張經(jīng)緯 焦 爽

華北水利水電大學(xué)電力學(xué)院（河南 鄭州 450011）

0 引言

隨著我國(guó)通信技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)通信的需求不斷增加，電磁波頻率資源已無(wú)法滿足社會(huì)發(fā)展及人們生活的需要?？梢?jiàn)光由于具有頻率高、不易被干擾、儲(chǔ)量豐富、且無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，已逐漸被應(yīng)用到通信技術(shù)中，可見(jiàn)光無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生?？梢?jiàn)光無(wú)線通信技術(shù)最早是由德國(guó)物理學(xué)家Harald Hass教授提出的，是一種利用發(fā)光二極管（LED）的快速響應(yīng)特性實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)木G色信息技術(shù)，學(xué)術(shù)界一般稱之為可見(jiàn)光通信技術(shù)[1]。分析和試驗(yàn)均證明了可見(jiàn)光通信在提供高速數(shù)據(jù)通信方面具有較大的潛力，同時(shí)，其在通信安全性與私密性方面也具備極大的優(yōu)勢(shì)。雖然可見(jiàn)光通信的應(yīng)用范圍涵蓋了諸多領(lǐng)域，但受制于自身不足，其發(fā)展仍然面臨許多問(wèn)題。

1 可見(jiàn)光通信技術(shù)的產(chǎn)生背景

（1）頻譜資源短缺。隨著5G通信與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步，人們的通信需求不斷擴(kuò)大，以厘米波為代表的GHz無(wú)線電資源已不足，頻譜資源越來(lái)越緊缺[2]。據(jù)估算，5 000 MHz以下的頻譜被開(kāi)發(fā)殆盡，沒(méi)有足夠的頻率配置后續(xù)的無(wú)線通信[3]。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）警示：擠占頻率資源將導(dǎo)致全球頻譜使用超負(fù)荷；全球無(wú)線頻譜的使用效率只有在現(xiàn)基礎(chǔ)上提升10倍左右才能滿足當(dāng)下的需求[4]。為緩解日益增長(zhǎng)的無(wú)線通信需求與頻率資源緊缺之間的矛盾，新的無(wú)線通信技術(shù)亟待發(fā)展，其中一個(gè)重要途徑就是利用可見(jiàn)光取代無(wú)線電。

（2）LED不斷進(jìn)步。1996年第一批LED商業(yè)化后不久，人們就意識(shí)到LED作為照明光源的前景。LED耐用性好、低碳高效、不含汞，與白熾燈相比可減少約90%的能耗，且生命周期增加了30倍，因此傳統(tǒng)照明技術(shù)日漸被固態(tài)照明取代。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，LED的價(jià)格不斷下降，功耗不斷降低，預(yù)計(jì)未來(lái)LED在照明市場(chǎng)的份額將增至約70%。LED光源在公共室內(nèi)場(chǎng)所分布廣泛，使其具備了提供便捷、高效無(wú)線通信的便利條件。

2 可見(jiàn)光通信技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

（1）適用性廣。無(wú)線電的使用會(huì)對(duì)飛機(jī)、工業(yè)、科學(xué)或醫(yī)療等設(shè)備產(chǎn)生干擾。當(dāng)發(fā)射功率過(guò)高時(shí)，電磁波也會(huì)對(duì)人體或設(shè)備體造成傷害。此外，在開(kāi)采石油、天然氣或煤等資源時(shí)，無(wú)線電的使用也具有較高的危險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，無(wú)線電通信應(yīng)用場(chǎng)景有限，在許多對(duì)無(wú)線電信號(hào)敏感的工況下不宜使用?？梢?jiàn)光通信技術(shù)無(wú)電磁污染，安全范圍廣?？梢?jiàn)光對(duì)設(shè)備的損傷和對(duì)人體的傷害微乎其微。同時(shí)，可見(jiàn)光頻率非常高，不存在電磁干擾。

（2）資源豐富。無(wú)線電波是頻率在3 000 GHz以下的電磁波，其中30 GHz以下的一般用于民用通信?？梢?jiàn)光波長(zhǎng)為380～780 nm，頻率為4.2×1014～7.8×1014Hz?？梢?jiàn)光通信技術(shù)具有更寬的頻帶，是無(wú)線電的105倍，這意味著其頻譜資源豐富，可在很大程度上緩解緊張的無(wú)線電頻譜。無(wú)線電波與可見(jiàn)光波頻譜示意圖如圖1所示。

圖1 無(wú)線電波與可見(jiàn)光波頻譜示意圖

（3）速率快。在通信上，一般認(rèn)為媒介工作頻率越高，其傳輸信號(hào)的帶寬就越寬，系統(tǒng)的信息傳輸能力就越大。根據(jù)香農(nóng)第二定理，可得出如下結(jié)論：

式中：B為信道帶寬；S為信號(hào)平均功率；n0為單邊功率密度。

由公式（1）可知，信息的運(yùn)載能力與信道帶寬成正相關(guān)。據(jù)此計(jì)算，可見(jiàn)光通信技術(shù)的最大理論速率為無(wú)線電的1 000倍；受條件限制，實(shí)測(cè)最高速率50 Gb/s，是IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)下Wi-Fi的23倍。

（4）安全私密。無(wú)線電波衍射能力強(qiáng)，能繞過(guò)障礙物（如墻壁、車輛等），因此無(wú)線電通信的傳輸信號(hào)不易被阻擋、傳輸范圍不容易受限。黑客能借此入侵連接至同一路由器的移動(dòng)終端，會(huì)造成信息泄露，埋下安全隱患。可見(jiàn)光無(wú)法繞過(guò)或穿透不透明物體，可見(jiàn)光通信技術(shù)的信息傳輸范圍只局限于照明范圍，因此傳輸范圍容易控制，只要遮住光源，照明區(qū)以外就無(wú)信息泄露，安全性大幅度提高。2011年，德國(guó)物理學(xué)家Harald Haas教授在英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)通過(guò)暗色紙板遮擋可見(jiàn)光通信技術(shù)的光源實(shí)現(xiàn)了視頻的播放與暫停，驗(yàn)證了可見(jiàn)光通信技術(shù)的安全性。

鑒于可見(jiàn)光通信的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，光通信技術(shù)已逐漸受到各國(guó)政府的重視，成為重大的科學(xué)主題和研究熱點(diǎn)。早在2000年，慶應(yīng)義塾大學(xué)就提出了可用于家庭網(wǎng)絡(luò)的白光LED可見(jiàn)光通信[5]；日本隨后也成立了可見(jiàn)光通信協(xié)會(huì)（VLCC）；美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）成立的照明系統(tǒng)研究與應(yīng)用中心（LESA）成功研制了全球首個(gè)高速率、零誤差且可長(zhǎng)距離傳輸?shù)目梢?jiàn)光全集成微芯片接收機(jī)鏈路。我國(guó)復(fù)旦大學(xué)、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、華中科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所等高校與科研院所，在先進(jìn)調(diào)制均衡技術(shù)和高速可見(jiàn)光傳輸方面也取得了一系列成果。

3 可見(jiàn)光通信技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景

根據(jù)可見(jiàn)光通信技術(shù)的工作環(huán)境，將該技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景分為兩類：一類是室外場(chǎng)景，另一類是室內(nèi)場(chǎng)景。

3.1 室外場(chǎng)景

室外場(chǎng)景的主要應(yīng)用對(duì)象是智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)（ITS）。智能交通運(yùn)輸系統(tǒng)涉及先進(jìn)信息處理技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器技術(shù)和通信技術(shù)等?？梢?jiàn)光通信技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用就是依此背景實(shí)現(xiàn)的?？梢?jiàn)光通信技術(shù)網(wǎng)絡(luò)由車載單元、各類車輛和交通基礎(chǔ)設(shè)施（交通燈、路燈或路邊廣告牌等）組成，其以車輛的照明燈為光源，光檢測(cè)元件被放置在光源的側(cè)邊。為了擴(kuò)大覆蓋范圍，可以在車輛側(cè)面（如后視鏡的后側(cè)）安裝額外的光檢測(cè)元件。汽車上的圖像傳感器或攝像頭可用作可見(jiàn)光通信技術(shù)的接收器件[6]。

具備可見(jiàn)光通信技術(shù)功能的車輛可以通過(guò)該技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛之間及與交通基礎(chǔ)設(shè)施之間的通信，實(shí)現(xiàn)車輛間高速數(shù)據(jù)傳輸、車輛定位、車輛安全駕駛和避障等。可見(jiàn)光通信技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)評(píng)估，可以在70 m實(shí)現(xiàn)50 Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖2 可見(jiàn)光通信技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.2 室內(nèi)場(chǎng)景

由于可見(jiàn)光在空間自由信道中易散射，因此短距離（室內(nèi)）場(chǎng)景是可見(jiàn)光通信技術(shù)的一大研究熱點(diǎn)。室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)主要分為低速和高速兩種工作方式。低速方式速率的要求不高，一般應(yīng)用在室內(nèi)定位方面。高速方式的目的則是利用復(fù)雜的調(diào)制格式（如正交頻分復(fù)用）完成高速數(shù)據(jù)傳輸。

可見(jiàn)光通信技術(shù)室內(nèi)定位技術(shù)利用微控制單元將坐標(biāo)位置數(shù)據(jù)編碼成LED光信息并發(fā)送，通過(guò)接收端的光傳感器等裝置接收信號(hào)，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最后處理和分析解調(diào)數(shù)據(jù)，并給出被測(cè)點(diǎn)的位置。應(yīng)用了可見(jiàn)光通信技術(shù)的室內(nèi)定位系統(tǒng)可以為視障人士導(dǎo)航；傳感器可以根據(jù)光源方向計(jì)算當(dāng)前點(diǎn)的位置，在后臺(tái)處理后選擇路徑，以聲音方式引導(dǎo)視覺(jué)障礙者。

大型展館室內(nèi)定位與高速數(shù)據(jù)傳輸相結(jié)合是可見(jiàn)光通信技術(shù)定位的另一個(gè)應(yīng)用方向，其可以為室內(nèi)人員提供位置監(jiān)測(cè)、智慧導(dǎo)覽等服務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸功能可以在大型會(huì)議、展覽中應(yīng)用。此外，可見(jiàn)光通信技術(shù)在室內(nèi)還可以應(yīng)用于手機(jī)支付、視頻或圖像傳輸?shù)取?/p>

4 可見(jiàn)光通信技術(shù)存在的問(wèn)題

可見(jiàn)光通信技術(shù)雖然具有很大的優(yōu)勢(shì)，有效彌補(bǔ)了無(wú)線電技術(shù)的缺陷，但其自身仍然存在一些問(wèn)題，這些問(wèn)題使其在商業(yè)化應(yīng)用中難以迅速推廣。文章主要介紹信道障礙、上行通信實(shí)現(xiàn)困難兩個(gè)方面的問(wèn)題。

4.1 信道障礙

（1）非完全障礙。非完全障礙僅對(duì)可見(jiàn)光通信技術(shù)造成暫時(shí)的影響，在障礙作用期間仍然可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信。因?yàn)槭覂?nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)系統(tǒng)信號(hào)在自由空間內(nèi)傳播，沒(méi)有硬載體，所以在通信過(guò)程中，外界因素的影響會(huì)造成可見(jiàn)光通信障礙，如飛蟲(chóng)或細(xì)顆粒物等都會(huì)停留在空氣中阻擋信道，從而削弱正常通信。

（2）完全障礙。完全障礙和非完全障礙有很大的差異：非完全障礙是指僅對(duì)可見(jiàn)光通信技術(shù)造成暫時(shí)的影響，且容易排除的障礙；而完全障礙對(duì)可見(jiàn)光通信技術(shù)造成的影響是持續(xù)的、不可逆轉(zhuǎn)的。當(dāng)信道被障礙物完全擋住時(shí)，全部的光源信號(hào)都會(huì)被切斷，因此接收端無(wú)法接收任何來(lái)自發(fā)射端的信號(hào)，可見(jiàn)光通信技術(shù)也會(huì)完全停滯。

（3）多徑效應(yīng)。作為電磁波的一種，可見(jiàn)光在大氣環(huán)境下會(huì)發(fā)生反射，人的衣物形成的漫反射，水杯、鏡面、墻面或其他光滑物體的鏡面反射光會(huì)使接收器接收多路信號(hào)，這被稱為多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)示意圖如圖3所示。多徑效應(yīng)會(huì)增加可見(jiàn)光通信技術(shù)的傳輸距離，降低信號(hào)接收效率。

圖3 多徑效應(yīng)示意圖

4.2 上行通信實(shí)現(xiàn)困難

可見(jiàn)光通信技術(shù)的上行傳輸很難利用可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)。理論上，要利用可見(jiàn)光上行通信，需要在接收芯片中嵌入用于上行傳輸?shù)腖ED燈，并在下行傳輸?shù)腖ED旁側(cè)加裝接收上行信號(hào)的光檢測(cè)器件。用于上行的LED體積受功率限制，這就限制了上行傳輸?shù)乃俾逝c可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

可見(jiàn)光通信技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣，涵蓋了室內(nèi)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信、智能交通系統(tǒng)、智慧城市、智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)、定位系統(tǒng)、可穿戴設(shè)備、公共衛(wèi)生等諸多領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)不斷發(fā)展，可見(jiàn)光通信技術(shù)無(wú)論是在理論還是應(yīng)用方面，均取得了大量研究成果，極大地推動(dòng)了自身的發(fā)展，也加快了該技術(shù)的實(shí)用化進(jìn)程。在解決LED器件關(guān)鍵技術(shù)、雙向通信、信道障礙等難題的基礎(chǔ)上，可見(jiàn)光通信技術(shù)無(wú)疑將在5G通信中扮演極其重要的角色，成為現(xiàn)有無(wú)線通信方式的有效補(bǔ)充。