可見光通信： 有光就能上網

牛祿青

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

如今，人們用Wi-Fi上網早已司空見慣，可你聽說過Li-Fi（Light Fidelity）嗎？有燈光就能上網，這種看似天方夜譚的事情，正在由實驗室走向現實生活，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，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（節能燈）不適合當作光通信的光源，而LED燈非常適合做可見光通信的光源。可見光通信技術可以通過LED燈在完成照明功能的同時，實現數據網絡的覆蓋，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送的信息。該技術可廣泛用于導航定位、安全通信與支付、智能交通管控、智能家居、超市導購、燈箱廣告等領域，特別是在不希望或不可能使用無線電傳輸網絡的場合比如飛機上、醫院里更能發揮它的作用。

可見光通信兼顧照明與通信，具有傳輸數據率高、安全性強、無電磁干擾、節能、無需頻譜認證等優點，帶寬是Wi-Fi的1萬倍、4G的100倍，是理想的室內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極為重視，并取得了一定的進展。可見光通信在未來的通信領域中將會占據重要地位，并將大大地推動信息化社會的發展。

事件

中國啟動可見光通信產業化應用

2014年4月17日，位于河南平頂山市高新區產業集聚區內的河南中平川儀公司車間內，全國近30家政府、企業、科研、高校機構的相關人員，共同見證了一個神奇的時刻：中國可見光通信技術產業化在這里正式啟動，而其重要標志就是河南中平川儀公司LED項目的正式投產。

啟動儀式現場，科研人員進行了演示：天花板上有一個裝有芯片的LED燈，科研人員拿起同樣內置芯片的礦燈帽進行移動，計算機上就顯示出帽子的移動軌跡。“LED燈和礦燈帽之間的芯片形成信息交互，計算機能夠對礦井下礦工進行實時監控、定位，如果礦工遇到危險，可隨時呼叫與地面取得聯系。”科研人員說。

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業技術創新聯盟的發起單位，解放軍信息工程大學可見光通信實驗室組建于2011年1月，由中國可見光通信產業技術創新聯盟籌備領導小組組長、解放軍信息工程大學校長、中國工程院院士鄔江興領銜，于去年年底成功研發可見光通信技術。

目前，河南省已成功研發出可見光網絡臺燈、可見光家庭基站、礦下可見光通信與定位等6套應用示范系統。而河南中平川儀公司LED項目的投產，標志著可見光通信技術由“實驗室”走向了“產業化”發展的新階段。

此次投產的礦用可見光應用系統，就是將可見光通信技術、半導體照明技術、數字信號處理技術、防爆技術充分融合，在不增加系統成本的前提下，利用LED照明燈具，實現在井下復雜電磁環境的人員定位、無線通信和監測監控等功能。將可見光通信技術與LED照明系統相結合，是對傳統的礦用照明系統革命性的突破。

據中國平煤神馬集團的一位負責人介紹，礦用可見光通信技術照明系統在井下的成功應用，能夠解決當前井下通信、照明和安全多套系統重復建設資源浪費問題，極大地增強安全性。

由中平川儀電氣有限公司負責建設的年產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規模最大、技術最先進、產品種類最齊全的礦用LED燈具生產企業。礦用可見光應用系統已于2014年6月進行井下應用試點。該系統規模化生產后，預計可實現年產30萬臺（套），產值可達2.5億元以上。

背景 可見光通信與LED息息相關

可見光通信的發明人是德國愛丁堡大學的哈斯（Harald Haas）博士，正如《時代》（Time）雜志所說，他擅長將數量豐富的物體創新應用。哈斯表示：“我最大的設想就是將電燈泡變為寬帶通信設備。這樣電燈泡不僅能提供照明，也將成為一款必要的工具。”哈斯認為，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，就可以利用燈泡發送數據。而燈泡的閃爍頻率達到每秒數百萬次。

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，可承擔發送信息任務。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、關過程，LED這一開一關就可以承擔發送信息的任務了，比如，開就代表“1”，關就代表“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燈內只要設置一個芯片，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，還是未來通信業發展的一次綠色革命。在全球移動數據流量激增，基于無線電波傳送的頻帶即將告罄之際，Li-Fi的出現，或可解決全球電信商的燃眉之急。美國有線電視網（CNN）估計，全球這140億盞電燈如果全換成LED燈泡，不但對推進LED產業意義重大，將街燈改造成可提供無線網絡的熱點，撤除高耗電又占空間的基站，對節能環保也有巨大貢獻。

總之，可見光通信的產生主要源于LED照明技術的逐步成熟以及LED照明產品的廣泛應用。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”優勢。

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

第三，LED芯片的光譜中心波長在可見光頻譜范圍內易控制，可以在制造工藝上根據載頻的需要進行中心波長選擇，以達到最佳中心頻率；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，就可實現高速上網，且速度非常快，1G電影下載只需0.1秒。”中國可見光通信產業技術創新聯盟籌備領導小組組長、中國工程院院士鄔江興在2014年中國可見光通信技術產業化啟動會議上這樣介紹可見光通信技術。

可見光通信技術的應用領域非常廣泛：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燈就能實現通信上網；每一盞路燈都能實現道路導航和交通疏導；商場超市和醫院還可利用LED照明進行導購、導醫和安全支付……

為了應對氣候變化，完成節能減排目標任務，政府必然要大力推廣LED綠色照明。《半導體照明節能產業規劃》（以下簡稱《規劃》）明確，促進LED照明節能產業產值年均增長30%左右，2015年達到4500億元（其中LED照明應用產品1800億元）。

《規劃》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、技術成熟的LED照明產品納入補貼范圍；推動實施一批政府辦公樓、醫院、賓館、商廈、機場、軌道交通、道路等公共照明應用工程，落實節能產品政府采購政策，政府機關和公共機構帶頭采用LED照明產品。

鑒于Wi-Fi信號不穩定、速度慢、熱點太少等問題，如果LED照明產品未來實現了普及應用，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都紛紛看好Li-Fi的誘人前景，積極加快Li-Fi應用的研發，然而，可見光通信技術本身也有其局限性。

雅典Harokopio大學信息學講師Thomas Kamalakis推薦了哈斯的技術，但也表示該技術的潛力不應被高估。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。”

英國華威大學工程學院助理教授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，這是兩個現實問題，但他也有簡單的臨時解決方法。“如果光信號被阻擋，而你需要使用設備發送信息，你可以無縫地切換至射頻信號。”他認為，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，這將有助于釋放頻譜空間。

“我們仍需要WiFi，需要射頻通信系統。你無法使用電燈泡向快速移動的物體發送數據，或是向樹、墻和障礙物背后的物體發送數據。”哈斯說，在短期內，可見光通信已可以實現一些小范圍應用。例如，可以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該技術。

哈斯指出，Li-Fi技術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海

隨著通信功能的加入，燈的形態將發生巨大變化，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，可見光通信產業將是一個具有萬億產值的戰略性新興產業，不僅可以促進照明與通信兩大傳統行業的技術變革和產業結構升級，還將催生出一大批與此相關的新興產業。

2013年10月，可見光通信的發明者哈斯教授創立的PureLiFi公司向美國一家醫療機構售出第一套LiFi設備，價值5000歐元（人民幣約4.1萬元）。LiFi的商業價值標志著可見光通信開啟了物聯網產業的新篇章。

我國對可見光通信技術的研發和商業化應用也頗為重視。2006年，北京大學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通信系統之后，暨南大學教授陳長纓研制出國內首臺白光LED可見光通信樣機，傳輸距離大于2.5米。

據鄔江興介紹，國家863計劃在2011年開始部署可見光通信技術研究，經過兩年多的科技攻關，在調制帶寬拓展、實時傳輸速率、融合網絡架構等方面取得了一批重要研究成果。目前，我國與發達國家已處于同一起跑線上。

2012年，我國已成功研發出可見光網絡臺燈、可見光家庭基站、礦下可見光通信與定位等6套應用示范系統。“目前，可見光通信技術主要集中在礦業和商用領域，預計5年時間將進入普通家庭中。”鄔江興對此充滿信心。

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推廣應用試點城市。國內22家LED上市企業中，多家LED上市企業表示特別關注LED在光通訊方面的應用。其中勤上光電與中科院半導體研究所獨家合作，進行可見光定位系統和通信系統的技術研發和產學研合作，以促進可見光信息產業技術的進步和產業化發展。目前可見光通信設備的手板已出，距產品應用水平仍有一定的技術提升空間。

2014年8月份，中國已經成立可見光通信產業技術創新戰略聯盟。廣東未來將依托自身LED產業優勢，搶占可見光通信這個“萬億級”產業發展的制高點。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、物聯網等多領域交叉融合的高新技術，具有廣闊的市場應用前景。”

可見光通信技術及標準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業技術創新戰略聯盟開展工作，加快突破可見光通信產業關鍵核心技術瓶頸，推動可見光通信產業加快發展，為廣東產業轉型升級提供有力的科技支撐。

當前，傳統的照明和通信行業競爭日趨激烈，技術變革和產業升級是唯一出路。面對LED照明的大范圍應用和可見光通信技術的不斷成熟，新的市場需求將噴薄而出，新的藍海正在招手。