可見光通信： 有光就能上網(wǎng)

牛祿青

面對LED照明的大范圍應(yīng)用和可見光通信技術(shù)的不斷成熟，新的市場需求將噴薄而出，新的藍(lán)海正在招手

如今，人們用Wi-Fi上網(wǎng)早已司空見慣，可你聽說過Li-Fi（Light Fidelity）嗎？有燈光就能上網(wǎng)，這種看似天方夜譚的事情，正在由實驗室走向現(xiàn)實生活，可見光通信時代悄然來了。

可見光通信（Visible Light Communications） 是指利用可見光波段的光作為信息載體，不使用光纖等有線信道的傳輸介質(zhì)，而在空氣中直接傳輸光信號的通信方式，簡稱“VLC”。

普通的燈具如白熾燈、熒光燈（節(jié)能燈）不適合當(dāng)作光通信的光源，而LED燈非常適合做可見光通信的光源。可見光通信技術(shù)可以通過LED燈在完成照明功能的同時，實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，用戶可以方便地使用自己的手機、平板電腦等移動智能終端接收這些燈光發(fā)送的信息。該技術(shù)可廣泛用于導(dǎo)航定位、安全通信與支付、智能交通管控、智能家居、超市導(dǎo)購、燈箱廣告等領(lǐng)域，特別是在不希望或不可能使用無線電傳輸網(wǎng)絡(luò)的場合比如飛機上、醫(yī)院里更能發(fā)揮它的作用。

可見光通信兼顧照明與通信，具有傳輸數(shù)據(jù)率高、安全性強、無電磁干擾、節(jié)能、無需頻譜認(rèn)證等優(yōu)點，帶寬是Wi-Fi的1萬倍、4G的100倍，是理想的室內(nèi)高速無線接入方案之一。

可見光通信在全球已成為研究的熱點，特別是日本、歐洲和美國對可見光通信的研發(fā)極為重視，并取得了一定的進(jìn)展?？梢姽馔ㄐ旁谖磥淼耐ㄐ蓬I(lǐng)域中將會占據(jù)重要地位，并將大大地推動信息化社會的發(fā)展。

事件

中國啟動可見光通信產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用

2014年4月17日，位于河南平頂山市高新區(qū)產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)的河南中平川儀公司車間內(nèi)，全國近30家政府、企業(yè)、科研、高校機構(gòu)的相關(guān)人員，共同見證了一個神奇的時刻：中國可見光通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化在這里正式啟動，而其重要標(biāo)志就是河南中平川儀公司LED項目的正式投產(chǎn)。

啟動儀式現(xiàn)場，科研人員進(jìn)行了演示：天花板上有一個裝有芯片的LED燈，科研人員拿起同樣內(nèi)置芯片的礦燈帽進(jìn)行移動，計算機上就顯示出帽子的移動軌跡?！癓ED燈和礦燈帽之間的芯片形成信息交互，計算機能夠?qū)ΦV井下礦工進(jìn)行實時監(jiān)控、定位，如果礦工遇到危險，可隨時呼叫與地面取得聯(lián)系?！笨蒲腥藛T說。

作為我國863計劃首個可見光通信項目的牽頭單位以及中國可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟的發(fā)起單位，解放軍信息工程大學(xué)可見光通信實驗室組建于2011年1月，由中國可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟籌備領(lǐng)導(dǎo)小組組長、解放軍信息工程大學(xué)校長、中國工程院院士鄔江興領(lǐng)銜，于去年年底成功研發(fā)可見光通信技術(shù)。

目前，河南省已成功研發(fā)出可見光網(wǎng)絡(luò)臺燈、可見光家庭基站、礦下可見光通信與定位等6套應(yīng)用示范系統(tǒng)。而河南中平川儀公司LED項目的投產(chǎn)，標(biāo)志著可見光通信技術(shù)由“實驗室”走向了“產(chǎn)業(yè)化”發(fā)展的新階段。

此次投產(chǎn)的礦用可見光應(yīng)用系統(tǒng)，就是將可見光通信技術(shù)、半導(dǎo)體照明技術(shù)、數(shù)字信號處理技術(shù)、防爆技術(shù)充分融合，在不增加系統(tǒng)成本的前提下，利用LED照明燈具，實現(xiàn)在井下復(fù)雜電磁環(huán)境的人員定位、無線通信和監(jiān)測監(jiān)控等功能。將可見光通信技術(shù)與LED照明系統(tǒng)相結(jié)合，是對傳統(tǒng)的礦用照明系統(tǒng)革命性的突破。

據(jù)中國平煤神馬集團的一位負(fù)責(zé)人介紹，礦用可見光通信技術(shù)照明系統(tǒng)在井下的成功應(yīng)用，能夠解決當(dāng)前井下通信、照明和安全多套系統(tǒng)重復(fù)建設(shè)資源浪費問題，極大地增強安全性。

由中平川儀電氣有限公司負(fù)責(zé)建設(shè)的年產(chǎn)20萬臺礦用LED防爆燈項目，前期投資2000萬元人民幣，項目建成后將成為華中地區(qū)規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)、產(chǎn)品種類最齊全的礦用LED燈具生產(chǎn)企業(yè)。礦用可見光應(yīng)用系統(tǒng)已于2014年6月進(jìn)行井下應(yīng)用試點。該系統(tǒng)規(guī)模化生產(chǎn)后，預(yù)計可實現(xiàn)年產(chǎn)30萬臺（套），產(chǎn)值可達(dá)2.5億元以上。

背景 可見光通信與LED息息相關(guān)

可見光通信的發(fā)明人是德國愛丁堡大學(xué)的哈斯（Harald Haas）博士，正如《時代》（Time）雜志所說，他擅長將數(shù)量豐富的物體創(chuàng)新應(yīng)用。哈斯表示：“我最大的設(shè)想就是將電燈泡變?yōu)閷拵ㄐ旁O(shè)備。這樣電燈泡不僅能提供照明，也將成為一款必要的工具?！惫拐J(rèn)為，通過給普通的LED燈泡加裝微芯片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用燈泡發(fā)送數(shù)據(jù)。而燈泡的閃爍頻率達(dá)到每秒數(shù)百萬次。

不同于普通的白熾燈、熒光燈，LED燈可快速明滅，閃動頻率極高，可承擔(dān)發(fā)送信息任務(wù)。專家告訴記者，因為LED閃動頻率極高，我們的肉眼 “功能”太差分辨不出來，這種閃動其實就是一種開、關(guān)過程，LED這一開一關(guān)就可以承擔(dān)發(fā)送信息的任務(wù)了，比如，開就代表“1”，關(guān)就代表“0”，通過信息編碼也就是0與1的各種組合，就可以通過燈光來傳遞了，燈光在空氣中傳輸就類似于光纖通信中信息在光纖中傳輸一樣，這就是LED可見光通信的基本原理。而白熾燈因為在亮滅的變化過程中非常容易被損壞，且亮滅變化動作太慢，因而不具備這種通信功能。

在LED燈內(nèi)只要設(shè)置一個芯片，利用芯片控制LED光源，其便具有無線路由器、通信基站、WIFI接入點甚至GPS衛(wèi)星功能，由此就提供了一種全新的無線通信方式。

可見光通信利用LED可見光傳輸通信信號，還是未來通信業(yè)發(fā)展的一次綠色革命。在全球移動數(shù)據(jù)流量激增，基于無線電波傳送的頻帶即將告罄之際，Li-Fi的出現(xiàn)，或可解決全球電信商的燃眉之急。美國有線電視網(wǎng)（CNN）估計，全球這140億盞電燈如果全換成LED燈泡，不但對推進(jìn)LED產(chǎn)業(yè)意義重大，將街燈改造成可提供無線網(wǎng)絡(luò)的熱點，撤除高耗電又占空間的基站，對節(jié)能環(huán)保也有巨大貢獻(xiàn)。

總之，可見光通信的產(chǎn)生主要源于LED照明技術(shù)的逐步成熟以及LED照明產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用。與白熾燈、熒光燈相比，LED照明燈具作為可見光通信的“媒介”具有其獨特的“先天性”優(yōu)勢。

第一，LED照明發(fā)展至今，其發(fā)光效率已超過100lm/W，實驗室樣品已達(dá)到280lm/W以上，遠(yuǎn)超其他燈具。第二，LED燈具的亮度可以高速調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)速度可達(dá)到μs級甚至ns級，而且調(diào)節(jié)幅度大，理論上可以從0%到100%亮度范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，這一點是可見光通信可以高速調(diào)制的保證；而熒光燈的亮度基本上不可以調(diào)節(jié)，白熾燈的亮度雖然可以通過改變電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是白熾燈屬于熱燈絲發(fā)光型燈具，亮度調(diào)節(jié)反應(yīng)速度極慢，最快也在ms級，無法進(jìn)行高速（Mbts或Gbts）信號調(diào)制。

第三，LED芯片的光譜中心波長在可見光頻譜范圍內(nèi)易控制，可以在制造工藝上根據(jù)載頻的需要進(jìn)行中心波長選擇，以達(dá)到最佳中心頻率；而白熾燈和熒光燈的光譜中心波長基本固定，無法進(jìn)行多樣性選擇。第四，LED采用直流低壓（恒壓源或者恒流源）供電，便于脈沖信號的載頻；而白熾燈、熒光燈均采用高壓交流供電，其穩(wěn)定度比較難以控制，不利于信號的提取和識別。

焦點 Li-Fi 能否代替 Wi-Fi

“未來，只要有光的地方，就可實現(xiàn)高速上網(wǎng)，且速度非?？?，1G電影下載只需0.1秒?！敝袊梢姽馔ㄐ女a(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟籌備領(lǐng)導(dǎo)小組組長、中國工程院院士鄔江興在2014年中國可見光通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)化啟動會議上這樣介紹可見光通信技術(shù)。

可見光通信技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛：無論是飛機上還是礦井中，無論是家庭還是辦公室，無論是圖書館、博物館還是飯店、賓館，只要有LED燈就能實現(xiàn)通信上網(wǎng)；每一盞路燈都能實現(xiàn)道路導(dǎo)航和交通疏導(dǎo)；商場超市和醫(yī)院還可利用LED照明進(jìn)行導(dǎo)購、導(dǎo)醫(yī)和安全支付……

為了應(yīng)對氣候變化，完成節(jié)能減排目標(biāo)任務(wù)，政府必然要大力推廣LED綠色照明?！栋雽?dǎo)體照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）明確，促進(jìn)LED照明節(jié)能產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值年均增長30%左右，2015年達(dá)到4500億元（其中LED照明應(yīng)用產(chǎn)品1800億元）。

《規(guī)劃》提出，逐步擴大財政補貼推廣力度，適時將球泡燈等量大面廣、技術(shù)成熟的LED照明產(chǎn)品納入補貼范圍；推動實施一批政府辦公樓、醫(yī)院、賓館、商廈、機場、軌道交通、道路等公共照明應(yīng)用工程，落實節(jié)能產(chǎn)品政府采購政策，政府機關(guān)和公共機構(gòu)帶頭采用LED照明產(chǎn)品。

鑒于Wi-Fi信號不穩(wěn)定、速度慢、熱點太少等問題，如果LED照明產(chǎn)品未來實現(xiàn)了普及應(yīng)用，Li-Fi 能否代替了 Wi-Fi呢？盡管英特爾（Intel）、三星（Samsung）、波音（Boing）、卡西歐（Casio）等國際巨頭以及中國的一些高校和企業(yè)都紛紛看好Li-Fi的誘人前景，積極加快Li-Fi應(yīng)用的研發(fā)，然而，可見光通信技術(shù)本身也有其局限性。

雅典Harokopio大學(xué)信息學(xué)講師Thomas Kamalakis推薦了哈斯的技術(shù)，但也表示該技術(shù)的潛力不應(yīng)被高估。他表示：“一個明顯的問題是，可見光無法穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號將被切斷?！?/p>

英國華威大學(xué)工程學(xué)院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“問題在于，我們的手機如何使用可見光來通信？”

哈斯表示，這是兩個現(xiàn)實問題，但他也有簡單的臨時解決方法?！叭绻庑盘柋蛔钃?，而你需要使用設(shè)備發(fā)送信息，你可以無縫地切換至射頻信號。”他認(rèn)為，可見光通信并不是WiFi的競爭對手，而是一種相互補充的技術(shù)，這將有助于釋放頻譜空間。

“我們?nèi)孕枰猈iFi，需要射頻通信系統(tǒng)。你無法使用電燈泡向快速移動的物體發(fā)送數(shù)據(jù)，或是向樹、墻和障礙物背后的物體發(fā)送數(shù)據(jù)?！惫拐f，在短期內(nèi)，可見光通信已可以實現(xiàn)一些小范圍應(yīng)用。例如，可以在飛機中使用該技術(shù)，幫助手機和筆記本上網(wǎng)，此外也可以在水下等無線電波無法傳播的場所使用該技術(shù)。

哈斯指出，Li-Fi技術(shù)帶來了極高的安全性，因為可見光只能沿直線傳播，因此只有處在光線傳播直線上的人才有可能截獲信息。

啟示 可見光通信是一片藍(lán)海

隨著通信功能的加入，燈的形態(tài)將發(fā)生巨大變化，茶幾、餐桌、家具都有可能變成實用的燈具和高速無線接入點。鄔江興指出，可見光通信產(chǎn)業(yè)將是一個具有萬億產(chǎn)值的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，不僅可以促進(jìn)照明與通信兩大傳統(tǒng)行業(yè)的技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級，還將催生出一大批與此相關(guān)的新興產(chǎn)業(yè)。

2013年10月，可見光通信的發(fā)明者哈斯教授創(chuàng)立的PureLiFi公司向美國一家醫(yī)療機構(gòu)售出第一套LiFi設(shè)備，價值5000歐元（人民幣約4.1萬元）。LiFi的商業(yè)價值標(biāo)志著可見光通信開啟了物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的新篇章。

我國對可見光通信技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用也頗為重視。2006年，北京大學(xué)首次提出了基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案，并進(jìn)行了一系列的理論和實驗工作。2008年，繼日企首次公開展示白光LED通信系統(tǒng)之后，暨南大學(xué)教授陳長纓研制出國內(nèi)首臺白光LED可見光通信樣機，傳輸距離大于2.5米。

據(jù)鄔江興介紹，國家863計劃在2011年開始部署可見光通信技術(shù)研究，經(jīng)過兩年多的科技攻關(guān)，在調(diào)制帶寬拓展、實時傳輸速率、融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等方面取得了一批重要研究成果。目前，我國與發(fā)達(dá)國家已處于同一起跑線上。

2012年，我國已成功研發(fā)出可見光網(wǎng)絡(luò)臺燈、可見光家庭基站、礦下可見光通信與定位等6套應(yīng)用示范系統(tǒng)?！澳壳埃梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)主要集中在礦業(yè)和商用領(lǐng)域，預(yù)計5年時間將進(jìn)入普通家庭中?！编w江興對此充滿信心。

2013年9月，珠海華策集團斥巨資20億元研究LED白光通信；2013年12月，重慶成為可見光技術(shù)推廣應(yīng)用試點城市。國內(nèi)22家LED上市企業(yè)中，多家LED上市企業(yè)表示特別關(guān)注LED在光通訊方面的應(yīng)用。其中勤上光電與中科院半導(dǎo)體研究所獨家合作，進(jìn)行可見光定位系統(tǒng)和通信系統(tǒng)的技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)學(xué)研合作，以促進(jìn)可見光信息產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前可見光通信設(shè)備的手板已出，距產(chǎn)品應(yīng)用水平仍有一定的技術(shù)提升空間。

2014年8月份，中國已經(jīng)成立可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟。廣東未來將依托自身LED產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，搶占可見光通信這個“萬億級”產(chǎn)業(yè)發(fā)展的制高點。在成立儀式上，廣東省科技廳廳長黃寧生表示：“可見光通信作為面向LED照明、通信、物聯(lián)網(wǎng)等多領(lǐng)域交叉融合的高新技術(shù)，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。”

可見光通信技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)光組件已作為廣東首批啟動的8個重大科技專項之一。接下來，廣東省將大力支持中國可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟開展工作，加快突破可見光通信產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)瓶頸，推動可見光通信產(chǎn)業(yè)加快發(fā)展，為廣東產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供有力的科技支撐。

當(dāng)前，傳統(tǒng)的照明和通信行業(yè)競爭日趨激烈，技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)升級是唯一出路。面對LED照明的大范圍應(yīng)用和可見光通信技術(shù)的不斷成熟，新的市場需求將噴薄而出，新的藍(lán)海正在招手。