2.1 VLC概念与特点

2.1.1 定义

VLC一般是指采用LED作为光源，利用LED灯光承载通信信号，通过直接调制LED的发光强度来传输信息，无须光纤等有线信道的传输介质，实现在空气中直接传输光信号，VLC是照明与通信的深度耦合。VLC使用波长范围在380～780 nm的可见光光谱。图2.1显示了VLC频谱，范围从红色光谱（430 THz）到紫色光谱（790 THz）。

2.1.2 特点

1.VLC优势

（1）超大带宽：可见光具有430～790 THz的近400 THz的巨大带宽，可以实现高速无线接入，达到6G性能中Tbps的传输速率。

（2）普遍性：可见光无处不在，VLC技术利用人眼看不到的高速闪烁信号来实现信息传输，集照明、通信、智能控制于一体，绿色环保。

（3）物理层安全：6G的物理层需要提高安全防御。紫外线照射范围仅限于暴露在光线下的设备，因此出现安全漏洞的可能性比RF技术低。

（4）绿色通信：在VLC中，同样的能源可以用于照明和连接，支持更广泛的6G网络。

2.VLC缺点

（1）穿透力弱：可见光不能穿透障碍物的阻挡，传输距离有限。现在常用的Gbps的传输，传输距离为分米级，在小于3 m的情况下，可以实现100 Mbps的传输。

（2）链路设计困难：VLC的反向通信链路设计困难，从LED灯泡发射信号到手机上的光电二极管只解决了问题的一半，如何从手机发信号回去才能实现完整的通信链路。

（3）受环境干扰敏感：环境光源有时候会工作在同样的光谱频段，这时候如果环境光源比较强，VLC很有可能无法正常通信。

2.1.3 应用场景

可见光谱在全球范围内的使用无须许可，可用于自由通信，具有功耗低、连接基础设施部署成本低的特点。VLC可以作为无线接入的替代，在不适合、不安全或不可能使用RF的环境中提供无线数据连接，例如，对电磁辐射比较敏感的场景、对安全和保密通信要求比较高的场景、无线电波不可达而可见光可达的场景。VLC还可以作为无线接入补充，适用于普通的无线接入的局域网，在无线频谱紧张的情况下，对无线局域网进行负载分流。将VLC特性引入6G基础设施中，可以帮助6G实现无处不在、可持续、安全的连接结构。随着VLC技术的发展，预计VLC逐渐增强的性能将支持6G新型应用，VLC支持6G的部分应用场景如下。

（1）基于光的物联网：基于光的物联网利用光获取操作所需的能量，并进行无线传输与接收信息，此时的节点是由能量自供应的。在光物联网中，利用光来创建无线链路，可使用太阳能电池、光学组件和显示器等实现光电转换。光物联网可以扩展到环境中的物体如天花板、地板、墙壁和家具等。使用印制电子器件，还可以在环境中收集能量并实现传感、显示、连接和信号处理等功能。

（2）智能交通系统：智能交通系统是6G技术的支柱，允许应用程序能以较高的可靠性和极低的延迟提供服务。其在智能交通系统中应用的一个例子是用于车对车通信。智能交通系统作为一个安全应用程序，通过VLC，可以与汽车和交通灯上的传感器集成工作。关于智能交通系统的一些研究表明，交通灯和车辆之间的汽车安全应用的覆盖范围可达40 m。

（3）远程医疗：未来6G的主要服务用例之一是远程医疗。在远程医疗服务中安全和保障是至关重要的，VLC可以为数据传输和监控系统提供方案技术支持。一些生物医学数据，如心电图、血压、脑电图和心电图，是由OOK调制的，OOK可以通过LED传输。

（4）水下通信：RF通信技术用于水下通信时存在一些缺点，如海水中的趋肤效应、有限的穿透深度和高传输功率要求。与RF相比，VLC的优点之一是VLC光能够传播到水中，这使得VLC能够实现深海通信探测，有利于扩大6G网络的覆盖范围，帮助构建空天地海一体化网络。水下VLC通常使用LED与LD，与LED相比，LD可以实现更长的传输距离与更高的数据速率。水下的复杂环境对VLC信道的建模提出了挑战，另外还需要对水下VLC系统进行设计以实现更高的数据速率。

（5）定位系统：未来6G网络需要精确且成本低的定位系统，满足高速移动与大规模覆盖的应用场景。基于VLC的室内定位系统具有较高的精确性，VLC定位系统采用低成本LED器件进行室内定位及室内宽带通信，具有成本低、无辐射、易于安装等特点。

2.1.4 VLC与RF系统的对比

在相同的高精度百分比下，VLC在入射角和光束宽度方面提供了更大的灵活性。就物理尺寸而言，VLC收发器预计要小得多，因为它只需要一个功率分配器。由于VLC光波比RF系统中使用的RF波具有更高的频率，VLC的工作距离和范围将比RF的工作距离和范围小，但是VLC的功耗比RF更低。VLC系统具有一定的抗电磁干扰的能力，VLC在传播过程中几乎不产生电磁辐射，为电磁干扰敏感设备或环境提供了一种合适的无线通信方式。在射频频段，信号可以很容易被非目标接收器跟踪。在VLC中，光的波长很短，受到方向性和衰减效应的影响，只能在特定区域被接收，这保证了信息的保密传输。与传统光源相比，LED具有更高的电光转换效率。LED在照明的同时提供通信服务，在一定程度上可以节省能源。与射频蜂窝网络相比，VLC系统可以获得更大的频谱效率增益。与RF相比，可见光的另一个优点是频谱的大小。无线电波段由每个国家管制，并由国际电信机构协调，频谱的分配受到较大的限制。相比之下，可见光的频谱是完全自由的，在商界或学术界的使用更灵活便捷。但是可见光容易受到许多其他光源的干扰，包括人造光源如白炽灯和荧光灯，自然光源如阳光，这些光源可能会给VLC系统的部署带来巨大的挑战。可见光与RF系统的特点对比见表2.1。