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LED可见光通信简介

可见光通信技术是一种在白光LED发明及应用后发展起来的新兴的无线光通信技术。LED不仅可以提供室内照明，而且可以应用到无线光通信系统中满足室内个人网络需求。

可见光通信的工作原理

可见光通信技术是指利用半导体（LED）器件高速点灭的发光响应特性，将LED发出的用肉眼察觉不到的高速速率调制的光载波信号来对信息进行调制和传输，然后利 用光电二极管等光电转换器件接收光载波信号，并获得信息使可见光通信与LED照明 相结合构建出LED照明和通信两用基站灯，它是一种在白光LED技术上发展起来的 新兴的无线光通信技术f61。白光LED具有功耗低、使用寿命长、尺寸小、绿色环保等 优点，特别是其响应灵敏度非常高，园此可以用来进行超高速数据通信。

可见光数据通信发射端是根据传递资料将电信号变调，再利用LED转换成光信号 发送出去，接收端利用受光元件接收光信号，再将光信号转换成电信号，经过解调当 成信号资料读取。在波长方面因为是采用可见光，所以波长从蓝光的380nm一直到红 光的780nm范围”J。

传统的光通信是利用不可见光来进行通信传输，大多是采用波长较长的红外光， 在这一部份，已经相当成熟．而相匹配的标准也广被业界所采用。可见光数据通信会 限制收信区域，LED点光源可见光无线通信器完全排除传统高频无线电磁波对人体与 周边电子机器干扰的疑虑，非常适合应用在道路诱导、展示导游、智能型道路交通系 统OTS）、医院、室内信息传输等限定空间的资料传输等领域。

 

可见光通信的发展

可见光通信的起源最早可追溯到19世纪70年代，当时Alexander Graham Bell提出采用可见光为媒介进行通信，但是当时既不能产生一个有用的光载波，也不能将光 从一个地方传到另外一个地方。到1960年激光器的发明，光通信才有了突破性的发展， 但研究领域基本上集中在光纤通信和不可见光无线通信领域。直到近几年，被誉为“绿 色照明”的半导体（LED）照明技术发展迅猛，利用半导体（LED）器件高速点灭的发光响应 特性，将信号调制到LED可见光上进行传输，使可见光通信与LED照明相结合构建 出LED照明和通信两用基站灯，可为光通信提供一种全新的宽带接入方式。随着白光 LED的迅速发展。可见光通信也逐渐发展起束榉i。

LED可见光通信可以分成室外通信和室内通信两大类。室外LED可见光通信技术 目前主要应用在智能交通系统（ITS：Intelligent Transportation Systems） ，香港大学G．Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示灯为车辆传输语音广播信号，将语音 信号通过OOK调制加至LED光源，实现了低速的无线LED可见光传输。中川研究 室的科研人员在2003年提出了LED公路照明通信系统IluJ。G．Pang等人只对利用LED 交通灯进行语音传输展开研究，中川研究室的科研人员则在LED公路照明通信系统中 分析了在不同的接收方向角和视场角下信噪比的好坏，以及在一定误码率下信嗓比和 接收数据率的关系，认为LED可见光公路照明通信系统优于红外公路交通通信系统。

随着智能交通系统研究的深入，又出现了LED交通灯、汽车前后LED灯之间构成的 交通灯至汽车和汽车前灯至汽车尾灯这两类可见光通信系统。

室内LED可见光无线通信技术主要应用在室内无线宽带接入网中，2000年，中川 研究室的研究人员TanakaYuichi等就基于室内白光LED通信光源的可见光通信系统的 信道进行了初步的数学分析和模拟计算，分析了白光LED照明灯用作室内照明用途的 同时作为通信光源的可能性。其后的研究也都是类似的理论分析报道。但是已有的研 究多针对LED照明光源布局设计，基于白光LED照明光源的可见光通信系统的整体 设计分析还不完善。

2003年lO月成立的可见光通信联合体（VLCC：Visible Light CommunicationsConsortium），成立初期以加盟企业为主要对象，VLCC针对可见光通信技术的标准化 与应用普及化进行各种工作小组活动，至2007年1月为提升可见光通信知名度，包含 东芝等公司在内有23家会员公司正式展开工作小组活动，具体内容分别是携带终端、 光卷标（Tag）的检讨，并成立可见光ID标准化工作小组。可见光通信是照明器具与看板 等周边设备常用的通信技术，为了使可见光通信普及化，必需建立各种终端机器都能 够应用的标准化规范，目前VLCC已经制定两种规范，分别是可见光通信系统规范VLCC．STD．001及低速通信可见光ID用规范VLCC．STD．003。

适用范围是对以可见光 当作媒体的通信系统，尤其是系统分成物理层与应用上位层时，规定物理层部份适用 范围，包括接收端的发光元件、接收端的受光元件与发光元件的自由空间界面f”。 2004年10月在日本干叶召开的影像、信息及通信的综合展会（CEATEC）l-，由国际可见光通信协会的多家成员所进行的一系列展示活动，向世人证实了采用基于LED 的照明来向手持式和车载计算装置传送高速数据所拥有的诸多好处。将数据添加到随 处可见的照明设备（包括带照明的标志、交通信号灯及室内照明设备）所产生的可见 光，然后通过扩充RF技术而为人们营造一个更加广阔的无线通信世界。

室内LED可见光通信的关键技术

VLC作为一种无线的光通信方式，其系统包括下行链路和上行链路两部分。下行 链路包括发射和接收两部分。其发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传 输的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载波强度变化的LED可见光驱 动调制电路。白光LED光源发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传播。

由于室内不受强背景光和天气的影响，光传播基本上不存在损耗，但是由于LED光源 个数较多，且具有较大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不同的光路 径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将引起所谓的码间干扰（ISI）。由于白光

LED光源发出的是可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波伤害等优点， 因而发射端可以具有较大的发射功率，使得系统的可靠性大大提高。

该系统的接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统、将光信号还 原成电信号的光电探测器和前置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理 和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号，然后对电信号进行放大和处 理，恢复成与发端一样的信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的光源 不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然由白光LED组成，只不过发射面积 较小，且具有较小的发射角，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光信号。若 将上述基本结构在通信双方对称配置，就可以得到一个可以双向同时工作的全双工 VLC系统，由该系统组成的网络称为可见光网络。

在VLC系统中，白光LED具有通信与照明的双重作用，这是因为白光LED的亮度很高，且调制速率非常高，人的眼睛完全感觉不到光的闪烁。VLC系统大多设计成 光强度调制／直接检测系统，采用曼彻斯特编码和00K调制方式。在 IM／DD系统中，由于存在多个光源，每个接收机都会接收到来自不同方向的光信号， 因而不会因为某条光路径被遮挡而导致通信中断，保证了通信的可靠性。

当前，LED可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术：

1）可见光信道研究

可见光通信系统具有与红外无线通信不同的信道冲激响应，两者具有不同的特性， 这两种系统中引起ISI的原因也不相同，需要对多光源、时变信道环境下的VLC系统 的信道冲激响应和不同光路径引起的ISI作深入研究，从而解决ISI的影响。

2）码间干扰克服技术

由于LED单元灯分布位置不同及大气信道中存在的粒子散射导致不同的传输延迟，光脉冲会在时间上延伸，每个符号的脉冲将加宽延伸到相邻符号的时间间隔内， 产生码间干扰（ISI），导致系统性能恶化Ⅲ1。

3）光源的选择与布局

在可见光通信系统中，光源起着至关重要的作用。作为室内照明设备，它必须具有亮度高、散热小、功耗低、辐射范围广等特点。另一方面，作为光通信系统的光源， 它必须具有使用寿命长、调制性能好、响应灵敏度高、发射功率大等优点。综合以上 两个方面，目前能满足要求的最好选择就是白光LED。实际系统中，由于各个房间的 大小以及室内设施不尽相同，因而要使通信效果达到最优，须使房间内的光强分布大 致不变，尽量避免通信盲区（光照射不到的区域）的出现。要达到这个目的，必须根据不 同的房闻，合理的安排LED灯的布局。

4）最佳LED照明灯个数

在VLC系统中，通常安装在室内的LED灯具有一个较大的辐射角，以尽可能地 覆盖整个房间。但是由于行人、设备等的遮挡，会在接收机表面形成“阴影”，影响通 信性能。因此就需要将这种“阴影”的影响降至最低。对于照明来讲，室内安装的照明 灯越多，室内的亮度就越高，照明效果越好，同时接收功率也会大大增加。但是单纯 地增加LED灯的个数，虽然能够解决“阴影”问题，却并不能使系统的通信性能达到最 佳。这是因为，不同的光源与接收机之渊具有不同的光路径，多个不同的光路径会引起多径延迟产生码间干扰。因而可知，LED灯的个数越多，ISI越严重，必须合理地选 择LED灯的个数。

5）调制、编码以及解调技术

目前可见光通信系统大多采用强度调制（IM）的直接检测（DD）非相干系统，编码方式大多为二进制OOK（开关键控）编码。但由于OFDM可以有效地对抗多径传播所造成 的符号间干扰，其实现复杂度比采用均衡器的单载波系统小很多。因此采用OFDM调 制技术具有良好的发展触景。

led可见光通信传输距离

苏格兰爱丁堡大学宣布已研究出新技术将Li-Fi网络用电量降低至0.5瓦，并将传输距离增大10倍。Li-Fi是利用可见光波普进行数据传输的全新无线传输技术，由德国物理学家哈拉尔德·哈斯发明。该技术通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输，只要在室内开启电灯，无需WiFi便可接入互联网。

根据该大学发出的公告，研究人员使用微米级发光二极管发出的光波，可使Li-Fi网络在10米内利用不足0.5瓦的电力，以1.1Gbps速度进行数据传输，其耗电量仅为10瓦LED灯泡用电量的5%。

这项研究由苏格兰爱丁堡大学哈拉尔德·哈斯（Harald Haas）教授牵头，与美国pureLiFi公司共同完成。哈拉尔德·哈斯被誉为全球LED技术领军人物之一。

可见光通信已成为美国、日本和欧洲等国家在国际通信研究领域的必争之地。许多专家认为，Li-Fi代表着未来移动互联网的趋势。Li-Fi将比WiFi廉价很多，因为其使用的是可见光波而非无线电波传输信号。光谱比无线电频谱大10000倍，可以获得更高的数据密度。

哈拉尔德·哈斯教授称，Li-Fi正在变革无线通信技术，而且可以成为物联网崛起的助推剂。他表示，在此次研究突破的基础上，将继续致力于Li-Fi技术的大力发展，并在很快的未来使其成为互联网的传输方式。

某美国市场研究公司指出，可视光通信技术市场的总销售额预计将从2012年的9600万美元大幅增长至2018年的61.4亿美元。

在中国，也有企业正进行Li-Fi网络技术相关研究。复旦大学去年10月成功实现利用屋内可见光进行网络信号传输。当时传输的最高速率可达3.25G，平均上网速率150M。

此外，勤上光电在2013年5月与清华大学签订了LED无线光通信项目建设合作协议，双方正式启动在光通信领域的校企联合研究机构的建设，并争取将其建设成为国家级平台。目前，双方已成功研发出Lifi通信手机版样品。

延伸阅读：Li-Fi是什么（技术原理、缺点、主要用途）

可见光无线通信又称“光保真技术”，英文名LightFidelity（简称LiFi）是一种利用可见光波谱（如灯泡发出的光）进行数据传输的全新无线传输技术，由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家HaraldHass（哈拉尔德·哈斯）教授发明。

LiFi是运用已铺设好的设备（无处不在的LED灯），通过在灯泡上植入一个微小的芯片形成类似于AP（WiFi热点）的设备，使终端随时能接入网络。该技术通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输，只要在室内开启电灯，无需WiFi也便可接入互联网。

LiFi是用可见光来实现无线通信，即利用电信号控制发光二极管（LED）发出的肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息。

LiFi的技术原理

可见光无线通信（称为LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脉冲无线传输信息。根据不同速率在光中编码信息完全可行，例如LED开表示1，关表示0，通过快速开关就能传输信息。由于LED的发光强度，人眼不会注意到光的快速变化。LiFi技术目前还处在于实验室阶段，由Haas和他爱丁堡大学的团队发明的一项专利技术。

电灯泡一直以来被视作发明家梦寐以求的灵感闪现的象征。与光纤通信拥有同样的优点，高带宽，高速率，不同的是LiFi是使光传播在我们周围的环境中，自然光能到达的任何地方，就有LiFi的信号。LiFi技术是运用已铺设好的设备（无处不在的灯泡），只要在灯泡上植入一个微小的芯片，就能变成了类似于AP（WiFi热点）的设备，使终端随时能接入网络。

LiFi的缺点

虽然LiFi确实有不受无线电信号干扰的优势，但其许多优势都因下述事实黯然失色：可见光不能穿透墙壁，这一关键事实使得WiFi获得了很大优势。这种可视性限制提高了系统安全性，但目前尚不清楚信号接收的最小距离。可以设想的是，利用长焦镜头和调整恰当的光学传感器，人们就可以截获光学信号。TechCrunch表示，尽管LiFi被宣传为一种可能的机载无线通信技术，但WiFi在大多数美国航空公司的大规模普及使得LiFi在飞机上的应用前景越来越不乐观。

LiFi的用途

Li-Fi通过调节LED光输出的数据进行编码。人类的眼睛无法觉察到快速的闪烁，但在桌面计算机上的接收器或移动设备可以读取信号，甚至可以把信号返回房间天花板上的信号收发器，提供双向通信。但许多发光二极管用荧光粉涂层把蓝色光转化成白色光，这也限制了数据传输的速率。这项研究发表在光学快讯（Optics Express），哈斯和他的团队研究表明，用激光二极管替换现有的LED灯可以大大改善现在的情形。激光器的高能量与光效率，传输数据的速率可以比LED快10 倍。不使用荧光粉，激光照明可以混合不同波长的光产生白色光。这意味着每个波长的光可以用作一个单独的数据通道，同样的光波可以双向传输，可以大大提高光传输数据的速率，爱丁堡大学团队的试验用了9个激光二极管。

虽然基于LED的Li-Fi可达到10 Gb/s 的数据传输速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的数据传输速率上限。激光传输数据的速率可以很容易超出100 Gb/s。

目前，这种设备目前还非常昂贵，爱丁堡大学正在寻求大规模生产来降低其成本，并且可以把它应用到照明市场。宝马i8 的前大灯就是基于该激光灯。