可見光通信理論上很性感

　　可見光通信技術(shù)（Visible Light Communication，VLC）是指利用可見光波段的光作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)綠色低碳、可實現(xiàn)近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點，快速構(gòu)建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

　　但是現(xiàn)實卻是：

　　1）由于可見光不能穿透或者繞開物體，因此LIFI也要連接網(wǎng)絡(luò)，比如WIFI或者蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使得只是補充性接入形式

　　2）成本太高，WIFI 10倍以上，沒有商業(yè)組織愿意支持的技術(shù)很難把成本降低， 以下是國內(nèi)光通信頂級權(quán)威給我的答復(fù)：單位帶寬的成本太高了，沒有商業(yè)用價值。您可以問問遲藍或者徐正元，有沒有辦法降低到WiFi的10倍。我想價格10倍以下才有可能得到少許實際應(yīng)用。　　

　　可見光通信發(fā)展現(xiàn)狀

　　1、國內(nèi)研究現(xiàn)狀

　　相對于日本、歐洲和美國，我國VLC領(lǐng)域的研究起步較晚，與國外研究還存在一定差距。國內(nèi)在可見光通信方面的研究機構(gòu)主要有復(fù)旦大學、清華大學、北京郵電大學、南京郵電大學、東南大學、中科院半導體研究所等。

　　復(fù)旦大學主要專注高速可見光通信系統(tǒng)的研究與實驗。其中重點研究了MIMO-OFDM技術(shù)、RGB三色LED應(yīng)用以及多用戶系統(tǒng)的實現(xiàn)。從2012年到2013年，他們搭建的可見光通信系統(tǒng)離線處理數(shù)據(jù)，速率先后突破875Mbps、1.5Gbps，并實現(xiàn)了一盞LED燈同時供4臺計算機上網(wǎng)。2014年，他們在單個RGB三色構(gòu)成的白光LED的基礎(chǔ)上利用均衡技術(shù)，實現(xiàn)了最高3.25Gbps的通信速率。他們搭建的可見光通信系統(tǒng)的速率在國內(nèi)研究中一直處于領(lǐng)先地位。

　　清華大學的研究團隊對室內(nèi)可見光通信的信道特性、信道容量以及LED特性進行過研究。此外他們還研究過OFDM可見光通信的改進、室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)以及將電力線與可見光通信系統(tǒng)相結(jié)合進行通信的方案。

　　北京郵電大學的研究團隊在可見光通信信道模型、LED驅(qū)動電路均衡技術(shù)方面研究較為深入。2010年，他們提出基于光子追蹤的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)仿真算法，所提算法的效率和復(fù)雜度相比傳統(tǒng)的光線追蹤算法都有較大改進，之后他們進一步在上述模型及算法基礎(chǔ)上研究了室內(nèi)各個位置接收信號的均方根時延擴展，由此進一步估計可以達到的最大速率。在LED電路均衡方面，他們提出的2均衡電路將可見光通信系統(tǒng)的E/O/E帶寬擴展至220MHz，在553Mbps的OOK信號傳輸實驗中，系統(tǒng)誤碼率小于2*10-3。此外，他們在室內(nèi)可見光實驗系統(tǒng)、定位、多光源布局等方面有所研究。

　　南京郵電大學的研究團隊在多用戶MIMO可見光通信系統(tǒng)方面進行過一系列的仿真研究，他們提出的多用戶MIMO可見光通信系統(tǒng)在通信速率100Mbps的條件下，誤碼性能達到了10-6的數(shù)量級。

　　東南大學的研究團隊在室內(nèi)可見光通信方面的研究較為廣泛，從多用戶接入、信道容量、多光源布局、可見光OFDM調(diào)制到信道均衡等方面都有所涉及，并提出了許多仿真研究及改進方案。

　　總體來看，國內(nèi)在可見光通信方面的研究還處在實驗室研究階段，與國際領(lǐng)先水平存在差距。在拓展新的應(yīng)用形式、搭建實時高速系統(tǒng)以及高速LED研制等方面還需要繼續(xù)努力。2013年4月，―十二五‖國家863計劃―可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究‖主題項目啟動會在河南鄭州召開，關(guān)注可見光通信關(guān)鍵技術(shù)的研究，為這一新型綠色信息技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

　　2、外研究現(xiàn)狀

　　1）日本方面

　　日本方面，在慶應(yīng)義塾大學（KeioUniversity）的M. Nakagawa研究團隊提出LED可見光通信的接入方案后，這種技術(shù)在日本國內(nèi)非常受重視。先后有名古屋大學（Nagoya Univesity）、東京理科大學（Tokyo University of Science）、長岡技術(shù)科學大學（Nagaoka University of Technology）、日本電信電話（NTT Cooperation）的科研團隊參與研究。在可見光通信的各類應(yīng)用方面，日本的研究人員做了大量的工作，從局域網(wǎng)高速互連、LED顯示器數(shù)據(jù)下載、智能交通系統(tǒng)、智能燈塔到測量等種類繁多。

　　2001年，慶應(yīng)義塾大學的研究人員首先研究了利用交通燈進行可見光通信，并對系統(tǒng)的調(diào)制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性進行了分析。同年，他們研究了OOK調(diào)制技術(shù)和OFDM技術(shù)在室內(nèi)可見光通信的應(yīng)用。研究結(jié)果表明：OOK調(diào)制方式在較低速率下（如100Mbps以下）非常有效，而在高速率情況下，選擇OFDM調(diào)制方式性能更佳。之后，他們又進一步提出在道路照明系統(tǒng)中加入可見光通信功能，以減少交通事故的發(fā)生，通過用符合照明要求的LED進行實驗獲得成功。

　　2004年，M. Nakagawa研究團隊對LED室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)的可行性進一步分析，對光源進行建模，仿真了在多盞燈照射下室內(nèi)光照分布、信道沖激響應(yīng)，并對有無反射情況下的室內(nèi)信噪比分布、符號間干擾等參數(shù)進行了研究。在此基礎(chǔ)上，他們還研究了接收端FOV（Field of View）視場角大小對系統(tǒng)速率的影響，并得到結(jié)論：當接收端視場角足夠小時，可見光通信的速率可以達到10Gbps的數(shù)量級，可以作為下一代通信系統(tǒng)備選方案。

　　2005年，Toshihiko Komine等人將自適應(yīng)均衡技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中，還引入了基于訓練序列的信道估計算法來提高系統(tǒng)通信性能。2007年，該科研團隊研究了PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）和調(diào)整LED調(diào)制深度兩種方法來控制可見光通信系統(tǒng)中的亮度，并進行了一系列實驗，分析了PWM方法中信號頻率與亮度的關(guān)系，實驗結(jié)果表明通過調(diào)整調(diào)制深度的做法比PWM方法有更好的性能。2008至2009年，他們又研究了基于LED和成像器件的室內(nèi)可見光定位系統(tǒng)，通過實驗可以實現(xiàn)室內(nèi)高精度定位功能。

　　從2009年至今，日本慶應(yīng)義塾大學的研究人員對可見光通信系統(tǒng)各種可能的應(yīng)用進行了大量的探索，取得了不少成果，如室內(nèi)盲人導航、機器人定位、運動檢測、智能燈塔等。其中2011年，該團隊的研究人員提出了一項可見光通信在超市購物的應(yīng)用，通過改進超市內(nèi)的照明設(shè)施和購物車，可以實現(xiàn)對顧客的購物需求和行為進行采集分析，圖1是他們采集到的數(shù)據(jù)，圖中線路的粗細代表走過顧客的數(shù)量的多少，線路的顏色則代表顧客在該區(qū)域停留時間的長短，超市工作人員可以根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)結(jié)果來優(yōu)化貨物擺放的位置，獲知哪些貨物最受歡迎等信息。

　　總而言之，在可見光通信方面，日本的研究人員不僅首先提出設(shè)想，而且探索過很多具體的應(yīng)用形式，極大豐富了可見光通信應(yīng)用領(lǐng)域和研究內(nèi)容。

　　2）洲方面

　　在歐洲，2008年1月開始的OMEGA（the Home Gigabit Access）計劃，參與者包括來自歐洲的20多個廠商和學術(shù)機構(gòu)，致力于開發(fā)出1Gbit/s傳輸速率的室內(nèi)互連技術(shù)，可見光通信技術(shù)被作為研究的重點。圍繞這一項目，主要的研究機構(gòu)有德國海因里希-赫茲研究所（Heinrich-Hertz-Institut），西門子實驗室，英國牛津大學，思克萊德大學（University of Strathclyde），愛丁堡大學（University of Edinburgh），意大利比薩圣安娜大學（Scuola Superiore Sant‘Anna Italy）等。

　　其中海因里希-赫茲研究所主要關(guān)注單個LED采用OOK或OFDM調(diào)制方式實現(xiàn)高速可見光通信。2008年，他們提出利用可見光通信和紅外通信組成家庭局域網(wǎng)的設(shè)想，對一些相關(guān)問題進行了討論，從理論上對系統(tǒng)的可行性進行相關(guān)研究與論證，通過分析認為采用PAM或DMT（discrete multi-tone modulation，離散多音調(diào)制）調(diào)制的系統(tǒng)有望達到300Mbps的通信速率。在OOK調(diào)制方式方面，他們早在2009年就完成了100Mbps和125Mbps的可見光通信實驗，2010年更是達到了230Mbps。

　　在單個LED采用DMT調(diào)制方式的可見光通信系統(tǒng)研究方面，他們的研究一直處于世界領(lǐng)先地位。2009年至2010年，通過在接收端加濾光片，利用DMT調(diào)制方式，采用離線分析處理數(shù)據(jù)，他們的系統(tǒng)通信速率先后突破200Mbps、230Mbps、513Mbps。2012年，通過采用RGB三色LED和DMT調(diào)制方式，他們的離線分析系統(tǒng)實現(xiàn)了單個LED 806Mbps的通信速率。

　　英國牛津大學的研究人員主要研究了均衡技術(shù)和MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術(shù)在可見光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過多路并行實現(xiàn)高速可見光通信系統(tǒng)。2008年，他們通過仿真研究預(yù)均衡和后均衡技術(shù)在可見光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用，仿真結(jié)果表明，OOK調(diào)制方式下，在應(yīng)用了一階后均衡和預(yù)均衡條件下，系統(tǒng)速率可以達到75Mbit/s，并且誤碼性能能夠保持在10-6以下。

　　2009年，通過在系統(tǒng)中加入藍色濾光片并采用一階均衡，他們的OOK調(diào)制實驗系統(tǒng)通信速率達到了100Mbps。之后，他們在MIMO可見光通信系統(tǒng)信道建模仿真和實驗方面都進行了大量研究工作。MIMO可見光通信系統(tǒng)仿真方面：2009年，他們通過建模仿真的方法，對非成像MIMO可見光通信系統(tǒng)和成像MIMO可見光通信系統(tǒng)的區(qū)別進行研究了，研究結(jié)果表明，成像MIMO系統(tǒng)性能更佳，并指出MIMO可見光系統(tǒng)的通信速率有望達到Gbit/s的數(shù)量級；2012年，他們進一步建模仿真了室內(nèi)可見光通信的信道沖激響應(yīng)，室內(nèi)光照分布，信噪比（SNR）分布等參數(shù)，結(jié)果表明在保證室內(nèi)光照符合標準條件下，完全有足夠的帶寬來進行通信。

　　在MIMO可見光通信系統(tǒng)實驗方面：2010年，他們的MIMO-OFDM可見光通信實驗系統(tǒng)在距離1m范圍內(nèi)，速率達到220Mbps；2013年，他們搭建的室內(nèi)MIMO可見光通信系統(tǒng)，發(fā)送端用4路250Mbps的信號，接收端用一個3X3的成像器件做接收，在1m范圍、光照1000lux、誤碼10-3條件下，實現(xiàn)了1Gbps的傳輸實驗。此外，他們還對多種OFDM調(diào)制方式以及藍色濾光片在可見光通信中的應(yīng)用做過研究。

　　英國思克萊德大學和愛丁堡大學的研究主要專注于新型LED及其在可見光通信方面的應(yīng)用。2009年至2012年間，他們對新型微型LED及其陣列進行了研究，所研究的微型LED的3dB調(diào)制帶寬最大值先后達到了245MHz和400MHz［42-45］。2013至2014年，他們將研究的新型LED應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中進行實驗，系統(tǒng)速率先后達到了1.5Gbps和3Gbps，這為未來高速可見光通信系統(tǒng)的實現(xiàn)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

　　意大利比薩圣安娜大學的研究主要關(guān)注高速和非準直情況下的可見光通信系統(tǒng)。2012年，他們采用DMT調(diào)制方式，利用離線分析處理數(shù)據(jù)，完成了單個LED通信速率780Mbps和1Gbps的實驗［48，49］。2013至2014年，他們對非準直情況下的可見光通信系統(tǒng)進行了研究，實驗速率分別達到了200Mbps和250Mbps［50，51］。

　　總體來看，歐洲的研究機構(gòu)主要注重基礎(chǔ)器件新型LED以及高速率可見光通信系統(tǒng)的研究。

　　3）國方面

　　美國政府于2008年10月開啟資助一項名為―智慧照明（smart lighting）‖的計劃，專門研究可見光通信技術(shù)，希望能夠通過可見光光束（visible light beams）來實現(xiàn)無線設(shè)備與LED照明設(shè)備之間的通信，這項計劃預(yù)計投資一億八千五百萬美元為期10年，有超過30所大學的研究人員參與，主要的研究機構(gòu)有波士頓大學（Boston University）、佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）、加州大學河濱分校（University of California， Riverside）等。其中，加州大學河濱分校于2010年建立了UC-Light（Center for Ubiquitous Communication by Light）中心致力于用可見光連接所有類型的電子設(shè)備。

　　波士頓大學的研究人員對室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)中的一些關(guān)鍵性問題進行了研究，他們還提出了一些對現(xiàn)有可見光通信系統(tǒng)的改進方案。2010年至2011年，他們對室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)進行建模，仿真了光照強度、信噪比、誤碼率等參數(shù)在室內(nèi)不同位置的分布，還將聚光照明光源引入可見光通信系統(tǒng)以獲得更好的性能。2011年，他們研究了在人眼感受―關(guān)燈‖狀態(tài)下如何實現(xiàn)可見光通信。2012年至2013年，他們先后研究了對應(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中的色移鍵控（Color Shift Keying， CSK）調(diào)制技術(shù)、MIMO技術(shù)和小區(qū)縮放技術(shù)的改進，提出了具有更優(yōu)性能的方案

　　佐治亞理工學院的研究人員主要關(guān)注OFDM調(diào)制技術(shù)及其改進技術(shù)在可見光通信中的應(yīng)用，并提出了一些相應(yīng)的改進措施。2013年，他們對室內(nèi)可見光通信OFDM調(diào)制系統(tǒng)中的PAPR（peak-to-average power ratios，峰均比）特點及其對系統(tǒng)性能的影響進行了分析。之后，針對PAPR過大帶來的信號失真和LED非線性效應(yīng)，他們又分別研究了在OFDM調(diào)制下如何保持照明穩(wěn)定性，以及如何減小或完全避免PAPR過大對通信性能的不良影響。

　　總的來看，美國的研究人員主要關(guān)注可見光通信系統(tǒng)中一些關(guān)鍵點、關(guān)鍵問題的改進方案和創(chuàng)新。

　　可見光通信的應(yīng)用

　　1）數(shù)據(jù)廣播

　　利用可見光通信的高數(shù)據(jù)密度傳輸?shù)奶匦裕梢栽谡彰飨到y(tǒng)中集成可見光通信功能，并傳輸廣播消息，不同的照明光源也可以廣播不同的消息內(nèi)容。用戶的手持設(shè)備只要可以接收到可見光信號，便可以解調(diào)可見光信號中的調(diào)制信息。除了對廣播消息的接收以外，如果用戶的手持設(shè)備可以跟光源通信，也可以利用可見光通信將原來射頻頻段傳輸?shù)膬?nèi)容卸載到可見光信號中，從而降低射頻頻段的負荷。

　　2）室內(nèi)定位

　　利用可見光信號的定向性以及照明基礎(chǔ)設(shè)施已知的位置信息，用戶可以使用手持設(shè)備實現(xiàn)高精度的室內(nèi)定位，理論上可達到毫米級別的定位精度。這為提供基于精確位置的服務(wù)創(chuàng)造了條件。例如用戶在超市中只需要利用手持設(shè)備接收可見光信號，便可以獲得其所在空間的精確位置信息，該信息可以反饋給超市的管理系統(tǒng)，并由其推送相關(guān)的產(chǎn)品信息給用戶。

　　3）醫(yī)院和醫(yī)療

　　因為可見光信號并不會對電子設(shè)備造成電磁干擾，可見光通信被認為是最適合醫(yī)院和醫(yī)療領(lǐng)域的無線通信方式。無論是實現(xiàn)對病人的動態(tài)監(jiān)控還是實現(xiàn)醫(yī)療器械間的通信，可見光通信提供了安全可靠的信息傳輸方式。我們認為，醫(yī)院很可能是可見光通信首先大規(guī)模普及的應(yīng)用場景。

　　4）水下和飛機

　　可見光通信同樣為飛機內(nèi)部的無線傳輸提供了解決方案。可以想象，用戶艙位頭頂上的照明燈今后可能不單純作為照明設(shè)備使用。用戶只要拿出他的手持設(shè)備，便可以接收娛樂節(jié)目，甚至上網(wǎng)瀏覽信息。可見光通信同樣適用于水下通信。相比較于傳統(tǒng)的水下聲吶通信，水下光通信有更高的定向性和保密性?？梢姽馔ㄐ派咸煜碌刂溉湛纱?。

　　5）交通控制

　　智能交通控制也被認為是可見光通信的一大應(yīng)用領(lǐng)域，例如信號燈除了指示三種顏色外，還可以在上面調(diào)制有用信息，例如其所在路口的交通狀況等等。車輛間還可以通過彼此的前車燈和后車燈交換車輛當前的狀態(tài)信息，從而實現(xiàn)即時的避讓。

　　6）廣告展示

　　目前的廣告展板所展示的內(nèi)容過于單一，而通過使用可見光通信可以實現(xiàn)更為豐富的廣告內(nèi)容展示。例如，商家可以將所展示商品的打折信息、功能介紹等調(diào)制在廣告展板的背景光中。用戶如果對廣告內(nèi)容感興趣，便可以通過其手持設(shè)備接收到相關(guān)產(chǎn)品更為豐富的信息。