可见光通信研究背景
可见光通信技术简介及其研究背景
可见光通信（Visible Light Communications，VLC）技术是以可见光LED作为光源，以光电探测器作为信号接收端，以大气为信道，将发送信号调制在LED 发出的可见光上进行通信的一种无线光通信技术。近年来，随着LED照明技术的进步，这一技术也同样被应用在室内照明系统中，将通信作为LED照明系统的第二功能，实现了一种集照明和通信于一体的系统——室内可见光通信系统。
虽然近年来才受到较多关注，但可见光通信的历史至少可以追溯到亚历山大-拉格汉姆-贝尔发明的光电话。贝尔的光电话中，将太阳或弧光灯发出的光束通过透镜聚焦于话筒的震动片上，当人对着话筒讲话时，震动片随着声音的强弱震动，从而使反射光的强度也随着声音的强弱发生变化；在接收端，抛物面反射镜将携带有声音信息的光汇聚到硒光电池上，硒光电池将光强度变化转化成强弱变化的电流信号，驱动听筒发出声音[1]。1880年，贝尔利用他发明的光电话进行实验，通话距离最远达到了213米[1]。贝尔光电话实验的成功，为利用可见光进行通信开辟了思路。
将可见光通信技术应用在照明领域，实现室内可见光通信系统，这方面的研究则是随着白光照明LED的大规模应用而受到重视的。虽然能够发出红色光、黄色光和绿色光的LED在20世纪70年代末就已经诞生，但由于没有能够发出足够亮度的蓝色光LED，因而单纯利用LED无法得到白色光，在很长一段时间里LED的应用领域因此受到很大限制。直到20世纪90年代初期，三位日本科学家赤崎勇（Akasaki Isamu）、天野浩（Amano Hiroshi）和中村修二（Nakamura Shuji）对氮化镓的研究才研制出了能够发出高亮度蓝光的LED，这一研究成果大大拓宽了LED的应用领域，使全彩色LED显示、LED照明等成为可能，三位科学家也因此获得了2014年诺贝尔物理学奖。诺贝尔奖官方网站上评价三位科学家的贡献时提到“白炽灯泡点亮了20世纪，而21世纪将由LED点亮”[2]。
在蓝光LED发明之后，LED固体照明产业开始迅速发展。一方面，LED的发光效率不断提高，2006年时LED的发光效率最高达到130lm/W，最新的实验室记录更是达到了300lm/W[3]，而相比之下，同样应用于照明领域的白炽灯发光效率只有16lm/W，荧光灯发光效率也只有70lm/W；另一方面，从使用寿命来看，LED的使用寿命可以达到近10万小时，而白炽灯为1000小时，荧光灯为1万小时[4]；此外，与荧光灯相比，制造LED的材料不含汞，不会造成环境污染。因此综合来看，LED为照明领域带来的改变是革命性的。
伴随着LED在照明领域的应用，出于节能减排的考虑，世界各国纷纷推出本国禁止进口、销售、生产和使用普通照明白炽灯的时间表。2011年11月，中
国国家发展和改革委员会第28号公告正式提出我国逐步淘汰普通照明白炽灯路线图，如表1所示，据测算，中国照明用电约占全社会用电量的12%左右，如果把在用白炽灯全部替换为节能灯，年可节电480亿千瓦时，相当于减少二氧化碳排放4800万吨，节能减排潜力巨大，逐步淘汰白炽灯，对于促进照明电器行业结构优化升级、推动实现“十二五”节能减排目标、积极应对全球气候变化具有重要作用[5]。
表1我国逐步淘汰普通照明白炽灯路线图
催生室内可见光通信技术诞生的另一个重要因素是随着信息技术的发展，人类进入移动互联网时代，越来越多的无线通信业务对带宽的需求井喷式增长。而现有的无线频谱资源有限并且大部分都已经分配殆尽，这将导致频谱资源的缺口不断扩大。虽然通过有效的频谱资源管理以及动态频谱接入等方式可以在一定程度上缓解频谱资源紧张的问题，但是问题依然存在。
与传统无线通信技术相比，利用可见光通信技术，就不需要担心频谱资源耗尽的问题。可见光通信中，将要发送的信号调制在强弱变化的可见光信号中，虽然可见光也是一种电磁波，但其波长与传统射频通信的载波相比波长很短，由此带来的传播特性与传统无线通信中的电磁波大有不同。在可见光通信中不存在电磁干扰问题，不需要频谱许可，因而与传统无线通信相比，可见光通信技术在频率资源利用方面存在优势。另外，由于可见光的传播范围可以轻易地用窗帘、墙壁等障碍物进行遮挡，因而可以用在对保密要求较高的情境下。
从通信带宽来看，虽然LED本身的通信带宽只有几兆到十几兆，但利用OFDM、MIMO、均衡等技术，现有的可见光通信系统中的通信速率已经可以达到Gbps的数量级[6]。
综上所述，可以总结出室内可见光通信系统的一些优点：(1)将照明功能和
通信功能二合一，绿色环保；(2)不占用无线频谱资源，不需要频谱许可；(3)易于实现遮挡，具有一定的安全性和保密性；(4)通信带宽高；(5)无电磁干扰可应用在对电磁干扰有严格控制的环境下，如医院、航空器等；(6)体积小，部署灵活，既可以单独用于通信，也可以嵌入到其他设备中实现辅助功能；(7)无电磁辐射，对人体无损害。
参考文献
[1].Alexander Graham Bell, On the Production and Reproduction of Sound by
Light: the Photophone [J]. American Journal of Science, Series 3. No. 20, 1880, pp. 305-324.
[2].诺贝尔奖官方网站：https://www.wendangku.net/doc/5a1602090.html,/，2014-10-07
[3].Sun C C, Chang Y Y, Chen C C, et al. Packaging efficiency analysis of
phosphor-converted white LEDs [C] //SPIE Optical Engineering+ Applications.
International Society for Optics and Photonics, 2014: 91920S-91920S-7. [4].Khanna V K. Fundamentals of Solid-State Lighting: LEDs, OLEDs, and Their
Applications in Illumination and Displays [M]. CRC Press, 2014.
[5].中华人民共和国国家发展和改革委员会公告2011年第28号网址：
https://www.wendangku.net/doc/5a1602090.html,/zwgk/2011-11/14/content_1992476.htm，2011-11-04 [6].Shuailong Zhang; Watson, S.; McKendry, J.J.D.; et al. 1.5Gbit/s multi-channel
visible light communications using CMOS-controlled-based LEDs [J]. Journal of Lightwave Technology, vol.31, no.8, April 15, 2013, 1211-1216.