基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)-論文模板

MＡＣROＢＵTTONAcceｐtＡlｌChangｅｓＩｎＤoｃ基于LED的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)摘要:可見光通信技術(shù)是一種新興的無線光通信技術(shù),隨著白光ＬＥＤ的發(fā)明及應(yīng)用，可見光通信技術(shù)得到了良好的發(fā)展。白光ＬＥD不僅可以提供室內(nèi)照明，而且可以應(yīng)用到無線光通信系統(tǒng)中滿足室內(nèi)個(gè)人網(wǎng)絡(luò)需求。在照明方面,白光LＥD的節(jié)能、環(huán)保等特點(diǎn)被認(rèn)為終將取代熒光燈、白熾燈等傳統(tǒng)照明光源，成為下一代固體照明光源。與此同時(shí)，白光LEＤ又具有響應(yīng)時(shí)間短，加之其具有高速調(diào)制特性，可以設(shè)計(jì)出基于白光LＥＤ的室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)。由此設(shè)計(jì)出的基于白光LＥD的室內(nèi)可見光無線通信系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的紅外和無線電通信相比，具有發(fā)射功率高、無電磁干擾和無需申請(qǐng)頻譜資源等優(yōu)點(diǎn)。論文主要對(duì)基于白光LＥD的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)進(jìn)行了研究。本文對(duì)白光ＬED的結(jié)構(gòu)及發(fā)光原理,以及在其用作通信光源時(shí)的伏安特性、電光轉(zhuǎn)換特性和光譜特性等物理特性做了較深入的分析。對(duì)白光LEＤ用作通信時(shí)的輻射模式、光子出射機(jī)理及其數(shù)學(xué)模型等輻射特性做了理論上的探討進(jìn)而研究了通信系統(tǒng)的通信信道,對(duì)通信鏈路的構(gòu)成進(jìn)行了分析,給出了一種基于水平亮度和接收功率的光源布局方式.根據(jù)國際化標(biāo)準(zhǔn)，普通辦公室照明要求光照度為３00lx-1500lx。通過分析,本文給出的光源布局方式設(shè)計(jì)合理，符...關(guān)鍵詞：白光LED；無線通信；可見光通信；無線光通信ThｅVisibleＬｉgｈtComｍｕnｉcationSｙｓteｍBａseｄonＬEDAｂsｔracｔ：Visiｂlｅlightcｏmmuｎicationtｅcｈｎologyisａneｍeｒginｇｗirｅlｅｓsoptｉｃalcommunicaｔioｎｔecｈnolｏｇy。Ｔhevisibｌｅｌｉghtcｏmmuｎicaｔiontｅchｎoｌogyｈaｓagｏoddevelopｍｅntｗiththeinvｅntionａndaｐｐlicａt(yī)ｉｏｎoｆLEＤwhiteｌigｈt．ＷhｉtｅLＥDcａnｎoｔonlypｒovｉdeinｄoorligｈtｉng,bｕtａlｓｏcanbeａｐpliｅdtｏｗirelessopticａｌcomｍunｉcａｔioｎsｙsｔemnｅｔｗｏrkｔoｍｅe(cuò)ttｈeiｎdiviｄuaｌnｅe(cuò)dsoｆtｈeindｏｏr．Intheｌiｇhting，whitｅLEＤhａｓenergｙ－ｓａving，ｅnｖirｏnｍeｎtａｌｐｒoｔectｉoｎaｎdothｅｒｆｅaｔuｒes，ｔhatfｌuｏresｃeｎt，iｎcａnｄｅsceｎt,ａndoｔ..。Ｋeyｗords：WhiteＬＥD；wirｅlｅssｃｏmmｕnｉcａｔion；Visibleｌｉghtcｏmmuｎicaｔioｎ；wｉrｅlｅｓsｏpｔicａlcommunicaｔｉon１室內(nèi)可見光通信技術(shù)日本是可見光通信技術(shù)研究的先行者,尤其以KＥIO大學(xué)的研究者Ｔａｎaka、Kｏmine和Ｓuｇiyama為代表率先開展了一系列基礎(chǔ)性的理論研究.2000年，他們提出了利用LＥD照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)的思想，在接下來的幾年里展開了多項(xiàng)研究分析。2008年,太陽誘電株式會(huì)社在“２0０8年日本電子高新科技博覽會(huì)”上現(xiàn)場演示了采用自光ＬEＤ的高速無線通信系統(tǒng).但是最大傳輸距離僅為２0ｃｍ左右.2０08年,美國政府資助成立“智能照明”項(xiàng)目。它是一個(gè)投資1．85億美元為期lＯ年期的計(jì)劃，涉及多家學(xué)院的30多位大學(xué)研究人員,包括倫斯勒理丁學(xué)院(ＲPＩ)、波士頓大學(xué)和新墨西哥大學(xué)。國內(nèi)對(duì)基于自光ＬEＤ的可見光通信研究起步較晚。20０6年，暨南大學(xué)的陳長纓、胡國永等提出基于白光LEＤ照明光源的室內(nèi)無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)通信距離為２0cm，能夠在10MＨz的傳輸速率下,保證頻率調(diào)制(ＦM)信號(hào)的正確傳輸。2008年。該研究組在前期工作的基礎(chǔ)上，利用白光LＥＤ陣列光源解決了前期系統(tǒng)通信距離短、無法達(dá)到照明要求等問題。實(shí)現(xiàn)了實(shí)用照明的室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)。系統(tǒng)性能得到了很大程度的提高。成功實(shí)現(xiàn)４Mb／s帶寬的數(shù)字視頻信號(hào)傳輸．信號(hào)傳輸距離超過了2.5m。1.１室內(nèi)可見光通信系統(tǒng)介紹室內(nèi)VLC系統(tǒng)的一種典型設(shè)計(jì)如圖l所示：由終端、可見光通信適配器、可見光通信集線器、白光ＬEＤ光源、光電探測器及相應(yīng)信號(hào)處理單元組成。系統(tǒng)分為前向鏈路和反向鏈路兩部分.每部分都包括了發(fā)射和接收部分。發(fā)射部分主要由白光LED光源和相應(yīng)信號(hào)處理單元組成.而接收部分主要由光電檢測器和相應(yīng)信號(hào)處理單元組成.可見光無線集線器是可見光通信網(wǎng)絡(luò)中的核心組成部分，接收來自終端用戶的信息．同時(shí)分時(shí)段地將接收到的信息通過主光源以廣播的方式發(fā)送出去。可見光通信適配器包括了前向鏈路的自光LＥD光源和反向鏈路的光電接收器，集合了發(fā)射和接收功能，負(fù)責(zé)將終端用戶的信息調(diào)制成光信號(hào)和接收來自反向鏈路的光信號(hào).天花板上安裝的光電檢測器接收來自用戶的光信號(hào),并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入可見光通信集線器。電信號(hào)經(jīng)過可見光通信集線器的簡單處理后,調(diào)制到白光ＬEＤ光源上變成光信號(hào)．以廣播的方式發(fā)射出去.在接收端．終端的可見光適配器將發(fā)給自己的信息解調(diào)出來送人終端用戶,實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的無線通信。1.２關(guān)鍵技術(shù)研究1.２．１高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)調(diào)制帶寬是衡量LＥD的調(diào)制能力的參數(shù).關(guān)系到LEＤ在無線光通信中的數(shù)據(jù)傳輸速度大小閣。其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下.當(dāng)LＥD輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時(shí)（一3dB)所對(duì)應(yīng)的頻率.從微觀結(jié)構(gòu)分析。影響白光LEＤ高速調(diào)制有兩個(gè)因素：載流子壽命和結(jié)電容。ＬED因受兩者的限制。其調(diào)制的最高頻率通常只有幾十兆赫茲，從而限制了LEＤ在高比特速率系統(tǒng)中的應(yīng)用。但是,通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路。LED也可以用于高速通信系統(tǒng)。由于實(shí)現(xiàn)簡單.ＶLC系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測系統(tǒng)。白光ＬED高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路圖設(shè)計(jì)如圖2所示。該設(shè)計(jì)能夠達(dá)到抑制電磁干擾、噪聲干擾、溫漂．以及光功率補(bǔ)償?shù)饶康??？梢杂糜跀?shù)字視頻信號(hào)源碼流傳輸。晶體管ＢGｌ和ＢG2組成發(fā)射極耦合式開關(guān)．ＢG３和穩(wěn)壓二極管Dｚ組成恒流源電路，為LED支路提供穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流。由于該電路超越了線性范圍工作。即使輸入端過激勵(lì)時(shí)。其仍沒有達(dá)到飽和．所以開關(guān)速率更高。理論上可傳輸300Mｂ/s以上的數(shù)字信號(hào).１．2．2白光LＥＤ照明光源布局設(shè)計(jì)單個(gè)LED發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光功率都比較?。疄榱送瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)照明和通信雙重功能．LED照明光源應(yīng)設(shè)計(jì)為多個(gè)自光LED組成的陣列.為滿足基本照明需求，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)首先考慮室內(nèi)光照度的分布。要使通信效果達(dá)到最優(yōu)。必須根據(jù)房間的大小以及室內(nèi)設(shè)施不同合理布局,使房間內(nèi)的光強(qiáng)分布大致不變.盡量避免盲區(qū)（光照射不到的區(qū)域）的出現(xiàn)。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。對(duì)照明來講,室內(nèi)安裝的照明燈越多.可以降低“陰影”效應(yīng)，使得接收功率大大增加,但多個(gè)不同的光路徑會(huì)他僻ISI越嚴(yán)重。因此．在達(dá)到室內(nèi)照明標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)也嬰孑慮IＳI的影響．合理安排LED陣列光源的布局尤為關(guān)鍵。1．２．３信道編碼技術(shù)數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中不可避免地受到各種噪聲干擾．導(dǎo)致傳送的數(shù)據(jù)流產(chǎn)生誤碼．從而使接收端出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。比如:圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等。信道編碼技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行相應(yīng)的處理。使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力.提高數(shù)據(jù)傳輸效寥，降低誤碼率.并最終提高數(shù)據(jù)的通信距離。暨南大學(xué)陳長纓、趙俊提出一種適用于LED數(shù)字傳輸?shù)膍BnB分組編碼技術(shù)。通常來說。分組碼是指將原始信息碼字按ｍ比特為單位進(jìn)行分組．根據(jù)一定規(guī)則用另外每組為ｎ比特的碼字來表示.然后這些新的分組以NRＺ碼或RZ碼的格式來傳輸.常用的信道編碼有182Ｂ（曼徹斯特碼)、38４Ｂ、５86B、688B等。mＢnB碼的優(yōu)點(diǎn)有:①功率譜形狀較好;②連０連1個(gè)數(shù)有限，沒有基線漂移問題;③提供可靠的誤碼監(jiān)測和字同步手段。實(shí)驗(yàn)證明．經(jīng)過6８8B編碼后。光信號(hào)在通信距離r=－0．5～2.5ｍ范圍內(nèi)受ＬＥD的個(gè)數(shù)、電阻及串口模塊分頻的影響不大。利用６8８B編碼技術(shù)．可以保證本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)耐瑫r(shí)。使信號(hào)傳輸距離超過２．5ｍ。而且．可以通過對(duì)數(shù)據(jù)采用高低兩種不同碼表的方法來克服mＢnB碼譯碼時(shí)會(huì)造成誤碼增值的缺點(diǎn)。如圖3所示．以一個(gè)1２bｉt的原始數(shù)據(jù)為例，介紹68８B編碼實(shí)現(xiàn)過程。1。2．４正交頻分復(fù)用(ＯFDM）技術(shù)OＦDM是一種應(yīng)用于無線環(huán)境下的高速傳輸技術(shù)．具有很強(qiáng)的抗多徑能力,已經(jīng)在高速無線光通信中獲得了廣泛應(yīng)用。早在2０0１年．日本慶應(yīng)大學(xué)中川研究室就提出了為提高傳輸?shù)臄?shù)據(jù)率。在VLC中引入OＦＤM調(diào)制方式的必要性。ＯFＤM技術(shù)的主要思想：在頻域內(nèi)將所給信道分成多個(gè)正交子信道。在每個(gè)子信道上使用子載波進(jìn)行調(diào)制，并且各子載波并行傳輸。使得每個(gè)子信道相對(duì)平坦．并且在每個(gè)子信道上進(jìn)行的是窄帶傳輸．信號(hào)帶寬小于信道的相干帶寬IＬ81。因此.就可以大大消除ＩＳI.在可見光通信OＦDM系統(tǒng)中.首先要對(duì)信號(hào)源電信號(hào)進(jìn)行OFDＭ編碼.然后加一直流偏置對(duì)LＥＤ光源進(jìn)行調(diào)制。由于在發(fā)射端將串行的高速數(shù)據(jù)并行地調(diào)制到多個(gè)正交的副載波上.降低了碼速率。增加了信號(hào)脈沖的周期。減弱了多徑傳播引起的ISI的影IＩ[句i9l。另一方面.可以通過在OＦＤM信號(hào)間加入保護(hù)隔。進(jìn)一步減弱IＳＩ的影響。然而,OＦＤＭ還存在這樣的缺點(diǎn)：當(dāng)數(shù)據(jù)信息在深衰落子信道傳送．各子載波使用的相同的發(fā)射功率和調(diào)制方式時(shí)，這個(gè)深衰落子信道的誤碼率會(huì)增大。那么即使其它子信道的誤碼率很小。整個(gè)系統(tǒng)的通信性能會(huì)因其中的任何子信道的不良通信而惡化.２００5年．西班牙的０.G0nzaｌez等人提出了一種利用自適應(yīng)OFDM信號(hào)提高通信能力和減小多徑效應(yīng)的方案克服這個(gè)缺點(diǎn)。自適應(yīng)OＦDM調(diào)制可以根據(jù)當(dāng)前信道狀況調(diào)整各子信道分配的比特和功率。在信道條件好的子信道中傳輸較多的比特?cái)?shù)和更多的能量。相反．在深衰落子信道中,系統(tǒng)將不傳信息或減少該子信道的數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù).實(shí)驗(yàn)表明，通過這樣的自適應(yīng)調(diào)整后有效地減弱無線光信道中噪聲的影響.整個(gè)系統(tǒng)的傳輸效率會(huì)有很大的提高.1．2.５光碼分多址(OCDMA)技術(shù)采用光碼分多址技術(shù)１41來區(qū)分不同用戶的信息.在可見光無線局域網(wǎng)中所有的終端用戶都共用相同的主光源,因此不同的用戶信號(hào)必須具有不同的特征，這樣適配器接收時(shí)才能將不同用戶信號(hào)分割開。OＣＤMA給每一個(gè)用戶分配一個(gè)單獨(dú)的地址碼.數(shù)字信號(hào)在各自的地址碼上進(jìn)行編碼．在接收機(jī)上通過相應(yīng)的序列進(jìn)行解碼。采用ＯCＤMA技術(shù)還能大大提高了系統(tǒng)的抗噪聲能力?？梢园研盘?hào)從噪聲很強(qiáng)的環(huán)境中檢測出來．１．2。6分集接收技術(shù)分集接收技術(shù)的提出是為了提高VＬC系統(tǒng)的信噪比?？朔咚偻ㄐ胖写a間干擾的影響。分集接收的思想就是在接收機(jī)處的不同方向上安裝多個(gè)光電探測器。對(duì)多個(gè)探測器接收到的信號(hào)進(jìn)行比較.選取信噪比最大的信號(hào)進(jìn)行通信。在分集接收系統(tǒng)中。兩個(gè)關(guān)鍵的下作是：信號(hào)的選取方式和光電探測器的布局。在信號(hào)的選取上，對(duì)于低速率的白光LED通信系統(tǒng)。直接將多個(gè)探測器接收到的信號(hào)通過一個(gè)加法器進(jìn)行簡單相加。然后將相加后的信號(hào)送進(jìn)接收機(jī)進(jìn)行濾波解調(diào)和解碼等處理.大大提高了信噪比：當(dāng)通信系統(tǒng)的傳輸速率高于１0０Mb/s時(shí).由于碼間串?dāng)_的影響.不能將信號(hào)直接相加。必須設(shè)計(jì)專門的控制電路對(duì)信道進(jìn)行自動(dòng)判決和選擇。原理如圖4所示。對(duì)各個(gè)探測器轉(zhuǎn)換后的電壓圖4高速率分集接收探測器原理框圖信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集采樣.再送入電壓比較器進(jìn)行比較。找出電壓值最大的信道．此信道即為要進(jìn)行通信傳輸?shù)男诺?。同時(shí).比較器輸出控制信號(hào)將相應(yīng)的信道選通。對(duì)于光電探測器的布局.在接收機(jī)的不同方向上安裝多個(gè)光電探測器且均勻分布于一個(gè)半球面上，這樣在減少探測器個(gè)數(shù)的同時(shí)又提高了接收效果。如此，只要不是整個(gè)接收機(jī)被遮住。通信就不會(huì)中斷。關(guān)于探測器的個(gè)數(shù)和布局，需要根據(jù)具體環(huán)境和通信性能的要求來決定。在高速通信中采用分集接收技術(shù)。系統(tǒng)的信噪比平均提高了２dＢ。并且有效克服接收機(jī)位置改變、室內(nèi)人員走動(dòng)和物體陰影對(duì)通信系統(tǒng)的影響。２可見光通信鏈路設(shè)計(jì)可見光無線局域網(wǎng)中采用的是主光源與用戶光源相結(jié)合的光源配置方案,為了達(dá)到最好的通信效果，就需要對(duì)主光源和用戶光源進(jìn)行合理的配置?？梢姽馔ㄐ沛溌啡鐖D4所示。從圖中可以看出,光鏈路的建立均采用的是方向性的直射鏈路(LＯSLight—of-Sight）.ＬOS鏈路設(shè)計(jì)可以使光程損耗達(dá)到最小,受周圍光噪聲的影響也最小，因此它可以使發(fā)射功率的利用率達(dá)到最大，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)也可以看出，接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間既存在直射路徑,又存在多次反射路徑。文E5］對(duì)房間內(nèi)某點(diǎn)的歸一化沖擊響應(yīng)進(jìn)行了研究,指出直射光、第一次反射光、第二次反射光與總的接收光的比率分別為:9５.1６、3.57、1．27。這表明,在可見光無線局域網(wǎng)中通信的性能主要受直射光的影響。本文也只考慮直射光的影響。3．LED照明實(shí)現(xiàn)可見光通信的創(chuàng)新思路社會(huì)向基于固態(tài)照明的大功率LEＤ的不斷發(fā)展，一種大膽的創(chuàng)新思路出現(xiàn)在一些有遠(yuǎn)見的工程師腦海中.他們的建議是:為何不讓LED通／斷切換得足夠快以致于人眼無法分辨,從而也用它們來傳送數(shù)據(jù)？這個(gè)建議就是可見光通信(VＬC）的理論基礎(chǔ)。在足夠先進(jìn)的技術(shù)支持下，每種新的LED燈具也能以有線方式接入骨干網(wǎng)絡(luò),使室內(nèi)任何設(shè)備實(shí)現(xiàn)無所不在的無線通信,并且不增加已經(jīng)擁擠不堪的射頻帶寬負(fù)擔(dān)。許多工業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)組織和得到大力資助的政府機(jī)構(gòu)正在研發(fā)可見光通信?？梢姽馔ㄐ诺那熬胺浅V闊,因?yàn)閭鹘y(tǒng)照明市場達(dá)數(shù)萬億美元，并且向固態(tài)照明的轉(zhuǎn)變已經(jīng)開始.據(jù)ＳｔｒategieｓＵnlimiｔeｄ公司預(yù)測，今年LED照明市場將超過10億美元，到２0１4年有望增長到約7３億美元。當(dāng)然，固態(tài)照明的重點(diǎn)在于降低溫室氣體排放，因?yàn)長ED燈的功耗比目前的標(biāo)準(zhǔn)照明產(chǎn)品要低很多.但巨大的市場已經(jīng)激發(fā)幾乎每個(gè)主要的電子研究組織投入可見光通信應(yīng)用的開發(fā)。大多數(shù)可見光通信應(yīng)用并不是要取代其它無線技術(shù)，如藍(lán)牙、Wi－Fｉ、WｉMａx和LTＥ,其應(yīng)用目標(biāo)是當(dāng)前的射頻無線通信無法實(shí)施的場合,比如醫(yī)院和飛機(jī)等應(yīng)用——這種場合下射頻可能干擾生命攸關(guān)的設(shè)備中的信號(hào)；機(jī)器人--它們可以使用頭燈中的虛擬路標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息傳送；標(biāo)牌-—當(dāng)手機(jī)相機(jī)指向它時(shí)可以提供額外的信息.日本的可見光通信聯(lián)盟成員包括卡西歐、NEC、松下電氣工程、三星、夏普、東芝以及NＴTDocｏmo等電信運(yùn)營商,該聯(lián)盟正致力于推進(jìn)IEＥＥ８0２．１5無線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)增加“.７"工作，以期將可見光通信提升到與射頻和紅外線相同的無線狀態(tài)。80２.1５.７委員會(huì)剛剛在工作組級(jí)別批準(zhǔn)了目前草案版的無線VLC標(biāo)準(zhǔn)，“但我們?nèi)杂性S多問題要解決。"Inteｌ實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、ＩEＥＥ８02。1５。7委員會(huì)技術(shù)編輯RｉcｋRobertｓ指出?！白孖EEE感到興趣的原因是LED的廣泛普及。目前的LＥD技術(shù)主要用于照明,但如果無線市場也被開發(fā)出來,從過去的經(jīng)驗(yàn)我們知道需要對(duì)互操作性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化?！保襬bｅrtｓ表示，“我們的標(biāo)準(zhǔn)化工作始于200８年,并有望于明年完成標(biāo)準(zhǔn)的定稿?！睋?jù)Rｏｂerｔs介紹,801．15.7委員會(huì)的首要任務(wù)是推行照明第一、通信第二的標(biāo)準(zhǔn).“可見光通信是能用肉眼看到的唯一一種‘無線通信’信號(hào)，因此不能影響他人。＂他指出，“例如,可見光通信不適合遙控,因?yàn)槿藗兺ǔＴ诠饩€較暗的室內(nèi)觀看電視。你不希望看到遙控器發(fā)出閃爍的光線吧？用ＬＥＤ進(jìn)行通信不會(huì)造成光線閃爍，而且可見光通信必須適應(yīng)人們平時(shí)使用照明源的方式,比如光線調(diào)節(jié)."

圖1:就像剎車燈”告訴"司機(jī)要停車一樣，VLＣ可以向發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元發(fā)送相同的消息以避免碰撞VLC為創(chuàng)意應(yīng)用開辟空間可見光通信有望形成一系列新的應(yīng)用，雖然用Ｗi—Fi或紅外也能實(shí)現(xiàn)，但通過可見光實(shí)現(xiàn)會(huì)更加方便或更加安全。例如，與相鄰射頻信號(hào)之間的互相干擾可能會(huì)限制Wi-Fi的使用,而可見光基本上不存在干擾問題;相鄰光束可以交相通過，只要它們的目的地不同就可以了。出于安全考慮，有些地方禁止使用射頻通信，比如醫(yī)院和飛機(jī).可見光通信在這些場合是理想的替代技術(shù)，因?yàn)長ED照明早已在使用，而可見光通信又不會(huì)干擾傳送重要任務(wù)的系統(tǒng)信號(hào)。同時(shí),可見光通信也具有高數(shù)據(jù)容量的潛力。“可見光通信可以實(shí)現(xiàn)各種類型的新應(yīng)用,”Roberts表示,“我特別喜歡的是智能LED指示牌，它能顯示’’喬家餐廳’’，但如果你拿出移動(dòng)設(shè)備并指向這個(gè)指示牌時(shí)，還可以下載到更多的信息——例如餐館的地址、菜單甚至優(yōu)惠券等.你必須展開你的想象力，新的可能應(yīng)用確實(shí)有很多.”三星公司正在基于LEＤ的背光LCD平板顯示器中試驗(yàn)使用可見光通信,以便用戶能下載從產(chǎn)品信息到網(wǎng)站地址的所有信息?！拔覀兿嘈臠CD背光通信是可見光通信的絕佳應(yīng)用之一,因?yàn)長ＣD背光源正在轉(zhuǎn)向使用LED.”三星公司LCD業(yè)務(wù)部副總裁ＳｃottBirｎbａuｍ表示.就像IＥＥＥ在2０08年開始自己的標(biāo)準(zhǔn)化努力一樣,美國國家科學(xué)基金會(huì)也看中了“這道光”，并在旗下的智能照明工程研究中心(ＥＲC）計(jì)劃中增加了ＶLC研究項(xiàng)目。智能照明ERC是一個(gè)投資1，85０萬美元的10年期計(jì)劃，涉及多家學(xué)院的30多位大學(xué)研究人員，包括倫斯勒理工學(xué)院(ＲPＩ)、波士頓大學(xué)和新墨西哥大學(xué)?！坝捎谡麄€(gè)社會(huì)都在向固態(tài)照明發(fā)展，我們正在考慮用LED光能做的所有東西?！盤ＲI學(xué)院教授、智能照明研究中心總監(jiān)RｏberｔＫarlicek表示，“我們想知道以前認(rèn)為永遠(yuǎn)不可能的事中哪些事我們能做,并判斷需要?jiǎng)?chuàng)建什么樣的設(shè)備、需要采用哪類系統(tǒng)架構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)先進(jìn)的照明系統(tǒng)的更多功能?！盞arliｃｅk設(shè)想使照明系統(tǒng)的照明功能也變得更加智能，方法是利用可見光通信向照明系統(tǒng)本身增加環(huán)境參數(shù)。“我們想知道用LＥD還能做什么事以便向社會(huì)提供更多的價(jià)值,并提供新的機(jī)會(huì)。"他指出,“舉例來說，我能想象室內(nèi)照明器具相互間通信——從一個(gè)燈到另一個(gè)燈,它們之間利用低速率信號(hào)使顏色標(biāo)準(zhǔn)化并提供均勻一致的光線。”智能照明ＥＲC研究人員正在尋求控制LEＤ照明的所有方面，包括顏色、密度、能源使用、極化和調(diào)制，以便形成新的應(yīng)用。這些新應(yīng)用包括從使用固態(tài)照明、到提供數(shù)據(jù)通信來控制人體生理節(jié)奏，或在每天的指定時(shí)間提供最健康的光照。ERC還在研究可見光在生物傳感、醫(yī)療診斷和治療方面的用途。參與了智能照明ＥRＣ項(xiàng)目的波士頓大學(xué)專注于在特殊場合使用可見光通信實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，比如在飛機(jī)上.可見光通信能夠利用多個(gè)獨(dú)立的并行數(shù)據(jù)連接,比如來自不同視線的連接，或在相同視線上復(fù)接不同頻率的可見光。這樣，觀看同一部電影的所有人能夠共享公共廣播連接，或者將獨(dú)立的數(shù)據(jù)流饋送給觀看不同電影的各個(gè)觀眾。在工廠車間,同樣的功能允許移動(dòng)機(jī)器人使用可見光通信在倉庫中導(dǎo)航，可以利用頭頂燈檢查它們的位置,還能相互之間直接通信以避免碰撞.同樣，汽車可以通過讀取交通信號(hào)燈廣播的坐標(biāo)保持正確的行駛方向。汽車到汽車間的可見光通信有助于避免碰撞,并防止交通擁堵。?圖2：LED燈同時(shí)用于照明和通信有助于實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算，于室內(nèi)的每個(gè)設(shè)備都可用獨(dú)立數(shù)據(jù)流?圖3:目前無線網(wǎng)絡(luò)的部署使用Ｗｉ-Ｆi，它依賴于網(wǎng)絡(luò)電纜和接入點(diǎn),但未來系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的有線基礎(chǔ)設(shè)施將數(shù)據(jù)發(fā)送給ＬED燈,并作為無處不在的新接入點(diǎn)?圖4：在機(jī)場使用ＬEＤ通信可以減少地面沖突,因?yàn)長ED可以在機(jī)場照明基礎(chǔ)設(shè)施、地面車輛和飛機(jī)之間提供信號(hào)VＬC實(shí)現(xiàn)之路波士頓大學(xué)教授ThoｍasＬitｔle是智能照明中心的高級(jí)研究員和副總監(jiān),他正在試驗(yàn)不同的調(diào)制方案,包括使用標(biāo)準(zhǔn)二元碼的編碼器、非歸零編碼器、脈沖碼調(diào)制和脈沖密度調(diào)制.據(jù)他宣稱，只要數(shù)據(jù)速率大于90０ｋHz，所有這些方案工作時(shí)都不會(huì)產(chǎn)生閃爍光。Ｌittle領(lǐng)導(dǎo)的小組還在研究如何在沒有直接視線的情況下可靠地收發(fā)信號(hào)，這要求使用反射信號(hào)且同時(shí)不能產(chǎn)生互調(diào)干擾。“我們想要使網(wǎng)絡(luò)的安裝像擰裝燈泡一樣容易。”Ｌｉｔｔlｅ表示。他的實(shí)驗(yàn)室目前為止已經(jīng)完成了４０多個(gè)原型，這些原型正在一些工業(yè)合作伙伴那里進(jìn)行評(píng)估。波士頓大學(xué)的智能照明實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了多個(gè)演示裝置,可以用來演示如何使燈具同時(shí)具有照明功能和數(shù)據(jù)通信功能.例如，通過連線傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)信號(hào)可以從一個(gè)燈具路由到另一個(gè)燈具，并由ＬEＤ調(diào)制來自以太網(wǎng)裝置的數(shù)據(jù)信號(hào).“我們想要解決的問題是,如何以很低的成本提供較高的數(shù)據(jù)速率，從而使可見光通信能夠成為照明基礎(chǔ)設(shè)施的一個(gè)部分?！盠iｔｔｌe表示.通過在設(shè)備中安裝LＥＤ發(fā)射器,從用戶設(shè)備（如智能手機(jī)或筆記本電腦)到以太網(wǎng)集線器的信號(hào)可以用可見光來實(shí)現(xiàn)。但Wi-Ｆｉ仍可用于到以太網(wǎng)集線器的回傳信號(hào)并獲得同樣的優(yōu)勢，因?yàn)閬碜杂脩舻幕貍餍盘?hào)（例如通過按鍵)通常是低帶寬的信號(hào).作為工作的一部分,新墨西哥大學(xué)正在集中精力研究創(chuàng)新的設(shè)備架構(gòu)——致力于提高效率和LED的開關(guān)速度，以求達(dá)到GHz的帶寬。到目前為止,教授ＳｔevｅHersee已經(jīng)發(fā)明了一種可擴(kuò)展的工藝用于制造基于納米線的ＬEＤ。新墨西哥大學(xué)準(zhǔn)備將這個(gè)技術(shù)許可給產(chǎn)業(yè)界“我們使用相同的氮化鎵材料,但不像普通ＬED那樣所有層都平躺在水平面上，它們將以同軸方式纏繞在中央納米線周圍，使得器件具有高得多的效率,并允許以高得多的速率進(jìn)行調(diào)制."Ｈersee指出,“這將使固態(tài)照明發(fā)生根本的變化。納米線包含零缺陷,而傳統(tǒng)LEＤ中使用的傳統(tǒng)水平氮化鎵膜每平方厘米有數(shù)百萬個(gè)缺陷?！奔{米線寬度從100nm到50０ｎm不等，在基底上的垂直列中可以生長到5至１0ｕm高。第一批原型最近才生產(chǎn)完，但新墨西哥大學(xué)希望在今年年底前有更多的公司獲得許可.今年7月在RPＩ學(xué)院將舉辦NSＦ贊助的一次展會(huì)，屆時(shí)將評(píng)估目前為止的最新工藝，并且為２011年制定新的里程碑。NSF計(jì)劃到2０1８年截止，到那時(shí)，ＮSF希望擁有智能照明標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，并能讓每個(gè)新的固態(tài)照明裝置像可見光通信集線器一樣完成雙重任務(wù)。4。應(yīng)用前景目前室內(nèi)無線通信能滿足要求的最好選擇就是白光ＬEＤ。白光LED在提供室內(nèi)照明的同時(shí)，被用作通信光源有望實(shí)現(xiàn)室內(nèi)無線高速數(shù)據(jù)接入.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90ｌｍ／W,其發(fā)光效率(流明效率)已經(jīng)超過白熾燈，接近熒光燈。白光LEＤ的光效超過10０l(fā)m/W并達(dá)到20０l(fā)m/Ｗ（可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備)在不久的將來即可實(shí)現(xiàn)。因而LED照明光通信技術(shù)具有極大的發(fā)展前景，已引起人們的廣泛關(guān)注和研究?？梢姽馔ㄐ庞兴拇髢?yōu)點(diǎn)。第一,使用可見光檢測位置，精確度之高是電磁波無法超越的.第二，能夠以較低的價(jià)格實(shí)現(xiàn)高速傳遞。第三,能夠有效利用照明設(shè)備等已有設(shè)施。第四，由于能夠看見發(fā)光場所和進(jìn)行方向,因此能夠清楚知道信息將傳遞到哪里，以及是從哪里傳來的?？傊?凡是用LEＤ進(jìn)行照明和指示的設(shè)備加上通信的功能即可衍生出新用途：在博物館、展會(huì)等場館內(nèi)，參觀者只要手持相應(yīng)的接收設(shè)備(如手機(jī))，就可以隨時(shí)隨地接收加載了信息的LED燈傳輸?shù)奈淖帧⒙曇?、圖像等，使講解更加生動(dòng).將此技術(shù)應(yīng)用于一些小商品如手電筒、玩具、禮品等LED上，可成為前所未有的新產(chǎn)品。如可用