可見光通信技術(shù)

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

可見光通信技術(shù)(VisibleLightCommunication，VLC)是指利用可見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的通信方式。它能夠同時實現(xiàn)照明與通信的功能，具有傳輸數(shù)據(jù)率高，保密性強，無電磁干擾，無需頻譜認證等優(yōu)點，是理想的室內(nèi)高速無線接入方案，在全球已經(jīng)成為了研究的熱點。

簡介

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

簡介光通信的發(fā)展歷程

光通信聽起來十分的“技術(shù)范”，然而它卻有久遠的歷史，并且和我們的生活息息相關(guān)。

源于奴隸制國家在政治和軍事方面對通信的需要。早在三千多年前，我國就有了利用烽火臺的通信的方法。這是人類最早使用的系統(tǒng)光通信技術(shù)之一。關(guān)于烽火通信有個叫“千金買笑”的故事。這個歷史故事不僅生動的描繪了當時利用烽火臺通信的情況，同時也告戒后人，通信是非常重要的，不論在什么時候也不論是什么人，都不能拿通信當兒戲。

背景17世紀中葉，人們發(fā)明了望遠鏡，它使得人們可以看得更遠了。到1791年，法國人發(fā)明了燈信號，此后“燈語”通信在歐洲風靡一時。直到今天，信號燈、旗語、望遠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、望遠鏡，還是交通紅綠燈、旗語，它們都是光通信的不同形式，但是它們有一個共同點，就是利用大氣來傳播可見光，由人眼來接收。也正因為如此，我們才會對它們?nèi)绱说厥煜?。可是這些卻不是真正的現(xiàn)代意義上的光通信，更不是強大的光通信，真正強大的光通信應(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)來傳送信息的通信方式。

背景 1.無線電信號傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機，全球數(shù)百萬個基站幫助其增強信號，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燈泡中增加一個微芯片，便可讓燈泡變成無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。

特點2.該系統(tǒng)還具有安全性高的特點。用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至室外，同時使用多臺電腦也不會影響通信速度。由于不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的醫(yī)院等部門可以自由使用該系統(tǒng)。而且，光譜比無線電頻譜大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LED燈=高速網(wǎng)絡(luò)連接

電燈泡一直以來被視作發(fā)明家夢寐以求的靈感閃現(xiàn)的象征。而現(xiàn)在只要你擁有電燈泡，就可以獲得無線互聯(lián)網(wǎng)連接。目前全世界的電燈泡數(shù)量估計約有140億盞。實際上，這也意味著任何路燈都可以成為互聯(lián)網(wǎng)接入點。不過，被昵稱為“Li-Fi”的可見光通信技術(shù)并不只是能提升互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍。作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)，Wi-Fi利用了射頻信號。例如，當你在咖啡店中上網(wǎng)時，如果周圍上網(wǎng)的人越來越多，那么你會發(fā)現(xiàn)網(wǎng)速變得很慢。3G移動網(wǎng)絡(luò)也是如此。與此同時，根據(jù)思科的數(shù)據(jù)，我們每年通過移動設(shè)備發(fā)送的信息量都在翻番。而可見光頻譜的寬度達到射頻頻譜的1萬倍。這意味著可見光通信能帶來更高的帶寬。Li-Fi技術(shù)能帶來高達1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。

應(yīng)用未來飛機上也能打電話

乘飛機“飛在天上”的數(shù)小時處于現(xiàn)代通訊覆蓋“盲區(qū)”，會給生活、工作帶來不便。LED“光通訊”設(shè)備同樣能很好地解決這個難題。在飛機飛行期間，手機發(fā)出的無線信號會干擾飛行員與機場無線電的聯(lián)系，還會干擾飛機羅盤(飛機航向)的正確性，而LED光源所發(fā)出的可見光波段就不存在這樣的隱患，旅客可以通過座位上方的閱讀燈發(fā)射，不僅可以實現(xiàn)打電話，帶個平板電腦上網(wǎng)也將不是難事，屆時飛機將和火車一樣，結(jié)束乘客的無通信時代。

應(yīng)用“光通訊”將挺進傳統(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線通訊會產(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，沒有通信設(shè)備，礦工在礦下的情況不能及時向地面反映，因此造成的信息不暢通，又往往為安全生產(chǎn)埋下禍根。將可見光通訊應(yīng)用于各大礦場就很好地解決了這個問題，“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)送不會引起靜電的波段，礦工手里的通訊設(shè)備就可以派上用場了。另外，利用礦井下隧道兩側(cè)的照明燈還能接入網(wǎng)絡(luò)，及時將礦下數(shù)據(jù)與地面進行傳輸，從而實現(xiàn)礦工位置的定位和礦下的監(jiān)控，讓礦場越來越智能。

應(yīng)用“光通訊”運用于日常生活中

今年寬帶上網(wǎng)速度從原先的2M免費提升至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用后，網(wǎng)速上限可達幾百M甚至上G，遠遠超乎目前的水平，屆時，在家看視頻、下載電影再也不會有“卡”的現(xiàn)象。和家庭無線路由器所發(fā)出的信號一樣，LED光源發(fā)出的信號適用于幾十米內(nèi)的短距離通信，這樣就省去家里紛繁復雜的線路問題，打開一盞LED燈，室內(nèi)的電腦就可以高速上網(wǎng)，不需要任何無線路由器，屋里其他的電視、熱水器、空調(diào)也可以自動控制。

應(yīng)用1.光源

在可見光通信系統(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。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、調(diào)制性能好、響應(yīng)靈敏度高、發(fā)射功率大等優(yōu)點。綜合以上兩個方面,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)達到5W,發(fā)光效率也已經(jīng)達到50lm/W,其發(fā)光效率(流明效率)已經(jīng)超過白熾燈,正向熒光燈逼近[4]。白光LED的光效超過100lm/W并達到200lm/W(可以完全取代現(xiàn)有的照明設(shè)備)可望在不久的將來即可實現(xiàn)。

關(guān)鍵技術(shù)2.光源布局

實際系統(tǒng)中,由于各個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到最優(yōu),須使房間內(nèi)的光強分布大致不變,盡量避免通信盲區(qū)(光照射不到的區(qū)域)的出現(xiàn)。要達到這個目的,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×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FOV(field-of-view)為60°,探測器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個數(shù)

在VLC系統(tǒng)中,通常安裝在室內(nèi)的LED燈具有一個較大的輻射角,以盡可能地覆蓋整個房間。但是由于行人、設(shè)備等的遮擋,會在接收機表面形成“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。對于照明來講,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,同時接收功率也會大大增加。但是單純地增加LED燈的個數(shù),雖然能夠解決“陰影”問題,卻并不能使系統(tǒng)的通信性能達到最佳。這是因為,不同的光源與接收機之間具有不同的光路徑,多個不同的光路徑會引起多徑延遲產(chǎn)生碼間干擾。因而可知,LED燈的個數(shù)越多,ISI越嚴重,必須合理地選擇LED燈的個數(shù)。在對陰影問題研究后,通過對系統(tǒng)誤碼率仿真得到,在系統(tǒng)碼率達到800Mbps時,LED燈的最優(yōu)個數(shù)為3~4個。

關(guān)鍵技術(shù)4.接收機FOV的選擇

在光無線通信系統(tǒng)(包括紅外通信)中,ISI依賴于碼速率、發(fā)射機和接收機FOV。然而在VLC系統(tǒng)中,ISI主要依賴于碼速率和接收機FOV。這是因為,發(fā)射機要起到照明的作用,必須具有一個非常大的輻射角度,即發(fā)射機的FOV基本上為90°,所示為接收機碼速率為200Mbps時接收機FOV與接收信噪比(SNR)的關(guān)系圖[6]。從圖中可以看出,當FOV小于40°時,在房間內(nèi)存在通信盲區(qū)。當FOV增加時,SNR隨之降低。因而在一般的可見光通信系統(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單快捷?，F(xiàn)在不少發(fā)達國家又把光纜鋪設(shè)到住宅前，實現(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)點決定的。

可見光通信技術(shù)的發(fā)展

不久前，可見光通信研究被《時代周刊》評為2011年全球50大科技發(fā)明之一。由于可見光通信技術(shù)具有較好的應(yīng)用前景，它在未來通信領(lǐng)域中占有重要的地位和價值，因此很多研究機構(gòu)和電信運營公司加入到無線光通信的研究領(lǐng)域中來，特別是日本、歐洲、美國等國家在可見光通信的領(lǐng)域已經(jīng)投入了大量的人力、物力以及財力。

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