📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 11周: 🔭 太赫茲（THz）革命 × 光無線通訊 × 全雙工
6G 高频 × 光 × 激光鏈路的未來主戰場
106／150單元： VLC 可見光通訊 💡 室內高速通訊
Visible Light Communications (VLC): High-Speed Indoor Wireless for the 6G Era
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🎯 單元導讀
當 6G 進入「多域融合」時代（RF × THz × 光無線 × Space），
其中最容易落地、最便宜、最安全、最高效能的技術之一，就是：
⭐ VLC：可見光通訊（Visible Light Communication）
它直接利用：
✔ 室內 LED 照明
✔ LED 面板
✔ 車燈、街燈
✔ 顯示器
來傳送資料，達到：
🚀 Gbps 級 室內高速通訊。
VLC 最大亮點：
❗ 光無法穿牆 → 安全性高
❗ 許多場所本來就「必須開燈」→ 免費頻寬
❗ RF 擁塞環境（醫院、機場、工廠）非常適合
一句話：
💡 VLC 是 6G 室內高速通訊的「光纖級 Wi-Fi」替代方案。
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🧠 一、VLC 是什麼？
Visible Light Communication = 使用 400–700 nm 可見光範圍傳輸資料。
光源：
✔ LED（最常見）
✔ Micro LED
✔ OLED
✔ 雷射（Laser-based VLC）
接收器：
✔ 光電二極體（Photodiode, PD）
✔ APD（Avalanche Photodiode）
✔ CMOS 感光元件（像手機鏡頭）
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🧠 二、VLC 的核心物理：Intensity Modulation / Direct Detection (IM/DD)
VLC 不像 RF 那樣用 IQ 調變。
VLC 使用：
⭐ IM/DD（強度調變 / 直接偵測）
也就是：
• 透過光的「亮度（Intensity）」來傳遞資訊
• 接收器不看相位，只看光強度
系統模型：
y(t) = h · x(t) + n(t)
• x(t) = LED 發出的光強度
• y(t) = 光電二極體接收到的強度
• h = 光通道（LOS 為主）
• n(t) = 光雜訊（shot noise + thermal noise）
👉 VLC 訊號必須「非負」
👉 不存在負光強度 → 調變受到限制（需使用特別波形）
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🧠 三、VLC 通道模型（以 LOS 為主）
因為光幾乎不會繞射、散射少 → 通道極簡：
⭐ VLC = 幾乎純 LOS 通道
通道增益：
H_LOS = (m + 1) · A / (2 · π · d²) · cos^m(φ) · T_s(ψ) · g(ψ) · cos(ψ)
其中：
• m = Lambertian 指數（LED 擴散特性）
• A = 接收器面積
• d = 距離
• φ = 出射角
• ψ = 入射角
• Ts, g(ψ) = 濾光片 / 聚光器效應
VLC 極度方向性強 → 適合室內小區。
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🧠 四、VLC 調變方式（與 RF 完全不同）
因為 IM/DD
❗ 不能用 16QAM / 64QAM
❗ 相位調變不可行
可用的波形：
✔ (1) OOK（On-Off Keying）
最簡單，像「光版 QPSK」。
✔ (2) Pulse Amplitude Modulation (PAM)
特別是 4-PAM、8-PAM
→ VLC 常用
✔ (3) DCO-OFDM（直流偏移 OFDM）
為了解決負值問題，在 OFDM 加上 DC 讓所有子載波為正。
✔ (4) ACO-OFDM（奇子載波 OFDM）
利用奇次子載波避免負值。
PAPR 低於傳統 OFDM。
✔ (5) CAP、SC-FDE 延伸到光域
模仿 RF 的等化方式。
✔ (6) Laser-based VLC
可做:
🚀 10–100+ Gbps
用於未來 6G 室內 backbone。
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🧠 五、VLC 的五大優勢
✔ 1. GHz 級頻寬（LED switching speed）
→ 比 Wi-Fi 快得多
→ 室內可達 1–10 Gbps
✔ 2. 高安全性（光無法穿牆）
→ 天然物理隔離
→ 比 Wi-Fi 更不易被偷聽
✔ 3. 無 RF 干擾
適合：
• 醫院
• 飛機
• 工廠
• 地鐵
• 半導體無塵室
✔ 4. 一燈多用
「照明 + 通訊」一起完成。
✔ 5. 低功耗、低成本
LED 本來就存在 → 不需額外基地台。
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🧠 六、VLC 的限制（為什麼不能完全取代 Wi-Fi？）
❗ 1. 光不能穿牆
隔間多的環境要部署更多光源。
❗ 2. 上行困難（UE 發光不實際）
需要：
• Red/IR LED
• RF 上行（Hybrid RF-VLC）
• 或 camera-based uplink
❗ 3. 陰影問題
人走過去會遮光 → 需 handover or multi-LED
❗ 4. 需要光線（不能完全黑暗）
需要 minimum illumination。
❗ 5. 光雜訊（sunlight interference）
太亮的陽光可讓 VLC 完全失效。
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🧠 七、VLC × AI-native：6G 的室內核心
AI 介入 VLC 可做：
✔ 1. AI channel estimation（LED 非線性可校正）
✔ 2. AI waveform generation（避免負值、降低 PAPR）
✔ 3. AI UE tracking（光束對準使用者）
✔ 4. AI hybrid RF/THz/VLC switching（多域接取）
✔ 5. AI interference cancellation（室外光噪聲消除）
AI-native VLC 是 6G 的主力室內技術。
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🧠 八、ASCII：VLC 系統示意圖
Ceiling LED AP
💡
| (Visible Light Downlink)
|
+--------+
| UE | ← Photodiode
+--------+
Upstream (options):
- IR LED
- Camera uplink
- RF fallback
此示意圖說明 可見光通訊（VLC）系統的基本架構：天花板上的 LED 照明同時扮演接入點（AP），將資料調變在可見光強度上，形成向下照射的 Visible Light Downlink；使用者設備（UE）端則以 光電二極體（Photodiode） 接收光強變化並轉換為電訊號。由於光幾乎不繞射、以直視路徑（LOS）為主，VLC 通道結構單純、干擾可控，特別適合室內高速、低多徑的無線資料傳輸場景。
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🧠 九、模擬題
1️⃣ 模擬 OOK / 4-PAM / DCO-OFDM 在 VLC 通道的 BER 差異。
2️⃣ 計算不同 Lambertian 指數 m 對覆蓋範圍的影響。
3️⃣ 模擬 sunlight noise 對 VLC SNR 的干擾。
4️⃣ 建立 VLC × Wi-Fi hybrid 系統的 handover 策略。
5️⃣ 用 AI 設計 VLC waveform，使其符合 IM/DD 限制（非負）。
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🧠 十、小結
✔ VLC 是 6G 室內通訊的核心候選
✔ 高速、安全、不干擾
✔ LED 無所不在 → 部署成本低
✔ 調變需遵守 IM/DD → 特別波形
✔ 陰影、上行、光噪聲是最大挑戰
✔ AI-native 將推動 VLC 與 THz / Wi-Fi 融合
一句話：
💡 VLC 不是 Wi-Fi 的替代品，而是 6G 室內高速網路的「第二條光速高速公路」。
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