室内可见光通信研究及相关技术发展

约公元前800年，希腊人和罗马人用烽火台传递战事。古北美洲印第安人在公元前150年用烟雾信号传递信息[3]。18世纪90年代，法国海军使用的旗语可以看作光无线通信的应用。1792年法国工程师 Claude Chappe通过给一个横木的两端加上能够旋转的机械臂，实现了信息的编码和传输，利用中继站可以实现超过100km的光电报网络。1844年，美国人萨缪尔·摩尔斯发明了莫尔斯码，通过灯塔上的信号灯可以为海军的船只导航。1880年，亚历山大·格拉汉姆·贝尔（Alexander Graham Bell）发明了可将语音信号调制在太阳光上的光线电话机（photophone）[4]。1979年，Gfeller和Bapst采用开关键控（On-Off Keying，OOK）方式调制波长为950nm的红外光，漫射覆盖室内办公环境，实现了速率为1Mb/s的室内OWC系统[5]。1996年，Marsh和Kahn实现了速率50Mb/s的室内漫射OOK红外光通信系统[6]。2000年，Carruthers和Kahn实现了速率可达到70Mb/s的室内漫射OOK红外光通信系统[7]。

1998年，香港大学的Pang等人首先提出室外可见光通信概念，并在1999年实现了通信距离超过20m，速率可达128kb/s的可见光通信系统[8]，[9]。日本Keio大学的科学家M.Nakagawa和Y.Tanaka等首先提出了在室内使用白光LED提供照明的同时传输信息的可见光通信的概念，并在2000年仿真实现了利用LED照明灯作为通信基站在室内进行信息的无线传输[10]。2003年，Tanaka等实现了速率达400Mb/s的室内OOK可见光通信系统，仿真分析了光路径差对通信系统的影响，并提出采用正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplex，OFDM）技术抵消路径差的影响[11]。Douseki采用白光LED，设计了能自己提供电能、在照明距离40cm处可以达到100kb/s高速传输的光无线通信系统[12]。Afgani和 Hass等人提出并验证了在强度调制直接检测（Intensity Modulation and Direct Detection，IM/DD）系统采用具有高峰均比的OFDM技术的可行性，并实现了直流偏置光 OFDM技术（DC-biased Optical OFDM，DCO-OFDM）[13]。牛津大学的Minh等采用非归零OOK调制和后均衡技术，实现了100Mb/s的白光LED通信系统[14]。2010年，Vucic和Kottke等人采用DMT（Discrete Multi-Tones）调制、自适应比特和功率加载等方法，实现了513Mb/s的点到点可见光通信系统[15]，2011年，他们采用波分复用（WDM）和DMT分别调制RGB白光LED的红、绿、蓝芯片，在接收端采用滤光器滤光后分别解调，实现了803Mb/s的通信速率[16]。2010年，Azhar等人建立了2×9的多输入多输出正交频分复用（MIMO-OFDM）系统，通信距离1m时总传输速率为220Mb/s[17]。Khalid等采用商用的白光LED，通过自适应比特和功率加载算法，实现了速率达1Gb/s的VLC系统[18]。此后，Cossu和Khalid等人采用RGB-LED实现了3.4Gb/s的系统[19]。Tsonev等人采用磷化镓µLED、均衡和自适应比特加载算法实现了3Gb/s的VLC系统[20]。2017年，台湾学者Lu等使用RGB-LED，建立了2×2的WDM MIMO系统，实现了通信距离达3m、速率为6.36Gb/s的可见光通信系统[21]。

2003年，日本Keio大学发起并成立了可见光通信协会（Visible Light Communications Consortium，VLCC）以推进VLC的研究，其成员包括卡西欧、NEC、松下电气工程、三星以及NTT Docomo等电信运营商。2008年，VLCC与红外线数据协会（Infrared Date Association，IrDA）及光无线通信推进协会（ICSA）合作，共同制定了“可见光通信”标准。2008年，欧盟启动了家庭Gigbit接入计划（OMEGA），集成VLC、无线通信和电力线通信技术，构建家庭区域宽带通信网，目标是实现1Gb/s的通信速率。2008年，由美国政府资助的一项“智慧照明（smart lighting）”计划，试图将无线通信能力嵌入到未来的LED照明设备中，减轻目前RF频段的拥挤状况。同年，IEEE专门成立了可见光通信小组IEEE802.15.7开展VLC的研究。2011年，IEEE发布了VLC标准“IEEE Standard for Local and metropolitan area networks—Part15.7：Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light”。2011年，英国的可见光通信研究被《时代周刊》评为当年全球50大科技发明之一。(www.xing528.com)

2012年，我国科技部公布的《“十二五”国家科技计划材料领域2013年度备选项目征集指南》中，也将LED技术列入其中，内容包括大电流驱动薄膜半导体照明技术开发和“十城万盏”半导体照明应用研究及示范。2013年，由解放军信息工程大学牵头的首个国家863计划“可见光通信系统关键技术研究”正式启动，并在2014年发起成立了“中国可见光通信产业技术创新战略联盟”，致力于突破可见光通信技术创新和产业应用发展的瓶颈。2013年复旦大学的迟楠教授团队实现了离线最高速率可达3.25Gb/s，实时系统平均上网速率150Mb/s，堪称世界最快的“灯光上网”。2015年12月，经中国工信部测试认证，中国“可见光通信系统关键技术研究”又获得重大突破，实时通信速率提高至50Gb/s，再次展现了中国在可见光领域的研发实力。2015年，中国科学院半导体研究所陈弘达、陈雄斌研究员主持北京市科技计划课题“室内高速可见光通信系统收发器件与越区切换技术研发”，在传输距离6.2m时，实现了单路实时传输平均速率610Mb/s[22]。2017年，Zhi Li和Chao Zhang等人采用RGB LED、WDM调制实现了544.32Mb/s的传输速率[23]。