WiFi上网已经out了，很快你将通过灯泡连接互联网

在我们的日常生活中，灯泡给我们照明。然而，如果有人告诉你灯泡可以用来上网，而且上网速度也不低，你相信吗？

这根本不是科幻小说。这是一项新技术，可以让灯泡接入互联网。学者称之为可见光通信，VLC)技术。有了这种无线通信技术，未来的发光二极管灯、交通灯、电视背光、电信号指示器等。可以被多路复用以实现通信功能。

“有灯就有通信”是怎么做到的？

对无线通信服务和应用的巨大需求导致了无线通信技术如射频识别、蓝牙、超宽带和WiFi的层出不穷，这也加剧了无线频谱资源的供需矛盾。

为了寻找新的光谱资源和信息传播媒介，科学家们将目光转向可见光。像无线电波一样，光属于一种电磁波，所以传输网络信号的基本原理是一样的。

所谓可见光通信是利用荧光灯或发光二极管发出的高速明暗变化光信号来传输信息。目前，主要使用发光二极管灯通信。

图片:发光二极管

与无线电通信相比，可见光通信开发了新的频谱资源，具有极高的传输速率、安全性和保密性，没有电磁干扰和辐射，也没有频段许可授权。此外，由于可见光通信依赖于发光二极管照明设备，只要光线能够照射到该地方，就可以进行数据传输。

可见光通信技术已经将几乎无处不在的照明设备转变为“无线路由器”、“通信基站”、“网络接入点”甚至“全球定位系统卫星”。这是怎么发生的？

简而言之，它实际上是安装一个“调制电路”，能够与普通的发光二极管灯泡通信，以控制它们每秒闪烁数百万次，然后你可以用亮代表1，暗代表0。这种闪烁速度如此之快，以至于人眼根本无法检测到它，但是用于通信的光学检测器可以接收到它。通过这种方式，二进制数据被快速编码成具有明暗变化的光信号，并被有效地传输。

而灯光下的电脑和其他网络终端需要一套特殊的接收装置来读取灯光下的“莫尔斯电码”。

(2)既高速又便携，具有光通信和无线通信的优点。

与传统的射频无线通信相比，可见光通信有许多不同的优点。与射频WiFi相比，它更符合无线通信技术“高速、大容量、安全、可信”的发展要求。

图片:可见光通信的三大优势

1.单点高速率

与基于射频信号的无线通信技术相比，基于可见光的无线光通信技术的速率优势已经初步显现。

2015年，复旦大学的研究团队使用红、绿、蓝、黄发光二极管，通过波分复用和DMT技术，为可见光通信创造了8千兆位/秒的非实时传输峰值总速率。2015年，中国科学院半导体研究所团队利用荧光发光二极管，通过带宽扩展技术，为可见光通信创造了610兆位/秒的实时单通道传输速率。

2.系统容量大

为了实现宽带大容量无线通信，无线基站的发展方向是不断提高蜂窝小区的复用度。

由于光的空间复用性优于电，可以建立比射频无线更小的光无线小区，可以为单个用户提供高速实时通信，通过多个非常小的无线光通信小区组网，可以实现无线光网络系统的超大容量。

例如，如果一辆地铁车辆配备了200个小灯泡，每个灯泡设定的通信速率为100兆位/秒，则可以构建一个无线通信能力为20兆位/秒的局域网。

3.通信安全

可见光通信信号很容易控制。镜头和灯罩可以灵活控制信号覆盖区域，有效防止信息泄露。同时，可见光通信可以通过肉眼直接观察信号覆盖区域，不再担心“第三只耳朵”，给通信用户带来前所未有的心理安全。

(3)不容易让发光二极管实现高速通信。

在光纤通信系统中，发光二极管光源的功率通常在毫瓦的数量级。PN结(半导体晶体的一侧掺杂有P型半导体，另一侧掺杂有N型半导体，两者的接触面称为PN结)的结面积小，对应的结电容也小，因此相对容易实现高速调制。

如果可见光通信系统使用大功率发光二极管照明，单个发光二极管的最大功率可以是1瓦到几瓦，并且PN结面积大，因此很难实现高速调制。

以功率为1瓦的氮化镓(氮化镓，第三代半导体材料)制成的单个发光二极管为例，其芯片面积约为1平方毫米，代表蓝光通信速率的3dB带宽约为12兆赫兹。在涂覆黄色荧光粉后，由于荧光粉的余辉效应，白光中黄光的3dB带宽约为3MHz。

因此，如果不进行特殊处理，最常用于照明的大功率荧光发光二极管就不能实现高速可见光通信。

图:荧光发光二极管的光谱和带宽

例如，如果你想增加汽车运输的货物量，你可以加宽道路的宽度或增加汽车上货物的堆积高度。类似地，对于通信系统，为了提高通信速率，可以通过扩展系统带宽和提高频带利用率来实现。

图:决定通信速率的因素

为了扩展系统的带宽，简单的方法是使用RGBY(红、绿、蓝、黄)多色发光二极管作为光源，这样不仅可以避免荧光粉的余辉效应，还可以使用多色复用来提高系统的总带宽。然而，该方案的最大问题是难以保证多通道通信中理想的白色混合。

此外，由于成本问题，RGB或RGB by发光二极管在照明领域远不如荧光发光二极管受欢迎，这也是本技术方案所面临的问题。

因此，如果有办法扩大荧光发光二极管的带宽，其实用价值将会更大。当然，高阶调制也可以用来提高频带利用率。现代通信技术中的正交幅度调制和正交频分复用通常用于可见光通信系统。

然而，像正交频分复用这样的调制信号有优点也有缺点，因为信号的峰均比非常大，并且对发射机功率的设计要求相对较高。特别是，由于正交频分复用系统需要数模转换，系统结构复杂，没有专用集成电路的支持，很难实现高速实时传输。

截至2017年，正交频分复用非实时传输系统的峰值速率可以达到10吉比特/秒，但正交频分复用实时可见光通信系统的速率只能达到100吉比特/秒左右。

另外，为了提高可见光通信系统的通信速率，可以通过空间多输入多输出复用(MIMO)、偏振态复用等来增加系统的复用维度。在上述技术的基础上，进一步提高了系统的整体通信速率。

总之，基于照明发光二极管的可见光通信系统的通信速率有很大的提高空间。

(4)可见光通信应用广泛。中国的阶段性成就是什么？

可见光通信技术可用于设计保密单位的保密会议网络系统、地铁车厢内的光通信、卫星和船舶内的无线通信、火箭分离间的非接触式高速无线通信、内外太空舱、深海潜水舱等设备，可以说应用于许多领域。那么，中国在这一领域的研究进展如何？

2000年，日本展示了基于发光二极管灯构建无线基站的可行性。2008年，欧盟、美国和中国相继启动了可见光通信技术的科技计划。现在，来自许多国家的科研团队已经加入到这种新的无线通信技术的研究中。

“十二五”期间，中国资助了863个“可见光通信(VLC)系统关键技术研究”项目和973个“宽谱信号无线传输理论与方法研究”项目“十三五”期间，中国启动了新的国家重点研发项目“可见光通信关键技术与系统研究”。依托这些国家科研项目和部分省部级科研项目的支持，中国科研团队在可见光通信领域取得了多项国际领先的研究成果，包括688兆位/秒的大功率荧光发光二极管单通道实时传输、10.7千兆位/秒的RGBY发光二极管非实时4通道全传输和50千兆位/秒的蓝色发光二极管阵列128通道实时全传输复用。

中国科研团队自主开发了如下图所示的照明网络系统，验证了照明用大功率荧光发光二极管的高速稳定通信性能。

图片:可见光在线演示系统

结论

借助可见光通信技术，地面上的灯、电视背光灯和信号指示灯可以用于未来的通信，并且灯可以相互联网。天空中的飞机和宇宙飞船可以通过灯光相互连接。水下深潜水舱和仿生鱼可以与灯光联网。换句话说，当这些无处不在的照明和显示光源被多路复用以实现通信功能时，就像哑巴可以说话一样。展望不久的将来，我们可以看到光通信技术将给我们的生活带来无限的光彩。

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编辑|石