通信技术· 217 ·doi：10.19399/ki.tpt.2019.02.095可见光通信应用前景与发展挑战朱振坤（湖北经济学院 信息与通信工程学院，湖北 武汉 430000）摘要：传输介质创新往往会掀起新通信技术革新的浪潮。
自从可见光被尝试用作信息传输媒介起，可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）在短短数年间迅速成为无线通信技术领域的研究热门课题。
可见光通信继承了LED 反应速度快、不受电磁干扰及可靠性高等优点，在照明的同时实现了无线通信。
基于此，在系统介绍可见光通信结构和特点的基础上，重点介绍了可见光通信的应用前景，并分析讨论了可见光通信的一些关键技术和可见光通信未来的发展挑战。
关键词：可见光通信；白光LED；uplinkApplication Prospects and Development Challenges of Visible Light CommunicationZHU Zhen-kun（College of Information and Communication Engineering，Hubei University of Economics，Wuhan 430000，China）Abstract ：The innovation of transmission media often leads to the wave of innovation of new communication technology. Since visible light has been tried as an information transmission medium ，Visible Light Communication （VLC ） has rapidly become a hot research topic in the field of wireless communication technology in a few years.Visible light communication inherits the advantages of fast response speed ，no electromagnetic interference and high reliability of LED ，and achieves wireless communication while illuminating.Based on this ，the structure and characteristics of visible light communication are introduced systematically.The application prospects of visible light communication are emphasized.Some key technologies of visible light communication and the development challenges of visible light communication in the future are analyzed and discussed.Key words ：visible light communication ；white LED ；uplink0 引 言受益于半导体技术的高速发展和LED 照明的广泛应用，VLC 使用LED 作为可见光光源，拥有LED 反应速度快、不受电磁干扰及可靠性高等优点，在照明的同时实现了无线通信[1]。
从一百多年前贝尔提出photophone 起，经过各类激光器与LED 的逐步发明与应用，VLC 的概念在21世纪初被正式提出，并很快成为了欧、美、日等国家角逐通信技术的前沿阵地，国内以中国科学技术大学为代表的高校和研究机构在VLC 理论与实验方面取得了诸多突出成果。
但是，VLC 现阶段还未趋于成熟，在生活与工业中的推广应用尚有许多技术难点需要解决。
1 基本结构及其特点无线通信系统逻辑上一般都由下行链路（downlink ） 和上行链路（uplink ）两部分组成，VLC 作为无线通信的一种也同样如此。
以典型的室内可见光通信系统为例，VLC 基本结构如下。
1.1 下行链路下行链路由LED 光源、光电检测器（PD ）及信号处理单元组成。
其中，LED 光源与信号处理单元组合可发射调制可见光，构成发射部分；PD 与信号处理单元接收发射光并转换处理获得原始信息，构成接收部分。
由于两部分间存在多条光路径，每种路径上从发射到接收耗时不同，因而存在码间干扰（ISI ）。
1.2 上行链路相较于下行链路，uplink 的LED 光源发射面积和发射角要小得多，同时uplink 的PD 安装在吊顶上，用来接收用户光信号。
除去上述区别外，uplink 和downlink 的组成结构基本相同。
实际使用的可见光网络是由全双工VLC 系统组成的网络，全双工VLC 系统通过在通信双方对称配置上述uplink 和downlink 实现双向同时工作。
由于VLC 系统中LED 光源高速调制，人眼察觉不到灯光的明暗交错，因而其通信功能对LED 照明没有影响。
VLC 系统一般设计采用强度调制直接检测（IM-DD ），这种方式的特征在于Optical receiver 所接收到的光信号来自多个光源，即使部分光路径被遮挡仍旧可以实现通信，大大提高了系统可靠性。
VLC 由于光源的特殊性，表现出许多优于传统光通信（Optical Communication ）和射频通信（RF Communication ）的特点。
第一，不受许可证限制。
可见光不在无线电频谱管制范围内，因而不受许可证限制。
第二，安全性。
可见光对人基本没有伤害，将照明使用的可见光作为通信介质安全性极高。
第三，保密性。
在封闭空间内，可见光无法穿越砖墙，因而外界无法获取通信内容，可以有效防止信息外泄。
第四，不会产生电磁干扰。
这一点对于飞机和医院极为重要，因为这些场合对于电磁干扰有着严格限制。
此外，可见光资源丰富、发射功率高等均为VLC 优势。
然而，由于VLC 通信路径损失较大，性能受温度影响较明显，因而目前无法取代RF Communication 。
因此，如何克服这些劣势成为了VLC 研究的热门课题。
收稿日期：2018-11-14作者简介：朱振坤（1997-），男，湖北黄冈人，本科，主要研究方向为电子信息工程。
· 218 ·2 可见光通信应用前景2.1 智能交通应用智能交通是交通的物联化体现，通过将交通系统内所有的信息采集与管理系统有机结合成一个整体，可以大幅提高运输效率，降低交通负荷，智能交通系统（ITS ）是未来交通系统的发展方向[2]。
ITS 中用于辅助驾驶员路况识别的图像处理技术属于核心技术之一，这也是VLC 技术应用的一个新领域，VLC 配合高分辨率、高速摄像机可以实现车辆与路边预设装置的通信，进而让车主及时获取障碍物、交通灯及其他车辆信息，以便做出适当行车调整，提高交通质量与效率。
目前制约VLC 在ITS 中推广应用的主要因素是硬件设施成本过高，通信速度也有待进一步提高。
2.2 航空应用VLC 安全性与不会产生电磁干扰这两大优势使其在航空应用中大放异彩，最新的商用飞机上应用VLC 后，进一步降低了通信设备设施的重量和成本，波音公司已将VLC 推广应用纳入到了长远规划中。
航空应用中，VLC 可以在照明的同时辅助乘客进行阅读，并可以通过座位间的VLC 网络实现对讲和娱乐交互。
2.3 室内定位应用目前，室内定位系统主要采用的是Bluetooth 、RF 和Ultrasonic ，这些方式的通病在于会产生较大电磁干扰，稳定性不高，且难以实现搞定度定位。
VLC 的诸多优势克服了这些不利因素。
有专家称，未来VLC 将应用在购物中心、机场及博物馆等场所，指导顾客可以利用手机端接收墙面固定位置LED 光源发射的信号，快速寻找想要的商品和想去的地方，大大提升相关场所的人性化水平。
文献[3]中设计的基于RRS 室内定位系统，在59 mm 范围进行测试，精确定位水平高达95%。
2.4 水下应用无线电波在水下传播会大幅衰减，并且会对许多海洋生物造成干扰。
因此，需要开发一种通信方式克服水下衰减和电磁干扰。
NUS 和MIT 等高等院校已联合开展了水下可见光通信研究，并已获得了初步成果，在30 m 距离内达到了1.2 Mb/s 的传输速度。
3 可见光通信发展挑战3.1 克服光源自身不足市面上大多数LED 光源调制带宽较窄，幅频响应呈低通特性，尤其是非线性的电光功率转换，成为制约VLC 高速传输的最大短板。
虽然已经研发出了高性能RGB LED ，可以在一定程度上克服VLC 光源自身不足。
但是，造价过高、控制复杂等问题依然无法使RGB LED 在VLC 大规模推广使用。
3.2 MIMO 模型改进多输入多输出系统（MIMO ）是下一代移动通信的核心技术，MIMO 可以克服VLC 调频带宽有限的短板，大幅提高系统容量。
目前，MIMO 研究主要集中在自由空间光通信中。
与自由空间光通信不同，VLC 核心应用领域在室内，与光链路高度相关，VLC 能否与MIMO 完美融合有待进一步论证，VLC 的MIMO 模型优化和改进课题也由此而来。
3.3 光电探测器研发高质量的光接收端探测器是增大VLC 系统传输距离的前提条件，目前广泛使用的多是红外光电探测器，如APD 、PIN 等。
而VLC 无法使用这类探测器，需要针对性的开发新型高质量光电探测器。
3.4 uplinkDownlink 是当前VLC 研究的热门，对于uplink 相关研究较少，作为VLC 系统基本组成结构的一部分，uplink 是VLC 技术推广应用不可越过的一道坎。
目前，存在的三种uplink 方案都有不利因素：红外方向性过强，射频通信要求发射端与接收端都具备无线接收机，可见光通信过程中照明可能会对用户造成干扰，且对准较为困难。
3.5 完善可见光信道模型分析与设计VLC 系统时，首先应建立可见光信道模型，完善模型可以辅助选择最佳LED 光源布局和光亮度，以减少盲区，降低ISI 。
对于许多对数据传输速率要求较高的应用领域，完善可见光信道模型显得极其重要。
4 结 论在新一代的光通信领域中VLC 必然会占有重要一席，因而欧美、日本、中国的许多科研院所都投入了巨大资源进行VLC 关键技术研究，也取得了一些模拟仿真的阶段性成果；但是，距离实际应用还有很长的一段距离。