可見光通訊的挑戰與潛力：技術現狀分析

1. 緒論

可見光通訊代表無線通訊技術的典範轉移，它利用白光 LED 同時進行資料傳輸與照明。此技術解決了傳統射頻系統的限制，特別是在室內環境中，頻寬需求正呈指數級增長。

其基本原理涉及以人眼無法察覺的高速調變 LED 光線，從而實現照明與通訊的雙重功能。隨著全球逐步淘汰白熾燈泡以及 LED 照明的快速普及，VLC 提供了一個獨特的機會，可以利用現有基礎設施進行通訊。

2. VLC 系統概述

VLC 系統包含三個主要元件：發射器、接收器和調變方案。每個元件在確保可靠通訊的同時，也對維持照明品質至關重要。

3. VLC 面臨的挑戰

4. 潛力與優勢

5. 技術分析

VLC 系統的效能可以使用幾個關鍵數學模型進行分析。接收端的訊號雜訊比由下式給出：

$SNR = \frac{(R P_r)^2}{\sigma_{shot}^2 + \sigma_{thermal}^2}$

其中 $R$ 是光偵測器的響應度，$P_r$ 是接收到的光功率，$\sigma_{shot}^2$ 是散粒雜訊變異數，$\sigma_{thermal}^2$ 是熱雜訊變異數。

視線鏈路的通道直流增益表示為：

$H(0) = \frac{(m+1)A}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$

其中 $m$ 是朗伯階數，$A$ 是偵測器面積，$d$ 是距離，$\phi$ 是輻照角，$\psi$ 是入射角，$T_s(\psi)$ 是濾波器透射率，$g(\psi)$ 是聚光器增益。

資料速率容量可以使用適用於光通道的夏農容量公式估算：

$C = B \log_2\left(1 + \frac{SNR}{\Gamma}\right)$

其中 $B$ 是頻寬，$\Gamma$ 是考量調變與編碼限制的 SNR 間隙因子。

6. 實驗結果

本文展示了證明 VLC 能力的實驗結果：

7. 分析框架範例

為了系統性地評估 VLC 系統效能，我們提出以下分析框架：

8. 未來應用與發展方向

VLC 技術的未來不僅限於基本的室內通訊：

9. 參考文獻

1. Jha, P. K., Mishra, N., & Kumar, D. S. (2017). Challenges and potentials for visible light communications: State of the art. AIP Conference Proceedings, 1849, 020007.
2. Haas, H., Yin, L., Wang, Y., & Chen, C. (2016). What is LiFi? Journal of Lightwave Technology, 34(6), 1533-1544.
3. Kahn, J. M., & Barry, J. R. (1997). Wireless infrared communications. Proceedings of the IEEE, 85(2), 265-298.
4. IEEE Standard for Local and metropolitan area networks–Part 15.7: Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light. (2011). IEEE Std 802.15.7-2011.
5. Zhu, X., & Kahn, J. M. (2002). Free-space optical communication through atmospheric turbulence channels. IEEE Transactions on Communications, 50(8), 1293-1300.
6. Islim, M. S., & Haas, H. (2016). Modulation techniques for LiFi. ZTE Communications, 14(2), 29-40.
7. Wang, Y., Wang, Y., Chi, N., Yu, J., & Shang, H. (2013). Demonstration of 575-Mb/s downlink and 225-Mb/s uplink bi-directional SCM-WDM visible light communication using RGB LED and phosphor-based LED. Optics Express, 21(1), 1203-1208.
8. O'Brien, D. C., Zeng, L., Le-Minh, H., Faulkner, G., Walewski, J. W., & Randel, S. (2008). Visible light communications: Challenges and possibilities. 2008 IEEE 19th International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications.
9. Goodfellow, I., Pouget-Abadie, J., Mirza, M., Xu, B., Warde-Farley, D., Ozair, S., ... & Bengio, Y. (2014). Generative adversarial nets. Advances in Neural Information Processing Systems, 27.
10. MarketsandMarkets. (2021). Visible Light Communication Market by Component, Application, and Geography - Global Forecast to 2026. Market Research Report.