一般無線傳輸如Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術多採用2.4GHz波段，極易受到干擾，而可見光通訊技術不會有電磁干擾問題，能夠透過室內常見的LED燈進行聯網，還具備保密、室內定位等發展優勢。
由於發光二極體(Light-Emitting Diode, LED)為室內常見的燈具，僅須加裝可見光通訊(Visible Light Communication, VLC)模組即可提供上網，且LED發光頻段無需昂貴的頻譜授權(License Free)，具備成本效益優勢，日後只要有LED燈的地方，就可以達到聯網的功能。
另外，LED不具有電磁干擾(EMI)效應，所以LED可見光通訊可用於醫院、機場等特殊環境內，又因為照明的角度與範圍具有局限性，傳輸訊號不具穿透性，因此適合需要保密的會議室通訊、低電磁波之場所，像是醫院、機場等。
新開發的LED可見光通訊技術，將可見光通訊模組裝置在LED燈具上，透過照明的光提供約60Mbit/s傳輸容量，以提供觀看高畫質影片等寬頻上網的服務，使得LED燈具兼具節能照明與智慧通訊的特色，可達到室內定位功能，提供室內導航、服務人員位置管理、與手機結合達到賣場定位服務等商業應用。
認識可見光通訊技術
隨著製程技術的逐漸進步，LED的普及率也日漸高升，以LED作為訊號光源的資料傳輸系統(Light Fidelity, Li-Fi)開始吸引全球目光，也吸引全球各研究機構與新創公司投入創新應用。
就基本架構而言，Li-Fi主要由光源、訊號調變解調器與檢光器組成，利用LED可快速開關的特性使傳輸速率大幅躍升，然而僅利用LED的特性還不足以讓Li-Fi具有競爭力，仍必須搭配其他提高傳輸速率的方法才能達成。在建構成本、傳輸速率與傳輸距離間具有抵換關係下，如何有效率地提升傳輸速率成為重點。
在LED光通訊頻段上，由於是在較高頻段的部分(圖1)，從400T∼790THz(380∼780奈米)為系統中可見光光譜範圍，相較於紫外光和紅外光，可見光對人體眼睛較無太大害處。
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| 圖1 可見光通訊頻譜與波段範圍 |
可見光通訊光源大體可以分為擴散系統和直視性系統(Line of Sight, LoS)，前者主要透過LED，採用擴散光束涵蓋廣泛的服務範圍，後者採用收斂的光束，例如紅光雷射或藍綠光雷射等，並可建立長距離、更高速的傳輸速率。此系統應用皆有一個缺點，那就是光源一旦被遮蔽就無法通訊，但同時也造就其具備保密性的特點。
可見光通訊具有LoS的特點，因此用戶可透過控制可見光的行進方向進行選擇安全的通訊環境，同時光不具穿透特性，使得他人無法竊取傳輸資料，藉此達到實體隔離的資料保密功效。
雖然可見光通訊的光源隨手可得，又具備超大頻寬與保密的效果，但是相較於現今射頻(RF)無線通訊，它仍處在新興的開發階段，面對已經相當成熟的RF無線通訊技術挑戰仍然很多，若能有效使用在特殊利基場域做出區隔性，可見光通訊將有機會可以開拓不一樣的藍海市場。
可見光通訊潛力大 國際競相投入研究
針對可見光通訊技術的發展，世界各國皆投入不少人力資源進行研究，以下分別加以介紹。
日本於2003年11月成立VLCC(Visible Light Communication Consortium)，並於2014年5月變更為VLCA(Visible Light Communications Association)。主要以研究、制定標準和開發可見光通訊系統，以手機影像感測器(CMOS Image Sensor)為主的光ID系統為主。主要成員包含恩益禧(NEC)、松下(Panasonic)、東芝(Toshiba)、豐田(Toyota)、索尼(Sony)、三星(Samsung)、卡西歐(Casio)、富士(Fuji)、夏普(Sharp)。
在中國大陸方面，2013年9月，珠海華策集團斥資20億人民幣研究LED白光通訊；2013年10月，復旦大學計算機科學技術學院發展LED可見光通訊技術在實驗室成功實現，透過一盞1瓦(W)的LED燈，燈光下的四台電腦即可上網，最高速率可達3.25Gbit/s，平均上網速率達到150M，堪稱世界最快的「燈光上網」；2013年12月，重慶成為可見光技術推廣應用試點城市。2014年9月在廣東成立固態照明創新中心，並籌組C-VLCA(Chinese Visible Light Communications Alliance)聯盟，主要制定可見光通訊創新應用與系統開發為主。
英國則在2012年由哈斯創業成立pureLiFi公司(其前身是pureVLC)，致力於發展商用可見光通訊平台，在2013年9月表示Li-Fi技術不一定要視線內傳輸，透過光線反射也可以進行傳輸；實驗過程從原先單色LED傳輸速率2Gbit/s進而提升至3.5Gbit/s。並在2014年1月CES上發表第一個實機展示的系統稱為Li-1st，在3公尺距離內實現全雙工光學傳輸，上下行均速為5Mbit/s，2016年在全球行動通訊大會(MWC)中發表一款微型通用序列匯流排(USB)型式的可見光接收模組，透過全雙工通訊技術，傳輸距離約5公尺，速率可達雙向40Mbit/s。
而美國COWA(Center on Optical Wireless Applications)主要發展通訊網路，定位系統與遠端感測應用服務做為研究開發重點，成員包含AOC Technologies、Corning、波音(Boeing)、Oberon、OIT Lab、TM R&D、ZTE、NEC Lab、Lockheed Martin等。
至於國際標準組織部分，IEEE 802.15.7r1目前仍為草案階段，預計2018年將發表，此部分主要以光網路為主分為以下兩大方向：
可見光通訊融合5G網路系統
接著說明可見光通訊融合5G網路系統，包含以下幾種類型：
優化正交頻分多工(OFDM)的可見光通訊的高吞吐量和降低峰值功率比(PAPR)、低延遲同步的OFDM可見光通訊架構、脈寬調變光OFDM、光空間調變的OFDM採用微發光二極體(Micro LED)。
多用戶多重輸入多重輸出(MIMO)可見光通訊速率最大化架構、大規模的LED陣列可見光通訊通訊架構、可見光通訊系統空間調變技術性能評估。
採用LED降壓驅動器對可見光通訊位元錯誤率性能的影響、Digital Colour Shift Keying可見光通訊系統、高效的無線光在訊號相關雜訊效應影響。
高速白光無線光通訊系統
以下介紹高速白光無線光通訊系統，共有兩種類型：
用於長距離螢光粉(Phosphor)可見光雷射技術、金屬氧化物半導體場效電晶體(CMOS)畫素(Pixel)接收器的分析、一個二維(2D)訊號空間有限頻寬光強通道、可見光通訊網路的光學干涉分析。
可見光通訊在蜂巢式網路車載系統、動態室內Li-Fi和RF混合系統、在自由空間光網路的小型基地台回程(Backhaul)通訊和電源設計。
技術發展迭獲突破 可見光通訊指日可待
工研院所研發的可見光通訊系統，主要以可見光定位管理系統和寬頻可見光系統設計與開發為主，透過場域驗證和關鍵演算法方式，擴大可見光通訊技術商業應用。
可見光定位管理系統解決無線傳輸干擾問題
定位系統早已經有多年研究，其中發展較成熟的全球定位系統(Global Positioning System, GPS)已經相當完善，但由於GPS訊號無法穿透室內，無法使用於室內定位，因此國際上也發展出其他種類的室內定位技術，如Wi-Fi、藍牙、ZigBee、可見光通訊等等。其中Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-Wave等等技術使用的是無線傳輸波段2.4GHz，此波段極易受到干擾，因此室內定位精準度多半難以達到1公尺的規格，此議題有待新興傳輸技術突破解決。
可見光通訊技術可以達到照明和通訊的融合，在系統應用上具有綠色節能效益、精準室內定位、無電磁波干擾、具網路安全、License-Free、解決無線頻譜不足的問題等優點。
另外，可見光視線特性使得定位精準度相較其他RF技術高，因此非常適合用於智慧醫院之定位、導航、導覽應用。此外不同場域所需技術融合也相當重要，此技術主要以可見光源為定位點，以廣播方式依室內照度傳遞至載具或使用者端，透過大範圍低功耗RF方式將接收光ID訊號傳回至遠端通訊伺服器(圖2)。
此系統依架構主要分為燈具端和使用者手機端，在設計上主要有三項技術須要突破，如下所示。
首先，在燈具端的部分，透過通訊模組整合燈具，除了將訊號載在光源上傳遞訊號外，還須維持光源穩定性，此外是解決光通道背景光源干擾、光衰和光源多重路徑等問題，這都須要透過通訊模組設計演算法的方式來解決。
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| 圖2 可見光定位管理系統 |
再者，為促使手機可有效接收可見光訊號，開發上將透過手機前、後的COMS Imgae Sensor鏡頭接收可見光訊號，目前現有手機的影格率(Frame Rate)為30fps，接收速率受限於此，然而，COMS Imgae Sensor接收光訊號會透過捲簾式快門(Rolling Shutter)機制，一次只會曝光一欄的畫素，藉由輪流曝光的方式，在1秒(s)時間內擷取一個完整的影格(Fram)，因此在設計上調變訊號，使得不同欄的畫素能夠擷取到不同的資料，將可大幅提升手機的接收速率。
最後，圖資部分主要依展示館資通所技術展區為主，再下載應用程式(App)之後即出現技術名稱和館內圖資，來賓可以依個人喜好選擇預看技術，圖資會導引此技術位置，到此攤位後再透過手機下載技術資料。
寬頻高速可見光通訊發展 指向性/免費頻譜是關鍵
螢光粉LED(Phosphor-LED)的傳輸速率低，主要限制在於LED頻寬小(<3MHz)。因此，為了克服頻寬限制，可利用密度更高之四通道傳輸(RGB+Violet)，並針對不同波長優化傳輸效能。此外，使用具高頻譜效益的OFDM調變技術與符元預載技術。
根據實驗結果，最大可用頻寬達170MHz。在經過傳輸距離0.75公尺、1.5公尺、2.25公尺以及3公尺後，提出之四通道傳輸可達到傳輸速率分別為3.142Gbit/s、3.807Gbit/s、3.733Gbit/s以及2.64Gbit/s，位元錯誤率(Bit Error Rate, BER)小於3.8×10-3(7% FEC)。
2016年工研院在研發高速可見光通訊技術上以Multi-color傳輸為主，首先，產生一個頻寬為170MHz的OFDM訊號，接著使用任意波形產生器(Arbitrary Waveform Generator, AWG)將數位的OFDM訊號轉成類比訊號，其後使用類比放大器與衰減器控制RGB LED之驅動能量，此類比訊號透過Bias-Tee與直流電源結合後驅動RGB LED，經由RGB LED直接調變為光的訊號分別經過0.75公尺、1.5公尺、2.25公尺以及3公尺的無線傳輸後，由一個PIN檢光器所接收，其後電訊號由一台即時示波器擷取後將數位訊號傳送到後續的數位訊號處理器(DSP)處理、解調與分析(如圖3所示)。
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| 圖3 Multi-color傳輸實驗設置 |
經過0.75公尺、1.5公尺、2.25公尺以及3公尺的無線傳輸後，訊噪比(SNR)與頻率的關係如圖4所示。由於不同的LED之間會因材料以及製成差異而有不同的性質，因此在此RGB+Violet LED皆經過各自不同的驅動電壓以及偏壓的調校，並以達到最大傳速率為目的。在實驗中，RGB+Violet LED的偏壓各自為2.3伏特(V)、3.3伏特、3.6伏特以及3.5伏特。而驅動電壓則固定約為4Vpp。
根據圖4結果，可以發現當傳輸距離為0.75公尺時，其RGB LED傳輸速率比較低(3.142Gbit/s)。而在傳輸距離增加為1.5公尺時(3.807Gbit/s)，RGB LED傳輸速率提升各自約29.9%、47%以及29.7%。此結果代表在0.75公尺的傳輸距離下，PIN檢光器是處於飽和的狀態，使得光訊號轉換為電訊號的轉換效率不佳，並且可能造成訊號的非線性失真，使傳輸速率下降。
在傳輸距離增加為2.25公尺時，RGB LED傳輸速率亦維持與1.5公尺時的結果相近(3.733Gbit/s)。然而，當傳輸距離增加到3公尺，因為接收光強度過低，傳輸速率下降到2.64Gbit/s。
為克服Phosphor-LED頻寬限制並提高傳輸速率，可使用RGB+Violet LED達成四通道傳輸，並針對不同波長的LED特性，個別優化其傳輸效能。為了妥善的使用有限的頻寬，可採用具高頻譜效益的OFDM調變技術，最大可用頻寬達170MHz。
在經過傳輸距離0.75公尺、1.5公尺、2.25公尺、以及3公尺後，提出之RGB+Violet LED可達到傳輸速率分別為3.142Gbit/s、3.807Gbit/s、3.733Gbit/s以及2.64Gbit/s，位元錯誤率小於3.8×10-3(7% FEC)。增加傳輸距離至2.25公尺時，有最高的傳輸效率，此現象可歸因於所使用之檢光器因光強度太高而造成飽和現象。
然而，當傳輸距離更進一步增加到3公尺時，因接收光強度下降，造成傳輸速率下降。因此綜觀上述兩種技術開發，透過光源可見/指向特性以及免費頻譜將是未來可見光通訊發展重要應用方向。
節能環保意識抬頭 有利可見光通訊推廣
由於國內照明和通訊產業蓬勃發展，且這兩種技術就在你我周遭，有效整合成為另一種新的通訊方式，不僅能夠有效提高產品創新性，同時還可以達到減碳效益。各國政府也陸續積極地淘汰鎢絲燈，之後室內、外照明將逐漸採用LED照明方式，而現今大多數室內百貨賣場，以及戶外交通號誌路燈，也逐漸變更為LED照明的模式。
因此，在節能環保趨勢下，未來利用LED可見光通訊將可利用廣大布建LED的優勢，進行照明、定位和通訊達到資訊聯網以及多螢高畫質影音互傳的應用，將可大幅提升國內LED和通訊應用價值。
然而，這之間存在許多通訊系統整合的議題，其中以新世代行動通訊網路(如4G)如何與短距無線通訊技術(如Wi-Fi、藍牙、ZigBee、Z-Wave、可見光通訊)互補共存以朝向萬物聯網(Internet of Thing, IoT)的目標最為重要。
(本文作者皆任職於工研院資通所，劉彥良為工研院資通所技術副理)