随着智能设备的高速普及、用户量迅速增加和人们对高速宽带多媒体通信的需求，导致无线接入网频谱资源紧张，加之电磁辐射干扰等因素的局限,以及光载无线通信(RoF)技术的不成熟，使传统接入网技术演绎深刻革命性的变化，从而产生一种拓宽频谱的资源，通过绿色节能的LED灯为传输基站的通信方式，人们称其为可见光通信(visible light communication,VLC)。
利用可见光传输信息及数据的技术，其核心技术则是在实现三网融合基础上，将芯片模块加在LED灯的电路中，便有了无线路由器、通信基站和GPS等功能的全新无线通信的传输方式。和传统技术相比，其可利用的带宽、安全性和私密性极高，无电磁干扰，也不需频段许可授权，就能以低成本实现高带宽且高速率地进行无通信的接入。同时也有很好的空间复用性，大面积地拓展网络覆盖面，也是对射频技术进行很好的补充，完全可以满足下一代新型多媒体通信的要求，正是这种历史背景促成可见光通信技术的产生与发展。
1. 可见光通信技术在国内外的发展现状
1.1. 国外
1.1.1 日本
2000年，日本庆应大学和SONY研究所提出以LED照明灯作为通信的基站，在室内进行信息无线传输的构想。Tanaka与Komine等人于2002年正式提出电力线的载波通信与LED可见光通信融合的数据传输系统。2003年经中川倡导建立可见光通信联合体， NEC、SONY等研究单位和企业共同参与。在2008年东京国际电子展上，太阳诱电株式会社首次展出LED光通信产品的样机。
1.1.2 欧美
2009年，美国加州大学和国家实验室共建UC-Light，任务是开发基于LED照明高速通信与定位的系统。2010年，德国弗劳恩霍夫研究所的团队将通信速率提高至513Mbit/s创造世界纪录。2011年，爱丁堡大学哈拉尔德·哈斯演示带有信号处理技术的LED灯把高清视频传输上电脑，并将可见光通信称为“LiFi”。2013年，他的团队展示首台产品，演示直播伦敦市长的讲话。同年，英国众多高校的科研人员把离线速率刷新到10Gbit/s。
1.2. 国内
2006年，北京大学提出“基于广角镜头的超宽视角可见光信号接收”方案，并在可见光通信和无源光网络（PON）融合接入中的物理层、链路层以及传输层等方面进行探索研究。2008年，暨南大学研制出国内首台白光LED光通信样机，传输距离在2.5米以上。2011年，国家863计划部署了可见光通信技术的研究，经两年的科技攻关，在调制带宽的拓展、实时传输的速率和融合网络的架构等方面取得重要的研究成果。2012年，解放军信息工程大学成功研发了可见光通信相关技术的点播电视业务、近场通信和新型无线广播，以及在矿下可应用此技术进行通信和定位。2013年，复旦大学研发出3.75Gbit/s离线数据传输的速率，创造世界纪录。成功实现实时速率达到150Mbit/s的可见光传输系统，预计将在今年实现实时速率达到450Mbit/s。
2. 技术研究与发展趋势
2.1. 工作原理与系统优势
2.1.1 工作原理
可见光通信技术的数字传输中，最基本的信号就是‘1’和‘0’，如果我们将灯光打开状态设定为‘1’，灯光关闭状态设定为‘0’，那么通过灯光的开关就可以实现数字信号的传输，利用LED发出人眼无法看到的高速明暗闪烁的信号来传递信息,它每秒可闪烁数百万次，其二进制数据被快速编码成灯光信号进行传输，通过光敏传感器接收信号。如果将已有灯（灯遍布各个角落）植入一颗芯片，就成为类似AP（Wi-Fi热点）的终端随时都能接入网络。在条件足够的情况下，灯可用有线的方式接入骨干网络，让室内的所有设备都能进行无线通信接收。
2.1.2 系统优势
可见光通信技术可作为移动系统的重要通信补充的接入手段，频率资源非常丰富，可缓解用户应用无线频谱的紧张，在电磁受限环境或对电磁信号敏感的条件下可自由使用该系统，弥补了电磁覆盖范围的不足。
图1为可见光通信系统，是用LED照明设备代替无线局域网的基站，不用再添加任何新的基础设施，而且非常安全对人体无电磁辐射的损害。只要在LED照明的范围内则可实现持续且高速的数据传输，可达到每秒数十兆甚至数百兆的速率，其光谱比无线电频谱要宽一万倍。
另外，可见光通信系统的防泄密性极高，只要拉上遮光的窗帘，信息就不会泄漏到光照以外的地方。
图1可见光通信系统图
2.2. 关键技术与技术特点
2.2.1 关键技术
当前，可见光通信主要包括以下几个方面的关键技术：
（1）自动切换技术：在可见光通信系统中，当接收端从其中一个基站转移到另一个基站的时候，需接收端自动切换，切换的操作既要能够识别新的基站，又要可以将信令的信号分派到新的基站信道上面。研发人员须指定一个启动切换最恰当的信号强度，选择合适的切换时间点可避免不必要的频繁切换，同时也能保证在因信号弱且通信中断之前完成必要的切换。所以，基站在准备切换之前必须先对信号监视一段时间来进行信号能量的检测，并由接收端辅助切换完成。
（2）调制、编码以及解调技术：正交频分复用（OFDM）是一种高频谱效率的调制技术，可为信道色散提供简单的解决方法，且可全面在数字域实施。OFDM能把信道可用的带宽分为若干个子信道，通过子信道之间的正交性来实现频分复用，也可在子载波上利用对比特与功率的分配实现信号传递并适应信道的调节条件。降低子载波传输速率，延长码元的周期，所以具备优良的抗多径的效应性能，在有限的带宽条件下实现高速传输速率。另外，结合多输入多输出（MIMO）技术，要求接收端可以接收到LED灯阵列发出的光信号，以便解析出多个独立的通信信道。多个发射与接收单元的并行传输可以提高可见光通信的性能，使不一样的用户占用不重叠的子载波集，从而实现下行链路多用户传输。
（3）高灵敏的接收技术：可见光通信系统多半工作在直射光的条件下，当室内有人走动或在直射的通道上存在障碍物时，会在接收端处形成阴影效应，从而影响通信性能，严重则出现通信的盲区，导致通信受阻。采用大视场广角光学接收技术则可解决此问题，它的特性可保证同时接收直射与散射光的信号，这就避免“阴影”与“盲区”的现象发生。另外，系统采用MIMO技术要求接收端可以接收到LED光源阵列发出的光信号，以便解析出多个独立的通信信道。这也需接收端光学系统具有大视场广角的特性。
2.2.2 技术特点
可见光通信系统的核心就是在LED灯里加入微小芯片成为通信基站，甚至还具备GPS无法达到的精准定位功能。由此可见，利用照明LED灯光传输信息将是一种新兴的、绿色的及高速的无线通信方式。和传统射频通信相比，具有以下特点：
（1）广泛性：LED的响应时间短、寿命长和无辐射，所有的LED灯都可成为互联网的基站。
（2）高速率性：通信速度可以达到每秒数十兆甚至数百兆，未来的传输速度还有可能超过光纤的传输速度。
（3）宽频谱：其频谱的宽度是射频频谱的1万倍，无需频谱的使用许可执照，也解决了全球无线频谱资源严重短缺现状。
（4）低成本：利用已有的照明线路可实现光通信，不必新建基础设施。
（5）高保密性：只要遮住光线，信息就不可能向照明区以外泄漏。
（6）实用性：可以对无线通信覆盖的盲区作填补，如地铁、隧道、航海、机舱及矿井等无线通信不畅的区域。
2.3. 存在的问题及技术发展趋势
2.3.1 存在的问题
新技术研发及其产业化并不可能每个环节都顺利，可见光通信技术有很多优点，却也面临很多技术难题。
（1）传输速度难提高：虽然白光LED的发光效率高，其有限的调制带宽却限制通信的传输速度。被广泛使用蓝光激发黄色荧光粉的LED调制带宽只有几MHz。
（2）信号易被切断：LED灯光若被阻挡，网络信号无法穿透阻挡物。
（3）数据难回传：数据线与电力线不能很好融合，反向链路受干扰导致数据无法回传。
（4）无专用探测器：光线散乱而多方向，在光源和探测器间存在不同光路。现广泛使用的硅基探测器灵敏度差不能准确地接收，导致用户使用时无法准确接入，也不能准确切换等。
（5）码间干扰：因不同光路径到接收端的时间不一样，过程有码间干扰。
（6）无专业集成芯片：要与Wi-Fi一样被广泛应用及产业化，必须有相当成熟的专用芯片，而可见光通信系统芯片的集成研发与产业化需要大量的资金，这便限制可见光通信技术的产业化发展。
综上所述，可见光通信并不能成为传统无线通信技术的竞争对手，只能作为其应用的补充，与传统无线通信技术相辅相成，相融共生。但如能突破以上瓶颈，产生杀手锏式的应用，那么可见光通信系统技术也会有无限的发展前景。
2.3.2 技术发展趋势
虽然可见光通信系统有高速率、宽频谱、成本低、保密性强和局部实用性强的优势，但在技术研发与产业化过程中还存在许多关键问题需要解决。为了该技术能有更好的发展前景，其研究需向以下几个方面发展：
（1）建立恰当的光无线传输信道与模型：可见光通信系统的信道是随机的，然而LED可见光波长与尘灰、气体分子的大小相似甚至还更加小，很容易产生光的散射和吸收造成信号严重减弱，在不一样位置的灯光和日光等背景光会对系统的性能产生较大影响。当前是用Gfeller和Bapst模型来分析信道的，把信道分为直射信道与墙壁反射信道进行研究，但是对背景光及散射等产生影响还没作进一步分析。要在随机信道下让系统正常工作，须对LED可见光传输信道进行更加深入的研究和探讨，以及建立恰当的传输模型。
（2）优化光源布局和控制非线性效应：LED阵列布局是影响系统性能的重要因素，因为LED灯分布在不同位置造成墙面反射、折射和散射而出现盲区和阴影，产生码间干扰很大程度降低了系统的性能。所以在可见光通信系统研究中，应对其进行合理的布局，同时在实际应用当中也需合理地控制偏置电压、信号带宽参数和信号动态范围，依据非线性传输曲线的特点有意识地对调制的信号进行预畸变处理等等。所以，优化LED灯布局和控制非线性效应，才能提高调制效率并提升传输容量。
（3）融合可见光通信与现有网络：当前频谱资源有限，无法满足各用户带宽的需求，所以在最后10 m的距离内无线高速接入将是宽带通信的瓶颈。LED发出的可见光波段为380 nm～780 nm，是新的频谱资源，把可见光通信系统和光纤到户系统相互融合，是最理想的短距离高速无线接入方案。比如，应用“光电—电光”转换把信息调制至LED光源发射到用户终端，实现高速率且高保密性的无线光通信。再如，将可见光通信和电力线通信技术互相融合，通过现有电力线来传输信号到LED光源，将会大幅度减少成本费用。所以，未来可见光通信与现有网络相融合技术将会成为可见光通信的重要研究趋势。
3. 创新应用
可见光通信应用不是要取代现有无线技术，而是当遇到射频无线通信无法实施的场合时，它能成为理想的替代技术。其具备高数据容量的潜力，通信区域可以通过人的眼睛直观确定，不干扰传送任务的系统信号等特点，让可见光通信的广泛应用为人们提供更加方便和安全的应用环境。其具体的应用领域有以下几方面：
3.1 照明与智能通信
LED灯在照明的同时也实现光传输通信，即信息可在室内光照范围进行传播，实现手持终端间点对点的通信。其发散角小能有效降低传输的损耗及实现高速通信。智能家居系统的控制器把指令传达到LED灯，再用可见光传到光照范围之内的终端，中央控制器传达的资讯既可在终端上显示，终端的探测器收到指令后就马上做相应动作，实现网络通过光传输远程操作的功能。
3.2 视觉信号与数据传输
在航海及地面交通等领域的LED信号灯应用极为广泛，它用颜色的变化给人们传达相关信息，因此，把无线通信和信号灯相结合则可让交通管理更加安全可靠。图2为可见光通信在智能交通系统的应用，车辆应用车上的前后LED灯进行信息交换防止意外事故的发生，道路上LED信号灯也可与车辆的灯进行交互实现智能交通管制，当前面有车辆突然刹车时，后面的车辆则会收到前车的刹车灯信息立即自行减速。再如商店招牌灯内置了相应芯片，人们通过手机扫描招牌光便能识别出商店的地址、商品及优惠等信息，实现代替二维码的“光码”应用。
图2智能交通系统应用
3.3 射频辐射受限
传统卫星定位系统较难对室内移动的用户进行精确定位，可见光通信则可将用户位置的信息利用照明设施进行传输，进而完成精准的室内定位，如超市导购和停车场导航等应用。另外，在航空、航海和医疗等领域，因对射频电磁辐射敏感及有严格的限制，而可见光通信的无电磁辐射则可被应用。如图3在飞机上打开照明灯就可高速地接入网络，利用光介质传输与电磁波两者完全不会交叉，从原理上杜绝信号干扰。矿井内工人安全帽上LED灯则可传递网络信息，将矿井下的信息传输到地面，解决井下通信、照明和定位多项应用的结合，避免重复建设造成资源浪费，有效地增强了矿井下工作的安全性。
图3飞机上高速上网
3.4 信息和通信安全
可见光通信应用时，只要拉上遮光窗帘则外面收不到灯光传输的信息，其保密性极强，可承担政府、银行和金融等方面的通信应用。它还可进行手持终端近距离点与点的安全通信，适用于数据安全传输、支付、防伪和门禁等智能设备的安全应用。
4. 广阔的市场前景
根据国际权威机构统计，2018年可见光通信的市场将会达到约60亿美元，未来的应用可能达万亿规模。此项技术不仅是具有万亿产值战略新兴产业，更是面向LED照明、物联网和通信等领域交叉融合的新技术，其应用广泛渗透到航空、航海、地铁、高铁、室内导航和矿井下作业等领域，是目前国际上少有的、具有多应用领域和带动力极强的前沿高端技术。可见光通信的应用将催生相关的新兴产业，势必形成技术的变革和产业结构的升级。
因此，光通信是国内外角逐的未来科技制高点的核心技术，目前日本和欧美的科研院校都投入了大量的资源来研究可见光通信技术，我国部分科研院校也得到政府资助研发可见光通信技术及其应用。在此背景下，由中国人民解放军信息工程大学和中国产学研投融资联盟等单位牵头的“中国可见光通信产业技术创新与应用联盟”于2014年8月在广州市成立。广东省政府也出台了《关于全面深化科技体制改革加快创新驱动发展的决定》文件，支持可见光通信等重点领域关键技术的研究及创新应用，并提出实施重大科技专项项目，将加快突破可见光通信关键核心技术的瓶颈，抢占高新技术和战略性新兴产业技术的制高点。广东省将每年投资1.5亿元人民币作为科研经费，积极地推进可见光通信技术的研发与产业化进展过程，为产业转型升级提供强有力的科技支撑。
综上所述，可见光通信技术具备宽广的战略发展前景和巨大的市场应用空间。
参考文献
[1] 何胜阳.室内可见光通信系统关键技术研究[D].哈尔滨工业大学.2013年
[2] 孟義然.无线光通信系统的设计实现、测试分析及主控技术[D].北京邮电大学.2013年
[3] 宋驰.智能家居系统中LED可见光通信技术的研究[D].天津工业大学.2013年
[4] 王旭颖.梁忠诚. 基于MIMO技术的可见光通信系统的研究[J].光通信技术.2013(1)
[5] 李荣玲.商慧亮.雷雨.王一光.王源泉.陆肖元.迟楠.高速可见光通信中关键使能技术研究[J].激光与光电子学进展.2013(5)
[6] 曾庆珠.可见光通信的应用研究[J].互联网天地.2013(8)
[7] 王虹.蔡喜平.基于白光LED的可见光通信研究进展[J]. 半导体光电.2014(1)
[8] 徐鲁辉.张言明.刘运真.白光LED煤矿工作面可见光通信调制技术研究[J].工矿自动化.2014(2)
[9] 许银帆.黄星星.李荣玲.迟楠.基于LED可见光通信的室内定位技术研究[J].中国照明电器.2014(4)
（曹小兵 深圳市裕富照明有限公司，广东 深圳 518117）
