“光”景無限好

文/劉榮 陳碩

“光”景無限好

文/劉榮 陳碩

LED可見光通信無需頻譜使用許可證，能很好地解決當(dāng)前全球無線頻譜資源嚴(yán)重短缺的狀況，而且它的覆蓋范圍相當(dāng)廣泛，有LED的地方將來就會有通信

光在人類的生活中無處不在，利用光來傳遞信息的歷史也可以追溯到三千多年前。那時(shí)的人們已經(jīng)懂得應(yīng)用火光傳遞信號，大大小小的烽火臺就是信號的發(fā)射源；1880年，貝爾利用太陽光作光源，以大氣為傳輸介質(zhì)，用硒晶體作為光接收器件，成功進(jìn)行了光電話實(shí)驗(yàn)，通話距離最遠(yuǎn)達(dá)到了213米……由此可見，有關(guān)可見光通信的設(shè)想并不是異想天開。

不久前，英國可見光通信研究被《時(shí)代周刊》評選為2011年度全球50大科技發(fā)明之一，而在我國，基于LED可見光通信的智能家居系統(tǒng)和上網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)在上海世博會和廣州高新技術(shù)展示會上亮相，吸引了大批觀眾的目光，并引起了觀眾的好奇：燈光在提供照明的同時(shí)，是怎么實(shí)現(xiàn)通信功能的呢？

近日，本刊記者帶著疑問，采訪了國家“千人計(jì)劃”特聘專家、清華大學(xué)無線光信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任徐正元教授。

為什么是LED

通信對于人類生活正變得越來越普遍和重要，其技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步都會引來我們的關(guān)注。光纖通信、無線通信、寬帶、Wi-Fi等通信方式是我們所熟悉的，但當(dāng)?shù)谝淮温犝fLED燈也能用來通信時(shí)，除了感覺新鮮，更多的是驚訝和好奇。在白熾燈、節(jié)能燈、日光燈等眾多照明設(shè)備中，為什么只有LED燈具有通信的功能呢？

徐正元告訴記者，衡量某個(gè)設(shè)備是否適合作為通信設(shè)備的要求有很多，響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)速度是其中兩個(gè)非常關(guān)鍵的基本要求。響應(yīng)時(shí)間過長、響應(yīng)速度太慢，設(shè)備信息加載的能力肯定有限，就不適合通信。白熾燈、日光燈等傳統(tǒng)燈具本身在開燈的過程中，反應(yīng)時(shí)間相對較長，如果再加入信號的話，響應(yīng)時(shí)間一定會被延長，能夠夾帶的信號量很有限，用它們作為信號發(fā)射源，受到的限制就會比較大。

但LED就不一樣。LED屬于半導(dǎo)體照明器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料和制作機(jī)理等都與傳統(tǒng)燈具不同，其特殊性也決定了LED燈的響應(yīng)速度比較快?！癓ED的響應(yīng)速度如果換算成帶寬，大概能夠達(dá)到10兆赫茲。在這種高響應(yīng)速度和高帶寬的條件下，只要將LED燈與信息源相連，就能使LED燈在發(fā)光的同時(shí)，將信息傳輸?shù)较鄳?yīng)空間?！毙煺f，“可能其它燈具也能實(shí)現(xiàn)信息傳遞，但速率很低，目前只有LED燈的通信性能能夠達(dá)到要求?！?/p>

此外，在國家“綠色照明工程”的推動(dòng)下，上海、大連、南昌、廈門和深圳等地相繼形成了半導(dǎo)體照明工程產(chǎn)業(yè)化基地，LED逐漸成為照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展核心。前不久，國家發(fā)展改革委、商務(wù)部、海關(guān)總署、國家工商總局、國家質(zhì)檢總局聯(lián)合印發(fā)《關(guān)于逐步禁止進(jìn)口和銷售普通白熾燈的公告》，決定用5年時(shí)間，按照功率大小分階段逐步淘汰普通照明白熾燈，這將會給LED燈的普及帶來巨大的發(fā)展空間，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)LED通信技術(shù)奠定了基礎(chǔ)條件。

實(shí)驗(yàn)室部分成員合影

LED怎么通信

眾所周知，光纖通信中光纖就像一根管道，信息就在這個(gè)管道里進(jìn)行傳輸，那么LED通信中，信息傳遞是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

徐正元說：“以室內(nèi)LED照明為例，信息可能來源于光纖、某個(gè)無線基站、電話線或者電力線通信等，這些信息進(jìn)入房間里的LED燈上后，LED燈就會把信息加載到照明光上進(jìn)行信息傳輸?！睙艄庠诳諝庵袀鬏旑愃朴诠饫w通信中信息在光纖中傳輸，而要想知道光是否載有信息，只需觀察光強(qiáng)明暗變化即可，但前提要保證這種變化不會影響正常的照明。徐正元表示，由于傳輸?shù)男畔⒘勘容^大且速度非常快，人眼不會感覺到明暗變化，但探測器能夠分辨出來。

但是，光線是散亂且多方向的，在光源和探測器之間可能存在許多條不同的光路，探測器是否都能探測到呢？徐正元表示，根據(jù)照明需求，LED光的發(fā)散角可達(dá)到60°～120°不等，目前沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。對于照明來說，不同地點(diǎn)、不同角落對燈的照度要求都不一樣，但探測器的大小卻是有限的，這就需要一個(gè)透鏡系統(tǒng)，將光線聚集到探測器上。徐正元說：“我們小時(shí)候都做過一個(gè)實(shí)驗(yàn)，利用放大鏡將太陽光聚集到一個(gè)點(diǎn)上，就能點(diǎn)燃樹葉。光學(xué)透鏡系統(tǒng)類似聚光鏡。它能將LED發(fā)散的光匯集到探測器上，探測器再將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，進(jìn)行后續(xù)的信號處理或信息提取?！?/p>

此外，墻壁、地板、天花板等反射的光也會對通信的性能產(chǎn)生一定影響，徐正元表示，目前團(tuán)隊(duì)正在想辦法消除這些反射光的不良影響，將其充分利用起來。

徐正元還表示，LED通信沒有光纖傳輸?shù)睦€、布網(wǎng)等繁瑣環(huán)節(jié)，只要在LED照明范圍內(nèi)的自由空間都可以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信。目前常用的無線射頻通信中的射頻信號會對人體造成一定傷害，且容易對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，不易在電磁敏感區(qū)使用，但LED可見光通信則沒有這些問題，并且安全性很高，如果不想信息泄露至室外，只用將光線遮住即可。

LED通信用于哪兒

對于LED通信的應(yīng)用前景，徐正元顯得很自信。他說：“LED可見光通信無需頻譜使用許可證，能很好地解決當(dāng)前全球無線頻譜資源嚴(yán)重短缺的狀況，而且它的覆蓋范圍相當(dāng)廣泛，有LED的地方將來就會有通信，實(shí)現(xiàn)LED的信息化勢不可擋?！?/p>

徐正元說，LED通信有著不可替代的泛在性，能夠?qū)Ξ?dāng)下無線通信覆蓋盲區(qū)進(jìn)行填補(bǔ)，在醫(yī)院、機(jī)艙、礦井等無線受限場合或地鐵、隧道、水下等無線信號衰減很大的環(huán)境下以及用戶高度密集等無線通信非常不通暢的場所使用LED光源進(jìn)行通信，將會是很好的選擇，而在室內(nèi)照明環(huán)境下通過LED燈進(jìn)行高速網(wǎng)絡(luò)接入的應(yīng)用前景也很樂觀。

眾所周知，為防止引起瓦斯爆炸，在礦井下工作的人員是不允許通電話的，要想傳遞信息只能跑到特定的巷道，用專門的電話通信，而如果一旦發(fā)生礦難，巷道封閉，井下與井外的通信必定會中斷。徐正元表示，如果礦工頭盔上裝配的是LED燈，就能實(shí)現(xiàn)彼此間的通訊，或者通過隧道兩側(cè)照明燈內(nèi)特定發(fā)射和探測裝置，也能實(shí)現(xiàn)與井外的通信?！癓ED通信技術(shù)除了簡單的通信聯(lián)絡(luò)功能之外，還能對礦工所處的位置進(jìn)行定位和反饋，遇到礦難等突發(fā)狀況，外界還能第一時(shí)間獲知礦工在井下的具體位置，對加快救援速度起到重要的作用，能有效保證礦工的生命安全?！毙煺f。

除了在家庭、特殊環(huán)境下運(yùn)用外，LED通信還可以在大型復(fù)雜場所、建筑物內(nèi)等環(huán)境，實(shí)現(xiàn)掌上移動(dòng)終端的定位和導(dǎo)航。在這些環(huán)境內(nèi)，每一盞小小的LED燈如同一個(gè)個(gè)小衛(wèi)星，可以作為提供定位信息的位置傳感器。比如消費(fèi)者如果在商場內(nèi)找不到需要的貨物，可以通過手上的終端接收“小衛(wèi)星”發(fā)布的信息，鎖定商品位置，同時(shí)還能將最新商品和折扣信息傳給消費(fèi)者，極大地方便了顧客購物。

如今越來越多的車輛也開始使用LED燈，這樣一來，車與車之間、車與交通信號燈之間就能通過LED實(shí)現(xiàn)通信?！叭绻麑ED光源裝配在車身周邊，就能讓汽車通過LED車燈與外界通信聯(lián)系，司機(jī)在駕駛過程中可以獲取最及時(shí)的交通、道路或位置信息，并增強(qiáng)駕車的安全性?！毙煺f。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)考慮將LED通信技術(shù)在汽車電子行業(yè)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，我國目前正處于研發(fā)初級階段，將來一定能在汽車上普及。

徐正元認(rèn)為，LED通信綠色節(jié)能，安全環(huán)保，抗電磁干擾能力強(qiáng)，同時(shí)可以利用已有照明基礎(chǔ)設(shè)施，減少了專門鋪設(shè)的成本。他說：“作為一種新型無線通信手段，泛在性、廣覆蓋性等優(yōu)勢為LED通信的發(fā)展提供了無限可能的空間。”

左圖：徐正元(右二)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)

發(fā)展前景喜人

科學(xué)界對于可見光通信的研究始于上世紀(jì)70年代，但直至最近5至10年，可見光通信研究才逐漸成為研究熱點(diǎn)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)近期是由香港大學(xué)電子工程系一位教授于1998年提出，并在日本KEIO大學(xué)教授的研究下不斷發(fā)展。據(jù)了解，目前德國一家公司宣稱他們的可見光通信能夠達(dá)到500Mbps的傳輸速度，相當(dāng)于每秒大概傳輸20首MP3歌曲，而另一家公司也計(jì)劃在明年初上市能夠提供每秒100Mbps傳輸速度的可見光無線路由器。隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的發(fā)展，可見光通信技術(shù)研究也獲得了新的動(dòng)力。

右圖：徐正元給學(xué)生授課

但徐正元也指出了目前存在的問題和不足。他表示，LED的高效照明技術(shù)目前的商業(yè)應(yīng)用水平還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到極限效率，而開展LED光通信的科技研發(fā)，高速高效LED器件及通信技術(shù)也是當(dāng)下LED信息化發(fā)展所面臨的問題。

此外，光線具有易遮擋性，一旦被遮擋傳播就會中斷，信息傳播也會隨之中斷，要保證信息正常傳輸，還得借助光學(xué)、電路等其他手段輔助信息傳播。徐正元舉例說：“如果屋內(nèi)有三盞平行放置的燈都在發(fā)布信息，而其中一盞燈的光線被擋住了，但只要不是所有光線都被遮住，探測器依然能夠探測到信號，所以可以通過合理的空間布局，彌補(bǔ)光的這個(gè)缺點(diǎn)。”

近年來，歐美日韓等發(fā)達(dá)國家都在加緊研制和發(fā)展LED可見光通信，在某些方面達(dá)到了較高的技術(shù)水平。在國家的重視和科研人員的努力下，我國不但掌握了LED可見光通信技術(shù)，而且也有了一些實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)，正處于產(chǎn)業(yè)化前夜。但這離國際先進(jìn)水平還有一定距離，仍然需要更多科研人員投入其中，為我國可見光通信的長遠(yuǎn)發(fā)展出謀劃策。這也是徐正元放棄美國優(yōu)越的工作環(huán)境，毅然回國的目的之一。

徐正元自1999年在美國史蒂文斯理工學(xué)院無線通信專業(yè)獲得博士學(xué)位后，便開始從事與光相關(guān)的研究工作。2009年左右他牽頭創(chuàng)立了美國加州大學(xué)泛在光通信研究中心，并擔(dān)任中心主任，在可見光通信研究領(lǐng)域已經(jīng)小有成就。但是，在了解到國內(nèi)該領(lǐng)域仍然處于研究的初期后，徐正元便放棄美國優(yōu)厚的工作和生活條件，回國開展無線光通信研究，并在清華大學(xué)成立了無線光信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。他說：“清華大學(xué)是我的母校，我也希望回到母校發(fā)揮我的專長，與國內(nèi)其它單位一起為可見光通信研究作一點(diǎn)貢獻(xiàn)，開辟出我國在該領(lǐng)域的新天地。”

為推動(dòng)我國LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展，降低能源消耗，國家已經(jīng)啟動(dòng)了“十城萬盞”照明工程，涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個(gè)發(fā)達(dá)城市，國家對LED的支持是毋庸置疑的。在徐正元心中，他已經(jīng)勾畫了一副LED光通信發(fā)展的美好藍(lán)圖。他希望未來可以開發(fā)一些LED通信的特色應(yīng)用，在解決照明的基礎(chǔ)上能夠賦予LED通信等更多的附加功能，提高其信息化的程度，讓LED技術(shù)更好地服務(wù)大眾的生活。

徐正元認(rèn)為，增加LED的附加功能與LED發(fā)展是相輔相成的，賦予LED更多的附加功能，能夠促進(jìn)我國LED產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；茝V，而規(guī)模的擴(kuò)大也會使照明市場相應(yīng)擴(kuò)大，這也會推動(dòng)LED通信技術(shù)的發(fā)展，使LED信息化應(yīng)用更加廣泛。同時(shí)，徐正元還希望在五年或幾年之后，能夠在我國見到與照明產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合的LED通信產(chǎn)業(yè)，并能形成有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、有中國特色、有規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈。他說：“LED可見光通信技術(shù)的發(fā)展必然會使我們的生活更舒適、更便捷，也能為無線通信的發(fā)展提供新的解決方案，LED光通信將會有著無限美好的光景?！?/p>

徐正元，清華大學(xué)電子工程系教授，無線光信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室主任，博士生導(dǎo)師，國家中組部第三批“千人計(jì)劃”特聘專家，國家海外杰出青年科學(xué)基金獲得者。

在無線光領(lǐng)域，主要從事基于LED綠色節(jié)能照明和顯示的泛在無線光信息理論、技術(shù)、實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用系統(tǒng)研究，其成果可應(yīng)用于泛在寬帶無線光網(wǎng)絡(luò)、傳感、成像、定位導(dǎo)航、無線射頻受限條件下的通信等領(lǐng)域。除可見光系統(tǒng)外，涵蓋紅外和紫外光譜的寬光譜無線光信息系統(tǒng)也是其研究重點(diǎn)。在無線射頻領(lǐng)域，徐正元主要從事多用戶無線通信理論與技術(shù)、超寬帶、網(wǎng)絡(luò)、定位等研究。