可見光通信理論上很性感

　　可見光通信技術（Visible Light Communication，VLC）是指利用可見光波段的光作為信息載體，無需光纖等有線信道的傳輸介質，在空氣中直接傳輸光信號的通信方式。可見光通信技術綠色低碳、可實現近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點，快速構建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

　　但是現實卻是：

　　1）由于可見光不能穿透或者繞開物體，因此LIFI也要連接網絡，比如WIFI或者蜂窩網絡，使得只是補充性接入形式

　　2）成本太高，WIFI 10倍以上，沒有商業組織愿意支持的技術很難把成本降低， 以下是國內光通信頂級權威給我的答復：單位帶寬的成本太高了，沒有商業用價值。您可以問問遲藍或者徐正元，有沒有辦法降低到WiFi的10倍。我想價格10倍以下才有可能得到少許實際應用。　　

　　可見光通信發展現狀

　　1、國內研究現狀

　　相對于日本、歐洲和美國，我國VLC領域的研究起步較晚，與國外研究還存在一定差距。國內在可見光通信方面的研究機構主要有復旦大學、清華大學、北京郵電大學、南京郵電大學、東南大學、中科院半導體研究所等。

　　復旦大學主要專注高速可見光通信系統的研究與實驗。其中重點研究了MIMO-OFDM技術、RGB三色LED應用以及多用戶系統的實現。從2012年到2013年，他們搭建的可見光通信系統離線處理數據，速率先后突破875Mbps、1.5Gbps，并實現了一盞LED燈同時供4臺計算機上網。2014年，他們在單個RGB三色構成的白光LED的基礎上利用均衡技術，實現了最高3.25Gbps的通信速率。他們搭建的可見光通信系統的速率在國內研究中一直處于領先地位。

　　清華大學的研究團隊對室內可見光通信的信道特性、信道容量以及LED特性進行過研究。此外他們還研究過OFDM可見光通信的改進、室內可見光定位系統以及將電力線與可見光通信系統相結合進行通信的方案。

　　北京郵電大學的研究團隊在可見光通信信道模型、LED驅動電路均衡技術方面研究較為深入。2010年，他們提出基于光子追蹤的室內可見光通信系統仿真算法，所提算法的效率和復雜度相比傳統的光線追蹤算法都有較大改進，之后他們進一步在上述模型及算法基礎上研究了室內各個位置接收信號的均方根時延擴展，由此進一步估計可以達到的最大速率。在LED電路均衡方面，他們提出的2均衡電路將可見光通信系統的E/O/E帶寬擴展至220MHz，在553Mbps的OOK信號傳輸實驗中，系統誤碼率小于2*10-3。此外，他們在室內可見光實驗系統、定位、多光源布局等方面有所研究。

　　南京郵電大學的研究團隊在多用戶MIMO可見光通信系統方面進行過一系列的仿真研究，他們提出的多用戶MIMO可見光通信系統在通信速率100Mbps的條件下，誤碼性能達到了10-6的數量級。

　　東南大學的研究團隊在室內可見光通信方面的研究較為廣泛，從多用戶接入、信道容量、多光源布局、可見光OFDM調制到信道均衡等方面都有所涉及，并提出了許多仿真研究及改進方案。

　　總體來看，國內在可見光通信方面的研究還處在實驗室研究階段，與國際領先水平存在差距。在拓展新的應用形式、搭建實時高速系統以及高速LED研制等方面還需要繼續努力。2013年4月，―十二五‖國家863計劃―可見光通信系統關鍵技術研究‖主題項目啟動會在河南鄭州召開，關注可見光通信關鍵技術的研究，為這一新型綠色信息技術的產業化奠定了基礎。

　　2、外研究現狀

　　1）日本方面

　　日本方面，在慶應義塾大學（KeioUniversity）的M. Nakagawa研究團隊提出LED可見光通信的接入方案后，這種技術在日本國內非常受重視。先后有名古屋大學（Nagoya Univesity）、東京理科大學（Tokyo University of Science）、長岡技術科學大學（Nagaoka University of Technology）、日本電信電話（NTT Cooperation）的科研團隊參與研究。在可見光通信的各類應用方面，日本的研究人員做了大量的工作，從局域網高速互連、LED顯示器數據下載、智能交通系統、智能燈塔到測量等種類繁多。

　　2001年，慶應義塾大學的研究人員首先研究了利用交通燈進行可見光通信，并對系統的調制方式、所需的信噪比以及通信速率等特性進行了分析。同年，他們研究了OOK調制技術和OFDM技術在室內可見光通信的應用。研究結果表明：OOK調制方式在較低速率下（如100Mbps以下）非常有效，而在高速率情況下，選擇OFDM調制方式性能更佳。之后，他們又進一步提出在道路照明系統中加入可見光通信功能，以減少交通事故的發生，通過用符合照明要求的LED進行實驗獲得成功。

　　2004年，M. Nakagawa研究團隊對LED室內可見光通信系統的可行性進一步分析，對光源進行建模，仿真了在多盞燈照射下室內光照分布、信道沖激響應，并對有無反射情況下的室內信噪比分布、符號間干擾等參數進行了研究。在此基礎上，他們還研究了接收端FOV（Field of View）視場角大小對系統速率的影響，并得到結論：當接收端視場角足夠小時，可見光通信的速率可以達到10Gbps的數量級，可以作為下一代通信系統備選方案。

　　2005年，Toshihiko Komine等人將自適應均衡技術應用于室內可見光通信系統中，還引入了基于訓練序列的信道估計算法來提高系統通信性能。2007年，該科研團隊研究了PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）和調整LED調制深度兩種方法來控制可見光通信系統中的亮度，并進行了一系列實驗，分析了PWM方法中信號頻率與亮度的關系，實驗結果表明通過調整調制深度的做法比PWM方法有更好的性能。2008至2009年，他們又研究了基于LED和成像器件的室內可見光定位系統，通過實驗可以實現室內高精度定位功能。

　　從2009年至今，日本慶應義塾大學的研究人員對可見光通信系統各種可能的應用進行了大量的探索，取得了不少成果，如室內盲人導航、機器人定位、運動檢測、智能燈塔等。其中2011年，該團隊的研究人員提出了一項可見光通信在超市購物的應用，通過改進超市內的照明設施和購物車，可以實現對顧客的購物需求和行為進行采集分析，圖1是他們采集到的數據，圖中線路的粗細代表走過顧客的數量的多少，線路的顏色則代表顧客在該區域停留時間的長短，超市工作人員可以根據統計數據結果來優化貨物擺放的位置，獲知哪些貨物最受歡迎等信息。

　　總而言之，在可見光通信方面，日本的研究人員不僅首先提出設想，而且探索過很多具體的應用形式，極大豐富了可見光通信應用領域和研究內容。

　　2）洲方面

　　在歐洲，2008年1月開始的OMEGA（the Home Gigabit Access）計劃，參與者包括來自歐洲的20多個廠商和學術機構，致力于開發出1Gbit/s傳輸速率的室內互連技術，可見光通信技術被作為研究的重點。圍繞這一項目，主要的研究機構有德國海因里希-赫茲研究所（Heinrich-Hertz-Institut），西門子實驗室，英國牛津大學，思克萊德大學（University of Strathclyde），愛丁堡大學（University of Edinburgh），意大利比薩圣安娜大學（Scuola Superiore Sant‘Anna Italy）等。

　　其中海因里希-赫茲研究所主要關注單個LED采用OOK或OFDM調制方式實現高速可見光通信。2008年，他們提出利用可見光通信和紅外通信組成家庭局域網的設想，對一些相關問題進行了討論，從理論上對系統的可行性進行相關研究與論證，通過分析認為采用PAM或DMT（discrete multi-tone modulation，離散多音調制）調制的系統有望達到300Mbps的通信速率。在OOK調制方式方面，他們早在2009年就完成了100Mbps和125Mbps的可見光通信實驗，2010年更是達到了230Mbps。

　　在單個LED采用DMT調制方式的可見光通信系統研究方面，他們的研究一直處于世界領先地位。2009年至2010年，通過在接收端加濾光片，利用DMT調制方式，采用離線分析處理數據，他們的系統通信速率先后突破200Mbps、230Mbps、513Mbps。2012年，通過采用RGB三色LED和DMT調制方式，他們的離線分析系統實現了單個LED 806Mbps的通信速率。

　　英國牛津大學的研究人員主要研究了均衡技術和MIMO（Multiple Input Multiple Output）技術在可見光通信系統中的應用，通過多路并行實現高速可見光通信系統。2008年，他們通過仿真研究預均衡和后均衡技術在可見光通信系統中的應用，仿真結果表明，OOK調制方式下，在應用了一階后均衡和預均衡條件下，系統速率可以達到75Mbit/s，并且誤碼性能能夠保持在10-6以下。

　　2009年，通過在系統中加入藍色濾光片并采用一階均衡，他們的OOK調制實驗系統通信速率達到了100Mbps。之后，他們在MIMO可見光通信系統信道建模仿真和實驗方面都進行了大量研究工作。MIMO可見光通信系統仿真方面：2009年，他們通過建模仿真的方法，對非成像MIMO可見光通信系統和成像MIMO可見光通信系統的區別進行研究了，研究結果表明，成像MIMO系統性能更佳，并指出MIMO可見光系統的通信速率有望達到Gbit/s的數量級；2012年，他們進一步建模仿真了室內可見光通信的信道沖激響應，室內光照分布，信噪比（SNR）分布等參數，結果表明在保證室內光照符合標準條件下，完全有足夠的帶寬來進行通信。

　　在MIMO可見光通信系統實驗方面：2010年，他們的MIMO-OFDM可見光通信實驗系統在距離1m范圍內，速率達到220Mbps；2013年，他們搭建的室內MIMO可見光通信系統，發送端用4路250Mbps的信號，接收端用一個3X3的成像器件做接收，在1m范圍、光照1000lux、誤碼10-3條件下，實現了1Gbps的傳輸實驗。此外，他們還對多種OFDM調制方式以及藍色濾光片在可見光通信中的應用做過研究。

　　英國思克萊德大學和愛丁堡大學的研究主要專注于新型LED及其在可見光通信方面的應用。2009年至2012年間，他們對新型微型LED及其陣列進行了研究，所研究的微型LED的3dB調制帶寬最大值先后達到了245MHz和400MHz［42-45］。2013至2014年，他們將研究的新型LED應用于可見光通信系統中進行實驗，系統速率先后達到了1.5Gbps和3Gbps，這為未來高速可見光通信系統的實現奠定了堅實的基礎。

　　意大利比薩圣安娜大學的研究主要關注高速和非準直情況下的可見光通信系統。2012年，他們采用DMT調制方式，利用離線分析處理數據，完成了單個LED通信速率780Mbps和1Gbps的實驗［48，49］。2013至2014年，他們對非準直情況下的可見光通信系統進行了研究，實驗速率分別達到了200Mbps和250Mbps［50，51］。

　　總體來看，歐洲的研究機構主要注重基礎器件新型LED以及高速率可見光通信系統的研究。

　　3）國方面

　　美國政府于2008年10月開啟資助一項名為―智慧照明（smart lighting）‖的計劃，專門研究可見光通信技術，希望能夠通過可見光光束（visible light beams）來實現無線設備與LED照明設備之間的通信，這項計劃預計投資一億八千五百萬美元為期10年，有超過30所大學的研究人員參與，主要的研究機構有波士頓大學（Boston University）、佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）、加州大學河濱分校（University of California， Riverside）等。其中，加州大學河濱分校于2010年建立了UC-Light（Center for Ubiquitous Communication by Light）中心致力于用可見光連接所有類型的電子設備。

　　波士頓大學的研究人員對室內可見光通信系統中的一些關鍵性問題進行了研究，他們還提出了一些對現有可見光通信系統的改進方案。2010年至2011年，他們對室內可見光通信系統進行建模，仿真了光照強度、信噪比、誤碼率等參數在室內不同位置的分布，還將聚光照明光源引入可見光通信系統以獲得更好的性能。2011年，他們研究了在人眼感受―關燈‖狀態下如何實現可見光通信。2012年至2013年，他們先后研究了對應用于可見光通信系統中的色移鍵控（Color Shift Keying， CSK）調制技術、MIMO技術和小區縮放技術的改進，提出了具有更優性能的方案

　　佐治亞理工學院的研究人員主要關注OFDM調制技術及其改進技術在可見光通信中的應用，并提出了一些相應的改進措施。2013年，他們對室內可見光通信OFDM調制系統中的PAPR（peak-to-average power ratios，峰均比）特點及其對系統性能的影響進行了分析。之后，針對PAPR過大帶來的信號失真和LED非線性效應，他們又分別研究了在OFDM調制下如何保持照明穩定性，以及如何減小或完全避免PAPR過大對通信性能的不良影響。

　　總的來看，美國的研究人員主要關注可見光通信系統中一些關鍵點、關鍵問題的改進方案和創新。

　　可見光通信的應用

　　1）數據廣播

　　利用可見光通信的高數據密度傳輸的特性，可以在照明系統中集成可見光通信功能，并傳輸廣播消息，不同的照明光源也可以廣播不同的消息內容。用戶的手持設備只要可以接收到可見光信號，便可以解調可見光信號中的調制信息。除了對廣播消息的接收以外，如果用戶的手持設備可以跟光源通信，也可以利用可見光通信將原來射頻頻段傳輸的內容卸載到可見光信號中，從而降低射頻頻段的負荷。

　　2）室內定位

　　利用可見光信號的定向性以及照明基礎設施已知的位置信息，用戶可以使用手持設備實現高精度的室內定位，理論上可達到毫米級別的定位精度。這為提供基于精確位置的服務創造了條件。例如用戶在超市中只需要利用手持設備接收可見光信號，便可以獲得其所在空間的精確位置信息，該信息可以反饋給超市的管理系統，并由其推送相關的產品信息給用戶。

　　3）醫院和醫療

　　因為可見光信號并不會對電子設備造成電磁干擾，可見光通信被認為是最適合醫院和醫療領域的無線通信方式。無論是實現對病人的動態監控還是實現醫療器械間的通信，可見光通信提供了安全可靠的信息傳輸方式。我們認為，醫院很可能是可見光通信首先大規模普及的應用場景。

　　4）水下和飛機

　　可見光通信同樣為飛機內部的無線傳輸提供了解決方案。可以想象，用戶艙位頭頂上的照明燈今后可能不單純作為照明設備使用。用戶只要拿出他的手持設備，便可以接收娛樂節目，甚至上網瀏覽信息。可見光通信同樣適用于水下通信。相比較于傳統的水下聲吶通信，水下光通信有更高的定向性和保密性。可見光通信上天下地指日可待。

　　5）交通控制

　　智能交通控制也被認為是可見光通信的一大應用領域，例如信號燈除了指示三種顏色外，還可以在上面調制有用信息，例如其所在路口的交通狀況等等。車輛間還可以通過彼此的前車燈和后車燈交換車輛當前的狀態信息，從而實現即時的避讓。

　　6）廣告展示

　　目前的廣告展板所展示的內容過于單一，而通過使用可見光通信可以實現更為豐富的廣告內容展示。例如，商家可以將所展示商品的打折信息、功能介紹等調制在廣告展板的背景光中。用戶如果對廣告內容感興趣，便可以通過其手持設備接收到相關產品更為豐富的信息。