可见光通信

本人从2014年9月开始从事可见光通信的研究。至今（截止到2018年6月1日）已发表可见光通信领域的SCI/EI论文30余篇，申请专利100余项。本博文是对于可见光通信的介绍以及结合本人的经验做推广介绍的~

欢迎各位对可见光通信有兴趣朋友与我交流！

 

可见光通信的介绍：

可见光通信——visible light communication，VLC，又称为LiFi（光保真技术）。那到底什么是可见光通信呢？所谓通信则是传递信息，那用什么来传递信息呢？用光来传递。那什么光呢？可见光。那就是光纤吗？不，光纤是有线的，可见光通信是无线光通信（Wireless optical communication或Free space optical communication），是一种利用灯泡发出的光传输数据的技术。

（给出哈斯教授在2012年的TEDGlobal会议的视频http://www.cailiaoniu.com/45557.html）个人一直觉得这个视频是有bug的，当哈斯教授挡住信源的时候，视频停顿，这没有毛病，可是当他手拿开的时候，视频从原来停顿的地方继续，这就有毛病了。如果VLC在一直传递视频信息的话，挡住了信源就会导致信息的丢失，视频不完整。所以视频里面的VLC应该只是感应到光就自动播放，而并不是真正传输信息（仅为个人观点~不知道大家有没有发现这个bug）

那么为什么要用可见光来做通信呢？

首先，可见光频谱资源丰富。如今无线频谱资源紧张，很多频段都已经被占用。可见光波段的波长介于780nm~375nm之间。如下图所示。且可见光波段尚属空白频谱，无需授权即可使用，因此VLC技术抢占空白频谱，有效地利用频谱资源，拓展了下一代宽带通信的频谱技术。可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽10000多倍。

其次，也是最重要的原因之一——LED的普及以及产业的升级。可见光通信利用白光LED作为光源（我们称之为信源），而21世纪又注定是LED的时代。LED以绿色、节能、环保、寿命长等优势快速占据照明市场。当然可见光通信也随之具备这绿色、节能、环保等LED灯具与生俱来的优点。本身LED就节能环保了，而可见光通信更是照明与通信一体化，直接依靠LED的供电就可以实现通信、定位等功能，所以可以说VLC比LED更节能环保，因为同样的能源供给，VLC能完成比LED除照明以外更多的功能。当然，随着LED的大面积推广及普及，VLC营运而生。

那么问题又来了，为什么要用LED作为VLC信源呢？其他不可以吗？其他光源也可以的，本人曾经看过有用白炽灯做VLC信源的相关文献。但是与其他光源相比，LED具有更高的调制带宽，还有调制性能好、响应灵敏度高等优点，故此，利用LED的这些优点，将信号调制到LED发出的可见光上进行传输，白光LED可以将照明与数据传输结合起来，促进了可见光通信的发展。这里要明确一个概念。VLC跟白光LED结合，才是通照一体化的可见光通信。不少研究（如前几年发表在optics express上的论文）用激光二极管作为VLC的信源，单纯的追求高速，实际上并不是我们日常所推广的、具有通照一体化的可见光通信，那只是做光无线通信。

除此以外，就是LED产业升级。根据本人这几年来跟LED企业的接触，感悟就是大部分LED企业或者原先做LED研究的高校老师都会想往可见光通信领域发展。因为原先产业的（LED灯具）的饱和，使得企业家与研究者开始寻求新的突破。而可见光通信技术正是可以给LED产业带来巨大突破与产业升级的突破口。他们都希望能够把握照明产业的机遇，抢占技术制高点。

但是，本人一直认为，基于白光LED的可见光通信，研究的重点应该是LED材料，而非通信技术。因为其实大部分无线通信的通信方式、编码解码手段、信号处理方式等都适合用于可见光通信，所以高宽带LED材料的研发是VLC技术重要突破口。目前对于可见光通信的专利、论文，大部分都是套概念。套这可见光通信这一新的概念，用着传统无线通信的手法。

VLC系统中使用的光源是白光LED。目前市面上有两种类型：荧光粉LED和RGB-LED。荧光粉LED是应用最广泛的（也是价格最便宜的），其原理为蓝光LED芯片激发黄色荧光粉产生黄光，蓝光和黄光混合而成白光。这种类型的LED结构简单，成本较低，调制复杂度也较低。但是由于黄色荧光粉的响应速度慢而导致调制带宽只有几MHZ（一般是少于3MHZ）。至于RGB-LED，则是将RGB三色LED芯片封装在一起，混光成白光。其调制带宽较高，对于高速VLC系统，一般选用RGB-LED。但是其调制复杂度相对较高。

其三，就是可见光通信可以与照明深度耦合。其实也就是得益于LED（上面也说过了）。对于通信系统，它必须解决深度覆盖的难题，而光（照明）与人类的生活密切相关，照明无处不在。通照一体化，是一种解决通信深度覆盖问题的、自然而然的，使得通信像灯泡一样容易。（这里要补充一点，基本上每次本人参加创业比赛，或者一些学生项目的答辩，总有一些水平比较低的专家老师提出“白天不开灯，不开灯VLC就用不了”的概念。所有的大型的室内，只要有人，那都是开灯的，思维不要太过于狭窄）

还有就是高速性。目前大部分的研究都是G级别的速率，10G、20G也不少。在2015年，我国甚至实现了50G的通信速率。

还有就是无电磁干扰。在医院、机场、核电站、地下矿场等电磁敏感的场合，可见光通信可以发挥其独特的优势。

最后，就是由于可见光通信利用的是可见光，它必须可见才可以通信，那么它就具有高度保密性。在军事等信息安全领域，只要有可见光不能投过的障碍物阻挡，或用窗帘遮住光线，半导体照明信息网内的信息就不会外泄。但是，事物往往具有双面性，这高度的保密性，带来的另外一面就是，万一光被遮挡了，通信也就失效了。所以，遮挡效应也是可见光通信至今没有解决的一个严重的缺陷。

 

说了那么多，可能大家还是不懂什么是可见光通信，或者它的原理到底是什么。这里给出本人对VLC的定义：所谓的可见光通信技术是指，通过人眼识别不了的高频来控制LED灯的亮灭，亮代表1，灭代表0，接收端通过传感器来接收光信号，能传输二进制信号那么就可以传输各种的信息了（二进制仅仅是举例子）。由于以人眼识别不了的高频来调制光的亮度，故此可以实现照明、通信、显示的一体化。

在提及到可见光通信技术的时候，希望大家能保持一个观念，就是“可见光通信是其补充的作用，而非替代的作用”可见光通信技术与传统的无线通信网络共存且兼容是是可见光通信技术发展与商业化的必由之路。

还有一点就是，可见光通信的发展，应该与照明、显示相结合。因为它的优势是“通照一体化”，当然后来本人也定义了一个说法叫“通显一体化”，通信、照明、显示三者密不可分。目前很多在VLC方面的研究，都是紧紧局限于通信的性能，而忽视照明等实际因素，也因此而限制了VLC技术的进一步发展。当然，这也是局限于这项技术本身存在的一些缺点，从而导致目前大部分研究都局限于理想环境下通信方面。

 

下面介绍一下基本的可见光通信系统

基于白光LED的可见光通信系统框图如下图所示：该系统包括完整的发射端、信道、接收端。原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后，驱动LED灯具，对LED进行强度调制，将电信号转换为光信号。预处理，即预均衡，是为了补偿器件、信道对信号带来的失真，通过采用预均衡技术提高LED的调制带宽，提高传输速率。而在接收端进行的后均衡，可以补偿其他信道损耗。编码调制是为了在有限的带宽上实现更高的传输速率。为了提高白光LED通信系统的传输速率，在发射端可以通过设计和采用高阶的调制编码技术来提高传输的频谱效率，从而实现高速传输。目前研究者们采用最多的高阶调制格式为正交振幅调制-正交频分复用技术（QAM-OFDM）。

 

可见光通信的发展过程：

下面部分是之前给老师做的演讲PPT可能不是最新的，请见谅哈。

可见光通信早在1998年就提出来了。另一种说法是在2000年，日本庆应义塾大学的研究者提出VLC的概念，但是从时间上直观来看，应该是我国最先提出可见光通信的概念的（97年，香港已经回归）

（广东地区，暨南大学是VLC发展的先行者）

可见光通信国际研究态势：

可见光通信技术目前发展较新水平：

 

可见光通信主要发展方向：

1、无线通信。可见光通信，顾名思义，最主要的发展方向就是通信。通照一体化是VLC得以快速发展的重要因素之一。主要应用首选当然就是LiFi，作为wifi的补充。LiFi的应用可以与智能家居等结合在一起，但是最大的问题就是，上行通路，如何解决。本人看来，对于上行通路的解决方法有三：

（i）与其他无线通信技术，如wifi，蓝牙，ZigBee，数据网络等相结合，既然LiFi是作为传统无线通信的补充品，那何不将他们结合一起呢？那么可能有人又会既然用了wifi或者数据网络，为何不直接上下行都用呢？这样说吧，一般对于用户而言，下行或者说下载的流量数据量会更大，而上行主要起到反馈的作用（虽然也有上传资料这样），那在这种情况下，下行链路用了LiFi可以将链路一半以上（甚至70%）以上的传输都给了可见光频段，那么就可以减少wifi或者数据网络的数据压力，从而提高速率。

（ii）把发射和接收放在同一端。就是一个VLC模块，它既有发射又有接收。这样就可以保证VLC全双工通信。复旦大学的迟楠教授近期就研发了相关的产品，本人的老师在一次展览中给本人拍了以下照片：

（iii）既然上行通路麻烦，那就直接不用hhh，比如下面要提到的用视觉光通信作为二维码接入或者可见光定位都可以只做下行，而不用理会上行。目前，可见光通信在全球首例应用就是华策光通信的室内定位系统（个人感觉，可见光室内定位技术之所以能这么快产业化，主要的两点就是：1、低速通信；2、无需上行）

除此以外，水下光通信——基于蓝绿光LED灯的半导体照明技术可用于水下高带宽通信。如上面所提到的实现50G的通信速率，正式水下光通信的应用前景。如果结合远距离通信，甚至可以代替水下网络、潜艇通信（保密性）等等。

还有就是可见光成像通信。或者本人定义之为视觉可见光通信（visual visible light communication）。运用手机的CMOS摄像头卷帘效应的原理或高速摄像头作为接收端，利用图像处理（计算机视觉）等技术来实现无线通信。对于高速摄像头，又很多SCI都有相关的报道，本人由于受限于实验室研发条件，没有进行过相关的研究。而对于基于CMOS摄像头的视觉可见光通信，本人认为主要的应用场景有二：1、手机移动支付。2、利用卷帘效应产生光条纹码作为二维码接入。（关于基于CMOS的光条纹码会在后面的博客加以介绍）

2、通显一体化。上面提到的LiFi属于通照一体化，而这里我要提得一个被大多数研究者忽视的概念就是通显一体化。VLC与LED显示屏、OLED的结合，是VLC技术发展的另外一个突破口。2017年本人的本科导师文尚胜老师申报的广东省科技计划项目《高带宽微芯片覆晶封装小间距显示器件开发与产业化》正是以通显一体化为创新点。这个项目本人主要参与申报书的撰写以及项目立项答辩（当然申报书里面的工作基础主要也是本人的哈哈），在答辩的过程中，专家们，明显对于通显一体化这个概念，有很大的兴趣，相信我们的这个项目，能引领通显一体化技术的制高点。

3、可见光室内定位技术。这点也是本人近年来研究的重点。由于本博文只是大体介绍可见光通信技术，就不详细对可见光室内定位技术进行展开。但是，在本人看来，可见光室内定位技术会是VLC最轻松的，从实验室到产业化的突破口。理由如下：（i）仅需要低速，改装普通LED（荧光粉LED）的驱动即可。(ii)室内定位技术的需求非常大（详细可以百度）。（iii）接收端，直接用普通手机的前置摄像头即可。LiFi通信，需要特殊的接收器，这很难进入人们的日常生活中，而手机则是每个人都有的，VLC的信源是LED解决了其深度普及的第一步，而仅且仅有接收端的普遍性，才可以真正实现VLC的深度普及。(iiii)新概念，21世纪，再也不仅仅是满足人们基本物质需求的社会，人们需要的不仅仅是温饱，而是精神上的产品，新概念，新技术的引入，势必引起潮流。

4、智能交通、智慧城市。这也就是我们常说的室外可见光通信。其实可见光通信从诞生之日，就是以室外智能交通为主的。下面给出一系列相关图片：