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電気通信において、可視光通信（VLC ）とは、可視光（周波数400～800THz 、波長780 ～ 375nmの光）を伝送媒体として利用する技術である。VLCは光無線通信技術の一種である。
この技術は、蛍光灯（特殊な通信機器ではなく、通常のランプ）を使用して10 kbit /sの速度で信号を送信するか、短距離であれば最大500 Mbit/sの速度でLEDを使用します。RONJAなどのシステムは、1～2キロメートル（0.6～1.2マイル）の距離でイーサネットのフルスピード（10 Mbit/s ）で送信できます。
一般的にフォトダイオードを含む特別に設計された電子機器は光源からの信号を受信しますが、[ 1 ]場合によっては携帯電話のカメラやデジタルカメラで十分です。[ 2 ]これらの機器で使用されるイメージセンサーは実際にはフォトダイオード（ピクセル）のアレイであり、一部のアプリケーションでは単一のフォトダイオードよりもその使用が好まれる場合があります。このようなセンサーは、マルチチャンネル（最小1 ピクセル ＝1 チャンネル）または複数の光源の空間認識を提供できます。[ 1 ]
VLCは、光を生成するデバイス（屋内/屋外ランプ、テレビ、交通標識、商業ディスプレイ、自動車のヘッドライト/テールライト[ 3 ]など）があらゆる場所で使用されているため、ユビキタスコンピューティングの通信媒体として使用できます。[ 2 ]
VLCの主な特徴の1つは、光が物理的な不透明な障壁を越えられないことです。この特徴は、物理的な物体からの干渉を受けやすいため、VLCの弱点とみなすことができますが、同時に多くの強みの1つでもあります。電波とは異なり、光波は伝送される閉鎖空間に閉じ込められるため、その信号の受信機が伝送が行われている場所に物理的にアクセスする必要があるという物理的な安全障壁が設けられます。[ 4 ]
VLCの有望な応用例の一つに、屋内測位システム（IPS）があります。これはGPSのアナログであり、GPS衛星からの電波が届かない閉鎖空間で動作するように設計されています。例えば、商業ビル、ショッピングモール、駐車場、地下鉄、トンネルシステムなどは、VLCベースの屋内測位システムの適用可能な場所となります。さらに、VLCランプがデータ伝送と同時に照明機能も備えれば、従来の単機能ランプの設置場所を置き換えるだけで済むようになります。
VLCの他の用途としては、スマートホームやスマートオフィスの機器間の通信が挙げられます。IoT対応デバイスの増加に伴い、従来の電波による接続は干渉を受ける可能性があります。[ 5 ] VLC機能を備えた電球は、そのようなデバイスにデータやコマンドを送信できます。
可視光通信の歴史は、1880年代にワシントンD.C.で、スコットランド生まれの科学者アレクサンダー・グラハム・ベルが、変調された太陽光を利用して数百メートルにわたって音声を送信するフォトフォンを発明したことに遡る。これは、ラジオによる音声伝送よりも前のことである。
より最近の研究は、2003年に日本の慶應義塾大学中川研究室で、LEDを用いて可視光でデータを送信することから始まった。それ以来、VLCに焦点を当てた研究活動が数多く行われている。
2006年、ペンシルベニア州立大学のCICTRの研究者らは、屋内アプリケーション向けにブロードバンドアクセスを提供するために、電力線通信（PLC）と白色LEDの組み合わせを提案した。 [ 6 ]この研究は、VLCが将来的に完璧なラストマイルソリューションとして展開される可能性があることを示唆した。
2010年1月、ベルリンのシーメンスとフラウンホーファー電気通信研究所、ハインリッヒ・ヘルツ研究所の研究者チームは、白色LEDを使用して5メートル（16フィート） の距離で500 Mbit/sの伝送を実証し、5つのLEDを使用してより長い距離で100 Mbit/sの伝送を実証した。[ 7 ]
VLCの標準化プロセスは、IEEE 802.15.7ワーキンググループ内で実施される。
2010年12月、ミネソタ州セントクラウド市はLVX社と契約を締結した。ミネソタ州は、この技術を商業的に展開した最初の州となった。[ 8 ]
2011年7月、 TED Global [ 9 ]でのプレゼンテーションでは、標準的なLEDランプから高解像度ビデオが送信されるライブデモンストレーションが行われ、VLC技術のサブセットを指す用語としてLi-Fiが提案されました。
近年、VLCベースの屋内測位システムが注目を集めている。ABIの研究によると、これは50億ドル規模の「屋内位置情報市場」を開拓する鍵となるソリューションとなる可能性があるという。[ 10 ]中川研究室[ 11 ] 、ByteLight社[ 12 ]が2012年3月にLEDデジタルパルス認識を用いた光測位システムの特許を出願[ 13 ] [ 14 ]、ペンシルベニア州立大学のCOWA [ 15 ] [ 16 ]、および世界中の他の研究者[ 17 ] [ 18 ]から論文が発表されている。
最近の別の応用例は玩具の世界であり、コスト効率が良く、複雑性が低い実装のおかげで、必要なのはマイクロコントローラ1つと光学フロントエンドとしてのLED1つだけです。[ 19 ]
VLCはセキュリティを提供するために使用できます。[ 20 ] [ 21 ]これらは特にボディセンサーネットワークやパーソナルエリアネットワークで役立ちます。
近年、有機EL（OLED）は、最大10 Mbit/sのVLC通信リンクを構築するための光トランシーバーとして使用されている。[ 22 ]
2014年10月、AxrtekはMOMOと呼ばれる双方向RGB LED VLC商用システムを発売した。MOMOは300 Mbit/sの速度で上下にデータを送信し 、25フィートの範囲を持つ。[ 23 ]
2015 年 5 月、フィリップスはスーパーマーケット企業のカルフールと提携し、フランスのリールにあるハイパーマーケットで買い物客のスマートフォンに VLC 位置情報サービスを提供しました。[ 24 ] 2015 年 6 月、中国の 2 社、光奇銀行と平安銀行が提携し、独自の可視光で情報を伝達する決済カードを導入しました。[ 25 ] 2017 年 3 月、フィリップスはドイツで買い物客のスマートフォンに VLC 位置情報サービスの最初の導入を行いました。この導入は、デュッセルドルフの EuroShop (3 月 5 日～9 日) で発表されました。ドイツで最初のスーパーマーケットとして、デュッセルドルフ・ビルクにある Edeka スーパーマーケットがこのシステムを使用しており、食品小売業の特別な要求を満たす 30 センチメートルの測位精度を実現できます。[ 26 ] [ 27 ] VLC [ 28 ]に基づく屋内測位システムは、病院、高齢者介護施設、倉庫、大規模なオープンオフィスなどの場所で、人の位置を特定したり、屋内ロボット車両を制御したりするために使用できます。
データ伝送に可視光を使用し、光源の強度変調を使用しない無線ネットワークが存在する。そのアイデアは、データ伝送に光源の代わりに振動発生器を使用することである。[ 29 ]
データを送信するには、光の変調が必要です。変調とは、異なるシンボルを表すために光信号が変化する形式のことです。データを復号するには、この変調が必要です。無線伝送とは異なり、VLC変調では、ランプの照明面を担う正の直流値を中心に光信号を変調する必要があります。したがって、変調は正の直流レベルを中心とした交互信号となり、人間の目には知覚できないほど高い周波数になります。[ 30 ]
このような信号の重ね合わせのため、VLC送信機の実装には通常、照明を提供するLEDバイアスを担う高効率、高出力、低応答速度のDCコンバータと、必要な交流電流変調を合成するための低効率、低出力、高応答速度のアンプが必要となる。
利用可能な変調技術はいくつかあり、主に3つのグループに分けられます。[ 31 ]シングルキャリア変調伝送（SCMT）、マルチキャリア変調伝送（MCMT）、パルスベース伝送（PBT）。
単一搬送波変調伝送は、無線などの従来型の伝送方式で確立された変調技術を採用している。光電直流レベルに正弦波を加えることで、デジタル情報を波の特性に符号化することが可能となる。特定の特性の2つまたは複数の異なる値の間で変調を切り替えることにより、それぞれの値に対応するシンボルが光リンク上で送信される。
可能な技術としては、振幅偏移変調（ASK）、位相偏移変調（PSK）、周波数偏移変調（FSK）がある。これら3つのうち、FSKは周波数切り替え時に多くのシンボルを容易に区別できるため、より大きなビットレートでの伝送が可能である。また、正弦波電圧の振幅と位相の両方を同時に変調して可能なシンボル数を増やす、直交振幅変調（QAM）と呼ばれる別の技術も提案されている。[ 30 ]
マルチキャリア変調伝送は、シングルキャリア変調伝送方式と同じ原理で動作しますが、データ伝送用に変調された 2 つ以上の正弦波を埋め込んでいます。[ 32 ]このタイプの変調は、合成と復号が最も難しく複雑な方式の一つです。しかし、受信機が送信機の直接の視界に入らないマルチパス伝送において優れた性能を発揮するという利点があります。マルチパス伝送では、伝送は他の障害物での光の反射に依存します。
パルスベース伝送とは、データを正弦波ではなくパルス波に符号化する変調技術を指します。周期的な平均値が常にゼロになる正弦波の交互信号とは異なり、高低状態に基づくパルス波は固有の平均値を持ちます。これにより、パルスベース伝送変調には主に2つの利点があります。
これらの重要な実装上の利点により、これらの調光可能な変調方式はIEEE 802.15.7で標準化されており、そこではオンオフキーイング（OOK）、可変パルス位置変調（VPPM）、カラーシフトキーイング（CSK）の3つの変調方式が規定されている。
オンオフキーイング方式では、LEDが繰り返しオンオフされ、パルス幅によってシンボルが区別されます。パルス幅が広いほど論理ハイ「1」、パルス幅が狭いほど論理ロー「0」を表します。データはパルス幅に符号化されるため、補正しないと送信された情報が調光レベルに影響を与えます。例えば、ハイ値「1」が複数含まれるビットストリームは、ロー値「0」が複数含まれるビットストリームよりも明るく見えます。この問題を回避するため、変調方式では、全体の明るさを均一にするために必要に応じてデータ期間に補償パルスを挿入する必要があります。この補償シンボルがないと、ちらつきが生じる可能性があり、これは望ましくありません。
補償パルスが追加されるため、この波形の変調はVPPMの変調よりも若干複雑になります。しかし、パルス幅に符号化された情報は容易に識別・復号できるため、送信機の複雑さは受信機の簡便さによって相殺されます。
可変パルス位置方式では、LEDを繰り返しオン/オフしますが、データ期間内のパルス位置にシンボルをエンコードします。パルスがデータ期間の直前にある場合、送信されるシンボルは論理ロー「0」に標準化され、論理ハイ「1」はデータ期間で終了するパルスで構成されます。情報はデータ期間内のパルス位置にエンコードされるため、両方のパルスは同じ幅を持つことができ、したがって補償シンボルは不要です。調光は送信アルゴリズムによって実行され、アルゴリズムがデータパルスの幅を適切に選択します。
補償パルスがないため、VPPMはOOKに比べて符号化がわずかに容易です。しかし、VPPM方式では復調がやや複雑になるため、その簡便さが相殺されます。この復調の複雑さは、主に各シンボルごとに異なる立ち上がりエッジで情報が符号化されることに起因しており、マイクロコントローラでのサンプリングが難しくなります。さらに、データ期間内のパルスの位置を復調するには、受信側が送信側と何らかの方法で同期し、データ期間の開始時刻と継続時間を正確に把握している必要があります。これらの特性により、VPPM信号の復調は実装がやや困難になります。
IEEE 802.15.7で規定されているカラーシフトキーイング（CSK）は、可視光通信（ VLC）用の強度変調方式です。CSKは強度ベースであり、変調された信号は、3つの（赤/緑/青）LEDの瞬時強度の物理的な合計に等しい瞬時色を帯びます。この変調信号は、シンボルからシンボルへと瞬時に異なる可視色を飛び越えるため、CSKは周波数シフトの一種と解釈できます。しかし、人間の視覚の時間的感度には限界があるため、送信される色のこの瞬時変化は人間には知覚できません。人間の視覚における「臨界フリッカー融合閾値」（CFF）と「臨界色融合閾値」（CCF）は、いずれも0.01秒より短い時間変化を識別できません。そのため、LEDの送信は、特定の時定数色に時間平均（CFFとCCFにわたって）するようにプリセットされます。人間は、時間的に一定に見えるこのあらかじめ設定された色しか知覚できず、時間とともに急速に変化する瞬間的な色を知覚することはできない。言い換えれば、CSK伝送は、シンボルシーケンスの色度が急速に変化しても、時間平均光束を一定に保つ。[ 33 ]