯是 60 赫兹，人类眼球无法识别灯光闪动。在一开一关的时候，光就有方波了，经过调制就可以传信息了，跟我们平常使用的电话的无线电通讯无异。

　　目前全球的多所大学都有相关的研究项目，他们大多数都在实验室进行。在 2012 年，通讯业杂志 IEEE 上就曾经发表一篇让可见光传输速率达到 96 Mb/s 的论文。到 2013 年年底，上海复旦大学的实验室里已经可以让光一盏功率为 1W 的 LED 灯珠，提供灯光下的 4 台电脑上网，最高速率可达 3.25 Gbp 每秒，平均上网速率达到 150Mb 每秒。

　　微软亚研早前也在做这方面的研究。和实验室将把光到设备的传输速率拉峰值极限的尝试不太一样，想要研究这种技术在普通电子设备上的可能性，于是他的团队就在淘宝买了便宜的 LCD 面板，几块钱的太阳能电池板、电路板和可以进行试验。

　　目前，沈国斌的团队研究了如何用逆向反射器（Retro-Reflector），其实就是一种反光镜，将光线原路反射回到 LED 灯上，形成了LED 和电子设备间相互通讯。他们已经能做到，在灯光 1 兆的开关频率之下，从灯光到设备的下行速度达到 10 kb/s，而从设备反光的上行速度达到 0.5 kb/s。

　　在微软的亚洲研发中心，我们看到了这个用价格低廉的组件做成的试验品：不需要充电线，也没有 Wi-Fi 信号，只有一块装有 LCD 屏幕、反射镜和太阳能板的类似手机大小的设备。点亮 LED 灯泡的手电筒直射，设备便亮起来，并且开始传输数据。LED 灯变成了一个普通设备的能量源和信息源。

　　智能交通路牌、无需充电的物联网设备

　　试试想象这样的场景——车灯照到了路边的路牌，路牌马上可以给车辆导航仪传输附近的路况，告诉你到达目的地最通畅的道路；早上起来一开灯，空气检测仪就能会告诉你室外的空气质量、温度和湿度如何，而这检测仪的显示屏就一直挂在床头，不需要充电，也不需要连接 Wi-Fi 或者蓝牙。

　　微软亚研的沈国斌博士告诉记者，智能的路牌、不需要充电的物联网设备上述可能就是他们认为的可见光通讯的未来的样子。听起来很美，但现在依然停留在理论阶段。“我们第一个思路就是想去和产品部门讨论，看看这个东西有没有可能放到微软的大的产品蓝图里面去，无论是我们设计，还是我们的想法，只要他们能够接受，我们就会很高兴。”

　　但要实现这些其实并不容易，需要推出改造好的 LED 灯具，还需要推出有逆向发射器的电子产品同时推向市场售卖。而对于一个公司来说，光是从技术到产品，需要配合的相关团队有太多。

　　研究和产品之间的距离有多远？

　　1880 年，加拿大发明家亚历山大·贝尔发现了一个有趣的玩法：通过调节光束的变化，传递语音信号，可以进行双方无线对话——这就是人类第一次实现无线电话，利用的就是可见光通讯。贝尔为此发明申请专利的时候，连电力都没有出现，他也认为这“光电话”没有任何实用价值。

　　事实上，无论是什么科研项目，在一个做产品的企业，产品部门依然是主导。产品部门有一些问题待解决的时候，根据此开发的技术是很快可以用到产品之上，而没有相关的产品计划的时候，将基础研究成果转化成产品十分有难度。

　　“这种情况下，研究院的任务就是把这些很酷的技术通过发论文或者是内部的 demo 让产品部门了解，希望他们在下一次做产品计划的时候会考虑这个技术。”沈国斌这么说。