LED可見光通信技術(shù)九大發(fā)展趨勢分析 - 全文

上帝說：“要有光”，于是人類就能連上了網(wǎng)絡(luò)。它名字叫“LiFi”。可見光通信從誕生之日起就已備受期待，人生在世“不可一日無光”，除了滿足照明的基本功能之外，假如將日光用作太陽能，燈光也可以用來上網(wǎng)，那就真的是物盡其用了。

去年曾有相關(guān)報(bào)道指，中國“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”獲得了工業(yè)和信息化部測試認(rèn)證的重大突破，這一次實(shí)時通信速率提高至50Gbps（比特每秒），相當(dāng)于0.2秒就下載一部高清電影。作為典型的軍民兩用技術(shù)，可見光通信的應(yīng)用前景是廣闊的，依據(jù)《2014歐洲可見光通信組織市場調(diào)查報(bào)告》的樂觀預(yù)測，其產(chǎn)業(yè)增長率可達(dá)84.9%，2018年產(chǎn)值約178億美元，2022年年產(chǎn)值可達(dá)約2千億美元。

據(jù)了解，由廣東省半導(dǎo)體光源產(chǎn)業(yè)協(xié)會承擔(dān)的《廣東省可見光通信及標(biāo)準(zhǔn)光組件產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖（2015-2019）編制》得到廣東省科技廳的高度重視。為了指引日后廣東省可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖編制工作的思路和方向，同時積極推動廣東省可見光通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1月16日，廣東省可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)路線圖編制專家研討會在***軍信息工程大學(xué)可見光通信實(shí)驗(yàn)室常務(wù)副主任、教授張劍詳細(xì)講述了可見光通信應(yīng)用現(xiàn)狀及其產(chǎn)業(yè)化前景。

?

可見光通信高速傳輸原型機(jī)

國外應(yīng)用轉(zhuǎn)化概況

據(jù)張劍教授介紹，自1990年的10年間，日本在室內(nèi)定位、室外空間通信、車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用轉(zhuǎn)化領(lǐng)域已相對活躍。2010年起，東亞、歐洲、美國等陸續(xù)進(jìn)行應(yīng)用示范與局部應(yīng)用轉(zhuǎn)化；2008年，歐盟設(shè)置家庭吉比特接入計(jì)劃（OMEGA），構(gòu)建家庭區(qū)域?qū)拵ㄐ啪W(wǎng)，集成VLC技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信速率Gbps。同年，美國國家科學(xué)基金會（NSF），建立可見光通信研究中心，計(jì)劃10年時間內(nèi)開發(fā)LED無線通信智能照明架構(gòu)。

?

法國家樂福采用飛利浦LED室內(nèi)定位照明系統(tǒng)

據(jù)悉，日本研發(fā)的燈塔可見光通信系統(tǒng)，通信速率達(dá)1022bps，通信距離2公里。目前正在研發(fā)用于緊急快速部署的低空可見光氣球衛(wèi)星。在2013年，日本LAMPSERVE LED街燈投入實(shí)際測試，通信速度達(dá)到100Mbps，距離約200米。2014年，日本TAKAYA研發(fā)汽車間可見光通信系統(tǒng)，速率達(dá)到10Mbps，發(fā)射端為LED陣列，接收端為圖像傳感器。同年的5月，日本東洋電機(jī)研發(fā)水下可見光高速通信裝置，峰值50Mbps。

?

美國零售巨頭Target安裝VLC定位導(dǎo)航系統(tǒng)

此外，英國pure LiFi用于醫(yī)療機(jī)構(gòu)的Li-Fi設(shè)備，目前已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)并交付買房使用。法國Oledcomm可見光通信系統(tǒng)也已投入商業(yè)運(yùn)行階段，能夠?yàn)榧彝?、商業(yè)場所提供可見光通信技術(shù)。時至2015年的4月份，美國零售巨頭Target在其店面安裝VLC定位導(dǎo)航系統(tǒng)。5月，法國最大的零售商家樂福利用飛利浦公司VLC-LED燈具，在里爾大型賣場啟用室內(nèi)可見光導(dǎo)航系統(tǒng)。10月，日本舉辦“日本可見光通信國際會議暨展覽會”，松下公司推出來“光ID服務(wù)解決方案”，富士通開發(fā)的“連接實(shí)物與信息的LED照明技術(shù)”，以及現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)等。11月，愛沙尼亞Velmenni公司在塔林演示了一種Li-Fi原型燈泡，其數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到1Gbps；在實(shí)驗(yàn)室條件下，記錄的Li-Fi燈泡的數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到224Gbps。

國內(nèi)應(yīng)用轉(zhuǎn)化近況

反觀國內(nèi)概況，則是從暨南大學(xué)陳長纓教授研發(fā)首套可見光通信系統(tǒng)起步，應(yīng)用轉(zhuǎn)化主要集中在近3年，以中國可見光通信聯(lián)盟成員單位為主體。2013年11月，深圳光啟推出的光子支付系統(tǒng)亮相中國國際高新技術(shù)成果交易會。次年6月，深圳光啟與平安集團(tuán)簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，推動光子支付解決方案。另外，深圳光啟還推出光子門禁系統(tǒng)與光子覆蓋系統(tǒng)。

?

光啟牽手平安首推“光子支付”

除了深圳光啟取得的研究成果，2014年6月，華策光通信也完成了LED白光室內(nèi)定位系統(tǒng)（U-beacon），APP（易逛）已在江蘇常州等地開展試運(yùn)營及內(nèi)測。以及北京全電智領(lǐng)公司推出了基于可見光位置標(biāo)簽的博物館展品講解方面的產(chǎn)品，2015年完成北京正陽門博物館試運(yùn)行。目前正在推出室內(nèi)霧霾檢測臺燈等產(chǎn)品。

信大近期的主要研發(fā)工作

據(jù)張劍教授介紹，信息工程大學(xué)已形成由鄔江興院士、于宏毅教授率領(lǐng)下的一支可見光通信研發(fā)團(tuán)隊(duì)，在國家863計(jì)劃項(xiàng)目以及鄭州市重大專項(xiàng)的支持下，面向基礎(chǔ)研究與應(yīng)用轉(zhuǎn)化開展多項(xiàng)工作。在基礎(chǔ)研究方面，重點(diǎn)開展了超高速無線光互聯(lián)試驗(yàn)系統(tǒng)、室外拓展距離無線通信試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)，在應(yīng)用轉(zhuǎn)化方面，先后完成礦下可見光通信與定位、可見光隱式廣告、可見光精確定位等9套示范系統(tǒng)，其中2套在煤礦巷道進(jìn)行了實(shí)地示范。

?

LED臺燈能實(shí)現(xiàn)高速上網(wǎng)

1、室內(nèi)高速接入網(wǎng)絡(luò)

據(jù)悉，在完成可見光點(diǎn)播電視/可見光信息臺燈/可見光家庭基站3套演示系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，2015年7月該校完成基于電力線通信（PLC）芯片的高速室內(nèi)接入演示驗(yàn)證系統(tǒng)；同時在針對WiFi網(wǎng)絡(luò)在高速高密度公共場所體驗(yàn)不佳的問題，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出可見光伴侶設(shè)備產(chǎn)品，應(yīng)用層峰值速率40Mbps，并擬于本月在該校的學(xué)習(xí)資源中心進(jìn)行布設(shè)。通過這些初步的工作，測試可見光通信能否進(jìn)入室內(nèi)應(yīng)用。

張劍教授表示，鄭州市擬通過政府引導(dǎo)，在金水區(qū)開展規(guī)?；瘧?yīng)用示范工作。2015年7月，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的“可見光超高速無線通信試驗(yàn)系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)50Gbps傳輸速率，將現(xiàn)有國際最高速率提升5倍；10月通過工信部電信研究院第三方測試。另外，其它典型指標(biāo)包括單通道調(diào)制帶寬（420MHz），陣列規(guī)模（128通道），陣列間距（2.8cm）。

2、室外拓展距離無線傳輸

此外，針對車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用需求，搭建室外可見光通信試驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)，傳輸距離≥1000米，傳輸速率≥1Mbps。

3、煤礦井下綜合信息網(wǎng)絡(luò)

在煤礦井下綜合信息網(wǎng)絡(luò)方面，主要做了兩期工作。基于可見光通信在礦下敏感區(qū)域安全可靠、定位精度高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)基于可見光通信的礦下綜合信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)。

礦井中的礦工經(jīng)過LED燈下就會被定位

據(jù)悉，2014年10月，實(shí)驗(yàn)室在平頂山平煤神馬集團(tuán)一礦實(shí)訓(xùn)基地，完成了基于可見光通信的煤礦井下綜合信息示范系統(tǒng)的搭建與功能驗(yàn)證。該系統(tǒng)具有井下人員定位跟蹤、井下無線報(bào)警、地面廣告報(bào)警等功能，信息礦帽的可見光通信速率2Mbps，定位精度達(dá)米級。

實(shí)驗(yàn)室研發(fā)小型化低功耗接入卡設(shè)備，并于2015年6月在平煤集團(tuán)煤礦巷道中安裝測試成功，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁訪問、煤礦井下用戶導(dǎo)航定位、高速視頻播放等功能。其中接收卡尺寸為3.5cmX5.5cmX2.5cm，UWB供電方式，速率10Mbps。

4、可見光高精度定位系統(tǒng)

在可見光高精度定位系統(tǒng)方面，實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的“可見光高精度成像定位系統(tǒng)”，基于光源陣列測量，定位精度達(dá)到厘米級，基于VLC實(shí)現(xiàn)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)系標(biāo)定。擬于今年在該校的學(xué)習(xí)資源中心布設(shè)定位導(dǎo)航示范系統(tǒng)。室內(nèi)定位導(dǎo)航通過路徑規(guī)劃可以解決，基于位置的信息服務(wù)與高精度定位是核心。

5、新型隱式廣告系統(tǒng)

此外，實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的“可見光隱式成像系統(tǒng)”，面向廣告推送/信息檢索等需求，已實(shí)現(xiàn)手機(jī)終端1Kbps的的隱式信息傳輸。并擬于今年6月在典型公共場所大型電子宣傳屏中試應(yīng)用。

可見光通信核心價值的近，遠(yuǎn)期效應(yīng)

張劍教授在談到可見光通信的核心價值時強(qiáng)調(diào)，可見光通信不能僅僅視為一種無線通信技術(shù)，而是激活了帶寬達(dá)到300THz的可見光譜資源，是破解傳統(tǒng)無線電頻譜資源嚴(yán)重匱乏困局的基本途徑。他指出，核心價值的近期效應(yīng)，在于現(xiàn)階段在電磁嚴(yán)苛區(qū)域（無線電通信不能做/做不好的區(qū)域），典型場景包括水下/機(jī)艙/艦船/醫(yī)院/礦井/坑道/室外等。

遠(yuǎn)期效應(yīng)方面，由于現(xiàn)階段在非電磁嚴(yán)苛區(qū)域（無線電通信做得好的區(qū)域）尚不具備核心價值，只有當(dāng)高速高密度的需求超出無線電頻譜資源承載能力時，其核心價值才會彰顯，典型場景包括家庭/辦公室/大型公共場所等。當(dāng)然，頻譜資源緊張問題局部化存在（艦船/機(jī)艙等電子設(shè)備高度密集平臺）。

可見光通信的桎梏羈絆與產(chǎn)業(yè)化策略

張劍教授認(rèn)為，VLC≠LiFi。他指出，LiFi的概念易將VLC狹義化，易形成與WiFi對立，事實(shí)上現(xiàn)階段室內(nèi)接入領(lǐng)域LiFi核心價值難以彰顯，但LiFi的問題不是整個VLC的問題，這是對VLC諸多疑議的根源之一。首先是“體系不獨(dú)立”。上行鏈路異質(zhì)化問題；超高速應(yīng)用電力線通信難以支持信息流到燈的問題；與照明的強(qiáng)依存性問題等。上述問題的產(chǎn)生，還是用LiFi的視角去看待VLC。但即便如此，也并非難以解決。

其次，“技術(shù)不成熟”。照明與通信深度融合基礎(chǔ)研究缺乏（照明通信共用器件/共用驅(qū)動等）；現(xiàn)有光學(xué)器件針對可見光頻段缺乏針對性設(shè)計(jì)；同質(zhì)異質(zhì)鏈路組網(wǎng)機(jī)制研究不足等，但技術(shù)成熟是相對的，不成熟是絕對的，不妨礙應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

其三，“產(chǎn)業(yè)化不確定”。涉及產(chǎn)業(yè)鏈綿長（通信/照明/電力/交通等），啟動勢必緩慢，但產(chǎn)業(yè)化趨勢已然彰顯。

他認(rèn)為，可見光通信的發(fā)展在戰(zhàn)略上要準(zhǔn)備打持久戰(zhàn)。當(dāng)前處在產(chǎn)業(yè)化前夜，產(chǎn)業(yè)啟動周期長，近期尚難形成全面爆發(fā)式增長態(tài)勢。

在戰(zhàn)術(shù)上要準(zhǔn)備打殲滅戰(zhàn)。按照“從低速到高速，從單向到雙向，從行業(yè)到大眾”的務(wù)實(shí)原則制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線圖，從專利/標(biāo)準(zhǔn)/材料/器件/芯片/方法/系統(tǒng)/工程等多層面“多維并舉”，逐一解決產(chǎn)業(yè)化面臨的桎梏，核心點(diǎn)在于良好的用戶體驗(yàn)。

?