2000年，可見光通信(VLC)的概念被提出，在照明的同時也可用于高速通信。到2018年，半導(dǎo)體照明(普通發(fā)光二極管，即LED)普及率將達到80%?；贚ED的可見光通信技術(shù)將站在巨人的肩膀上，有望為VLC提供新的解決方案。
與其他無線技術(shù)相比，VLC有以下明顯的優(yōu)勢：
1)白光對人眼的傷害較小，室內(nèi)白光LED的功率之和高達10 W以上，使VLC具備了非常高的信噪比，為實現(xiàn)高速通信打下了良好的基礎(chǔ);
2)白光和射頻信號不存在相互干擾，無電磁污染，可應(yīng)用于核電站、機艙、醫(yī)院、工業(yè)控制等電磁敏感的環(huán)境中;
3)VLC兼具照明、通信和控制定位等功能，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略;
4)白光不可穿透墻壁甚至窗簾，因此VLC具有高度的保密性;
5)頻譜無需授權(quán)即可使用，因此VLC應(yīng)用靈活，既可以單獨使用，也可以作為射頻無線設(shè)備的有效備份。
VLC技術(shù)因其特殊優(yōu)勢，一問世便迅速獲得世界各國的關(guān)注和支持。2000年，日本學(xué)者Tanaka等便提出并仿真了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。VLC技術(shù)在10年間迅速發(fā)展，并取得了一個又一個突破性的進展。目前，國外的主流設(shè)備商和各大學(xué)、研究所等都在開展有關(guān)VLC技術(shù)的研究，具有代表性的研究小組主要有日本的松下，德國的海因里希赫茲研究所，美國的波士頓大學(xué)，中國的中國臺灣交通大學(xué)、遠東科技大學(xué)、暨南大學(xué)、北京郵電大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、華中科技大學(xué)等。
一個基于白光LED的VLC系統(tǒng)示意圖如圖1所示，該系統(tǒng)包括完整的發(fā)射、信道傳輸和接收三個部分。原始的二進制比特流經(jīng)過預(yù)處理和編碼調(diào)制之后，驅(qū)動LED，對LED進行強度調(diào)制，從而將電信號(E)轉(zhuǎn)換為光信號(O)。
圖1 基于白光LED的VLC系統(tǒng)示意圖
Fig. 1 Diagram of VLC system based on white LED
限制VLC系統(tǒng)傳輸速率提高的主要原因在于白光LED有限的調(diào)制帶寬，目前廣泛使用的熒光粉LED的調(diào)制帶寬一般小于10 MHz，因此如何提高LED的調(diào)制帶寬和系統(tǒng)傳輸速率成為研究者們的研究重點。
為了提升VLC的傳輸效率，關(guān)鍵技術(shù)主要集中在光器件、材料及多維多階的調(diào)制和編碼方式幾個方面，其中包括調(diào)制方式、編碼/均衡技術(shù)、復(fù)用技術(shù)、更適合VLC的光器件、材料。因此，VLC的發(fā)展趨勢主要有三個方面：
1、正交頻分復(fù)用 (OFDM)、單載波頻域均衡(SC-FDE)、無載波幅相(CAP)調(diào)制技術(shù)等;
2、包含網(wǎng)格編碼、預(yù)均衡、后均衡，按軟件硬件區(qū)分的軟件均衡、硬件均衡;
3、頻分復(fù)用、波分復(fù)用、多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)等。
4、擁有更高帶寬的micro-LED、GaAIAs藍光探測器、LED陣列、光感探測器陣列等。
ACO：Asymmetrically Clipped Optical; DFTS: discrete fourier transform-spread; 2FFT:2 fast fourier transform; PTS: partial transmit sequence; SLM: selected mapping; PC: Parallel combinatory; SC-FDE: single-carrier
圖2 基于LED的VLC的研究方向脈絡(luò)圖
Fig. 2 Research orientation diagram of LED based VLC
VLC經(jīng)過10年的快速發(fā)展，其傳輸速率已經(jīng)從最初的kbit/s級別達到了目前的9.5 Gbit/s。目前，VLC存在的三個明顯的問題：
1、LED發(fā)射器的帶寬有限。由于白光LED設(shè)計的初衷是用于照明而非通信，所以其調(diào)制帶寬非常有限。特別對于目前市場上主流的照明產(chǎn)品(藍光激發(fā)黃色熒光粉類型的白光LED)而言，響應(yīng)緩慢的熒光粉會限制其帶寬。目前市場上主流白光LED的10 dB帶寬都不到20 MHz，嚴重影響了VLC系統(tǒng)容量的提升。
2、硅基光電接收器的敏感性較低。目前VLC普遍采用的硅基探測器主要對紅外波段比較敏感，其響應(yīng)度峰值在紅外波段，而在藍光波段響應(yīng)度只有紅外的1/4左右。
3、非線性失真。由于光電二極管傳遞曲線本身是非線性的，同時LED的頻域響應(yīng)也呈非線性，因此如何對非線性失真進行補償也是亟待解決的問題。
今后的研究中，還需要針對以上幾個問題進行深入研究，才可能突破VLC現(xiàn)有的速率瓶頸。在VLC實用化過程中，可見光組網(wǎng)和專用可見光集成芯片是未來限制VLC技術(shù)實用化的重要因素。隨著可見光標準和可見光集成芯片水平的發(fā)展，VLC技術(shù)的實用化也將不再遙遠。
參考文獻： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)
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