材料深一度|可见光通信入门篇：基本观点
导读
光明一直以来都是人类的向往，而网络是信息化时代不可或缺的工具，可见光通信技术使光线与网络发生了结合，令有光的地方就存在网络。在本文中1度姐将从通讯技术载体的选择、可见光通信技术工作原理与相关疑问等角度出发作出相应的介绍，令大家对可见光通信技术形成初步的了解。
一、可见光与LED成为通讯技术载体的必然性
可见光通信（Visible Light Communication, VLC），是以可见光波段的电磁波作为信息载体，利用发光二极管（LED）发出的肉眼难分辨的高速明暗变化光信号传输信息。
众所周知，频率是电磁波的重要特性，并决定了电磁波的功能属性。电磁波从低频率到高频率，主要分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。不同频率的电磁波具有不同的用途，例如高频的伽马射线对细胞具有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤，而无线电波通常使用在通信领域作为信息传输的载体。但是VLC技术为何要将信息的载体转移至可见光呢？1度姐认为有如下原因：
1.可见光频谱资源丰富
如今无线频谱资源紧张，很多频段都已经被授权占用，如我国4G移动通信的频段划分为1755-1785MHz、1850-1880MHz、1955-1980MHz、2145-2170MHz等，工信部在2017年明确5G移动通信的工作频段为3.3-3.6GHz、4.8-5GHz。然而随着物联网等信息技术的不断渗透，未来通讯领域对可用的无线频谱资源和射频带宽的需求也越来越高。在频谱资源方面，可见光波无疑是自豪的，可见光波段的波长介于780nm~375nm之间，频谱宽度约为无线电波频谱的一万倍，且可见光波段尚属“空白”频谱，无需授权即可使用，因此VLC技术抢占频谱授权空白领域，有效地利用频谱资源，拓展了下一代宽带通信的频谱技术。
频谱资源带来的的直接优势在于可提高系统容量。如上文所述，目前移动通信的一个主要限制在于可使用频谱比较有限，随之产生的解决方案是在有限的频率范围内尽可能大地扩大它的利用率，于是蜂窝网络和频率复用等技术应运而生。而在5G时代，由于其使用高频段无线电波（相对于4G技术），基站覆盖能力大幅减弱，若大规模增加基站数量将大幅增加运营商的成本，为了实现宽带大容量的无线通信，无线基站技术的发展方向是提高蜂窝小区的复用度。因为可见光的空间复用性比电的空间复用性好，能建立比无线电更小的无线小光区，故可以在给单用户提供高速实时通信的同时，通过众多非常小的无线光通信小区组网实现无线光网络系统的超大容量，对5G通讯网络形成有效的互补。
频谱资源带来的另一个优势在于单点高速率。可见光的光波频率约为10^2THz量级，WiFi的电波频率为GHz量级，一般来说光通信比电通信要快，与无线电通信技术相比，基于可见光的无线光通信技术的速率优势正在逐渐显现。
2. LED普及以及产业升级
21世纪是LED产业全面绽放的世纪。近年来，LED以高效、节能、环保、寿命长等优势快速占据照明市场。据CSA数据显示，2017年我国LED照明产品国内市场渗透率（LED照明产品国内销售数量/照明产品国内总销售数量）达到65%，比2016年上升20个百分点，与此同时，在大数据、互联网、人工智能等引领的产业技术新浪潮中，半导体照明技术的跨界融合已成为大势。可见光通信利用白光LED作为光源，一方面是因为LED材料在调制方面具备相关优势特征（1度姐将在工作原理中说明），另一方面在于可借助深入渗透的LED产品基础来实现技术的成果转化与全面普及，令照明与通信形成完美的结合。
二、可见光通信的工作原理
当LED灯上有一定的电流通过时，LED芯片就会激发出连续的光子流，然后我们就会观察到可见光。如果电流缓慢变化，输出的光线就会发生明暗的变化。由于LED具有调制带宽高，调制性能好、响应灵敏度高等优点，其输出的光线可以实现极高频亮度变化，使得我们能以不同的速率调制光线，发出特定信号。LED通信的系统架构如下图所示。在发射端，原始的二进制比特流经过预处理和编码调制之后，驱动LED灯具，对LED进行强度调制，将电信号转换为光信号，并以LED光的形式发射出去（预处理是为了补偿器件、信道对信号带来的失真，通过预处理技术可提高LED的调制带宽，提高传输速率），此时LED灯既作为照明光源又作为信号的载体；在接收端，光电探测器接收到光信号后经光电转换电路还原出电信号，从而完成通信过程。
三、可见光通信相关疑问
1度姐整理了一些大家在了解可见光通信时可能遇到的问题，希望够帮助各位读者更好的了解该技术。
（1）使用VLC会察觉到光线闪烁吗
VLC光线调制的最低频率是1MHz，而电脑屏幕的刷新频率约为100Hz，相比之下VLC比我们电脑屏幕的刷新率要高1万倍，所以人眼无法察觉到光线的闪烁。
（2）VLC是否可以在阳光环境下工作
VLC技术中发射端以非常高的速率调制光线，而接收端的工作原理是检测光线强度的快速变化，对于恒定或缓慢变化的光线，可以被接收器过滤掉，因此不会受到日光或者太阳光等光线的干扰。所以VLC可以在日常光线或者直接在太阳光条件下工作，调制后的光线仍然可以被检测到。
（3）加载VLC的LED灯是否可以熄灭
如果灯的所有电源都被切断，那么毫无疑问VLC将无法工作。然而，VLC技术可以在房间足够暗的光线条件下，进行数据传输。pureLiFi所推出的技术可实现在60勒克斯的光线条件下进行正常通信（英国的最低的阅读光线标准是500勒克斯）。
（4）LiFi和VLC是否一样
就LiFi（Light Fidelity）一词的发展源头和本质而言，其实LiFi指的就是以可见光光源进行数据传输的可见光通信技术，爱丁堡大学教授Harald Haas为了让可见光通信技术在概念上与WiFi技术相关联，才将以白光LED进行高速传输的VLC技术特别命名为LiFi。
作为WiFi的优选互补方案，VLC特别适用于一些无线电波不可用或信号较差的地点，比如医院、煤矿、隧道、地下/水下、电梯、机舱等场所。另外，由于光线不能穿透实体墙，使得VLC非常适用于对安全性要求很高的银行、军队、政府部门等机构。然而，目前可见光通信在反向通信、通信距离等诸多方面仍存在技术局限，全面普及推广可能尚需时日。相信在不久的将来，这种数据传输技术将会彻底改变我们的生活。
首发于微信公众号：材料深一度
如需转载，请关注微信号后，在文后留言，并标出贵微信号及要转载到何处
