可见光通信理论上很性感_可见光通信发展现状_可见光通信的应用

　　可见光通信理论上很性感

　　可见光通信技术（Visible Light Communication，VLC）是指利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。可见光通信技术绿色低碳、可实现近乎零耗能通信，还可有效避免无线电通信电磁信号泄露等弱点，快速构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。

　　但是现实却是：

　　1）由于可见光不能穿透或者绕开物体，因此LIFI也要连接网络，比如WIFI或者蜂窝网络，使得只是补充性接入形式

　　2）成本太高，WIFI 10倍以上，没有商业组织愿意支持的技术很难把成本降低， 以下是国内光通信顶级权威给我的答复：单位带宽的成本太高了，没有商业用价值。您可以问问迟藍或者徐正元，有没有办法降低到WiFi的10倍。我想价格10倍以下才有可能得到少许实际应用。　　

　　可见光通信发展现状

　　1、国内研究现状

　　相对于日本、欧洲和美国，我国VLC领域的研究起步较晚，与国外研究还存在一定差距。国内在可见光通信方面的研究机构主要有复旦大学、清华大学、北京邮电大学、南京邮电大学、东南大学、中科院半导体研究所等。

　　复旦大学主要专注高速可见光通信系统的研究与实验。其中重点研究了MIMO-OFDM技术、RGB三色LED应用以及多用户系统的实现。从2012年到2013年，他们搭建的可见光通信系统离线处理数据，速率先后突破875Mbps、1.5Gbps，并实现了一盏LED灯同时供4台计算机上网。2014年，他们在单个RGB三色构成的白光LED的基础上利用均衡技术，实现了最高3.25Gbps的通信速率。他们搭建的可见光通信系统的速率在国内研究中一直处于领先地位。

　　清华大学的研究团队对室内可见光通信的信道特性、信道容量以及LED特性进行过研究。此外他们还研究过OFDM可见光通信的改进、室内可见光定位系统以及将电力线与可见光通信系统相结合进行通信的方案。

　　北京邮电大学的研究团队在可见光通信信道模型、LED驱动电路均衡技术方面研究较为深入。2010年，他们提出基于光子追踪的室内可见光通信系统仿真算法，所提算法的效率和复杂度相比传统的光线追踪算法都有较大改进，之后他们进一步在上述模型及算法基础上研究了室内各个位置接收信号的均方根时延扩展，由此进一步估计可以达到的最大速率。在LED电路均衡方面，他们提出的2均衡电路将可见光通信系统的E/O/E带宽扩展至220MHz，在553Mbps的OOK信号传输实验中，系统误码率小于2*10-3。此外，他们在室内可见光实验系统、定位、多光源布局等方面有所研究。

　　南京邮电大学的研究团队在多用户MIMO可见光通信系统方面进行过一系列的仿真研究，他们提出的多用户MIMO可见光通信系统在通信速率100Mbps的条件下，误码性能达到了10-6的数量级。

　　东南大学的研究团队在室内可见光通信方面的研究较为广泛，从多用户接入、信道容量、多光源布局、可见光OFDM调制到信道均衡等方面都有所涉及，并提出了许多仿真研究及改进方案。

　　总体来看，国内在可见光通信方面的研究还处在实验室研究阶段，与国际领先水平存在差距。在拓展新的应用形式、搭建实时高速系统以及高速LED研制等方面还需要继续努力。2013年4月，―十二五‖国家863计划―可见光通信系统关键技术研究‖主题项目启动会在河南郑州召开，关注可见光通信关键技术的研究，为这一新型绿色信息技术的产业化奠定了基础。

　　

　　2、外研究现状

　　1）日本方面

　　日本方面，在庆应义塾大学（KeioUniversity）的M. Nakagawa研究团队提出LED可见光通信的接入方案后，这种技术在日本国内非常受重视。先后有名古屋大学（Nagoya Univesity）、东京理科大学（Tokyo University of Science）、长冈技术科学大学（Nagaoka University of Technology）、日本电信电话（NTT Cooperation）的科研团队参与研究。在可见光通信的各类应用方面，日本的研究人员做了大量的工作，从局域网高速互连、LED显示器数据下载、智能交通系统、智能灯塔到测量等种类繁多。

　　2001年，庆应义塾大学的研究人员首先研究了利用交通灯进行可见光通信，并对系统的调制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性进行了分析。同年，他们研究了OOK调制技术和OFDM技术在室内可见光通信的应用。研究结果表明：OOK调制方式在较低速率下（如100Mbps以下）非常有效，而在高速率情况下，选择OFDM调制方式性能更佳。之后，他们又进一步提出在道路照明系统中加入可见光通信功能，以减少交通事故的发生，通过用符合照明要求的LED进行实验获得成功。

　　2004年，M. Nakagawa研究团队对LED室内可见光通信系统的可行性进一步分析，对光源进行建模，仿真了在多盏灯照射下室内光照分布、信道冲激响应，并对有无反射情况下的室内信噪比分布、符号间干扰等参数进行了研究。在此基础上，他们还研究了接收端FOV（Field of View）视场角大小对系统速率的影响，并得到结论：当接收端视场角足够小时，可见光通信的速率可以达到10Gbps的数量级，可以作为下一代通信系统备选方案。

　　2005年，Toshihiko Komine等人将自适应均衡技术应用于室内可见光通信系统中，还引入了基于训练序列的信道估计算法来提高系统通信性能。2007年，该科研团队研究了PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）和调整LED调制深度两种方法来控制可见光通信系统中的亮度，并进行了一系列实验，分析了PWM方法中信号频率与亮度的关系，实验结果表明通过调整调制深度的做法比PWM方法有更好的性能。2008至2009年，他们又研究了基于LED和成像器件的室内可见光定位系统，通过实验可以实现室内高精度定位功能。

　　从2009年至今，日本庆应义塾大学的研究人员对可见光通信系统各种可能的应用进行了大量的探索，取得了不少成果，如室内盲人导航、机器人定位、运动检测、智能灯塔等。其中2011年，该团队的研究人员提出了一项可见光通信在超市购物的应用，通过改进超市内的照明设施和购物车，可以实现对顾客的购物需求和行为进行采集分析，图1是他们采集到的数据，图中线路的粗细代表走过顾客的数量的多少，线路的颜色则代表顾客在该区域停留时间的长短，超市工作人员可以根据统计数据结果来优化货物摆放的位置，获知哪些货物最受欢迎等信息。

　　

　　总而言之，在可见光通信方面，日本的研究人员不仅首先提出设想，而且探索过很多具体的应用形式，极大丰富了可见光通信应用领域和研究内容。

　　2）洲方面

　　在欧洲，2008年1月开始的OMEGA（the Home Gigabit Access）计划，参与者包括来自欧洲的20多个厂商和学术机构，致力于开发出1Gbit/s传输速率的室内互连技术，可见光通信技术被作为研究的重点。围绕这一项目，主要的研究机构有德国海因里希-赫兹研究所（Heinrich-Hertz-Institut），西门子实验室，英国牛津大学，思克莱德大学（University of Strathclyde），爱丁堡大学（University of Edinburgh），意大利比萨圣安娜大学（Scuola Superiore Sant‘Anna Italy）等。

　　其中海因里希-赫兹研究所主要关注单个LED采用OOK或OFDM调制方式实现高速可见光通信。2008年，他们提出利用可见光通信和红外通信组成家庭局域网的设想，对一些相关问题进行了讨论，从理论上对系统的可行性进行相关研究与论证，通过分析认为采用PAM或DMT（discrete multi-tone modulation，离散多音调制）调制的系统有望达到300Mbps的通信速率。在OOK调制方式方面，他们早在2009年就完成了100Mbps和125Mbps的可见光通信实验，2010年更是达到了230Mbps。

　　在单个LED采用DMT调制方式的可见光通信系统研究方面，他们的研究一直处于世界领先地位。2009年至2010年，通过在接收端加滤光片，利用DMT调制方式，采用离线分析处理数据，他们的系统通信速率先后突破200Mbps、230Mbps、513Mbps。2012年，通过采用RGB三色LED和DMT调制方式，他们的离线分析系统实现了单个LED 806Mbps的通信速率。

　　英国牛津大学的研究人员主要研究了均衡技术和MIMO（Multiple Input Multiple Output）技术在可见光通信系统中的应用，通过多路并行实现高速可见光通信系统。2008年，他们通过仿真研究预均衡和后均衡技术在可见光通信系统中的应用，仿真结果表明，OOK调制方式下，在应用了一阶后均衡和预均衡条件下，系统速率可以达到75Mbit/s，并且误码性能能够保持在10-6以下。

　　2009年，通过在系统中加入蓝色滤光片并采用一阶均衡，他们的OOK调制实验系统通信速率达到了100Mbps。之后，他们在MIMO可见光通信系统信道建模仿真和实验方面都进行了大量研究工作。MIMO可见光通信系统仿真方面：2009年，他们通过建模仿真的方法，对非成像MIMO可见光通信系统和成像MIMO可见光通信系统的区别进行研究了，研究结果表明，成像MIMO系统性能更佳，并指出MIMO可见光系统的通信速率有望达到Gbit/s的数量级；2012年，他们进一步建模仿真了室内可见光通信的信道冲激响应，室内光照分布，信噪比（SNR）分布等参数，结果表明在保证室内光照符合标准条件下，完全有足够的带宽来进行通信。

　　在MIMO可见光通信系统实验方面：2010年，他们的MIMO-OFDM可见光通信实验系统在距离1m范围内，速率达到220Mbps；2013年，他们搭建的室内MIMO可见光通信系统，发送端用4路250Mbps的信号，接收端用一个3X3的成像器件做接收，在1m范围、光照1000lux、误码10-3条件下，实现了1Gbps的传输实验。此外，他们还对多种OFDM调制方式以及蓝色滤光片在可见光通信中的应用做过研究。

　　英国思克莱德大学和爱丁堡大学的研究主要专注于新型LED及其在可见光通信方面的应用。2009年至2012年间，他们对新型微型LED及其阵列进行了研究，所研究的微型LED的3dB调制带宽最大值先后达到了245MHz和400MHz［42-45］。2013至2014年，他们将研究的新型LED应用于可见光通信系统中进行实验，系统速率先后达到了1.5Gbps和3Gbps，这为未来高速可见光通信系统的实现奠定了坚实的基础。

　　意大利比萨圣安娜大学的研究主要关注高速和非准直情况下的可见光通信系统。2012年，他们采用DMT调制方式，利用离线分析处理数据，完成了单个LED通信速率780Mbps和1Gbps的实验［48，49］。2013至2014年，他们对非准直情况下的可见光通信系统进行了研究，实验速率分别达到了200Mbps和250Mbps［50，51］。

　　总体来看，欧洲的研究机构主要注重基础器件新型LED以及高速率可见光通信系统的研究。

　　

　　3）国方面

　　美国政府于2008年10月开启资助一项名为―智慧照明（smart lighting）‖的计划，专门研究可见光通信技术，希望能够通过可见光光束（visible light beams）来实现无线设备与LED照明设备之间的通信，这项计划预计投资一亿八千五百万美元为期10年，有超过30所大学的研究人员参与，主要的研究机构有波士顿大学（Boston University）、佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）、加州大学河滨分校（University of California， Riverside）等。其中，加州大学河滨分校于2010年建立了UC-Light（Center for Ubiquitous Communication by Light）中心致力于用可见光连接所有类型的电子设备。

　　波士顿大学的研究人员对室内可见光通信系统中的一些关键性问题进行了研究，他们还提出了一些对现有可见光通信系统的改进方案。2010年至2011年，他们对室内可见光通信系统进行建模，仿真了光照强度、信噪比、误码率等参数在室内不同位置的分布，还将聚光照明光源引入可见光通信系统以获得更好的性能。2011年，他们研究了在人眼感受―关灯‖状态下如何实现可见光通信。2012年至2013年，他们先后研究了对应用于可见光通信系统中的色移键控（Color Shift Keying， CSK）调制技术、MIMO技术和小区缩放技术的改进，提出了具有更优性能的方案

　　佐治亚理工学院的研究人员主要关注OFDM调制技术及其改进技术在可见光通信中的应用，并提出了一些相应的改进措施。2013年，他们对室内可见光通信OFDM调制系统中的PAPR（peak-to-average power ratios，峰均比）特点及其对系统性能的影响进行了分析。之后，针对PAPR过大带来的信号失真和LED非线性效应，他们又分别研究了在OFDM调制下如何保持照明稳定性，以及如何减小或完全避免PAPR过大对通信性能的不良影响。

　　总的来看，美国的研究人员主要关注可见光通信系统中一些关键点、关键问题的改进方案和创新。

　　可见光通信的应用

　　1）数据广播

　　

　　利用可见光通信的高数据密度传输的特性，可以在照明系统中集成可见光通信功能，并传输广播消息，不同的照明光源也可以广播不同的消息内容。用户的手持设备只要可以接收到可见光信号，便可以解调可见光信号中的调制信息。除了对广播消息的接收以外，如果用户的手持设备可以跟光源通信，也可以利用可见光通信将原来射频频段传输的内容卸载到可见光信号中，从而降低射频频段的负荷。

　　2）室内定位

　　

　　利用可见光信号的定向性以及照明基础设施已知的位置信息，用户可以使用手持设备实现高精度的室内定位，理论上可达到毫米级别的定位精度。这为提供基于精确位置的服务创造了条件。例如用户在超市中只需要利用手持设备接收可见光信号，便可以获得其所在空间的精确位置信息，该信息可以反馈给超市的管理系统，并由其推送相关的产品信息给用户。

　　3）医院和医疗

　　

　　因为可见光信号并不会对电子设备造成电磁干扰，可见光通信被认为是最适合医院和医疗领域的无线通信方式。无论是实现对病人的动态监控还是实现医疗器械间的通信，可见光通信提供了安全可靠的信息传输方式。我们认为，医院很可能是可见光通信首先大规模普及的应用场景。

　　4）水下和飞机

　　可见光通信同样为飞机内部的无线传输提供了解决方案。可以想象，用户舱位头顶上的照明灯今后可能不单纯作为照明设备使用。用户只要拿出他的手持设备，便可以接收娱乐节目，甚至上网浏览信息。可见光通信同样适用于水下通信。相比较于传统的水下声呐通信，水下光通信有更高的定向性和保密性。可见光通信上天下地指日可待。

　　5）交通控制

　　

　　智能交通控制也被认为是可见光通信的一大应用领域，例如信号灯除了指示三种颜色外，还可以在上面调制有用信息，例如其所在路口的交通状况等等。车辆间还可以通过彼此的前车灯和后车灯交换车辆当前的状态信息，从而实现即时的避让。

　　6）广告展示

　　

　　目前的广告展板所展示的内容过于单一，而通过使用可见光通信可以实现更为丰富的广告内容展示。例如，商家可以将所展示商品的打折信息、功能介绍等调制在广告展板的背景光中。用户如果对广告内容感兴趣，便可以通过其手持设备接收到相关产品更为丰富的信息。