認(rèn)為隨著固體照明技術(shù)在世界范圍的廣泛應(yīng)用，可見光通信已引起學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界高度關(guān)注，并逐漸取得小部分市場，但要真正大規(guī)模應(yīng)用，還需綜合考慮技術(shù)演進規(guī)律，并在國家和地方政府政策扶植下，加強產(chǎn)學(xué)研合作，共同推進LED信息化技術(shù)應(yīng)用進程。

可見光通信；技術(shù)演進；發(fā)光二極管信息化技術(shù)

1 可見光通信技術(shù)

可見光通信（VLC）俗稱燈光上網(wǎng)技術(shù)，又叫LiFi[1]，是一種在半導(dǎo)體照明發(fā)光二極管（LED）技術(shù)上發(fā)展起來的新興的、短距離無線光通信技術(shù)[2]。利用LED比傳統(tǒng)光源電光轉(zhuǎn)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(qū)域的接收終端，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換而獲得信息。與Wi-Fi等現(xiàn)有射頻（RF）通信接入手段相比具有獨特的優(yōu)勢?？梢姽飧采w波長范圍380 nm至780 nm，相應(yīng)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(qū)域用戶的平均容量，為未來寬帶移動網(wǎng)絡(luò)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(shù)據(jù)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(fù)雜或電磁受限場景，如醫(yī)院、礦井、油田和飛機機艙。另外在室內(nèi)，手持終端可使用LED光源實現(xiàn)高精度定位導(dǎo)航功能，并可主動轉(zhuǎn)送位置信息至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。除了室內(nèi)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(fā)送裝置，接入通信網(wǎng)絡(luò)。

2 可見光通信全球現(xiàn)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(fā)利用的話語權(quán)爭奪[3]。歐美日等科技強國的大型科研計劃和機構(gòu)層出不窮，包括歐洲的OMEGA和EPSRC研究計劃，美國波斯頓大學(xué)的ERC中心、加州大學(xué)的UC-Light中心、賓州州立大學(xué)的COWA中心，日本的可見光通信聯(lián)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(nèi)手機和機器人的精確定位。

中國一些機構(gòu)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(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”也正式啟動，目標(biāo)實現(xiàn)480 Mb/s可見光通信。國家“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)”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(dǎo)體所研究出的每秒幾兆比特的可見光通信系統(tǒng)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(xué)深圳研究生院無線光通信研究團隊研究LED信息化技術(shù)，上?？莆荣Y助復(fù)旦大學(xué)研究的可見光鏈路的視頻傳輸系統(tǒng)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(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。最近，中科院成立的無線光電通信重點實驗室進行多學(xué)科交叉合作，研究多種載波的無線光電通信器件、多模態(tài)光電傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、移動大數(shù)據(jù)和多媒體等新型業(yè)務(wù)。國際學(xué)術(shù)界也掀起了涵蓋各色光譜的無線光通信研究熱潮。通信領(lǐng)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(chǎn)權(quán)方面，從歐美日韓以及中國的可見光通信相關(guān)國際專利檢索結(jié)果發(fā)現(xiàn)，索尼、三星在專利產(chǎn)出上有較大優(yōu)勢，而中國企業(yè)和機構(gòu)雖然申請中國一定數(shù)量專利，但國際專利數(shù)量較少，對產(chǎn)業(yè)影響力較弱。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.7 《Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light》，提出了減少閃爍和支持調(diào)光的相關(guān)機制，允許多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持各種室內(nèi)和室外應(yīng)用，速率從11.67 kb/s至96 Mb/s。但業(yè)界普遍認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)缺少足夠的照明產(chǎn)業(yè)支撐和技術(shù)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(xué)相機等作為收發(fā)器件，以實現(xiàn)可變速率通信、定位導(dǎo)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(diào)制下的高速通信技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)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(shù)方面還有許多問題尚未解決，這些問題包括，如何優(yōu)化現(xiàn)有LED器件達到照明通信一體化，能否集成LED驅(qū)動電源與通信模塊，并設(shè)計出兼顧照明的通信透鏡；從信號調(diào)制編碼和通信協(xié)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(qū)移動切換；在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)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(yōu)分配，取得系統(tǒng)總?cè)萘康淖畲蠡?/p>

3 可見光通信應(yīng)用市場預(yù)測

近年來，LED照明技術(shù)發(fā)展迅速，成本快速下降，產(chǎn)品應(yīng)用得到迅猛發(fā)展，LED照明產(chǎn)品正快速替代傳統(tǒng)照明產(chǎn)品。中國LED照明產(chǎn)業(yè)形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈和一定的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，為LED可見光通信奠定了較好的發(fā)展基礎(chǔ)。預(yù)計到2025年，LED市場將形成近萬億規(guī)模。

可見光通信將在許多有線通信不易實現(xiàn)的場景得到應(yīng)用，同時在無線傳輸容量需求旺盛或電磁波受限的場景發(fā)揮獨特的作用。可見光通信產(chǎn)業(yè)在全球還處在探索和起步階段，但已顯示出誘人的應(yīng)用前景。不僅可以用于室內(nèi)無線接入網(wǎng)絡(luò)[6-7]，更可以用于智能家居、智能交通[8-9]、實時數(shù)據(jù)采集、近場識別、安全支付和定位[10-11]等各類應(yīng)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(yī)療應(yīng)用），安全特殊要求（如采礦、油氣田）以及特殊區(qū)域（如水下）場景。這些應(yīng)用還將延伸到半導(dǎo)體顯示通信，成像通信[12]，穿戴式設(shè)備傳感通信等新型應(yīng)用領(lǐng)域。

在短期內(nèi)，可見光通信可以實現(xiàn)一些小范圍應(yīng)用。例如，在室內(nèi)和礦井等區(qū)域的定位，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?？梢灶A(yù)測，在相當(dāng)長時間內(nèi)仍需要Wi-Fi，需要射頻通信系統(tǒng)。如果光信號被阻擋，當(dāng)需要發(fā)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(fā)展

方向與應(yīng)對策略

針對可見光通信的全球研究現(xiàn)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(yīng)用，隨之而來的將是其在各種各樣環(huán)境下極其豐富的創(chuàng)意應(yīng)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(jīng)出現(xiàn)。中國照明LED產(chǎn)品在國際市場中占據(jù)的顯著份額將有助于中國在國際可見光通信技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)品推廣方面占據(jù)一席之地。國家需要統(tǒng)籌制訂LED信息化產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略規(guī)劃，和可見光通信與測試設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，使得可見光通信關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用快速穩(wěn)步發(fā)展，并帶動照明LED產(chǎn)業(yè)升級。

可見光通信關(guān)鍵技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)結(jié)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(shù)[13-15]到大容量無線光電協(xié)同通信，以及未來無線光電網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與應(yīng)用幾個方向，進一步加大研究投入，提升未來通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量和帶寬利用率，滿足移動大數(shù)據(jù)和移動多媒體業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建具有精準(zhǔn)位置特征的室內(nèi)高速可見光通信網(wǎng)絡(luò)，手持和車載移動終端的光通信網(wǎng)絡(luò)，以及水下無線光通信和傳感網(wǎng)絡(luò)。

可見光通信芯片研發(fā)?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)諸多主要功能將會集成在未來光電芯片上，包括發(fā)射端的電光轉(zhuǎn)換芯片，通信發(fā)送信號處理芯片，接收端的光電轉(zhuǎn)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(qū)動相結(jié)合的發(fā)射端LED通信發(fā)光芯片、寬帶光源驅(qū)動芯片、新一代光電轉(zhuǎn)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(tǒng)性能，滿足低功耗小型化大數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)終端的要求。

可見光通信技術(shù)相關(guān)的知識產(chǎn)權(quán)風(fēng)險將會對可見光寬帶無線接入產(chǎn)業(yè)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(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)上，需進軍國際專利申請陣營，并拓展技術(shù)層面，涵蓋新的范疇，比如通信照明器件技術(shù)，超大規(guī)模陣列收發(fā)技術(shù)，光譜復(fù)用技術(shù)，干擾信號處理技術(shù)，可變窗口的成像傳感器數(shù)據(jù)讀取技術(shù)，高精度可見光定位技術(shù)，通信照明網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。在標(biāo)準(zhǔn)化方面，面向IEEE 802.11和802.15，鼓勵相關(guān)機構(gòu)和企業(yè)參與全球標(biāo)準(zhǔn)化工作，提交標(biāo)準(zhǔn)草案，推動高速可見光無線局域網(wǎng)和低速成像通信的應(yīng)用推廣和產(chǎn)業(yè)化。中興通訊正在牽頭中國可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作，華為海思、聯(lián)想、中國科大、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)等多家單位參與，在此過程中需要加強與半導(dǎo)體照明標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)的銜接。預(yù)期在可見光通信這一新興技術(shù)領(lǐng)域，中國將有望擁有更多話語權(quán)，取得較多具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果。

5 結(jié)束語

在LED照明產(chǎn)業(yè)升級和強大的通信與基于位置服務(wù)應(yīng)用需求驅(qū)動下，未來無線移動通信技術(shù)體系將會全面融合從微波至光波不同波段。一方面，現(xiàn)有無線（電）通信的移動性和宏覆蓋等諸多特性將會繼續(xù)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(yōu)勢，更能適應(yīng)未來多場景和多樣化速率的應(yīng)用需求，包括大數(shù)據(jù)、高清視頻等多媒體業(yè)務(wù)和微波受限場景。多波段融合將會充分發(fā)揮無線通信和可見光通信的各自優(yōu)勢，自適應(yīng)傳輸場景及多應(yīng)用模態(tài)，并且深度拓展與其他異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)的互通互聯(lián)。

可見光通信將能源與信息技術(shù)有機結(jié)合，目前正處于快速發(fā)展的時期。產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界、金融界正在齊心協(xié)力解決目前在應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化推進過程中面臨的挑戰(zhàn)。預(yù)測在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺后各種移動終端和光源將會標(biāo)配可見光通信光電模塊，與現(xiàn)有無線通信技術(shù)深度融合，互相補充，真正讓用戶快速便捷享受高質(zhì)量的信息服務(wù)。中國在可見光通信技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，這將有助于中國取得具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果，在標(biāo)準(zhǔn)制訂及專利申請方面搶占話語權(quán)，推動知識經(jīng)濟的發(fā)展，增強中國在這一新興戰(zhàn)略性領(lǐng)域的國際競爭力。

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