LED可見光通信簡介

可見光通信技術是一種在白光LED發明及應用后發展起來的新興的無線光通信技術。LED不僅可以提供室內照明，而且可以應用到無線光通信系統中滿足室內個人網絡需求。

可見光通信的工作原理

可見光通信技術是指利用半導體（LED）器件高速點滅的發光響應特性，將LED發出的用肉眼察覺不到的高速速率調制的光載波信號來對信息進行調制和傳輸，然后利 用光電二極管等光電轉換器件接收光載波信號，并獲得信息使可見光通信與LED照明 相結合構建出LED照明和通信兩用基站燈，它是一種在白光LED技術上發展起來的 新興的無線光通信技術f61。白光LED具有功耗低、使用壽命長、尺寸小、綠色環保等 優點，特別是其響應靈敏度非常高，園此可以用來進行超高速數據通信。

可見光數據通信發射端是根據傳遞資料將電信號變調，再利用LED轉換成光信號 發送出去，接收端利用受光元件接收光信號，再將光信號轉換成電信號，經過解調當 成信號資料讀取。在波長方面因為是采用可見光，所以波長從藍光的380nm一直到紅 光的780nm范圍”J。

傳統的光通信是利用不可見光來進行通信傳輸，大多是采用波長較長的紅外光， 在這一部份，已經相當成熟．而相匹配的標準也廣被業界所采用?？梢姽鈹祿ㄐ艜?限制收信區域，LED點光源可見光無線通信器完全排除傳統高頻無線電磁波對人體與 周邊電子機器干擾的疑慮，非常適合應用在道路誘導、展示導游、智能型道路交通系 統OTS）、醫院、室內信息傳輸等限定空間的資料傳輸等領域。

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可見光通信的發展

可見光通信的起源最早可追溯到19世紀70年代，當時Alexander Graham Bell提出采用可見光為媒介進行通信，但是當時既不能產生一個有用的光載波，也不能將光 從一個地方傳到另外一個地方。到1960年激光器的發明，光通信才有了突破性的發展， 但研究領域基本上集中在光纖通信和不可見光無線通信領域。直到近幾年，被譽為“綠 色照明”的半導體（LED）照明技術發展迅猛，利用半導體（LED）器件高速點滅的發光響應 特性，將信號調制到LED可見光上進行傳輸，使可見光通信與LED照明相結合構建 出LED照明和通信兩用基站燈，可為光通信提供一種全新的寬帶接入方式。隨著白光 LED的迅速發展?？梢姽馔ㄐ乓仓饾u發展起束櫸i。

LED可見光通信可以分成室外通信和室內通信兩大類。室外LED可見光通信技術 目前主要應用在智能交通系統（ITS：Intelligent Transportation Systems） ，香港大學G．Pang等人在1998年提出了利用LED交通指示燈為車輛傳輸語音廣播信號，將語音 信號通過OOK調制加至LED光源，實現了低速的無線LED可見光傳輸。中川研究 室的科研人員在2003年提出了LED公路照明通信系統IluJ。G．Pang等人只對利用LED 交通燈進行語音傳輸展開研究，中川研究室的科研人員則在LED公路照明通信系統中 分析了在不同的接收方向角和視場角下信噪比的好壞，以及在一定誤碼率下信嗓比和 接收數據率的關系，認為LED可見光公路照明通信系統優于紅外公路交通通信系統。

隨著智能交通系統研究的深入，又出現了LED交通燈、汽車前后LED燈之間構成的 交通燈至汽車和汽車前燈至汽車尾燈這兩類可見光通信系統。

室內LED可見光無線通信技術主要應用在室內無線寬帶接入網中，2000年，中川 研究室的研究人員TanakaYuichi等就基于室內白光LED通信光源的可見光通信系統的 信道進行了初步的數學分析和模擬計算，分析了白光LED照明燈用作室內照明用途的 同時作為通信光源的可能性。其后的研究也都是類似的理論分析報道。但是已有的研 究多針對LED照明光源布局設計，基于白光LED照明光源的可見光通信系統的整體 設計分析還不完善。

2003年lO月成立的可見光通信聯合體（VLCC：Visible Light CommunicationsConsortium），成立初期以加盟企業為主要對象，VLCC針對可見光通信技術的標準化 與應用普及化進行各種工作小組活動，至2007年1月為提升可見光通信知名度，包含 東芝等公司在內有23家會員公司正式展開工作小組活動，具體內容分別是攜帶終端、 光卷標（Tag）的檢討，并成立可見光ID標準化工作小組?？梢姽馔ㄐ攀钦彰髌骶吲c看板 等周邊設備常用的通信技術，為了使可見光通信普及化，必需建立各種終端機器都能 夠應用的標準化規范，目前VLCC已經制定兩種規范，分別是可見光通信系統規范VLCC．STD．001及低速通信可見光ID用規范VLCC．STD．003。

適用范圍是對以可見光 當作媒體的通信系統，尤其是系統分成物理層與應用上位層時，規定物理層部份適用 范圍，包括接收端的發光元件、接收端的受光元件與發光元件的自由空間界面f”。 2004年10月在日本干葉召開的影像、信息及通信的綜合展會（CEATEC）l-，由國際可見光通信協會的多家成員所進行的一系列展示活動，向世人證實了采用基于LED 的照明來向手持式和車載計算裝置傳送高速數據所擁有的諸多好處。將數據添加到隨 處可見的照明設備（包括帶照明的標志、交通信號燈及室內照明設備）所產生的可見 光，然后通過擴充RF技術而為人們營造一個更加廣闊的無線通信世界。

室內LED可見光通信的關鍵技術

VLC作為一種無線的光通信方式，其系統包括下行鏈路和上行鏈路兩部分。下行 鏈路包括發射和接收兩部分。其發射部分主要包括將信號源信號轉換成便于光信道傳 輸的電信號的輸入和處理電路、將電信號變化調制成光載波強度變化的LED可見光驅 動調制電路。白光LED光源發出的已調制光以很大的發射角在空間中朝各個方向傳播。

由于室內不受強背景光和天氣的影響，光傳播基本上不存在損耗，但是由于LED光源 個數較多，且具有較大的表面積，因而在發射機和接收機之間存在若干條不同的光路 徑，不同的光路徑到達接收機的時間不同，將引起所謂的碼間干擾（ISI）。由于白光

LED光源發出的是可見光，且發散角較大。對人眼睛基本無害、無電磁波傷害等優點， 因而發射端可以具有較大的發射功率，使得系統的可靠性大大提高。

該系統的接收部分主要包括能對信號光源實現最佳接收的光學系統、將光信號還 原成電信號的光電探測器和前置放大電路、將電信號轉換成可被終端識別的信號處理 和輸出電路。室內的光信號被光電檢測器轉換為電信號，然后對電信號進行放大和處 理，恢復成與發端一樣的信號。該系統的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的光源 不同外，其它基本一樣。上行鏈路采用的光源仍然由白光LED組成，只不過發射面積 較小，且具有較小的發射角，天花板上安裝的光電檢測器接收來自用戶的光信號。若 將上述基本結構在通信雙方對稱配置，就可以得到一個可以雙向同時工作的全雙工 VLC系統，由該系統組成的網絡稱為可見光網絡。

在VLC系統中，白光LED具有通信與照明的雙重作用，這是因為白光LED的亮度很高，且調制速率非常高，人的眼睛完全感覺不到光的閃爍。VLC系統大多設計成 光強度調制／直接檢測系統，采用曼徹斯特編碼和00K調制方式。在 IM／DD系統中，由于存在多個光源，每個接收機都會接收到來自不同方向的光信號， 因而不會因為某條光路徑被遮擋而導致通信中斷，保證了通信的可靠性。

當前，LED可見光通信主要包括以下幾個方面的關鍵技術：

1）可見光信道研究

可見光通信系統具有與紅外無線通信不同的信道沖激響應，兩者具有不同的特性， 這兩種系統中引起ISI的原因也不相同，需要對多光源、時變信道環境下的VLC系統 的信道沖激響應和不同光路徑引起的ISI作深入研究，從而解決ISI的影響。

2）碼間干擾克服技術

由于LED單元燈分布位置不同及大氣信道中存在的粒子散射導致不同的傳輸延遲，光脈沖會在時間上延伸，每個符號的脈沖將加寬延伸到相鄰符號的時間間隔內， 產生碼間干擾（ISI），導致系統性能惡化Ⅲ1。

3）光源的選擇與布局

在可見光通信系統中，光源起著至關重要的作用。作為室內照明設備，它必須具有亮度高、散熱小、功耗低、輻射范圍廣等特點。另一方面，作為光通信系統的光源， 它必須具有使用壽命長、調制性能好、響應靈敏度高、發射功率大等優點。綜合以上 兩個方面，目前能滿足要求的最好選擇就是白光LED。實際系統中，由于各個房間的 大小以及室內設施不盡相同，因而要使通信效果達到最優，須使房間內的光強分布大 致不變，盡量避免通信盲區（光照射不到的區域）的出現。要達到這個目的，必須根據不 同的房聞，合理的安排LED燈的布局。

4）最佳LED照明燈個數

在VLC系統中，通常安裝在室內的LED燈具有一個較大的輻射角，以盡可能地 覆蓋整個房間。但是由于行人、設備等的遮擋，會在接收機表面形成“陰影”，影響通 信性能。因此就需要將這種“陰影”的影響降至最低。對于照明來講，室內安裝的照明 燈越多，室內的亮度就越高，照明效果越好，同時接收功率也會大大增加。但是單純 地增加LED燈的個數，雖然能夠解決“陰影”問題，卻并不能使系統的通信性能達到最 佳。這是因為，不同的光源與接收機之淵具有不同的光路徑，多個不同的光路徑會引起多徑延遲產生碼間干擾。因而可知，LED燈的個數越多，ISI越嚴重，必須合理地選 擇LED燈的個數。

5）調制、編碼以及解調技術

目前可見光通信系統大多采用強度調制（IM）的直接檢測（DD）非相干系統，編碼方式大多為二進制OOK（開關鍵控）編碼。但由于OFDM可以有效地對抗多徑傳播所造成 的符號間干擾，其實現復雜度比采用均衡器的單載波系統小很多。因此采用OFDM調 制技術具有良好的發展觸景。

led可見光通信傳輸距離

蘇格蘭愛丁堡大學宣布已研究出新技術將Li-Fi網絡用電量降低至0.5瓦，并將傳輸距離增大10倍。Li-Fi是利用可見光波普進行數據傳輸的全新無線傳輸技術，由德國物理學家哈拉爾德·哈斯發明。該技術通過改變房間照明光線的閃爍頻率進行數據傳輸，只要在室內開啟電燈，無需WiFi便可接入互聯網。

根據該大學發出的公告，研究人員使用微米級發光二極管發出的光波，可使Li-Fi網絡在10米內利用不足0.5瓦的電力，以1.1Gbps速度進行數據傳輸，其耗電量僅為10瓦LED燈泡用電量的5%。

這項研究由蘇格蘭愛丁堡大學哈拉爾德·哈斯（Harald Haas）教授牽頭，與美國pureLiFi公司共同完成。哈拉爾德·哈斯被譽為全球LED技術領軍人物之一。

可見光通信已成為美國、日本和歐洲等國家在國際通信研究領域的必爭之地。許多專家認為，Li-Fi代表著未來移動互聯網的趨勢。Li-Fi將比WiFi廉價很多，因為其使用的是可見光波而非無線電波傳輸信號。光譜比無線電頻譜大10000倍，可以獲得更高的數據密度。

哈拉爾德·哈斯教授稱，Li-Fi正在變革無線通信技術，而且可以成為物聯網崛起的助推劑。他表示，在此次研究突破的基礎上，將繼續致力于Li-Fi技術的大力發展，并在很快的未來使其成為互聯網的傳輸方式。

某美國市場研究公司指出，可視光通信技術市場的總銷售額預計將從2012年的9600萬美元大幅增長至2018年的61.4億美元。

在中國，也有企業正進行Li-Fi網絡技術相關研究。復旦大學去年10月成功實現利用屋內可見光進行網絡信號傳輸。當時傳輸的最高速率可達3.25G，平均上網速率150M。

此外，勤上光電在2013年5月與清華大學簽訂了LED無線光通信項目建設合作協議，雙方正式啟動在光通信領域的校企聯合研究機構的建設，并爭取將其建設成為國家級平臺。目前，雙方已成功研發出Lifi通信手機版樣品。

延伸閱讀：Li-Fi是什么（技術原理、缺點、主要用途）

可見光無線通信又稱“光保真技術”，英文名LightFidelity（簡稱LiFi）是一種利用可見光波譜（如燈泡發出的光）進行數據傳輸的全新無線傳輸技術，由英國愛丁堡大學電子通信學院移動通信系主席、德國物理學家HaraldHass（哈拉爾德·哈斯）教授發明。

LiFi是運用已鋪設好的設備（無處不在的LED燈），通過在燈泡上植入一個微小的芯片形成類似于AP（WiFi熱點）的設備，使終端隨時能接入網絡。該技術通過改變房間照明光線的閃爍頻率進行數據傳輸，只要在室內開啟電燈，無需WiFi也便可接入互聯網。

LiFi是用可見光來實現無線通信，即利用電信號控制發光二極管（LED）發出的肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息。

LiFi的技術原理

可見光無線通信（稱為LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脈沖無線傳輸信息。根據不同速率在光中編碼信息完全可行，例如LED開表示1，關表示0，通過快速開關就能傳輸信息。由于LED的發光強度，人眼不會注意到光的快速變化。LiFi技術目前還處在于實驗室階段，由Haas和他愛丁堡大學的團隊發明的一項專利技術。

電燈泡一直以來被視作發明家夢寐以求的靈感閃現的象征。與光纖通信擁有同樣的優點，高帶寬，高速率，不同的是LiFi是使光傳播在我們周圍的環境中，自然光能到達的任何地方，就有LiFi的信號。LiFi技術是運用已鋪設好的設備（無處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個微小的芯片，就能變成了類似于AP（WiFi熱點）的設備，使終端隨時能接入網絡。

LiFi的缺點

雖然LiFi確實有不受無線電信號干擾的優勢，但其許多優勢都因下述事實黯然失色：可見光不能穿透墻壁，這一關鍵事實使得WiFi獲得了很大優勢。這種可視性限制提高了系統安全性，但目前尚不清楚信號接收的最小距離?？梢栽O想的是，利用長焦鏡頭和調整恰當的光學傳感器，人們就可以截獲光學信號。TechCrunch表示，盡管LiFi被宣傳為一種可能的機載無線通信技術，但WiFi在大多數美國航空公司的大規模普及使得LiFi在飛機上的應用前景越來越不樂觀。

LiFi的用途

Li-Fi通過調節LED光輸出的數據進行編碼。人類的眼睛無法覺察到快速的閃爍，但在桌面計算機上的接收器或移動設備可以讀取信號，甚至可以把信號返回房間天花板上的信號收發器，提供雙向通信。但許多發光二極管用熒光粉涂層把藍色光轉化成白色光，這也限制了數據傳輸的速率。這項研究發表在光學快訊（Optics Express），哈斯和他的團隊研究表明，用激光二極管替換現有的LED燈可以大大改善現在的情形。激光器的高能量與光效率，傳輸數據的速率可以比LED快10 倍。不使用熒光粉，激光照明可以混合不同波長的光產生白色光。這意味著每個波長的光可以用作一個單獨的數據通道，同樣的光波可以雙向傳輸，可以大大提高光傳輸數據的速率，愛丁堡大學團隊的試驗用了9個激光二極管。

雖然基于LED的Li-Fi可達到10 Gb/s 的數據傳輸速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的數據傳輸速率上限。激光傳輸數據的速率可以很容易超出100 Gb/s。

目前，這種設備目前還非常昂貴，愛丁堡大學正在尋求大規模生產來降低其成本，并且可以把它應用到照明市場。寶馬i8 的前大燈就是基于該激光燈。