來源：中國鐳射
和白熾及螢光燈相比，白光發光二極體(LED)具有壽命長、光效高、功耗低、無輻射、安全性好、可靠性高等特點，被稱為"綠色照明"並得到迅猛發展。白光LED在未來市場極具競爭力。
世界範圍內約140多億的白熾燈轉換成更節能的LED。日本政府10年前就將LED作為21世紀照明技術，世界很多國家都發佈了在幾年內，逐步結束白熾燈的銷售政策。
除了照明優勢外，LED還具備回應時間短和高速調製等特性。白光LED高速調製所引起的光閃爍不容易被人眼察覺，可以在照明同時提供資料通信的功能。這種在380~780nm可見光譜段進行資料通信的技術，簡稱為可見光通信(VLC)技術。VLC在中、短距離安全保密通信、高精度準確定位、交通運輸通信和室內導航等領域具有很大潛力，尤其是可以替代射頻(RF)解決"最後1m"的問題。
和無線電波相比，可見光通信有很多優勢：
1)信息量在以摩爾法則發展，無線電頻譜很多頻段已被佔用，VLC利用的是高於3THz，且尚屬於空白頻譜的可見光頻譜，不受使用許可證限制；
2)可見光不能穿透建築牆，相互鄰近封閉單元中VLC信號不會相互干擾，安全性高，保密性好；
3)可見光收發器件設備簡單，價格低廉；
4)可見光波長屬於亞微米級，在準確方向定位上具有明顯優勢；
5)VLC能夠替代無線電在某些電磁干擾敏感的特定場合(如飛機、醫院、核電站或者石油鑽探等)中的應用。
VLC和RF相比最明顯的不足是可見光傳輸速率受通信距離限制相對明顯。VLC採用非相干通信模式，VLC通信路徑損失是距離的4次方，而相對RF來講，損耗是距離的平方。LED具有固有非線性電流-強度特性，性能隨溫度增加而急劇下降，輸出光色以及設備壽命也快速減少。
此外，燈光變暗會對傳輸功率和傳輸性能產生一定影響。這些不利因素限制了VLC的應用，VLC也不可能完全取代高速RF通信。如何充分利用VLC優勢，克服不利因素以提升VLC通信性能是當今研究的熱點。
VLC技術最早於1999年由香港大学Grantham Pang提出並針對VLC開展了音訊廣播的研究。日本隨後對VLC展開了積極深入的研究。2003年，可見光通信協會(VLCC)在日本成立。
目前，越來越多的機構和組織致力於VLC關鍵技術的研究。典型的研究機構包括：歐洲項目家庭千兆接入網(OMEGA，HomeGigabitAccessNetwork)、美國光通信中心(UCL)、德國海因裡希赫茲、夫琅禾費通信研究所、荷蘭飛利浦公司、法國電信、牛津大學、澳大利亞莫納什大學以及中國科學技術大學、復旦大學等。
這些機構在VLC的理論、演算法、模擬及實驗方面做出了突出性成果。但VLC的發展尚處於起步階段，和成熟工業、生活以及軍事應用之間還有一段距離，很多的技術難點亟需解決。
而目前隨著中國LED產業快速爬升，目前已在“可見光通信系統關鍵技術研究”獲得了重大突破，即時通信速率提高至50gbps(比特每秒)，相當於0.2秒就能完成一部高清電影的下載。
VLC基本鏈路及通信標準
1.1 VLC基本鏈路
室内VLC基本鏈路
光源
白光LED主要有三種類型：紅綠藍混合形成白光的RGB-LED、藍光LED激發螢光粉後混合成白光的PC-LED以及在紫外LED表面通過紅綠藍螢光粉混合產生白光的UV-LED。UV-LED在白光形成中能量損耗大，光效低，實際應用中很少見。對於PC-LED，藍光LED的調製頻寬大約是35MHz，受到黃光分量影響，其調製頻寬只有幾兆。為提高調製頻寬，通常加入藍光濾波器濾除黃光分量。PC-LED成本低，驅動簡單，在照明中應用普遍。RGB-LED中三個LED可以獨立調製。運用多路波分技術可以使得每個RGB-LED獲得15MHz調製頻寬。該類型LED價格昂貴，驅動相對複雜，具有高效靈活的照明效果以及較高調製頻寬，在未來市場潛力很大。
接收器
PIN二極體、雪崩二極體(APD)及圖像感測器是VLC中用到的接收器。PIN光電二極體價格低、接收面積大、敏感度高以及對溫度不太敏感，應用廣泛。APD光電二極體接收敏感度高、接收面積小但價格昂貴。圖像感測器能夠在不相互干擾情況下同時獲得圖像和資料資訊。由於圖像感測器只檢測LED傳來像素的光強度，即使有多個光源同時傳輸資料，圖像感測器仍能成功接收到它所要需要的資料。圖像感測器尤其適合準確定位系統。
1.2 通信標準
2007年，日本發佈了JEITACP-1221"可見光通信系統"以及JEITACP-1222"可見光ID系統"。2009年，IrDA和VLCC聯合制定了"IrDA可見光通信實體層技術要求"。歐洲OMEGA也在致力於家用網路開發。但這些標準都沒有充分考慮閃爍和調光問題。兼顧照明及節能，IEEE2012年批准了802.15.7標準。
IEEE802.15.7對VLC定義了4類應用：局域網通信(VLAN)、定位增強資訊廣播、高分辨力定位(自動定位)以及中等分辨力定位(室內導航)。該標準提供了高速VLC通信無閃爍可適應調光機制[8]，支援點到點以及星型等多種網路拓撲結構，並對雙向通信和廣播模式實體層和媒體存取控制(MAC)層進行了規定。
其中，PHYI為室外低速通信應用，其傳輸速率為12~267kb/s，PHYII用於室內中速通信應用，傳輸速率為1.25~96Mb/s。PHYIII用RGB作為傳輸源和接收器，其速率範圍為12~96Mb/s。
IEEE802.15.7沒有涉及到千兆速率。德國物理學家HaraldHaas提出了LightFidelity(Li-Fi)並進行標準化。該標準計畫在未來達到10Gb/s傳輸速率。除了VLC可以在GPS所不能發揮作用的室內和峽谷等場合進行定位，還可以用於水下通信、軍用裝備通信、電力線通信(PLC)及乙太網供電(PoE)鏈路綜合等。為了能夠讓VLC充分發揮其應用潛力，更為廣泛應用的VLC國際標準還需要進一步開發。
面臨的主要問題
1.1 VLC 通信速率的提高
可見光LEDs 最大挑戰是VLC 的資料通信速率。為了提高通信速率，除了需要在LED 器件上進行突破外，還可通過其他技術手段進行提升。如運用調製、波分複用、均衡、光多輸入多輸出(MIMO)以及這些方法的混合使用。
編碼調製技術
為了克服白光LED 的調製頻寬的局限，必須深入探究頻帶利用率高、抗干擾性能好的調製複用技術。目前常見調製編碼有開關鍵控(OOK)、脈衝位置調製(PPM)、多脈衝位置調製(MPPM)、差分脈衝位置調製(DPPM)等。
相對於OOK 調製方式， 後三種利用率更好些。PPM 具有自提取同步信號，適合低信噪比的場合。MPPM 頻寬效率和功率效率均較高。OFDM 是一種高效調製技術，具有頻譜效率高、頻寬擴展性強、抗多徑衰落、頻譜資源靈活分配等優點，是當今世界研究熱點之一。
早在2001 年，日本提出在VLC 中引入OFDM 調製方式的必要性。2005 年，西班牙的Gonzalez 等提出了一種利用自我調整OFDM 調製，可根據當前通道狀況調整各子通道分配的比特和功率，提高整個系統傳輸效率。
長春理工大學研究學者近年來也對OFDM 調製技術進行了研究，可以根據通道優劣選擇恰當的OFDM 調製解調方式。OMEGA 論證了基於正交頻分複用/正交振幅調製(OFDM/QAM)技術的3 m 以上距離進行84 Mb/s 光無線通訊資料傳輸。OFDM在光無線通訊系統中的缺點是直流(DC)成分導致的功效低。
OFDM 在高效調製的同時，也會導致頻寬通信系統複雜以及影響照明均勻等問題。為了進一步提升傳輸速率，DMT 技術逐步受到關注。建立了一種基於DMT 的VLC 系統模型，模擬結果證明DMT 在有限頻寬限制下顯著提高了資料傳輸速率。
目前DMT 技術方面研究工作做得不是很多，尚需要進一步深入研究。但如何選擇適合可見光的調製技術是當前亟待解決的關鍵問題。
收發器均衡及濾波技術
對發送端模擬均衡可補償白光LED 在高頻下的快速衰減，使得螢光粉LED 調製頻寬擴展到25 MHz。發送器均衡的不足之處，在於驅動電路需要被調製，以及部分信號沒有被轉化為光，而導致能量沒有被充分利用。
相對接收器來說，均衡處理是複雜的。通過非歸零碼-開關鍵控(NRZ-OOK)技術，讓藍光濾波移走慢黃光的部分，從而使得頻寬增加到100 Mb/s ，並具有很高的照明亮度。
由於強烈的背景雜訊及電路固有雜訊的干擾，隨著傳輸距離的加大，可見光通信系統中接收信號可能會十分微弱。
為了精確接收信號，需要採用高效光濾波器抑制背景雜散光干擾。因為通信系統中的信號能量與雜訊同時分佈在整個可見光譜中，濾波後信噪比不高，研究高效濾波技術及新型濾波器是提高光通信性能的有效方法。
並行通信(OMIMO)技術
和無線電系統類似，並行通信(OMIMO)通過在並行多路接收器，和發送器進行資料傳輸，通過空間複用實現高速傳輸，增大光無線通訊系統的輸送量。OMIMO 技術是提升VLC 通信速率和通信品質的重要途徑。Brien 首次在VLC 中提出了OMIMO 模型。
2011 年Dambul 提出了成像OMIMO 結構。目前MIMO 技術潛力的發揮主要還受到晶片水準的限制。文獻[29]報導了一個關於4×4 50 Mb/s MIMO VLC 通信實驗。慶應義塾大學(Keio
University)報導了1 Gb/s 平行傳輸的概念性論證實驗：運用MIMO 技術，通過576 LEDs 陣列向256 接收器陣列發送資料，每個LED 發送的資料速率為5 Mb/s。如何更好地利用室內VLC 系統的空間資源，獲取更高的複用增益有待進一步去研究。
2.2 可見光通道模型的完善建立及LED光源佈局的優化
可見光無線通道模型的建立，是分析和設計可見光通信系統的基礎。LED 燈光空間佈局、空氣環境等也會對通道模型和通信性能產生影響。為提升VLC 通信效率，必須對LED 燈的個數、空間佈局及光亮度進行合理的選擇，盡可能避免盲區和多徑延遲產生碼間干擾(ISI)。
中國科學院半導體研究所利用大功率白光LED 照明燈，採用OOK-NRZ 調製方式，實現了多燈同時調製、大範圍覆蓋下的90 kb/s、局部小範圍285 kb/s的單向下行通信速率。
為優化LED 光源的佈局，對光鏈路視距通道損耗進行了理論分析，對LED光源建模並進行光線追跡模擬，為多燈聯合調製，和基於網格的照明調製的不同應用，提供了分析依據。
提出通過優化LED 半功率角的佈局，來提高室內可見光通信系統性能的方法。該方法不需要調節LED的功率，比較適合工程運用，對於提高可見光通信系統的信噪比、降低信噪比的波動有明顯效果。
目前很多學者開展的室內LED 可見光無線通道分析，基本上均採用Gfeller 和Bapst 關於紅外通信通道的分析模型，對背景光、散射等所產生的影響尚未作深入分析。如何進行合理的LED 佈局優化、建立完善的可見光通信模型並計算及測量通道的單位脈衝回應，是當今VLC 的研究的難點之一。
上行鏈路技術
牛津大学的Brien 和愛丁堡大學的Harald Haas 課題組很早就考慮到上行鏈路是可見光通信的重要挑戰之一，並指出射頻、紅外光等可以作為上行鏈路。由於射頻上行會產生電磁輻射，無法用在電磁敏感環境，且也會減弱VLC 通信的保密性。
紅外上行也面臨一些列技術難度：紅外LED 光束較為集中，需要進行簡單瞄準並將發射功率限制在人眼安全範圍內；由於紅外LED 調製頻寬受限導致上行傳輸速率較低；可見光與紅外無線通訊的通道衝激回應不同，這兩種系統中引起的碼間串擾(ISI)原因各異等。
故需要對多光源、時變通道環境下的可見光無線通訊(VLC)系統的通道衝激回應和不同光路徑引起的ISI 開展深入研究。美國的智慧照明計畫正在研究具有發收一體的白光LED 技術，LED 燈將作為收發器實現全雙工通信。
展示了以RGBLED中紅綠2 個通道作為下行、藍色通道作為上行的波分雙工(WDD)可見光通信系統。但可見光LED 作為上行鏈路的一個突出問題是對人產生視覺干擾，因此利用可見光作為上行鏈路只能用於某些特殊場景。
新LED器件
市場上固態LED 燈主要是從滿足照明角度進行設計，對通信性能並沒有給予充分考慮。理想特性的LED 對VLC 通信性能至關重要。實際通信應用中，效果較好的是商業化產品，與技術(COTS) LED 器件。
基於連續增長的LED 光源，以及Gb/s 資料傳輸速率的需求，少量大型高功率氮化鎵(GaN)的發光二極體也可以同來滿足VLC 通信的高速傳輸需求。
2014 年，Tsonevn 等基於OFDM 技術通過氮化鎵微米發光二極體(mLED)搭建了3 Gb/s 傳輸速率的VLC 通信鏈路。此外，有機可見光作為光無線通訊領域中一個獨立技術正在迅猛發展。
和LED 相比，有機發光二極體(OLED)具有靈活性、可彎曲性、成本低等很多優點。它正被應用到在高清晰度電視(HDTV)的高端顯示產品，和智慧手機上，引起了科學家們的高度關注。
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