中國發展可見光通信技術與產業的思考

認為隨著固體照明技術在世界范圍的廣泛應用，可見光通信已引起學術界和產業界高度關注，并逐漸取得小部分市場，但要真正大規模應用，還需綜合考慮技術演進規律，并在國家和地方政府政策扶植下，加強產學研合作，共同推進LED信息化技術應用進程。

可見光通信；技術演進；發光二極管信息化技術

1 可見光通信技術

可見光通信（VLC）俗稱燈光上網技術，又叫LiFi[1]，是一種在半導體照明發光二極管（LED）技術上發展起來的新興的、短距離無線光通信技術[2]。利用LED比傳統光源電光轉換速度快的特點，將信息高速加載到光強上并傳輸至空間覆蓋區域的接收終端，經過光電轉換而獲得信息。與Wi-Fi等現有射頻（RF）通信接入手段相比具有獨特的優勢。可見光覆蓋波長范圍380 nm至780 nm，相應能提供超寬光譜（百太赫茲以上），每秒千兆比特的傳輸速率已在實驗室得到展示，并借助密集分布的光源保證人口密集區域用戶的平均容量，為未來寬帶移動網絡接入帶來曙光，為高速大容量移動通信提供了新型手段。其次，可見光不能穿透遮擋物，也不易繞射，因而數據更具安全性和私密性，不易被竊取，對于電子支付、局域保密通信等提供有效手段。再者，由于光波與射頻相互干擾很小，使得可見光通信更能適用于電磁復雜或電磁受限場景，如醫院、礦井、油田和飛機機艙。另外在室內，手持終端可使用LED光源實現高精度定位導航功能，并可主動轉送位置信息至遠程監控中心。除了室內照明LED外，信號顯示LED如廣告信息屏、交通信號燈、車路燈等也可作為信息發送裝置，接入通信網絡。

2 可見光通信全球現狀

世界范圍已展開新一輪可見光通信研究制高點和頻譜資源開發利用的話語權爭奪[3]。歐美日等科技強國的大型科研計劃和機構層出不窮，包括歐洲的OMEGA和EPSRC研究計劃，美國波斯頓大學的ERC中心、加州大學的UC-Light中心、賓州州立大學的COWA中心，日本的可見光通信聯盟（VLCC）等。2013年10月，歐洲的EPSRC將LiFi的通信速率刷新到10 Gb/s，美國的ERC和UC-Light已報道了室內手機和機器人的精確定位。

中國一些機構和地方政府也資助了可見光通信研究。國家“973”計劃項目“寬光譜信號無線傳輸理論與方法研究”于2013年1月正式啟動，研究各波段的光信號傳輸和通信理論與方法。2013年4月國家“863”計劃項目“可見光通信系統關鍵技術研究”也正式啟動，目標實現480 Mb/s可見光通信。國家“新一代寬帶無線移動通信網”科技重大專項2014年已完成可見光通信課題的論證評審工作。中科院半導體所研究出的每秒幾兆比特的可見光通信系統在2010年上海世博會期間成功展示，目前速率已大幅度提升。深圳市科委資助了清華大學深圳研究生院無線光通信研究團隊研究LED信息化技術，上海科委等資助復旦大學研究的可見光鏈路的視頻傳輸系統在2013年11月上海工博會成功展示。南京和重慶也都投入資助可見光通信技術應用和產業化。最近，中科院成立的無線光電通信重點實驗室進行多學科交叉合作，研究多種載波的無線光電通信器件、多模態光電傳輸技術、網絡結構、移動大數據和多媒體等新型業務。國際學術界也掀起了涵蓋各色光譜的無線光通信研究熱潮。通信領域頂尖級期刊IEEE JSAC和IEEE Wireless Communications以及著名的IEEE GLOBECOM等國際會議近年來均開辟了專題討論會。

在知識產權方面，從歐美日韓以及中國的可見光通信相關國際專利檢索結果發現，索尼、三星在專利產出上有較大優勢，而中國企業和機構雖然申請中國一定數量專利，但國際專利數量較少，對產業影響力較弱。在技術標準化方面[4-5]，IEEE于2011年9月通過了第一個無線可見光通信技術標準IEEE 802.15.7 《Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light》，提出了減少閃爍和支持調光的相關機制，允許多種不同的拓撲結構，支持各種室內和室外應用，速率從11.67 kb/s至96 Mb/s。但業界普遍認為該標準缺少足夠的照明產業支撐和技術的實驗驗證，極大制約了它的參考和使用價值。2014年1月IEEE成立了IEEE 802.15.SG7a研究工作組“Optical Camera Communications Study Group”，修訂IEEE 802.15.7，引入閃光燈、顯示器、光學相機等作為收發器件，以實現可變速率通信、定位導航和消息廣播等功能。近期也有專家在醞釀修訂IEEE 802.15.7，增加攝像頭低速通信和多載波調制下的高速通信技術與網絡協議，形成IEEE 802.15.7r1。

目前可見光通信的研究在世界范圍處于起步階段，在技術方面還有許多問題尚未解決，這些問題包括，如何優化現有LED器件達到照明通信一體化，能否集成LED驅動電源與通信模塊，并設計出兼顧照明的通信透鏡；從信號調制編碼和通信協議方面如何提高通信鏈路的傳輸速率，有效解決上行鏈路、多光源干擾抑制和小區移動切換；在系統和網絡層面，如何將空間、顏色、時間、頻率、功率等各種資源在多用戶間進行最優分配，取得系統總容量的最大化。

3 可見光通信應用市場預測

近年來，LED照明技術發展迅速，成本快速下降，產品應用得到迅猛發展，LED照明產品正快速替代傳統照明產品。中國LED照明產業形成了較為完整的產業鏈和一定的產業規模，為LED可見光通信奠定了較好的發展基礎。預計到2025年，LED市場將形成近萬億規模。

可見光通信將在許多有線通信不易實現的場景得到應用，同時在無線傳輸容量需求旺盛或電磁波受限的場景發揮獨特的作用。可見光通信產業在全球還處在探索和起步階段，但已顯示出誘人的應用前景。不僅可以用于室內無線接入網絡[6-7]，更可以用于智能家居、智能交通[8-9]、實時數據采集、近場識別、安全支付和定位[10-11]等各類應用場景。另外可見光通信可用于一些特定場景，如射頻受限（如航天，醫療應用），安全特殊要求（如采礦、油氣田）以及特殊區域（如水下）場景。這些應用還將延伸到半導體顯示通信，成像通信[12]，穿戴式設備傳感通信等新型應用領域。

在短期內，可見光通信可以實現一些小范圍應用。例如，在室內和礦井等區域的定位，在飛機中使用該技術幫助手機和筆記本上網，此外也可以在水下等無線電波無法傳播的場所使用。可以預測，在相當長時間內仍需要Wi-Fi，需要射頻通信系統。如果光信號被阻擋，當需要發送信息時，使用者可以無縫地切換至射頻信號。新型成像定位通信功能將集成于手持終端，定位精度達到厘米級，成像通信達到兆級以上。

4 可見光通信未來發展

方向與應對策略

針對可見光通信的全球研究現狀和市場分析，中國正面臨著千載難逢但稍縱即逝的機遇。一旦可見光通信在中國起步應用，隨之而來的將是其在各種各樣環境下極其豐富的創意應用和一個嶄新的LED信息化時代的到來，同時伴隨著光電器件如攝像頭和光感二極管被廣泛植入移動終端，這一時代的雛形已經出現。中國照明LED產品在國際市場中占據的顯著份額將有助于中國在國際可見光通信技術應用和產品推廣方面占據一席之地。國家需要統籌制訂LED信息化產業戰略規劃，和可見光通信與測試設備標準，使得可見光通信關鍵技術研究及應用快速穩步發展，并帶動照明LED產業升級。

可見光通信關鍵技術與網絡大數據業務結合。基于不同波段的光波和電磁波作為信息傳輸載體，從照明約束下的可見光傳輸技術[13-15]到大容量無線光電協同通信，以及未來無線光電網絡業務與應用幾個方向，進一步加大研究投入，提升未來通信網絡的傳輸容量和帶寬利用率，滿足移動大數據和移動多媒體業務需求，構建具有精準位置特征的室內高速可見光通信網絡，手持和車載移動終端的光通信網絡，以及水下無線光通信和傳感網絡。

可見光通信芯片研發。可見光通信系統諸多主要功能將會集成在未來光電芯片上，包括發射端的電光轉換芯片，通信發送信號處理芯片，接收端的光電轉換芯片和通信接收信號處理芯片。隨著硅基光電子材料和工藝革新，有望研制出通信與照明驅動相結合的發射端LED通信發光芯片、寬帶光源驅動芯片、新一代光電轉換和處理芯片等，并嵌入薄膜濾光片和微透鏡進一步增強可見光通信系統性能，滿足低功耗小型化大數據網絡終端的要求。

可見光通信技術相關的知識產權風險將會對可見光寬帶無線接入產業形成威脅。目前中國面向802.11高速通信的可見光通信專利主要是中國專利，而且集中在點對點通信系統關鍵技術上，需進軍國際專利申請陣營，并拓展技術層面，涵蓋新的范疇，比如通信照明器件技術，超大規模陣列收發技術，光譜復用技術，干擾信號處理技術，可變窗口的成像傳感器數據讀取技術，高精度可見光定位技術，通信照明網絡技術等。在標準化方面，面向IEEE 802.11和802.15，鼓勵相關機構和企業參與全球標準化工作，提交標準草案，推動高速可見光無線局域網和低速成像通信的應用推廣和產業化。中興通訊正在牽頭中國可見光通信的標準化工作，華為海思、聯想、中國科大、東南大學、北京郵電大學等多家單位參與，在此過程中需要加強與半導體照明標準和企業的銜接。預期在可見光通信這一新興技術領域，中國將有望擁有更多話語權，取得較多具有自主知識產權的技術成果。

5 結束語

在LED照明產業升級和強大的通信與基于位置服務應用需求驅動下，未來無線移動通信技術體系將會全面融合從微波至光波不同波段。一方面，現有無線（電）通信的移動性和宏覆蓋等諸多特性將會繼續秉承，另一方面，可見光通信在超寬帶寬、高精度定位和免受電磁干擾方面將突顯優勢，更能適應未來多場景和多樣化速率的應用需求，包括大數據、高清視頻等多媒體業務和微波受限場景。多波段融合將會充分發揮無線通信和可見光通信的各自優勢，自適應傳輸場景及多應用模態，并且深度拓展與其他異構通信網絡的互通互聯。

可見光通信將能源與信息技術有機結合，目前正處于快速發展的時期。產業界、學術界、金融界正在齊心協力解決目前在應用和產業化推進過程中面臨的挑戰。預測在相關標準出臺后各種移動終端和光源將會標配可見光通信光電模塊，與現有無線通信技術深度融合，互相補充，真正讓用戶快速便捷享受高質量的信息服務。中國在可見光通信技術發展與產業化方面與大部分國際強國處于同一起跑線上，又具有相對完備的條件和良好的LED產業基礎，這將有助于中國取得具有自主知識產權的研究成果，在標準制訂及專利申請方面搶占話語權，推動知識經濟的發展，增強中國在這一新興戰略性領域的國際競爭力。

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