除了照明優(yōu)勢(shì)外，LED還具備響應(yīng)時(shí)間短和高速調(diào)制等特性。白光LED高速調(diào)制所引起的光閃爍不容易被人眼察覺(jué)，可以在照明同時(shí)提供數(shù)據(jù)通信的功能。這種在380~780nm可見(jiàn)光譜段進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的技術(shù)簡(jiǎn)稱為可見(jiàn)光通信(VLC)技術(shù)。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準(zhǔn)確定位、交通運(yùn)輸通信和室內(nèi)導(dǎo)航等領(lǐng)域具有很大潛力，尤其是可以替代射頻(RF)解決“最后1m”的問(wèn)題。

和無(wú)線電波相比，可見(jiàn)光通信有很多優(yōu)勢(shì)：1)信息量在以摩爾法則發(fā)展，無(wú)線電頻譜很多頻段已被占用，VLC利用的是高于3THz且尚屬于空白頻譜的可見(jiàn)光頻譜，不受使用許可證限制；2)可見(jiàn)光不能穿透建筑墻，相互鄰近封閉單元中VLC信號(hào)不會(huì)相互干擾，安全性高，保密性好；3)可見(jiàn)光收發(fā)器件設(shè)備簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉；4)可見(jiàn)光波長(zhǎng)屬于亞微米級(jí)，在準(zhǔn)確方向定位上具有明顯優(yōu)勢(shì)；5)VLC能夠替代無(wú)線電在某些電磁干擾敏感的特定場(chǎng)合(如飛機(jī)、醫(yī)院、核電站或者石油鉆探等)中的應(yīng)用。

1、室內(nèi)定位

室內(nèi)定位系統(tǒng)采用的RF、藍(lán)牙以及超聲等方式存在系統(tǒng)穩(wěn)定性不高、響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、電磁干擾大、精度和準(zhǔn)確度較低等問(wèn)題。VLC不受電磁干擾，可以通過(guò)室內(nèi)固定光源實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航。未來(lái)的大商場(chǎng)、地下購(gòu)物中心等地方可以通過(guò)基于VLC的智能行人自動(dòng)支持系統(tǒng)的目標(biāo)定位和引導(dǎo)，減少由于顧客找不到商品具體位置而帶來(lái)的損失。類似的應(yīng)用可拓展到機(jī)場(chǎng)、博物館以及其他數(shù)字定位廣播場(chǎng)合。VLC室內(nèi)定位系統(tǒng)根據(jù)需求不同，其定位精度也不同。對(duì)于室內(nèi)行人或者智障者導(dǎo)航類的定位，中等精度即可。但對(duì)于機(jī)器人等定位精度要求會(huì)更高。

（1）室內(nèi)行人導(dǎo)航

幫助視覺(jué)障礙者識(shí)別位置的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，如下圖所示，LED安裝在天花板上，帶有地磁傳感器的智能手機(jī)掛在使用者脖子上，智能手機(jī)和耳機(jī)相連。手機(jī)通過(guò)可見(jiàn)光通信接收LED傳來(lái)的ID信息，獲取光源方向及定位信息；路徑優(yōu)化后并將結(jié)果傳送到耳機(jī)引導(dǎo)行人。測(cè)試結(jié)果表明在1~2m范圍內(nèi)測(cè)試者能夠準(zhǔn)確定位和導(dǎo)航，并能在-59°~66°的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)方向矯正。

結(jié)合墻上標(biāo)牌面板LED光源開(kāi)發(fā)的VLC定位導(dǎo)航系統(tǒng)：該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了濾波器以減少背景光的干擾。通過(guò)VLC，使用者手機(jī)接收標(biāo)牌面板LED傳來(lái)的導(dǎo)航信息。導(dǎo)航信息包括標(biāo)牌面板位置信息以及視覺(jué)障礙者達(dá)到可下載的數(shù)據(jù)信息的最佳光強(qiáng)點(diǎn)。在該系統(tǒng)中導(dǎo)航信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸速率為62.5kb/s，而數(shù)據(jù)信息傳輸速率為1Mb/s。測(cè)試中，視覺(jué)障礙者可通過(guò)耳機(jī)接收約5m遠(yuǎn)處標(biāo)牌面板上LED光傳來(lái)的導(dǎo)航信號(hào)，當(dāng)走到距離標(biāo)牌面板約1m遠(yuǎn)時(shí)，由于光強(qiáng)度足夠，所以視覺(jué)障礙者接收器能自動(dòng)進(jìn)行文本信息下載和存儲(chǔ)。

（2）室內(nèi)準(zhǔn)確定位

在機(jī)器人及無(wú)人機(jī)(UVA)控制系統(tǒng)等很多應(yīng)用中都需要精確定位。如何在保證系統(tǒng)復(fù)雜度不高的前提下獲得高的定位精度是人們研究的熱點(diǎn)。獲取目標(biāo)位置方法有很多，如測(cè)量信號(hào)到達(dá)角度(AOA)、到達(dá)時(shí)間(TOA)、到達(dá)時(shí)差(TDoA)以及接收到信號(hào)強(qiáng)度(RSS)等。有一種無(wú)需同步的基于RRS室內(nèi)定位系統(tǒng)。測(cè)試結(jié)果表明在5.9cm內(nèi)以95%的準(zhǔn)確率實(shí)現(xiàn)精確定位。還有一種基于接收到信號(hào)強(qiáng)度/時(shí)分復(fù)用模式(RSS/TDM)的比特填充法的室內(nèi)定位系統(tǒng)。比特填充法可不受各種光信號(hào)干擾實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)信號(hào)強(qiáng)度的測(cè)量。在該系統(tǒng)中16個(gè)相互間距為40cm的LED燈組成正方形陣列固定在天花板上，VLC接收器安裝在距離天花板170cm的機(jī)器人上。測(cè)試結(jié)果表明機(jī)器人在低于3cm的誤差內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)了5個(gè)目標(biāo)點(diǎn)規(guī)劃路徑的自主導(dǎo)航。

圖像傳感器除了可同時(shí)實(shí)現(xiàn)圖像捕獲和數(shù)據(jù)接收之外，由于外界干擾光源聚焦像素和VLC理想信號(hào)聚焦像素有所區(qū)別，所以比光電二極管作為接收器具有更好的抗干擾能力。圖像傳感器在VLC中進(jìn)行準(zhǔn)確定位的應(yīng)用越來(lái)越受到人們重視。無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)(WPAN)的IEEE標(biāo)準(zhǔn)化組織P802.15工作組已經(jīng)在考慮如何將定位融入到相機(jī)通信標(biāo)準(zhǔn)中。

關(guān)于圖像傳感器幾種應(yīng)用研究。下圖(a)顯示屏上顯示了接收端對(duì)圖像及位置信息的同時(shí)獲取。(b)是圖像傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用。兩個(gè)固定在機(jī)器人上的圖像傳感器通過(guò)LED發(fā)送的信息檢測(cè)機(jī)器人位置。其中一個(gè)圖像傳感器捕獲入射光方向，另外一個(gè)圖像傳感器連續(xù)捕獲高速幀圖像并解析可見(jiàn)光傳來(lái)的數(shù)據(jù)。測(cè)試結(jié)果顯示機(jī)器人能夠在厘米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確定位。(c)是利用圖像捕獲和可見(jiàn)光通信來(lái)實(shí)現(xiàn)50m遠(yuǎn)外水箱準(zhǔn)確定位，定位精度達(dá)到毫米級(jí)。

2、智能交通系統(tǒng)(ITS)的信息傳輸

智能交通系統(tǒng)(ITS)通過(guò)及時(shí)獲取并傳輸有關(guān)交通狀況等方面的信息來(lái)減少交通事故、交通堵塞以及燃油消耗。圖像處理可用來(lái)幫助駕駛員進(jìn)行交通燈識(shí)別、障礙物檢測(cè)、車輛和車輛以及車輛和道路設(shè)施之間信息的捕獲，是ITS的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。高速數(shù)據(jù)圖像傳感器結(jié)合VLC在ITS上具有廣闊應(yīng)用前景。文獻(xiàn)記錄了運(yùn)用LED光以及安裝在汽車上的具有1000frame/s幀速和1024pixel×1024pixel分辨力的攝像機(jī)進(jìn)行路邊裝置與車輛之間的通信。實(shí)車測(cè)試驗(yàn)證了該系統(tǒng)能在車輛以30km/h的速度下，在35m范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)來(lái)自256個(gè)LEDs陣列組成光源傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確接收。

目前，在VLC中運(yùn)用高速圖像傳感器存在一些技術(shù)問(wèn)題需要解決：如安裝設(shè)施價(jià)格昂貴，需要復(fù)雜的實(shí)時(shí)圖像處理技術(shù)，攝像機(jī)幀速率低于發(fā)光二極管的反應(yīng)速度從而限制了通信速度等。文獻(xiàn)報(bào)道了最新研發(fā)的光通信圖像傳感器(OCI)在無(wú)線光通信(OWC)系統(tǒng)中的應(yīng)用。運(yùn)用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)圖像傳感技術(shù)最新開(kāi)發(fā)的OCI具有兩個(gè)特點(diǎn)：用于高速信號(hào)接收的通信像素(CPx)以及用于快速和精確LED檢測(cè)的1bit標(biāo)志圖像輸出功能。該OWC系統(tǒng)被譽(yù)為當(dāng)前世界上第一個(gè)僅有16.6ms延遲、20Mb/s傳輸速率的像素傳輸通信系統(tǒng)。

3、VLC高速數(shù)據(jù)傳輸

大數(shù)據(jù)量如高清(HD)視頻流傳輸、高速信息流下載及高速數(shù)據(jù)備份等信息獲取成為當(dāng)代生活中不可或缺的部分。可見(jiàn)光可以運(yùn)用發(fā)散角度很小的光柱進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而其路徑傳輸損耗較低的特點(diǎn)使高速帶寬

的安全數(shù)據(jù)流下載和傳輸成為可能。如下圖所示，歐洲OMEGA工程開(kāi)發(fā)了一種具有100Mb/s的4個(gè)高清數(shù)據(jù)流的VLC數(shù)據(jù)傳輸。運(yùn)用正交頻分多路復(fù)用(OFDM)技術(shù)，通過(guò)16個(gè)LED光源向10m2面積范圍內(nèi)的光電二極管探測(cè)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

通過(guò)在VLC接收器和發(fā)送器之間增添聚焦透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)5m×5m×3m室內(nèi)視頻和音頻高質(zhì)量廣播傳輸?shù)难菔鞠到y(tǒng)：和視距(LOS)鏈路相比，Nd-LOS鏈路具有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可移動(dòng)性好、跟蹤性強(qiáng)等特點(diǎn)，但其鏈路損耗導(dǎo)致傳輸速率不高。針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展研究，實(shí)現(xiàn)了在2m范圍、400Mb/s傳輸速率以及誤碼率RBE<10-8的典型室內(nèi)雙向光無(wú)線通信系統(tǒng)研究(可見(jiàn)光LED作為下行鏈發(fā)送光源，IR是上行鏈路數(shù)據(jù)發(fā)送光源)。RGBLEDs采用波分多路復(fù)用技術(shù)(WDM)可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。文獻(xiàn)記錄了第一個(gè)基于波分復(fù)用/離散多音調(diào)(WDM/DMT)調(diào)制技術(shù)的VLC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)白光RGB-LED進(jìn)行調(diào)制并獲得803Mb/s速率的數(shù)據(jù)通信。

4、VLC在航空中應(yīng)用

VLC在航空中優(yōu)勢(shì)明顯�？梢�(jiàn)光LED已經(jīng)在新一代商用飛機(jī)上得到推廣應(yīng)用，通過(guò)可見(jiàn)光替代光纜或電纜進(jìn)行通信能夠減少體積和重量、減少電磁干擾(EMI)及降低成本等，波音商用飛機(jī)平臺(tái)也在開(kāi)展未來(lái)無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)方案研究�；�于VLC通信的乘客閱讀燈服務(wù)單元(PSUs)、娛樂(lè)系統(tǒng)以及機(jī)艙對(duì)講機(jī)的應(yīng)用：下圖(a)中閱讀燈照亮乘客座位區(qū)，同時(shí)閱讀燈作為光通信源向乘客筆記本電腦或其他終端接收機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。乘客娛樂(lè)系統(tǒng)是通過(guò)座位整列之間的可見(jiàn)光相互通信而構(gòu)成了高速網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)娛樂(lè)(iFE)信息的傳輸。來(lái)自LED燈的光信號(hào)也可以用來(lái)作為低帶寬的語(yǔ)音通信，實(shí)現(xiàn)機(jī)內(nèi)對(duì)講，如(b)所示。

5、水下VLC

水下通信在軍事、工業(yè)以及科學(xué)領(lǐng)域都具有重要地位。水下通信速率需求在幾兆到幾十兆甚至更高范圍內(nèi)。無(wú)線電波中海水會(huì)受到高度衰減。聲波在海洋中傳輸速度為1500m/s，延遲時(shí)間長(zhǎng)，帶寬受限，誤碼率高，聲波也會(huì)對(duì)海豚和鯨魚等海洋動(dòng)物產(chǎn)生干擾等。VLC在水下可以很好地克服衰減和電磁干擾等問(wèn)題。關(guān)于操控者與水下遠(yuǎn)程運(yùn)輸車之間的VLC通信系統(tǒng)開(kāi)發(fā)：該系統(tǒng)中發(fā)送器由70個(gè)LED光源組成，支持120°視角范圍的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸速率高達(dá)20Mb/s。文獻(xiàn)記錄了水下可見(jiàn)光通信系統(tǒng)在核發(fā)電站機(jī)器檢測(cè)中的具體應(yīng)用。水下的遠(yuǎn)程運(yùn)輸車裝備攝像機(jī)與20m遠(yuǎn)處站點(diǎn)之間進(jìn)行視頻和控制信號(hào)的傳輸。目前水下光無(wú)線通信系統(tǒng)面臨主要挑戰(zhàn)是由于受到水下性質(zhì)尤其是渾濁度的影響而難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通信。針對(duì)這一問(wèn)題，新加坡國(guó)立大學(xué)和麻省理工學(xué)院開(kāi)展了在30m的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)1.2Mb/s的水下光通信系統(tǒng)研究和論證。

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