什么是可見光通信？它的技術(shù)原理及行業(yè)發(fā)展怎么樣？

可見光通信技術(shù)，是利用熒光燈或發(fā)光二極管等發(fā)出的肉眼能看到的高速明暗閃爍信號來傳輸信息的，將高速因特網(wǎng)的電線裝置連接在照明裝置上，插入電源插頭即可使用。利用這種技術(shù)做成的系統(tǒng)能夠覆蓋室內(nèi)燈光達(dá)到的范圍，電腦不需要電線連接，因而具有廣泛的開發(fā)前景。

與使用的無線局域網(wǎng)(無線LAN)相比，“可見光通信”系統(tǒng)可利用室內(nèi)照明設(shè)備代替無線LAN局域網(wǎng)基站發(fā)射信號，其通信速度可達(dá)每秒數(shù)十兆至數(shù)百兆，未來傳輸速度還可能超過光纖通信。利用專用的、能夠接發(fā)信號功能的電腦以及移動信息終端，只要在室內(nèi)燈光照到的地方，就可以長時間下載和上傳高清晰畫像和動畫等數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還具有安全性高的特點(diǎn)。用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至室外，同時使用多臺電腦也不會影響通信速度。由于不使用無線電波通信，對電磁信號敏感的醫(yī)院等部門可以自由使用該系統(tǒng)。無需WiFi信號，點(diǎn)一盞LED燈就能上網(wǎng)。一種利用屋內(nèi)可見光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號的國際前沿通訊技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)。研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M，堪稱世界最快的“燈光上網(wǎng)”?？梢姽馔ㄓ嵄环Q為Lifi [1] 。無線電信號傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機(jī)，全球數(shù)百萬個基站幫助其增強(qiáng)信號，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡，尤其在國內(nèi)LED光源正在大規(guī)模取代傳統(tǒng)白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個微芯片，便可讓燈泡變成無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。可見光通訊安全又經(jīng)濟(jì)?？蒲腥藛T不僅在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中利用可見光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號，并且實(shí)現(xiàn)能夠“一拖四”，即點(diǎn)亮一盞小燈，4臺電腦即可同時上網(wǎng)、互傳網(wǎng)絡(luò)信號。光和無線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡(luò)信號的基本原理是一致的。給普通的LED燈泡裝上微芯片，可以控制它每秒數(shù)百萬次閃爍，亮了表示1,滅了代表0。由于頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化。二進(jìn)制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號并進(jìn)行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過一套特制的接收裝置傳輸信號。有燈光的地方，就有網(wǎng)絡(luò)信號。關(guān)掉燈，網(wǎng)絡(luò)全無。與現(xiàn)有WiFi相比，未來的可見光通訊安全又經(jīng)濟(jì)。WiFi依賴看不見的無線電波傳輸，設(shè)備功率越來越大，局部電磁輻射勢必增強(qiáng);無線信號穿墻而過，網(wǎng)絡(luò)信息不安全。這些安全隱患，在可見光通訊中“一掃而光”。而且，光譜比無線電頻譜大10000倍，意味著更大的帶寬和更高的速度，網(wǎng)絡(luò)設(shè)置又幾乎不需要任何新的基礎(chǔ)設(shè)施。

光通信分為有線光通信和無線光通信兩種，其中有線光通信即光纖通信，而無線光通信是一種將光通信技術(shù)和無線通信技術(shù)相結(jié)合的寬帶無線傳輸與接入技術(shù)，它以光波作為載波，以大氣、水或外層空間為信道進(jìn)行信息傳遞，又稱為自由空間光通信FSO(Free Space Optical Communication)。FSO系統(tǒng)主要是由發(fā)射系統(tǒng)、信道與接收系統(tǒng)構(gòu)成。

無線光通信的終端是由激光器、光放大器、光學(xué)收發(fā)天線、探測器、調(diào)制\解調(diào)器、編碼\解碼器和APT子系統(tǒng)等組成。通常情況下，無線光通信采用LED或激光作為發(fā)射器，利用光電器件接收信號并轉(zhuǎn)換成電信號，在接受端完成數(shù)據(jù)解碼。無線光通信系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器兩部分組成。發(fā)射器通常使用LED或激光二極管來產(chǎn)生光信號，并通過光學(xué)透鏡將其聚焦到一個小區(qū)域內(nèi)，形成所謂的光“載體”(optical carrier)。信息信號通過調(diào)制光負(fù)載從而被傳輸?shù)浇邮斩恕Ｔ诮邮斩?，光信號被光檢測器接收，并轉(zhuǎn)換成與發(fā)送端信號相同的電信號。數(shù)據(jù)解碼后就可以得到原始信息。無線光通信終端是無線光通信系統(tǒng)的核心部件，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)電/光轉(zhuǎn)換和光/電轉(zhuǎn)換，以及數(shù)據(jù)的編碼和解碼等功能。

無線光通信的傳輸速率受到多種因素的影響，如激光器的調(diào)制速率、大氣衰減、天氣條件等。目前，一些先進(jìn)的無線光通信系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)Gbps級別的傳輸速率。例如，日本的NTT公司在2019年展示了一種基于1550nm波長的無線光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)在晴朗的天氣條件下可以實(shí)現(xiàn)10Gbps的傳輸速率，而在多云的天氣條件下也可以實(shí)現(xiàn)2Gbps的傳輸速率。此外，美國的一家公司也在2020年展示了一種基于紅外波段的無線光通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)10Gbps的傳輸速率，并且可以在霧霾、雨雪等惡劣天氣條件下正常工作。

需要注意的是，無線光通信的傳輸速率受到天氣條件的影響較大，如霧霾、雨雪等惡劣天氣條件下，傳輸速率會受到較大的衰減。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況選擇合適的無線光通信系統(tǒng)，以滿足不同的傳輸速率需求。

無線光通信的技術(shù)特點(diǎn)主要包括以下幾個方面：

無需頻譜許可：無線光通信不需要申請頻率資源，從而避免了復(fù)雜的頻率申請和管理流程。

高速傳輸：無線光通信利用激光作為信息載體，可以實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸，速率可以達(dá)到Gbps級別。

保密性好：無線光通信的激光束具有很強(qiáng)的方向性，不易被竊取或干擾，因此具有很強(qiáng)的保密性。

無需布線：無線光通信不需要鋪設(shè)光纖或電纜，可以減少基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和維護(hù)成本。

靈活性強(qiáng)：無線光通信可以迅速部署和重新配置，適用于各種應(yīng)急通信和臨時通信場景。

無線光通信的應(yīng)用主要包括以下幾個方面：

最后一公里接入：無線光通信可以作為光纖接入的補(bǔ)充，解決最后一公里接入的問題，提供高速、靈活的接入方案。

無線網(wǎng)絡(luò)回程：無線光通信可以作為無線網(wǎng)絡(luò)的回程傳輸手段，提供高速、穩(wěn)定的回程連接。

應(yīng)急通信：無線光通信可以迅速部署和重新配置，適用于各種應(yīng)急通信場景，如災(zāi)害救援、突發(fā)事件等。

臨時通信：無線光通信適用于各種臨時通信場景，如會展、演唱會等。

軍事通信：無線光通信具有保密性好、靈活性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于軍事通信場景。

太空通信：光通信在太空通信中的軍事應(yīng)用主要是在星際間建立長距離、干線通信鏈路。衛(wèi)星光通信具有誘人的應(yīng)用前景，可廣泛應(yīng)用于高軌道衛(wèi)星與高軌道衛(wèi)星(GEO-GEO)通信、高軌道衛(wèi)星與低軌道衛(wèi)星(GEO-LEO)通信、低軌道衛(wèi)星與低軌道衛(wèi)星(LEO-LEO)通信及空間與地面(GEO-Ground)通信，也可應(yīng)用于深空探測、載人航天空間站通信。尤其是近年來發(fā)展的低軌道小衛(wèi)星星座，更迫切需要使用光鏈路。

水下通信：水下通信的軍事應(yīng)用主要包括衛(wèi)星、飛機(jī)及陸地目標(biāo)與水下潛艇之間的通信。如果采用通常的無線電通信手段，被敵方發(fā)現(xiàn)的可能性很大。波長為0.46-0.53微米的藍(lán)綠激光能穿透幾百到幾千米深的海水，這就為深海通信帶來了曙光。

一、可見光通信的原理

可見光通信是一種利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)募夹g(shù)。它的原理是利用LED燈或激光器等光源，將信息編碼成光信號進(jìn)行傳輸。接收端通過光傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)而恢復(fù)出原始信息。

可見光通信的原理與無線通信的原理有很大的不同。無線通信是利用電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而可見光通信則是利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?？梢姽馔ㄐ诺念l率范圍在400 THz到800 THz之間，比無線通信的頻率范圍要高得多。

二、可見光通信的技術(shù)

1. 調(diào)制技術(shù)

調(diào)制技術(shù)是可見光通信中最關(guān)鍵的技術(shù)之一。它是將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程。調(diào)制技術(shù)可以將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，然后通過LED燈或激光器等光源進(jìn)行傳輸。

2. 多輸入多輸出技術(shù)

多輸入多輸出技術(shù)是可見光通信中的一項(xiàng)重要技術(shù)。它可以利用多個LED燈或激光器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎涂煽啃浴?

3. 碼分多址技術(shù)

碼分多址技術(shù)是可見光通信中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。它可以將多個用戶的信號進(jìn)行編碼，從而在同一時間段內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高通信的效率。

三、可見光通信的應(yīng)用

1. 室內(nèi)定位

可見光通信可以用于室內(nèi)定位。它可以利用LED燈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而確定用戶的位置。這種技術(shù)可以用于室內(nèi)導(dǎo)航和室內(nèi)定位等方面。

2. 無線網(wǎng)絡(luò)

可見光通信可以用于無線網(wǎng)絡(luò)。它可以利用LED燈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。這種技術(shù)可以用于室內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)和室外無線網(wǎng)絡(luò)等方面。

3. 汽車照明

可見光通信可以用于汽車照明。它可以利用車燈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)汽車之間的通信。這種技術(shù)可以用于汽車自動駕駛等方面。

四、可見光通信的操作步驟

1. 準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行可見光通信之前，需要準(zhǔn)備好相應(yīng)的設(shè)備。這些設(shè)備包括LED燈或激光器、光傳感器等。

2. 連接設(shè)備

將LED燈或激光器連接到計算機(jī)或其他設(shè)備上，然后將光傳感器連接到接收端。

3. 編碼數(shù)據(jù)

將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)編碼成光信號，然后通過LED燈或激光器進(jìn)行傳輸。

4. 接收數(shù)據(jù)

通過光傳感器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，然后恢復(fù)出原始數(shù)據(jù)。

五、結(jié)論

可見光通信是一種新興的通信技術(shù)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。它可以?yīng)用于室內(nèi)定位、無線網(wǎng)絡(luò)和汽車照明等方面。在未來，可見光通信將會成為人們生活中不可或缺的一部分。