可見(jiàn)光通信技術(shù)

可見(jiàn)光通信技術(shù)目錄1.簡(jiǎn)介2.背景3.特點(diǎn)4.應(yīng)用5.關(guān)鍵技術(shù)6.研究現(xiàn)狀

可見(jiàn)光通信技術(shù)(VisibleLightCommunication，VLC)是指利用可見(jiàn)光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，而在空氣中直接傳輸光信號(hào)的通信方式。它能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高，保密性強(qiáng)，無(wú)電磁干擾，無(wú)需頻譜認(rèn)證等優(yōu)點(diǎn)，是理想的室內(nèi)高速無(wú)線接入方案，在全球已經(jīng)成為了研究的熱點(diǎn)。

簡(jiǎn)介

與目前使用的無(wú)線局域網(wǎng)（無(wú)線LAN）相比，“可見(jiàn)光通信”系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替無(wú)線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號(hào)，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來(lái)傳輸速度還可能超過(guò)光纖通信。利用專用的、能夠接發(fā)信號(hào)功能的電腦以及移動(dòng)信息終端，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以長(zhǎng)時(shí)間下載和上傳高清晰畫(huà)像和動(dòng)畫(huà)等數(shù)據(jù)。

簡(jiǎn)介光通信的發(fā)展歷程

光通信聽(tīng)起來(lái)十分的“技術(shù)范”，然而它卻有久遠(yuǎn)的歷史，并且和我們的生活息息相關(guān)。

源于奴隸制國(guó)家在政治和軍事方面對(duì)通信的需要。早在三千多年前，我國(guó)就有了利用烽火臺(tái)的通信的方法。這是人類(lèi)最早使用的系統(tǒng)光通信技術(shù)之一。關(guān)于烽火通信有個(gè)叫“千金買(mǎi)笑”的故事。這個(gè)歷史故事不僅生動(dòng)的描繪了當(dāng)時(shí)利用烽火臺(tái)通信的情況，同時(shí)也告戒后人，通信是非常重要的，不論在什么時(shí)候也不論是什么人，都不能拿通信當(dāng)兒戲。

背景17世紀(jì)中葉，人們發(fā)明了望遠(yuǎn)鏡，它使得人們可以看得更遠(yuǎn)了。到1791年，法國(guó)人發(fā)明了燈信號(hào)，此后“燈語(yǔ)”通信在歐洲風(fēng)靡一時(shí)。直到今天，信號(hào)燈、旗語(yǔ)、望遠(yuǎn)鏡等目視光通信的手段仍在使用，但是這一切還是最原始的光通信，不論是烽火臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡，還是交通紅綠燈、旗語(yǔ)，它們都是光通信的不同形式，但是它們有一個(gè)共同點(diǎn)，就是利用大氣來(lái)傳播可見(jiàn)光，由人眼來(lái)接收。也正因?yàn)槿绱耍覀儾艜?huì)對(duì)它們?nèi)绱说厥煜??？墒沁@些卻不是真正的現(xiàn)代意義上的光通信，更不是強(qiáng)大的光通信，真正強(qiáng)大的光通信應(yīng)該是光纖通信。在這里，應(yīng)該明確，光通信指的是一切運(yùn)用光作為載體而傳送信息的所有通信方式的總稱，而不管傳輸所使用的媒質(zhì)是什么；而光纖通信則是單純地依靠光纖作為媒質(zhì)來(lái)傳送信息的通信方式。

背景 1.無(wú)線電信號(hào)傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機(jī)，全球數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站幫助其增強(qiáng)信號(hào)，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡，尤其在國(guó)內(nèi)LED光源正在大規(guī)模取代傳統(tǒng)白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個(gè)微芯片，便可讓燈泡變成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。

特點(diǎn)2.該系統(tǒng)還具有安全性高的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線，信息就不會(huì)外泄至室外，同時(shí)使用多臺(tái)電腦也不會(huì)影響通信速度。由于不使用無(wú)線電波通信，對(duì)電磁信號(hào)敏感的醫(yī)院等部門(mén)可以自由使用該系統(tǒng)。而且，光譜比無(wú)線電頻譜大10000倍，意味著更大的帶寬和更高的速度，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置又幾乎不需要任何新的基礎(chǔ)設(shè)施。特點(diǎn)LED燈=高速網(wǎng)絡(luò)連接

電燈泡一直以來(lái)被視作發(fā)明家夢(mèng)寐以求的靈感閃現(xiàn)的象征。而現(xiàn)在只要你擁有電燈泡，就可以獲得無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)連接。目前全世界的電燈泡數(shù)量估計(jì)約有140億盞。實(shí)際上，這也意味著任何路燈都可以成為互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)。不過(guò)，被昵稱為“Li-Fi”的可見(jiàn)光通信技術(shù)并不只是能提升互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍。作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)，Wi-Fi利用了射頻信號(hào)。例如，當(dāng)你在咖啡店中上網(wǎng)時(shí)，如果周?chē)暇W(wǎng)的人越來(lái)越多，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)速變得很慢。3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也是如此。與此同時(shí)，根據(jù)思科的數(shù)據(jù)，我們每年通過(guò)移動(dòng)設(shè)備發(fā)送的信息量都在翻番。而可見(jiàn)光頻譜的寬度達(dá)到射頻頻譜的1萬(wàn)倍。這意味著可見(jiàn)光通信能帶來(lái)更高的帶寬。Li-Fi技術(shù)能帶來(lái)高達(dá)1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。

應(yīng)用未來(lái)飛機(jī)上也能打電話

乘飛機(jī)“飛在天上”的數(shù)小時(shí)處于現(xiàn)代通訊覆蓋“盲區(qū)”，會(huì)給生活、工作帶來(lái)不便。LED“光通訊”設(shè)備同樣能很好地解決這個(gè)難題。在飛機(jī)飛行期間，手機(jī)發(fā)出的無(wú)線信號(hào)會(huì)干擾飛行員與機(jī)場(chǎng)無(wú)線電的聯(lián)系，還會(huì)干擾飛機(jī)羅盤(pán)(飛機(jī)航向)的正確性，而LED光源所發(fā)出的可見(jiàn)光波段就不存在這樣的隱患，旅客可以通過(guò)座位上方的閱讀燈發(fā)射，不僅可以實(shí)現(xiàn)打電話，帶個(gè)平板電腦上網(wǎng)也將不是難事，屆時(shí)飛機(jī)將和火車(chē)一樣，結(jié)束乘客的無(wú)通信時(shí)代。

應(yīng)用“光通訊”將挺進(jìn)傳統(tǒng)通訊禁區(qū)。

提到礦難就讓人聯(lián)想到瓦斯爆炸，眾所周知，礦工之間或者礦下與礦上的無(wú)線通訊會(huì)產(chǎn)生靜電，從而引發(fā)瓦斯爆炸，因此礦下的通信就成了“老大難”，但是，沒(méi)有通信設(shè)備，礦工在礦下的情況不能及時(shí)向地面反映，因此造成的信息不暢通，又往往為安全生產(chǎn)埋下禍根。將可見(jiàn)光通訊應(yīng)用于各大礦場(chǎng)就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，“礦工們用頭盔上的LED照明燈就可以"互換信息"，只要用這盞小照明燈發(fā)送不會(huì)引起靜電的波段，礦工手里的通訊設(shè)備就可以派上用場(chǎng)了。另外，利用礦井下隧道兩側(cè)的照明燈還能接入網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)將礦下數(shù)據(jù)與地面進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)礦工位置的定位和礦下的監(jiān)控，讓礦場(chǎng)越來(lái)越智能。

應(yīng)用“光通訊”運(yùn)用于日常生活中

今年寬帶上網(wǎng)速度從原先的2M免費(fèi)提升至4M，而一般光纖寬帶的網(wǎng)速也只有上百兆，LED光通訊在家庭廣泛運(yùn)用后，網(wǎng)速上限可達(dá)幾百M(fèi)甚至上G，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎目前的水平，屆時(shí)，在家看視頻、下載電影再也不會(huì)有“卡”的現(xiàn)象。和家庭無(wú)線路由器所發(fā)出的信號(hào)一樣，LED光源發(fā)出的信號(hào)適用于幾十米內(nèi)的短距離通信，這樣就省去家里紛繁復(fù)雜的線路問(wèn)題，打開(kāi)一盞LED燈，室內(nèi)的電腦就可以高速上網(wǎng)，不需要任何無(wú)線路由器，屋里其他的電視、熱水器、空調(diào)也可以自動(dòng)控制。

應(yīng)用1.光源

在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中,光源起著至關(guān)重要的作用。作為室內(nèi)照明設(shè)備,它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點(diǎn)。另一方面,作為光通信系統(tǒng)的光源,它必須具有使用壽命長(zhǎng)、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點(diǎn)。綜合以上兩個(gè)方面,目前能滿足要求的最好選擇就是白光LED。目前,商品化的大功率白光LED功率已經(jīng)達(dá)到5W,發(fā)光效率也已經(jīng)達(dá)到50lm/W,其發(fā)光效率(流明效率)已經(jīng)超過(guò)白熾燈,正向熒光燈逼近[4]。白光LED的光效超過(guò)100lm/W并達(dá)到200lm/W(可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備)可望在不久的將來(lái)即可實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵技術(shù)2.光源布局

實(shí)際系統(tǒng)中,由于各個(gè)房間的大小以及室內(nèi)設(shè)施不盡相同,因而要使通信效果達(dá)到最優(yōu),須使房間內(nèi)的光強(qiáng)分布大致不變,盡量避免通信盲區(qū)(光照射不到的區(qū)域)的出現(xiàn)。要達(dá)到這個(gè)目的,必須根據(jù)不同的房間,合理的安排LED燈的布局。以一房間為例,該房間尺寸為5.0m×5.0m×3.0m(長(zhǎng)×寬×高),設(shè)終端設(shè)備均放置在高度為0.85m的桌子上。系統(tǒng)各種參數(shù)如表1所示。LED燈由白光LED陣列組成,共3600(60×60)只。LED燈中心發(fā)射功率為20mW。接收機(jī)FOV(field-of-view)為60°,探測(cè)器PD的表面積為1.0cm2,光電轉(zhuǎn)換效率為0.53A/W,光濾波器的增益為1.0。

關(guān)鍵技術(shù)3.最佳LED個(gè)數(shù)

在VLC系統(tǒng)中,通常安裝在室內(nèi)的LED燈具有一個(gè)較大的輻射角,以盡可能地覆蓋整個(gè)房間。但是由于行人、設(shè)備等的遮擋,會(huì)在接收機(jī)表面形成“陰影”,影響通信性能。因此就需要將這種“陰影”的影響降至最低。對(duì)于照明來(lái)講,室內(nèi)安裝的照明燈越多,室內(nèi)的亮度就越高,照明效果越好,同時(shí)接收功率也會(huì)大大增加。但是單純地增加LED燈的個(gè)數(shù),雖然能夠解決“陰影”問(wèn)題,卻并不能使系統(tǒng)的通信性能達(dá)到最佳。這是因?yàn)?不同的光源與接收機(jī)之間具有不同的光路徑,多個(gè)不同的光路徑會(huì)引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾。因而可知,LED燈的個(gè)數(shù)越多,ISI越嚴(yán)重,必須合理地選擇LED燈的個(gè)數(shù)。在對(duì)陰影問(wèn)題研究后,通過(guò)對(duì)系統(tǒng)誤碼率仿真得到,在系統(tǒng)碼率達(dá)到800Mbps時(shí),LED燈的最優(yōu)個(gè)數(shù)為3~4個(gè)。

關(guān)鍵技術(shù)4.接收機(jī)FOV的選擇

在光無(wú)線通信系統(tǒng)(包括紅外通信)中,ISI依賴于碼速率、發(fā)射機(jī)和接收機(jī)FOV。然而在VLC系統(tǒng)中,ISI主要依賴于碼速率和接收機(jī)FOV。這是因?yàn)?發(fā)射機(jī)要起到照明的作用,必須具有一個(gè)非常大的輻射角度,即發(fā)射機(jī)的FOV基本上為90°,所示為接收機(jī)碼速率為200Mbps時(shí)接收機(jī)FOV與接收信噪比(SNR)的關(guān)系圖[6]。從圖中可以看出,當(dāng)FOV小于40°時(shí),在房間內(nèi)存在通信盲區(qū)。當(dāng)FOV增加時(shí),SNR隨之降低。因而在一般的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中,FOV選取范圍為40°～50°

關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)在光纖的使用已不只限于陸地，光纜已廣泛鋪設(shè)到了大西洋、太平洋海底，這些海底光纜使得全球通信變得非常簡(jiǎn)單快捷。現(xiàn)在不少發(fā)達(dá)國(guó)家又把光纜鋪設(shè)到住宅前，實(shí)現(xiàn)了光纖到辦公室、光纖到家庭。光纖通信技術(shù)之所以發(fā)展這樣迅速，除了人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的信息傳輸和交換需要外，主要是由光纖通信本身所具有的優(yōu)點(diǎn)決定的。

可見(jiàn)光通信技術(shù)的發(fā)展

不久前，可見(jiàn)光通信研究被《時(shí)代周刊》評(píng)為2011年全球50大科技發(fā)明之一。由于可見(jiàn)光通信技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，它在未來(lái)通信領(lǐng)域中占有重要的地位和價(jià)值，因此很多研究機(jī)構(gòu)和電信運(yùn)營(yíng)公司加入到無(wú)線光通信的研究領(lǐng)域中來(lái)，特別是日本、歐洲、美國(guó)等國(guó)家在可見(jiàn)光通信的領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財(cái)力。

研究現(xiàn)狀可見(jiàn)光通信的研究最早在日本開(kāi)展。在2000年，中川研究室的等人就對(duì)基于白光的可見(jiàn)光通信信道進(jìn)行了初步的數(shù)學(xué)分析和仿真計(jì)算，分析了白光作為室內(nèi)照明和通信光源