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(jiàn)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(chǎng)，但要真正大規(guī)模應(yīng)用，還需綜合考慮技術(shù)演進(jìn)規(guī)律，并在國(guó)家和地方政府政策扶植下，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，共同推進(jìn)LED信息化技術(shù)應(yīng)用進(jìn)程。

可見(jiàn)光通信；技術(shù)演進(jìn)；發(fā)光二極管信息化技術(shù)

With the worldwide application of solid state lighting technologies， visible light communication has received significant attention from both academia and industry. Visible light communication technology has gradually gained a small market share. However， large-scale application of this technology requires consideration of technology evolution rules. It is also important to obtain support of central and local governments， increase research cooperation between industry and academia， and jointly promote the application of LED informatization technology.

visible light communication； technology evolution； LED informatization technology

1 可見(jiàn)光通信技術(shù)

可見(jiàn)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(lái)的新興的、短距離無(wú)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(diǎn)，將信息高速加載到光強(qiáng)上并傳輸至空間覆蓋區(qū)域的接收終端，經(jīng)過(guò)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)?？梢?jiàn)光覆蓋波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)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(lái)寬帶移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)接入帶來(lái)曙光，為高速大容量移動(dòng)通信提供了新型手段。其次，可見(jiàn)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(duì)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(jiàn)光通信更能適用于電磁復(fù)雜或電磁受限場(chǎng)景，如醫(yī)院、礦井、油田和飛機(jī)機(jī)艙。另外在室內(nèi)，手持終端可使用LED光源實(shí)現(xiàn)高精度定位導(dǎo)航功能，并可主動(dòng)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(hào)顯示LED如廣告信息屏、交通信號(hào)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(jiàn)光通信全球現(xiàn)狀

世界范圍已展開(kāi)新一輪可見(jiàn)光通信研究制高點(diǎn)和頻譜資源開(kāi)發(fā)利用的話語(yǔ)權(quán)爭(zhēng)奪[3]。歐美日等科技強(qiáng)國(guó)的大型科研計(jì)劃和機(jī)構(gòu)層出不窮，包括歐洲的OMEGA和EPSRC研究計(jì)劃，美國(guó)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(jiàn)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(guó)的ERC和UC-Light已報(bào)道了室內(nèi)手機(jī)和機(jī)器人的精確定位。

中國(guó)一些機(jī)構(gòu)和地方政府也資助了可見(jiàn)光通信研究。國(guó)家“973”計(jì)劃項(xiàng)目“寬光譜信號(hào)無(wú)線傳輸理論與方法研究”于2013年1月正式啟動(dòng)，研究各波段的光信號(hào)傳輸和通信理論與方法。2013年4月國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“可見(jiàn)光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”也正式啟動(dòng)，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)480 Mb/s可見(jiàn)光通信。國(guó)家“新一代寬帶無(wú)線移動(dòng)通信網(wǎng)”科技重大專項(xiàng)2014年已完成可見(jiàn)光通信課題的論證評(píng)審工作。中科院半導(dǎo)體所研究出的每秒幾兆比特的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)在2010年上海世博會(huì)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(wú)線光通信研究團(tuán)隊(duì)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(jiàn)光鏈路的視頻傳輸系統(tǒng)在2013年11月上海工博會(huì)成功展示。南京和重慶也都投入資助可見(jiàn)光通信技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。最近，中科院成立的無(wú)線光電通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行多學(xué)科交叉合作，研究多種載波的無(wú)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(dòng)大數(shù)據(jù)和多媒體等新型業(yè)務(wù)。國(guó)際學(xué)術(shù)界也掀起了涵蓋各色光譜的無(wú)線光通信研究熱潮。通信領(lǐng)域頂尖級(jí)期刊IEEE JSAC和IEEE Wireless Communications以及著名的IEEE GLOBECOM等國(guó)際會(huì)議近年來(lái)均開(kāi)辟了專題討論會(huì)。

在知識(shí)產(chǎn)權(quán)方面，從歐美日韓以及中國(guó)的可見(jiàn)光通信相關(guān)國(guó)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(shì)，而中國(guó)企業(yè)和機(jī)構(gòu)雖然申請(qǐng)中國(guó)一定數(shù)量專利，但國(guó)際專利數(shù)量較少，對(duì)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(guò)了第一個(gè)無(wú)線可見(jiàn)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(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，極大制約了它的參考和使用價(jià)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(jī)等作為收發(fā)器件，以實(shí)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(jiàn)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(wèn)題尚未解決，這些問(wèn)題包括，如何優(yōu)化現(xiàn)有LED器件達(dá)到照明通信一體化，能否集成LED驅(qū)動(dòng)電源與通信模塊，并設(shè)計(jì)出兼顧照明的通信透鏡；從信號(hào)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(dòng)切換；在系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)層面，如何將空間、顏色、時(shí)間、頻率、功率等各種資源在多用戶間進(jìn)行最優(yōu)分配，取得系統(tǒng)總?cè)萘康淖畲蠡?/p>

3 可見(jiàn)光通信應(yīng)用市場(chǎng)預(yù)測(cè)

近年來(lái)，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(guó)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L(zhǎng)ED可見(jiàn)光通信奠定了較好的發(fā)展基礎(chǔ)。預(yù)計(jì)到2025年，LED市場(chǎng)將形成近萬(wàn)億規(guī)模。

可見(jiàn)光通信將在許多有線通信不易實(shí)現(xiàn)的場(chǎng)景得到應(yīng)用，同時(shí)在無(wú)線傳輸容量需求旺盛或電磁波受限的場(chǎng)景發(fā)揮獨(dú)特的作用?？梢?jiàn)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(wú)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、近場(chǎng)識(shí)別、安全支付和定位[10-11]等各類應(yīng)用場(chǎng)景。另外可見(jiàn)光通信可用于一些特定場(chǎng)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(chǎng)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(jiàn)光通信可以實(shí)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(jī)中使用該技術(shù)幫助手機(jī)和筆記本上網(wǎng)，此外也可以在水下等無(wú)線電波無(wú)法傳播的場(chǎng)所使用?？梢灶A(yù)測(cè)，在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)仍需要Wi-Fi，需要射頻通信系統(tǒng)。如果光信號(hào)被阻擋，當(dāng)需要發(fā)送信息時(shí)，使用者可以無(wú)縫地切換至射頻信號(hào)。新型成像定位通信功能將集成于手持終端，定位精度達(dá)到厘米級(jí)，成像通信達(dá)到兆級(jí)以上。

4 可見(jiàn)光通信未來(lái)發(fā)展

方向與應(yīng)對(duì)策略

針對(duì)可見(jiàn)光通信的全球研究現(xiàn)狀和市場(chǎng)分析，中國(guó)正面臨著千載難逢但稍縱即逝的機(jī)遇。一旦可見(jiàn)光通信在中國(guó)起步應(yīng)用，隨之而來(lái)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(gè)嶄新的LED信息化時(shí)代的到來(lái)，同時(shí)伴隨著光電器件如攝像頭和光感二極管被廣泛植入移動(dòng)終端，這一時(shí)代的雛形已經(jīng)出現(xiàn)。中國(guó)照明LED產(chǎn)品在國(guó)際市場(chǎng)中占據(jù)的顯著份額將有助于中國(guó)在國(guó)際可見(jiàn)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(guó)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(jiàn)光通信與測(cè)試設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，使得可見(jiàn)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(dòng)照明LED產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

可見(jiàn)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?；诓煌ǘ蔚墓獠ê碗姶挪ㄗ鳛樾畔鬏斴d體，從照明約束下的可見(jiàn)光傳輸技術(shù)[13-15]到大容量無(wú)線光電協(xié)同通信，以及未來(lái)無(wú)線光電網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與應(yīng)用幾個(gè)方向，進(jìn)一步加大研究投入，提升未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸容量和帶寬利用率，滿足移動(dòng)大數(shù)據(jù)和移動(dòng)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(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)，手持和車載移動(dòng)終端的光通信網(wǎng)絡(luò)，以及水下無(wú)線光通信和傳感網(wǎng)絡(luò)。

可見(jiàn)光通信芯片研發(fā)。可見(jiàn)光通信系統(tǒng)諸多主要功能將會(huì)集成在未來(lái)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(hào)處理芯片，接收端的光電轉(zhuǎn)換芯片和通信接收信號(hào)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(dòng)相結(jié)合的發(fā)射端LED通信發(fā)光芯片、寬帶光源驅(qū)動(dòng)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(jìn)一步增強(qiáng)可見(jiàn)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(jiàn)光通信技術(shù)相關(guān)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)對(duì)可見(jiàn)光寬帶無(wú)線接入產(chǎn)業(yè)形成威脅。目前中國(guó)面向802.11高速通信的可見(jiàn)光通信專利主要是中國(guó)專利，而且集中在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)上，需進(jìn)軍國(guó)際專利申請(qǐng)陣營(yíng)，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(hào)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(jiàn)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(lì)相關(guān)機(jī)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(dòng)高速可見(jiàn)光無(wú)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(guó)可見(jiàn)光通信的標(biāo)準(zhǔn)化工作，華為海思、聯(lián)想、中國(guó)科大、東南大學(xué)、北京郵電大學(xué)等多家單位參與，在此過(guò)程中需要加強(qiáng)與半導(dǎo)體照明標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)的銜接。預(yù)期在可見(jiàn)光通信這一新興技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)將有望擁有更多話語(yǔ)權(quán)，取得較多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)成果。

5 結(jié)束語(yǔ)

在LED照明產(chǎn)業(yè)升級(jí)和強(qiáng)大的通信與基于位置服務(wù)應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)下，未來(lái)無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)體系將會(huì)全面融合從微波至光波不同波段。一方面，現(xiàn)有無(wú)線（電）通信的移動(dòng)性和宏覆蓋等諸多特性將會(huì)繼續(xù)秉承，另一方面，可見(jiàn)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(shì)，更能適應(yīng)未來(lái)多場(chǎng)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(chǎng)景。多波段融合將會(huì)充分發(fā)揮無(wú)線通信和可見(jiàn)光通信的各自優(yōu)勢(shì)，自適應(yīng)傳輸場(chǎng)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(jiàn)光通信將能源與信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合，目前正處于快速發(fā)展的時(shí)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(jìn)過(guò)程中面臨的挑戰(zhàn)。預(yù)測(cè)在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)后各種移動(dòng)終端和光源將會(huì)標(biāo)配可見(jiàn)光通信光電模塊，與現(xiàn)有無(wú)線通信技術(shù)深度融合，互相補(bǔ)充，真正讓用戶快速便捷享受高質(zhì)量的信息服務(wù)。中國(guó)在可見(jiàn)光通信技術(shù)發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化方面與大部分國(guó)際強(qiáng)國(guó)處于同一起跑線上，又具有相對(duì)完備的條件和良好的LED產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，這將有助于中國(guó)取得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果，在標(biāo)準(zhǔn)制訂及專利申請(qǐng)方面搶占話語(yǔ)權(quán)，推動(dòng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，增強(qiáng)中國(guó)在這一新興戰(zhàn)略性領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

參考文獻(xiàn)

[1] ELGALA H， MESLEH R， HAAS H. Indoor optical wireless communication： potential and state-of-the-art [J]. IEEE Communication Magazine， 2011，49（9）：56-62

[2] KOMINE T， NAKAGAWA M. Fundamental analysis for visible light communication system using LED lights [J]. IEEE Trans. Consumer Electronics， 2004，50（1）：100-107

[3] JOVICIC A， LI J， RICHARDSON T. Visible light communication： opportunities， challenges and the path to market [J]. IEEE Communications Magazine， 2013，

51（12）：26-32

[4] HRANILOVIC S， LAMPE L， HOSUR S. Visible light communications： the road to standardization and commercialization [J]. IEEE Communications Magazine， 2013，51（12）：24-25

[5] RAJAGOPAL S， ROBERTS R D， LIM S. IEEE 802.15.7 visible light communication： modulation schemes and dimming support [J]. IEEE Communications Magazine， 2012，50（3）：72-82

[6] LI Y Y， WANG L J， NING J X， PELECHRINIS K， KRISHNAMURTHY S V， XU Z Y. VICO： A framework for configuring indoor visible light communication networks [C]//Proceedings of the 9th IEEE International Conference on Mobile Ad hoc and Sensor Systems （MASS）， Las Vegas， Nevada， USA， 2012：136-144

[7] CUI K Y， QUAN J G， XU Z Y. Performance of indoor optical femtocell by visible light communication [J]. Elsevier Optics Communications， 2013，298（2）：59-66

[8] CUI K Y， CHEN G， XU Z Y， ROBERTS R D. Traffic light to vehicle VLC channel characterization [J]. Applied Optics， 2012，51（27）： 6594-6605

[9] BAI B， CHEN G， XU Z Y， FAN Y Y. Visible light positioning based on LED traffic light and photodiodes [C]//Proceedings of the IEEE VTC Fall， San Francisco， 2011，9：1-5

[10] 婁鵬華， 張洪明， 郎凱， 姚敏玉， 徐正元. 基于室內(nèi)可見(jiàn)光照明的位置服務(wù)系統(tǒng) [J]. 光電子·激光， 2012， 23（12）：2299-2303

[11] XU Z Y， GONG C， BAI B. Visible Light Positioning and Communication [M]. Visible Light Communication， Eds： Shlomi Arnon， Cambridge University Press， UK， 2014

[12] DAMBUL K D， OBRIEN D， FAULKNER G. Indoor optical wireless MIMO system with an imaging receiver [J]. IEEE Photon. Technol. Lett.， 2011， 23（2）：97-99

[13] BAI B， HE Q F， XU Z Y， FAN Y Y. The color shift key modulation with non-uniform signaling for visible light communication [C]//Proceedings of the 1st IEEE Workshop on Optical Wireless Communications in China， Beijing， China， 2012：37-42

[14] BAI B， XU Z Y， FAN Y Y. Joint LED dimming and high capacity visible light communication by overlapping PPM [C]//Proceedings of the 2010 19th Annual Wireless and Optical Communications Conference （WOCC 2010）， Shanghai， China， 2010：14-15

[15] GANCARZ J， ELGALA H， LITTLE T D C. Impact of lighting requirements on VLC systems [J]. IEEE Communications Magazine， 2013，51（12）： 34-41