白光通信技術又叫“可見光通信技術”(VisibleLightCommunication)，其原理是將需要傳輸的信息調制到LED燈具的驅動電流上，使LED燈具以極高的頻率閃爍。雖然人眼看不到這種閃爍，但是通過光電探測器可以檢測到這種高頻閃爍攜帶的通信信息。基于白光LED的可見光通信技術融合了光通信和無線通信二者的優點，同時順應了白光LED器件作為下一代綠色固體照明光源的發展趨勢，是一種高速靈活、綠色環保的新型通信技術，且因為通信電路可以和LED燈具的驅動電路完美集成，應用前景巨大。
一、發展現狀
1.白光LED可見光通信的特點
可見光通信技術因為是光波通信，無電磁污染有利于人體健康;因為光線的直線傳播，通信信號覆蓋范圍可見可控，私密性強;因為與照明天然結合可以利用無處不在的照明網絡，所以無須新建專用網絡、節能和環保;因為是光波通信，頻帶資源理論上高達100THz，通信速率趕超WiFi且無需授權。總的來說，可見光通信技術作為一種無線通信新技術，解決了無線通信技術發展面臨的兩大問題。
(1)無線通信的發展急需解決無線頻譜資源拓展的問題。由于傳統無線通信發展迅速，且和廣播電視、藍牙等技術共用微波無線頻段，造成該頻段頻譜資源異常緊張，開發利用新的無線頻段迫在眉睫。近年來陸續出現了毫米波通信和太赫茲通信等解決方案，而隨著白光LED器件的出現，利用頻率更高的可見光頻段進行自由空間無線通信成為可能，不僅理論上可以達到更高的傳輸速率，同時避開了緊張的無線授權波段。
(2)無線通信的發展急需解決節能環保的問題。LED器件是一種高效的固體光源，與當前的熒光光源相比具有更低的功耗、更高的亮度和更小的尺寸。另一方面，LED發出的光譜窄，可以用作無線通信載波調制信號，因此同時具備綠色照明和節能通信兩個優點。此外，處于可見光頻段的光波對人體無傷害，可以保證長時間通信下對用戶的環保安全，屬于綠色節能環保通信。
可見光通信作為一種無線通信新技術還催生了燈光定位、光學無線身份識別、光學無線供能等創新應用。相信隨著技術的發展和大家對可見光通信技術的了解，還會產生更多的創新應用。
2.研究現狀
2000年日本慶應義塾大學的Tanaka和Haruyama等人提出了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。2003年10月，日本可見光通信協會(VLCC)成立，并已完成可見光通信系統規范(VLCC-STD-001)和低速通信可見光ID應用規范(VLCC-STD-003)的制定。2008年作為美國國家科學基金的十年規劃，美國政府動員30所大學及研究機構，投入1850萬美元的啟動資金開展了該項領域的科技攻關。2008年歐洲框架7中的歐米伽計劃也包括可見光通信技術的研究內容。2008年，時任中國科學院院長的路甬祥同志批示中國科學院半導體研究所開展可見光通信調研和相關研究工作。2011年3月31日，IEEE802.15WPANTaskGroup7(TG7)提出了關于小范圍可見光無線通信的相關標準修正草案(IEEE標準為P802.15.7)。2014年中國可見光通信產業技術創新聯盟成立。
在學術研究方面，2014年，意大利的可見光通信研究團隊的學術論文“5.6 Gbit/s Downlink and 1.5 Gbit/s Uplink Optical Wireless Transmission at Indoor Distance (≥ 1.5 m)”是可見光通信離線處理的最高峰值速率的代表性文章。2014年，中國可見光通信研究團隊的學術論文“A 550 Mbit/s real-time visible light communication system based on phosphorescent white light LED for practical high-speed low-complexity application”是可見光通信在線實時處理最高速率的代表性文章。
在演示系統的研究方面，2004年在日本的CEATEC展會上，SONY和Agilent合作展示了一個基于RGB三色LED燈的光學無線音樂廣播應用。2006年，暨南大學的研究團隊提出利用白光LED照明光源用作室內無線通信，設計并實現了近距離(0.2m)、點對點的白光LED通信系統。該系統成功實現了10MHz的傳輸速率下FM信號的傳輸。2008年，太陽誘電株式會社在“東京國際消費電子博覽會”上現場演示了采用白光LED的高速無線通信系統，最大數據傳輸速率可達100Mbit/s。該系統實現了雙向全雙工高速通信，但是最大傳輸距離僅為0.2m左右。2009年，中國科學院半導體研究所的可見光上網系統和游戲娛樂系統在上海國際工業博覽會上展示，2010年4月基于可見光通信的智能家居控制系統和上網系統在上海世博會的“滬上.生態家”和“中國航空館”兩個展區同時展示。2009年11月暨南大學在深圳高交會展示了4Mbit/s帶寬的數字多媒體音視頻信號白光LED傳輸系統，并在2010年4月送上海世博會，在“滬上.生態家”城市案例館向全世界公開展示。2010年12月，美國明尼蘇達州(Minnesota)西北部的一個城市St.Cloud，它的市政辦公室第一個在美國安裝可見光通信系統，以取代無線網絡連接。該系統采用來自明尼蘇達州的LVX系統，可實現LED燈具到辦公室的電腦連接到互聯網。該系統可節省照明費用30-80%。LVX的系統大約達到3Mbps的速率傳輸數據。2011年歐洲OMEGA計劃總結時，參加單位之一的Orange實驗室用16盞LED燈實現了4路高清視頻的廣播，系統傳輸速率100Mbps，凈載荷80Mbps。2011年英國哈拉.哈斯教授作了臺燈上網演示，并創造了“LiFi”這個新詞，美國《時代》周刊把“LiFi”技術排在全球50大發明中的第8位。2012年CCTV2把基于可見光通信的“光怪路由”排在創新科技環球新銳榜的第三位，中國科學院半導體研究所的陳雄斌博士在節目現場進行了臺燈上網和臺燈控制家用電器的展示。2012年7月11日日本松下宣布將可見光通信技術實現商業化，為“長島游樂園”提供了10臺LED照明設施及20臺信號接收器。日本東京舉行的2012尖端技術展上，卡西歐公司展出了利用智能手機攝像頭來進行光交換數據的技術，日企Outstanding Technology展示可見光通信定位技術。2013年上海國際工業博覽會上，復旦大學和上海寬帶中心分別展示了基于可見光通信的上網系統和視頻傳輸系統。
除了上述單位在從事可見光通信技術研究外，還有清華大學、北京大學、解放軍信息工程大學、東南大學、北京郵電大學、上海交通大學、中興通訊、華策集團、深圳光啟研究院等大學、研究機構和企業也從事可見光通信技術研究，并取得了不少成果。目前，學術界和產業界甚至資本市場對可見光通信技術的發展都比較關注。作為一項通信新技術，其發展和進步需要從材料、器件、通信系統架構多個方面著力解決。倘若要轉化成大眾喜歡的產品也需要時間，更需要多方的共同努力。
3.白光通信的應用
參考可見光通信的技術特點，其應用領域可以歸結為以下幾大類地區：
(1)射頻敏感區的無線通信(包括醫院、飛機、軍艦、衛星等)，這類地區的需求緊迫、具有不可替代性。
(2)希望利用照明網絡增加通信功能的場所(包括商場、地鐵站、會場等)，該類市場潛力巨大。
(3)燈光導航定位、燈光無線供能、光學身份識別等創新應用。
二、可見光通信關鍵技術
可見光通信作為一項無線通信新技術，系統性能的提升涉及到材料、器件、模組的創新，也涉及到通信調制技術、編解碼技術、系統架構的創新。下面舉幾個例子，簡單介紹一下可見光通信系統設計需要考慮的一些因素和關鍵技術。
1.光源
在可見光通信系統中，通信光也是照明光源，二者合二為一，所以光源的設計意義重大。作為照明設備來說，照明光源必須具備高亮度、低散熱、低功耗、輻射范圍廣等特點：作為通信設備來說，通信光源則需具備壽命長、調制性能好、發射功率大、響應靈敏度高等優點。二者的要求會有些不一致的地方，比如，照明應用希望熒光型LED使用長余輝的熒光粉，對于通信應用則希望熒光型LED使用短余輝的熒光粉;照明應用可以用結面積大的器件來提高發射功率通信應用則希望減小結面積來降低結電容提高調制速率。如果還要考慮光探測器的敏感波長等因素，對光源的要求就更高了?？偟膩碚f，作為照明和通信兩用的光源，和普通的照明光源是有區別的，要想獲得理想性能，需要優化設計。
2.室內光源布局
在室內光源布局上，首先需要考慮的問題是全部光源都是照明通信兩用還是部分光源只照明。同時還是需要考慮是否布設備用通信光源，這些都會跟通信的應用需求等級有關系的。在具體的LED布局計算當中，需要考慮室內設施陳列的差異，不能只考慮典型的理想環境和信道，還需考慮其他諸如人員的走動、家具的布局和陰影等客觀因素的影響，得出的布局結構須使房間內光強分布大致不變，也應避免出現通信盲區。光源的合理布局需要一定的標準和規范指導。
3.可見光接收機
探測器也是光通信系統的核心器件。必須針對光源的光譜特征和通信需求設計可見光通信的光探測器，現在這塊工作基本上是空白。類似于光線通信天線的設計，光學接收天線的設計也非常重要，因為天線也是影響接收機信噪比和移動性的重要因素。要想實現高性能和小型化，單片集成的光電接收機芯片是很好的選擇。
4.調制復用技術
目前，雖然可見光通信系統可選擇的光源和探測器帶寬還比較窄，但是借助于波分復用技術和高頻帶利用率的通信新技術，可見光通信系統的傳輸速率已經能達到Gbps量級，雖然還只是峰值速率，也不能實時傳輸業務，但是讓大家看到了希望。常用的技術是OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交頻分復用技術)這項無線通信領域中較成熟的技術。然而，由于OFDM系統具有內在的高峰均比特性，使得OFDM信號存在著失真。在可見光通信系統中，較高的包絡線會影響視力，同樣的也會影響光器件的壽命，在設計和工藝中應注意峰均功率比降低的問題。在把眾多的射頻無線通信技術移植到可見光通信系統的過程中，研究人員發現可見光通信與射頻無線通信在信號特征上有很大差別，不能照搬照抄，需要作一些改進和優化。所以，如何針對可見光通信的特點有針對性地開展調制復用技術研究會變得越來越重要。
5.均衡技術
一個實際的基帶傳輸系統不可能完全滿足理想的波形傳輸無失真條件，因而串擾幾乎是不可避免的。當串擾造成嚴重影響時，必須對整個系統的傳遞函數進行校正，使其接近無失真傳輸條件。這種校正可以采用串接一個濾波器的方法，以補償整個系統的幅頻和相頻特性，這種校正是在頻域進行的，稱為頻域均衡。如果校正在時域進行，即直接校正系統的沖擊響應，稱為時域均衡。
頻域均衡技術主要包括幅度均衡和相位均衡，可見光通信用到最多的是幅度均衡。幅度均衡器主要是根據系統的信道特性，對信號進行選擇性的衰減或補償，目的是改善系統的響應特性，獲得較為平坦的幅頻響應曲線，拓寬信道的帶寬。均衡技術在音視頻信號傳輸方面有較多應用，通信中有預加重和去加重技術。頻域均衡技術可以應用在通信系統中的發射端和接收端，前者被稱為預加重技術，后者被稱為后端均衡技術。
光學無線通信中，一般情況下，信道對高頻分量的衰減程度要大于對低頻分量的衰減程度，因此，在調制發射端，提高高頻分量，來補償信道中高頻分量的衰減損失，這種技術被成為預加重技術。反映到數字通信時域波形，預加重技術可以對預發送的脈沖進行整形，由于高頻分量較多，因此會在波形的上升沿或下降沿有尖脈沖。通過預加重技術可以提高系統的數據傳輸速率以及抗干擾能力，降低誤碼率。頻域均衡技術同樣可以用在接收端—后端均衡技術在光學無線通信中，均衡技術可以對高頻分量進行再補償，以拓寬系統的帶寬，提高系統的數據傳輸速率。接收端均衡技術和預加重技術在理論上是相同的，沒有本質的區別，只不過是應用在了通信系統中的不同位置。均衡技術的缺點是會給可見光通信系統帶來噪聲干擾，降低接收機的靈敏度，過度均衡會導致系統整體性能下降。
6.正交頻分復用技術
正交頻分復用(OFDM)系統是一種特殊的多載波傳輸方案，它可以被看作是一種調制技術，也可以被當作一種復用技術。多載波傳輸把數據流分解成若干個子比特流，這樣每個子數據流將具有低得多的比特速率，用這樣的低比特率形成的低速率多狀態符號再去調制相應的子載波，就構成多個低速率符號并行發送的傳輸系統。優點是OFDM調制方式適用于多徑和衰落信道中的高速數據傳輸;通過插入保護間隔，可以很好地克服符號間干擾(ISI)和載波間干擾(ICI);由于OFDM各子載波相互正交，允許各子載波有1/2重疊，因此可以大大提高頻譜利用率;具有很強的抗衰落能力。缺點是由于要求各子載波正交，所以對頻率偏移和相位噪聲很敏感;由于各子載波相互獨立，峰值功率與均值功率比相對較大，且隨子載波數目的增加而增加(高峰均比)。
DMT(離散多音)調制方式，是OFDM調制的一種，它主要利用了IFFT將復數信號轉化成實數信號，通過這種方法，可以不再需要IQ調制，從而減小了系統的復雜度和成本。DMT調制方式兼具了OFDM調制頻譜利用率高，抗多徑效應強的特點，同時還具有系統復雜度較低的優勢，是一種非常理想的調制方式。
7.編碼技術
通信系統中編碼技術包括信源編碼和信道編碼，信源編碼主要是利用信源的統計特性，解決信源的相關性，去掉信源冗余信息，從而達到壓縮信源輸出的信息率，提高系統有效性的目的。第三代移動通信中的信源編碼包括語音壓縮編碼、各類圖像壓縮編碼及多媒體數據壓縮編碼。信道編碼則是為了保證通信系統的傳輸可靠性，克服信道中的噪聲和干擾的。它根據一定的(監督)規律在待發送的信息碼元中(人為的)加入一些必要的(監督)碼元，在接收端利用這些監督碼元與信息碼元之間的監督規律，發現和糾正差錯，以提高信息碼元傳輸的可靠性。信道編碼的目的是試圖以最少的監督碼元為代價，以換取最大程度的可靠性的提高。
可見光通信系統中主要涉及的是信道編碼，信道編碼從功能上可分為3類：
僅具有發現差錯功能的檢錯碼，如循環冗余校驗碼、自動請求重傳ARQ等;具有自動糾正差錯功能的糾錯碼，如循環碼中的BCH碼、RS碼及卷積碼、級聯碼、Turbo碼等;既能檢錯又能糾錯功能的信道編碼，最典型的是混合ARQ。通常大家說的FEC是前向糾錯碼，在不同系統中，不同信道采用的FEC都不一樣，有卷積碼，Turbo碼等。目前一般認為前向糾錯的誤碼率上限是3.8×10-3，只要原始誤碼率低于這個值就可以通過冗余編碼，耗費一定的FEC編碼代價通過前向糾錯把誤碼糾過來。
8.分集接收技術
基于分集技術的光接收機技術可以用來克服碼間干擾和陰影的影響。分集接收的思想就是在接收機的不同方向上安裝多個光電探測器，對多個探測器接收到的信號進行比較，選取信噪比最大的信號進行通信。分集接收電路的設計根據信號傳輸速率的不同分為兩類。在通信速率不是很高時(通常低于100M時)，采用低速率分集接收裝置，就是簡單地將多個信號直接相加，總體上提高接收信號的功率。當傳輸速率超過100M時，由于碼間串擾的影響，不能將信號直接相加，必須設計專門的控制電路對信道進行自動判決和選擇。在高速通信中，信噪比最大的方向為直射鏈接的方向。此時，應選取最接近直射鏈接的方向作為最佳接收方向。
在接收機的不同方向上安裝的多個光電探測器均勻分布于一個半球面上，這樣在減少探測器個數的同時又提高了接收效果。只要不是整個接收機被遮住，通信就不會中斷。關于探測器的個數和布局，需要根據具體環境和通信性能的要求來決定。理論計算和計算機仿真結果表明，采用分集接收系統，能很好地克服不同路徑引起的碼間干擾的影響。而且，當接收機隨用戶位置改變或室內有人員走動和其他物體產生陰影時，通過分集接收系統自動判決和選擇，不需要人工設置就能保證通信系統的暢通。實驗證明，在高速通信中，采用分集接收技術的系統信噪比平均提高了2dB，有效提高了系統性能。
9.自適應傳輸技術
采用自適應收發器的設計方案，可以有效減緩光無線通信中信噪比的劇烈波動。在發射端，借助一個信號處理器來完成對機電定向系統的實時控制。信號處理器被廣泛應用于現代通信中，使通信系統獲得更高的信噪比、更好的靈活性及調節預見性。對白噪聲、非平衡干擾和多徑干擾，可以有相應的實現方法去進行最佳的信號處理。在接收端，則采用單一的光電檢測器來簡化對光前端的設計。這個優化的設計方案采用定向機制將更多的光能量集中到單一信道，一方面由于接收端視場的減小而降低了環境噪聲對系統性能的影響，另一方面大大提高了系統抗多徑畸變的能力
10.創新應用涉及的各項具體技術
以井下定位為例，基于位置服務的白光通信系統工作原理由圖4-13所示。
圖4-13白光通信系統工作原理
系統組成部分有：帶有白光通信功能的巷道燈、小部分帶有無線通信功能的巷道燈(數量小于1/10)、帶有白光通信及無線通信功能的礦工頭燈、連接巷道燈的通信總線、收集總線信息的路由器及服務器、帶有井下管理軟件的客戶端等。
工作原理：由于每個巷道燈都具有唯一的地址，而這個地址可以在安裝時與安裝位置唯一綁定，所以如果一個礦工頭燈可以收到巷道燈(A)的光信號，則其位置肯定在這個巷道燈周圍。
工作流程：
1.由巷道燈發出帶有其地址信息的光信號;
2.在巷道燈附近的礦工頭燈捕捉到光信號;
3.頭燈內置的控制器對信號進行解碼，解出巷道燈地址;
4.頭燈發出帶有其自身地址及巷道燈地址的光信號;
5.巷道燈收到頭燈光信號，將頭燈地址及其自身地址通過總線發送到服務器;
6.巷道燈向頭燈返回光信號，確認信息收到;
7.如頭燈未收到確認信號，則發送帶有其自身地址及巷道燈地址的無線信號，巷道燈收到無線信號后，重復第五步，并發送無線確認信號。
創新應用涉及的各項技術都是和可見光通信相關聯的重要技術，在此不一一贅述。
三、發展趨勢
業界普遍認為基于白光LED的可見光通信技術至少可以為城市車輛提供一種移動導航及定位方法。將光接收機安裝在道路邊或汽車上，而汽車和路燈照明基本上都采用LED燈，組成交通控制無線網絡。通過這種無線網絡給汽車提供導航，定位，以及各條道路的具體情況。這是LED可見光無線通信技術應用在交通的智能交通系統。
室內可見光無線通信技術目前仍處于起步階段，相信隨著白光LED價格的大幅度下降，白光LED在照明擁有絕對的主導市場，而通信技術與白光LED結合的研究將會得到進一步的發展，屆時將會在通信領域起著非常重要的作用。此外，白光LED無線光通信系統在未來4G通信網絡中扮演非常重要的角色。
使用LED進行照明和指示的設備加上通信的功能可衍生出多種新用途。如在博物館、展會等場館內，參觀者只要手持相應的接收設備(如手機)，就可以隨時隨地接收加載了信息的LED燈傳輸的文字、聲音、圖像等，使講解更加生動。將此技術應用于一些小商品如手電筒、玩具、禮品等LED上，可成為前所未有的新產品，如可用作電子錢包的手機，可成為入場券的LED請柬，可互相打招呼的玩具等等。大屏幕LED顯示以及LED交通信號燈，成為實時信息下載平臺，人們用手機對準即可下載屏幕上的顯示內容：商品廣告和優惠信息、股市行情、實時交通信息等。在白光LED照明未來最大的市場是車用照明領域，構成汽車大功率LED前照燈信息傳輸系統。將車牌號、車速、載重量等多種信息自動瞬時地傳輸到各種交通監測設備，實現自動繳費、車量登記、測速等，解決目前智能交通系統ITS中最為頭痛的車輛信息采集問題。LED尾燈也可與后車快速傳遞路況、剎車等信息，避免交通事故的發生。此外，也可應用于自動車庫門、私家停車場等，實現無人化管理。
四、小結
在照明領域，基于白光LED可見光通信的推廣應用增加了LED照明的附加值，有助于提高LED照明對現有照明光源的競爭力。在通信領域，它已成為光無線通信領域一個新的增長點。可見光通信具有不占用頻譜資源、發射功率高、無處不在、無電磁干擾、節約能源等優點，具有極大的發展前景。但是，要真正實現室內超高速光無線數據通信，還有很多挑戰需要面對，如器件的研制、調制解調和編解碼技術、無線信道傳輸和復用技術、通信體制和架構的設計等相關技術需要進一步優化。其實一項新技術的發展最有效的驅動力是市場應用需求，相信隨著市場需求的逐步明確化，可見光通信技術的還會體現其大幅的發展空間。，正像《科技縱覽》2013年9月刊“LED通信的未來”一文中寫道的一樣：“VLC技術的應用將由某位天才的產品設計者引爆，亞歷山大.格雷厄姆.貝爾這位曾發明可見光電話的偉大發明家會從1880年穿越過來表達他的欽佩，今天所有從事VLC技術研究的科研人員也會表示感謝，產業界則會歡呼——創造財富神話的時代終于來了!”
