可見光通信

本人從2014年9月開始從事可見光通信的研究。至今（截止到2018年6月1日）已發表可見光通信領域的SCI/EI論文20篇，申請專利90餘項。本博文是對於可見光通信的介紹以及結合本人的經驗做推廣介紹的~

可見光通信的介紹：

可見光通信——visible light communication，VLC，又稱爲LiFi（光保真技術）。那到底什麼是可見光通信呢？所謂通信則是傳遞信息，那用什麼來傳遞信息呢？用光來傳遞。那什麼光呢？可見光。那就是光纖嗎？不，光纖是有線的，可見光通信是無線光通信（Wireless optical communication或Free space optical communication），是一種利用燈泡發出的光傳輸數據的技術。

（給出哈斯教授在2012年的TEDGlobal會議的視頻http://www.cailiaoniu.com/45557.html）個人一直覺得這個視頻是有bug的，當哈斯教授擋住信源的時候，視頻停頓，這沒有毛病，可是當他手拿開的時候，視頻從原來停頓的地方繼續，這就有毛病了。如果VLC在一直傳遞視頻信息的話，擋住了信源就會導致信息的丟失，視頻不完整。所以視頻裏面的VLC應該只是感應到光就自動播放，而並不是真正傳輸信息（僅爲個人觀點~不知道大家有沒有發現這個bug）

那麼爲什麼要用可見光來做通信呢？

首先，可見光頻譜資源豐富。如今無線頻譜資源緊張，很多頻段都已經被佔用。可見光波段的波長介於780nm~375nm之間。如下圖所示。且可見光波段尚屬空白頻譜，無需授權即可使用，因此VLC技術搶佔空白頻譜，有效地利用頻譜資源，拓展了下一代寬帶通信的頻譜技術。可見光的頻譜帶寬是目前電磁波帶寬10000多倍。

其次，也是最重要的原因之一——LED的普及以及產業的升級。可見光通信利用白光LED作爲光源（我們稱之爲信源），而21世紀又註定是LED的時代。LED以綠色、節能、環保、壽命長等優勢快速佔據照明市場。當然可見光通信也隨之具備這綠色、節能、環保等LED燈具與生俱來的優點。本身LED就節能環保了，而可見光通信更是照明與通信一體化，直接依靠LED的供電就可以實現通信、定位等功能，所以可以說VLC比LED更節能環保，因爲同樣的能源供給，VLC能完成比LED除照明以外更多的功能。當然，隨着LED的大面積推廣及普及，VLC營運而生。

那麼問題又來了，爲什麼要用LED作爲VLC信源呢？其他不可以嗎？其他光源也可以的，本人曾經看過有用白熾燈做VLC信源的相關文獻。但是與其他光源相比，LED具有更高的調製帶寬，還有調製性能好、響應靈敏度高等優點，故此，利用LED的這些優點，將信號調製到LED發出的可見光上進行傳輸，白光LED可以將照明與數據傳輸結合起來，促進了可見光通信的發展。這裏要明確一個概念。VLC跟白光LED結合，纔是通照一體化的可見光通信。不少研究（如前幾年發表在optics express上的論文）用激光二極管作爲VLC的信源，單純的追求高速，實際上並不是我們日常所推廣的、具有通照一體化的可見光通信，那只是做光無線通信。

除此以外，就是LED產業升級。根據本人這幾年來跟LED企業的接觸，感悟就是大部分LED企業或者原先做LED研究的高校老師都會想往可見光通信領域發展。因爲原先產業的（LED燈具）的飽和，使得企業家與研究者開始尋求新的突破。而可見光通信技術正是可以給LED產業帶來巨大突破與產業升級的突破口。他們都希望能夠把握照明產業的機遇，搶佔技術制高點。

但是，本人一直認爲，基於白光LED的可見光通信，研究的重點應該是LED材料，而非通信技術。因爲其實大部分無線通信的通信方式、編碼解碼手段、信號處理方式等都適合用於可見光通信，所以高寬帶LED材料的研發是VLC技術重要突破口。目前對於可見光通信的專利、論文，大部分都是套概念。套這可見光通信這一新的概念，用着傳統無線通信的手法。

VLC系統中使用的光源是白光LED。目前市面上有兩種類型：熒光粉LED和RGB-LED。熒光粉LED是應用最廣泛的（也是價格最便宜的），其原理爲藍光LED芯片激發黃色熒光粉產生黃光，藍光和黃光混合而成白光。這種類型的LED結構簡單，成本較低，調製複雜度也較低。但是由於黃色熒光粉的響應速度慢而導致調製帶寬只有幾MHZ（一般是少於3MHZ）。至於RGB-LED，則是將RGB三色LED芯片封裝在一起，混光成白光。其調製帶寬較高，對於高速VLC系統，一般選用RGB-LED。但是其調製複雜度相對較高。

其三，就是可見光通信可以與照明深度耦合。其實也就是得益於LED（上面也說過了）。對於通信系統，它必須解決深度覆蓋的難題，而光（照明）與人類的生活密切相關，照明無處不在。通照一體化，是一種解決通信深度覆蓋問題的、自然而然的，使得通信像燈泡一樣容易。（這裏要補充一點，基本上每次本人蔘加創業比賽，或者一些學生項目的答辯，總有一些水平比較低的專家老師提出“白天不開燈，不開燈VLC就用不了”的概念。所有的大型的室內，只要有人，那都是開燈的，思維不要太過於狹窄）

還有就是高速性。目前大部分的研究都是G級別的速率，10G、20G也不少。在2015年，我國甚至實現了50G的通信速率。

還有就是無電磁干擾。在醫院、機場、核電站、地下礦場等電磁敏感的場合，可見光通信可以發揮其獨特的優勢。

最後，就是由於可見光通信利用的是可見光，它必須可見纔可以通信，那麼它就具有高度保密性。在軍事等信息安全領域，只要有可見光不能投過的障礙物阻擋，或用窗簾遮住光線，半導體照明信息網內的信息就不會外泄。但是，事物往往具有雙面性，這高度的保密性，帶來的另外一面就是，萬一光被遮擋了，通信也就失效了。所以，遮擋效應也是可見光通信至今沒有解決的一個嚴重的缺陷。

說了那麼多，可能大家還是不懂什麼是可見光通信，或者它的原理到底是什麼。這裏給出本人對VLC的定義：所謂的可見光通信技術是指，通過人眼識別不了的高頻來控制LED燈的亮滅，亮代表1，滅代表0，接收端通過傳感器來接收光信號，能傳輸二進制信號那麼就可以傳輸各種的信息了（二進制僅僅是舉例子）。由於以人眼識別不了的高頻來調製光的亮度，故此可以實現照明、通信、顯示的一體化。

在提及到可見光通信技術的時候，希望大家能保持一個觀念，就是“可見光通信是其補充的作用，而非替代的作用”可見光通信技術與傳統的無線通信網絡共存且兼容是是可見光通信技術發展與商業化的必由之路。

還有一點就是，可見光通信的發展，應該與照明、顯示相結合。因爲它的優勢是“通照一體化”，當然後來本人也定義了一個說法叫“通顯一體化”，通信、照明、顯示三者密不可分。目前很多在VLC方面的研究，都是緊緊侷限於通信的性能，而忽視照明等實際因素，也因此而限制了VLC技術的進一步發展。當然，這也是侷限於這項技術本身存在的一些缺點，從而導致目前大部分研究都侷限於理想環境下通信方面。

下面介紹一下基本的可見光通信系統

基於白光LED的可見光通信系統框圖如下圖所示：該系統包括完整的發射端、信道、接收端。原始的二進制比特流經過預處理和編碼調製之後，驅動LED燈具，對LED進行強度調製，將電信號轉換爲光信號。預處理，即預均衡，是爲了補償器件、信道對信號帶來的失真，通過採用預均衡技術提高LED的調製帶寬，提高傳輸速率。而在接收端進行的後均衡，可以補償其他信道損耗。編碼調製是爲了在有限的帶寬上實現更高的傳輸速率。爲了提高白光LED通信系統的傳輸速率，在發射端可以通過設計和採用高階的調製編碼技術來提高傳輸的頻譜效率，從而實現高速傳輸。目前研究者們採用最多的高階調製格式爲正交振幅調製-正交頻分複用技術（QAM-OFDM）。

可見光通信的發展過程：

下面部分是之前給老師做的演講PPT可能不是最新的，請見諒哈。

可見光通信早在1998年就提出來了。另一種說法是在2000年，日本慶應義塾大學的研究者提出VLC的概念，但是從時間上直觀來看，應該是我國最先提出可見光通信的概念的（97年，香港已經迴歸）

（廣東地區，暨南大學是VLC發展的先行者）

可見光通信國際研究態勢：

可見光通信技術目前發展較新水平：

可見光通信主要發展方向：

1、無線通信。可見光通信，顧名思義，最主要的發展方向就是通信。通照一體化是VLC得以快速發展的重要因素之一。主要應用首選當然就是LiFi，作爲wifi的補充。LiFi的應用可以與智能家居等結合在一起，但是最大的問題就是，上行通路，如何解決。本人看來，對於上行通路的解決方法有三：

（i）與其他無線通信技術，如wifi，藍牙，ZigBee，數據網絡等相結合，既然LiFi是作爲傳統無線通信的補充品，那何不將他們結合一起呢？那麼可能有人又會既然用了wifi或者數據網絡，爲何不直接上下行都用呢？這樣說吧，一般對於用戶而言，下行或者說下載的流量數據量會更大，而上行主要起到反饋的作用（雖然也有上傳資料這樣），那在這種情況下，下行鏈路用了LiFi可以將鏈路一半以上（甚至70%）以上的傳輸都給了可見光頻段，那麼就可以減少wifi或者數據網絡的數據壓力，從而提高速率。

（ii）把發射和接收放在同一端。就是一個VLC模塊，它既有發射又有接收。這樣就可以保證VLC全雙工通信。復旦大學的遲楠教授近期就研發了相關的產品，本人的老師在一次展覽中給本人拍了以下照片：

（iii）既然上行通路麻煩，那就直接不用hhh，比如下面要提到的用視覺光通信作爲二維碼接入或者可見光定位都可以只做下行，而不用理會上行。目前，可見光通信在全球首例應用就是華策光通信的室內定位系統（個人感覺，可見光室內定位技術之所以能這麼快產業化，主要的兩點就是：1、低速通信；2、無需上行）

除此以外，水下光通信——基於藍綠光LED燈的半導體照明技術可用於水下高帶寬通信。如上面所提到的實現50G的通信速率，正式水下光通信的應用前景。如果結合遠距離通信，甚至可以代替水下網絡、潛艇通信（保密性）等等。

還有就是可見光成像通信。或者本人定義之爲視覺可見光通信（visual visible light communication）。運用手機的CMOS攝像頭捲簾效應的原理或高速攝像頭作爲接收端，利用圖像處理（計算機視覺）等技術來實現無線通信。對於高速攝像頭，又很多SCI都有相關的報道，本人由於受限於實驗室研發條件，沒有進行過相關的研究。而對於基於CMOS攝像頭的視覺可見光通信，本人認爲主要的應用場景有二：1、手機移動支付。2、利用捲簾效應產生光條紋碼作爲二維碼接入。（關於基於CMOS的光條紋碼會在後面的博客加以介紹）

2、通顯一體化。上面提到的LiFi屬於通照一體化，而這裏我要提得一個被大多數研究者忽視的概念就是通顯一體化。VLC與LED顯示屏、OLED的結合，是VLC技術發展的另外一個突破口。2017年本人的本科導師文尚勝老師申報的廣東省科技計劃項目《高帶寬微芯片覆晶封裝小間距顯示器件開發與產業化》正是以通顯一體化爲創新點。這個項目本人主要參與申報書的撰寫以及項目立項答辯（當然申報書裏面的工作基礎主要也是本人的哈哈），在答辯的過程中，專家們，明顯對於通顯一體化這個概念，有很大的興趣，相信我們的這個項目，能引領通顯一體化技術的制高點。

3、可見光室內定位技術。這點也是本人近年來研究的重點。由於本博文只是大體介紹可見光通信技術，就不詳細對可見光室內定位技術進行展開。但是，在本人看來，可見光室內定位技術會是VLC最輕鬆的，從實驗室到產業化的突破口。理由如下：（i）僅需要低速，改裝普通LED（熒光粉LED）的驅動即可。(ii)室內定位技術的需求非常大（詳細可以百度）。（iii）接收端，直接用普通手機的前置攝像頭即可。LiFi通信，需要特殊的接收器，這很難進入人們的日常生活中，而手機則是每個人都有的，VLC的信源是LED解決了其深度普及的第一步，而僅且僅有接收端的普遍性，纔可以真正實現VLC的深度普及。(iiii)新概念，21世紀，再也不僅僅是滿足人們基本物質需求的社會，人們需要的不僅僅是溫飽，而是精神上的產品，新概念，新技術的引入，勢必引起潮流。

4、智能交通、智慧城市。這也就是我們常說的室外可見光通信。其實可見光通信從誕生之日，就是以室外智能交通爲主的。下面給出一系列相關圖片：