2016年国务院总理李克强在政府工作报告中提出政府将加大契机发展LED新能源产业，以及开展“宽带中国”战略布局。“大数据”时代的来临使通信带宽遭受到前所未有的压力，而比无线频谱带宽高1万倍的可见光通信正好是缓解方案之一。随着城市化的进程不断发展，照明成为能耗的大户，寻找合适的绿色照明光源迫在眉睫。LED（Light emitting diode）的出现，给绿色照明计划和建设“智慧城市”带来了希望。与此同时，以LED为照明光源，将信息加载到光的瞬时功率中，同时实现照明兼通信功能的可见光通信（Visible light communications ,VLC）
正越来越多的出现在人们生活之中。由于LED是固态照明设备，它们可以被高速调制而不能被人眼所察觉
。有数据预测，到2018年，半导体照明普及率将会达到80%，可见光通信的发展将会随之更加迅速，可以说，在推进光通信普及的进程中，可见光通信技术将站在LED这个巨人的肩膀上。
可见光通信作为作为无线接入网的有效补充，其用于室内环境已被广泛研究，对于自由空间光通信（free-space optical communication，FSO）中的应用而言，伴随着LED于汽车头灯、刹车灯、景观灯、室内外显示屏、街道和区域灯、交通信号灯等多种领域的广泛应用
，由于室外其室外环境研究极易受到噪声源的影响，尤其是移动应用仍然是一个巨大的挑战
。 在金融、医疗、社会和技术上有很多优点：
1. 安全和保密性好。至今，射频（RF）通信仍被世界卫生组织（WHO）认为是人类致癌原因之一，相比而言，VLC对人体无危害；其次，VLC利用光波作为载波，对无线电频率不产生重叠，无电磁干扰（EMI），适合应用在射频敏感地区；再者，VLC不能像RF电磁波一样穿透物体，只要有不透光障碍物遮挡，信息就不会外泄，不易被窃听，保密性好。
2. 光载波带宽大，频谱资源丰富。可见光通信的引入是对通信频谱的一次巨大拓展，图1.1为电磁频谱示意图。
用于通信、导航、雷达、广播及无线电视的电磁波从长波到毫米波全波段的频率范围是3kHz~300GHz，频谱宽度不大于300GHz；而可见光波段在380~780nm，频率范围是3.85×106GHz~7.89×106GHz，频谱宽度大于400THz，为现有通信频谱的13333倍。尽管VLC在起步阶段，仍然能提供短距离多个Gb/s的数据传输
。
3. 绿色环保。因为VLC是基于现有照明设施上添加的通信功能，传输简单，设备成本低廉；其次，数据的传输作为照明的附加功能不需要提供额外的电力，进一步克服了传统照明设备功耗高、使用寿命短、体积大等缺点，被国际社会誉为第四代绿色环保型照明产品，紧密契合国家“低碳生活，绿色经济”的倡导。
近年来，随着城市交通需求高涨，车流量迅猛增长，环境污染严重、交通事故频发，各种交通问题层出不穷
，单纯依靠铺设道路设施解决这些问题，效果有限；电能汽车和混合动力汽车的推广在一定程度上减少了汽车尾气的排放，减缓了环境污染，但城市交通拥堵现状未有改善；在这种情况下，道路设施和车辆间的互联互通是提高交通效率，缓解交通压力的有效措施，通过检测车内外驾驶环境，协助司机实现道路安全高效驾驶的城市智能交通系统（intelligent transportation system，ITS）的研究迫在眉睫
；市场上LED逐渐占领了汽车照明灯、景观灯、室内外显示屏、路灯、交通信号灯等多种领域，成为最普及的道路基础设施照明光源，成本较低，容易实现，为VLC在ITS中的应用提供了条件；伴随着半导体工艺的日臻成熟，在性能优异的LED灯具基础上加载更多的功能，就会带来更多的应用可能
；在车辆应用中，VLC适合短距离高拥挤的交通场景，可有效弥补RF通信严重受数据包冲突的影响
，从而提高通信的可靠性，被视为下一代车辆安全系统
。
在现有LED道路设施的基础上，通过VLC技术实现车与车、车与路和服务器等的互联互通，实时传递实时车辆内外的安全控制信息和距离远近道路的路况信息，作为RF通信的有效补充，实现车辆自组网及多种异构网络之间的通信与漫游，在功能和性能上保障实时性、可服务性与网络泛在性。
同时，LED光通信可广泛的用于智能家居、飞机、可穿戴设备、室内导航及定位、医疗电子等领域，是射频通信的有效补充，具有广阔的发展潜力和诱人的发展前景
。
1880年，贝尔发明光电话，成为可见光通信最初的起源，由于当时光源不稳定可靠，无法有效的控制它，所以，光通信技术并没有很快的突破研究瓶颈，直到激光器的出现，光通信才重新走到人们的视野中，逐渐受到各国科学家的重视。
1999年，香港大学的G Pang等人提出了采用LED交通信号灯传输语音信号给车辆或行人，实现了基于LED的低速可见光无线通信
，同年，提出利用LED的高速开关特性，通过光强调制传递信息
，使得LED可见光通信的应用成为可能。
进入21世纪以来，内陆对可见光通信的研究紧追而上，由理论研究进一步扩展为实验论证。
2005年，西安理工大学丁德强团队设计了PPM激光调制解调系统，为其时隙同步系统的设计提供了理论基础，实现了PPM发射接收的数字化
。
2006年，暨南大学陈长缨教授及其研究小组提出并分析了基于白光LED的室内无线通信系统，分析比较了其与基于红外的无线通信技术的区别
。
2008年，陈长缨团队采用白光 LED 阵列光源解决了VLC系统中的通信距离不长、照明达不到要求等难题，其设计的室内 LED 可见光通信系统，成功实现了可见光载波传输具有 4Mbit/s 带宽的视频信号；同年，长春理工大学宋正勋团队引入OFDM方案以减弱高速通信时的多径效应带来的码间干扰
；同年，丁德强团队提
出一种基于路灯可见光通信的车路通信系统，采用OOK和PPM分别详细分析了通信链路，结果表明基于可见光通信的车路系统可以满足路车通信需求，为车路系统的进一步研究和应用提供了理论依据和仿真数据
。
2009 年，哈尔滨工程大学团队用角度分集技术有效的改善了室内可见光通信系统的性能
；同年，暨南大学陈长缨团队提出一种角度分集技术的接收机应用于白光LED通信系统
；同年，暨南大学团队又提出一种白光LED阵列光源的系统设计方案，并开发出样机，为LED通信产品化提供了基础
；同年，长春理工大学团队提出了基于OFDM的可见光通信系统硬件设计方案
。
2010 年，丁德强团队通过朗伯模式探索发现了WLED数学发光模型；同年，中国海洋大学于新生团队将可见光通信运用于水下通信，建立了水下光通信信道链路模型，为水下近距离宽带数据传输提供了参考方案
；
2012年，“VLC系统关键技术研究”被科技部列入“十二五国家科技计划征集指南”；同年，爱丁堡大学团队提出Li-Fi技术；同年，可见光并行通信技术被南京邮电大学团队提出
。
2013年至今，短距离高速可见光通信的研究由解放军工程大学和复旦大学同时展开，结合OFDM和MIMO技术，以任意信号发生器（AWG）为基础，相继完成了Gbps的概念性论证实验
。
2014年，西安电子科技大学陈彦辉团队研究了LED车路通信系统接收端消除像素间干扰的方法，得出采用频域均衡算法可有效改善系统误码性能
；同年，岳鹏团队实验验证了一种室外远距离通信系统的可行性，该系统采用CCD作为接收端
；同年，吉林大学郭树旭团队提出了一种间隔多脉冲位置调制（IMPPM）调制方案，得出其功率需求低于MPPM，抗干扰能力优于M-PPM和 MPPM
；同年，吉林大学团队提出一种RS码和卷积码级联的信道编码方式，在误码率超过1e-4时，将编码增益提高到到1.5dB以上
；同年，南通大学团队提出一种反向双头脉冲间隔调制（RDH-PIM）方式，仿真表明该调制方式可获得最大的平均发射功率
。
2015年，中电科54所仿真分析了将正交频分复用(OFDM)和离散多音频调制(DMT)等多载波调制技术应用于可见光通信的方案
；同年，东南大学郭强团队提出基于LED可见光通信的智能交通系统模型，在此基础上，研究了媒体介入控制层即MAC层，提出新的下行通信协议，分析了该协议各方面的性能，并提出优化吞吐量的方案
；同年，东南大学团队采用4-PAM（Pulse Amplitude Modulation）调制方式，在数十厘米的通信距离上达到3Mbps的速率
；同年，北京理工大学在光学发射和接收天线取得成果，相继设计了一种二级级联式光学天线，得出其市场较为菲涅尔透镜的4倍，平均探测值增加了7dBm
；设计了复合抛物面聚光器光学天线，在直射链路和非直射链路的接收光功率分别增加了4.29dBm和4.77dBm
；提出全息反射镜作为可见光接收天线，仿真得到95.3%以上的衍射效率
。
2016年，江苏大学朱娜团队对室外光通信去噪技术进行了深入研究，得出使用接收端诱导投射滤光片可提高信噪比1.44倍，确定汽车LED信号光的最佳入射角为0~10度
；同年，东南大学姜明团队实现了MPPM软解调的输出对数最大似然比计算，并对基于LDPC码的MPPM调制技术作了深入研究
；同年，北京理工大学唐义团队在色移键控（CSK）调制系统提出高速均衡电路设计方法，将RGB带宽分别提高至483MHz，331MHz，352MHz，为多通道可见光通信的速率提供了基础，并提出了基于高速可变脉冲调制方法（HVPM）的CSK高速可见光通信系统
；同年，内蒙古科技大学在M-PPM和DPIM的基础上，提出一种H-PPM调制方法，证明该方法跟适合应用于复杂交通环境
；同年，装甲兵工程学院提出一种新型定长双宽数字脉冲间隔调制方案，具有较好的带宽利用率和平均发射光功率
。
相对国外来讲，近期国内的研究概况可大致分为三个方向，理论仿真研究、概念性论证实验研究和实用性实验研究。
首先由日本高校提出VLC通信方案，之后，其科研人员陆续研究并公开了一些相关成果，VLC具有安全、与现有基础设施平滑升级、高速通信潜能、绿色环保等优点，使得美国和欧洲逐渐重视对其研究。
2000年，由日本Keio大学的Tanaka Y研究团队最先提出了家庭无线链路中的白光LED光通信系统模型，同时详细建模分析了室内可见光通信信道，得出可见光通信的主要研究焦点在于高信息传输速率和同步接收机设计
。
2001年，Tanaka Y研究团队对室内可见光通信进行了深一步的研究，考虑到室内多个光源接收，仿真了OOK-RZ和正交频分复用（OFDM）调制系统，得出100Mbps时前者可减弱多径效应，而400Mbps时OFDM可更好减弱码间干扰
。
2002年，日本K. Fan研究团队全面研究了室内OOK无线光通信模型、光源布局、室内主要反射系数和信道数学模型，仿真了漫射链路OOK调制下的误码率随传输速率的变化曲线
，使得可见光通信的应用成为可能。
2003年，日本成立了“可见光通信联盟”，目的在于进一步挖掘可见光通信的巨大潜力；同年，日本T. Komine 团队提出了家庭电力线传输与VLC通信相结合的方案，将信息加载到电力线载波中传输，为室内接入网提供了一种思路
；同年，S. Kitano等人提出了基于 LED 路灯的公路照明通信系统，得出基于LED路灯公路照明通信系统优于红外交通灯通信系统的结论，通过数值分析证明了道路路灯LED照明可以在车辆间实现通信
。
2004年，T. Komine研究团队仿真分析了室内可见光通信一种基于TDMA技术的下行链路传输
；同年，T. Douseki团队完成了白光LED护眼灯为可见光通信光源的电路验证
。
2008年，Taiyo Yuden公司展示了基于白光LED 的速度为100Mbps，传输距离为20cm的VLC系统
；同年，中国台湾Po-Yen Chen团队提出一种高效街道LED路灯驱动系统
；同年，美国国家自然基金会落实施行“智能照明通信”计划，进一步加强研究LED照明兼通信相融合的VLC通信技术，实现基于LED的智能照明通信方案设计
；同年，美国波士顿大学成立了北美高校最早的VLC研究组织-智能照明工程研究中心；同年，欧洲的近20个研究机构参与了家用千兆接入网的研究，旨在以VLC为核心技术提供家用千兆速率的用户体验。
2009年，日本Nakagawa团队提出一种基于LED的道路广告牌VLC系统，持有特定光接收设备即可通过该系统获得信息；同年，德国R.Mesleh团队仿真分析了VLC系统中的信道编码与SNR曲线关系，给出了室内短距离VLC的误码数值
；同年，美国California大学进一步开展了VLC通信的组网实现研究；同年，H. Chinthaka团队提出了一个道路与车辆在路口通信的的ITS系统，在这个系统中，车辆和LED交通灯之间的通信是采用LED交通灯作为发射器，车载高速相机作为接收器，500赫兹信号可被高速摄像机所捕获
。
2010年，德国赫兹通讯机构实验验证了在带宽受限条件下，采用DMT调制会显著提高速率，系统实现了513Mbit/s的可见光通信
。
2011年，美国的V.V Nikulin团队对移动地面站之间的双向光纤连接的通信系统进行说明，它利用机械装置稳定的光学平台、初始光束定位，光学跟踪等用于保持视线通信，当视线受阻时和利用全球定位系统获得车辆之间的位置意识
；同年，美国同以色列、挪威、德国等国家共同成立了Li-Fi联盟，进一步挖掘VLC在深空通信中的应用。
2012年，Keio大学团队将手机作为VLC接收端，用以检测光源位置，进而设计了一种VLC协助导盲系统；同年，宾夕法尼亚州立大学（PSU）和佐治亚理工学院（Georgia Tech）联合设立了FSO光通信研究中心；同年，德国亥姆赫兹研究所与Siemens合作实现RGB-LED在DMT下单信道速率为806Mbps的实验
；同年，法国A. Cailean团队提出LED灯在设计和功率调整上呈现出较高的可靠性和灵活性，系统在电信领域中使用强度调制非常方便，采用密勒码信道编码原理，开发了一个简单的LED灯数据传输系统，可达到15米距离传输
。
2013年，法国马恩拉法雷大学和凡尔赛圣康坦大学设计确保安装在车辆上的商用的基于LED交通灯之间的高度可靠的通信和接收器，采用OOK调制方式驱动LED，做成交通信号灯与车通信速率100Kbps，显著增加了运输系统的安全性和效率
；
同年，美国发明的世界首台LiFi产品在医院实际测试使用，旨在通过LED通信替代RF通信中的WiFi，避免了RF信号对医疗设备造成电磁干扰；同年，日本Tatsuya团队提出一种以LED阵列作为光源，高速照相机为接收机的VLC通信系统，可实现2kbps至64kbps速率的在30米至60米距离上传输
。
2014年，随着半导体照明技术的发展，可见光通信技术成为研究热点，对现有的短距离家庭通信能提供近300THZ的带宽，罗马尼亚L. N. Cojocariu团队提出了一种多输入多输出的车路通信系统
；同年，日本Taiyo Yuden公司研发了水下可见光通信装置，解决了电磁波在水下通信时高衰减性和声波进行水下低速通信的问题，这一研究成果为水下通信提供了新的思路；同年，日本M. Kinoshita团队提出一种I2V-VLC、V2I-VLC、V2V-VLC模型，并作出了理论分析
；同年，意大利Giulio Cossu团队利用AWG信号源、RGB LED光源、DMT调制，实现了室内10cm的距离3.4Gbit/s的通信，SNR达到1.48*10-3 
。
2015年，K. Ebihara团队利用结合分层空时编码和室外高速图像传感器技术实现可见光通信，接收端可以在1000 fps下以单光源1kbps的速率达到在55m以上的距离进行无误通信
；同年，法国A. M. Căilean团队使用图像传感器作为接收机可在20、36和50米远距离接收到15KHZ的密勒码光信号
。
2016年，A. M. Căilean团队在多通道车路VLC通信系统中，提出一种VLC系统接收机，可同时接收多路光信号，仿真表明在低信噪比下可以获得较好的误时隙率
。
2017年，A. M. Cailean团队提出一种基于LED的车辆安全控制系统，指出在现有标准的基础上制定VLC车辆控制系统标准的必要性，给出了一种可见光信号参考帧格式
；同年，Philips光实验室S. Li团队提出一种基于WLED的两通道通信系统，使用曼切斯特开关键控调制编码方式，实现了kbps的cm级信息传输
。
可见光通信越来越受到国内外研究学者的青睐和各国政府的重视，其特有的高带宽、安全、保密性、低成本等特点，对其在医院、军事、智慧家庭、智慧交通、超市导购、盲人导盲、地下停车场定位、飞机高铁通信、隧道通信、室内定位、景区导航、水下通信等领域应用前景极为广阔；从上一节国内外研究现状可知，国内外研究多基于概念性分析和实验验证，未推广到实际应用中，仍有广阔的研究空间，众多的技术瓶颈，可见光通信的未来大有可为，其研究前景不容小觑。
光波是电磁波的一种，VLC通信常用于RF通信的补充；当下，用光纤或光波导通信传输数据是较为可靠、快速的通信方式；在无线VLC中，受背景光源的干扰及发射机带宽所限，使其多用于短距离高速通信，信号传输过程中会受障碍物阻挡，反生多次反射后到达接收端产生时延进而造成多径效应，增加了接收机难度；RF技术被广泛使用于长距离通信，相比可见光而言，除特殊场合外，其电磁特性受干扰程度不高，使其能够在广域信息传输中保持通信可靠性。光接收机中光电探测器（Photodiode，PD）有效光感面积远远大于发射光波长，因此，所检测的光信号会受自由空间的多径干扰，考虑到灵敏度，多使用相干接收机。表1.1为3KHZ~800THZ波段分别用于RF通信、红外和可见光通信的三段电磁波性能对比。
表1.1 三段电磁波对比表
|
通信类别 |
RF |
红外 |
可见光 |
|
可用频谱 |
3kHz~300GHz |
~400THz |
3.85×106~7.89×106GHz |
|
功率控制 |
功率可控 |
功率可控 |
无管制 |
|
功耗 |
中等 |
低 |
较低 |
|
安全性 |
低 |
高 |
高 |
|
实现复杂度 |
高 |
低 |
一般 |
|
电磁干扰 |
有 |
无 |
无 |
|
通信距离 |
广 |
有限 |
有限 |
|
抗多径效应 |
强 |
一般 |
弱 |
|
基础结构 |
虚拟接入点 |
虚拟接入点 |
照明光源 |
|
阴影效应 |
小 |
一般 |
大 |
实际应用中，考虑到VLC的成本和能耗问题，我们更希望在原有照明设施的基础上添加其通信功能，达到LED照明兼通信双重功能的实现；对于VLC而言，其主要应用分为两部分：室内应用和室外应用；两者通信系统的不同之处在于：
1. 室内是近距离传输，室外多为远距离传输；
2. 室内基本无背景光的干扰，噪声干扰较小，室外光通信受到太阳光和其他光源的严重干扰，噪声干扰极大；
3. 室内信道模型会出现漫射链路即信号经多次反射到达接收端，受多径干扰影响严重，室外多为直射链路，只受到复杂大气信道的影响。
就照明而言，LED智能照明系统可以智能调节光照度，在无线智能传感器的配合下，满足照明条件基本需求；就通信而言，LED通信系统可以完成在室内外通信应用场景的平滑升级和合理布局。近几年，相关应用为：
1. 协同电力线通信（Power Line Communication，PLC）：利用已普及的电力线网络，在楼宇间利用电力线传递信息驱动LED灯发光，主要流程为信息经PLC Modem耦合到电力线中传输，到达LED端后转为适合在LED中传输的数字信号并驱动LED发光，被接收端接收后解码显示在PC机或手机上。
2. 可见光定位（Visible Light Positioning，VLP）：被誉为导航的“最后一公里”，一直是各方学者的研究重点，它可以将用户的位置信息通过照明设施来进行传递，较传统GPS定位更为精准，无需投入大量定位基础设施，节省了成本，目前，主要有三边定位法、三角定位法、双曲线定位法、场景分析法、近似感知法和图像传感器成像定位等方法。
3. 射频敏感（Electro Magnetic Interference，EMI）区域：射频通信无一例外的会引起电磁干扰，而大量精密仪器和设备一旦受其影响，容易不准甚至失灵，尤其在医院、核电站等地会严重威胁人体健康，因此在飞机、医院、核电站、石化工厂等特殊场合具有不可比拟的应用前景。
4. 水下光通信：现有的声音水下通信速率小，而射频波段在水下有较大衰减，水下可见光波段在450nm处为低损耗窗口，水下高速远距离传输成为研究热点。
5. 智能交通系统（Intelligent Traffic System，ITS）：通过智能无线传感器检测车内外驾驶环境，信息汇集后，通过LED灯实现道路设施、车辆和司机三者间的互联互通，协助司机获得实时信息，提高交通效率，缓解交通压力，实现道路安全高效驾驶。
6. 车联网通信（Internet of Vehicles，IOV）：摆脱交通发展瓶颈是我们国家重点工作，工信部科技处处长在2016年中国车联网大会表示信息化系统已成为如今车联网发展核心，国家将全力助推车联网的发展；现今，物联网的使用、云计算的推广、车联网技术的发展为实现智能交通提供了技术支持。
可知，基于LED的VLC在室内外多领域的应用可以和5G无线接入网更好兼容接轨，进而掀起一股VLC投入实际应用的热潮，引发通信行业深层次的变革，VLC产业会迎来带来极大的应用前景和商业前途。
