可見光通信：實(shí)現(xiàn)有光就有網(wǎng)

有燈光的地方就能上網(wǎng)？這可給一刻也離不開WiFi的手機(jī)黨帶來了福音。最近，復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院傳出了消息，科研人員將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的LED燈，燈光下的4臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.7G，平均上網(wǎng)速率能達(dá)到150M。

繼續(xù)聯(lián)想下去，是不是以后只要在任何一個(gè)LED燈泡中增加一個(gè)微芯片，就可讓無(wú)數(shù)燈泡變成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器，實(shí)現(xiàn)有燈光的地方就有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)？“不是科幻，卻勝似科幻。”科幻作家韓松在微博上這樣感嘆。

這樣科幻的成果是怎樣實(shí)現(xiàn)的呢？其實(shí)，這是一種被稱為“可見光通信(VLC，Visible Light Communication)”的技術(shù)，最早由日本科研人員提出并展開研究，而我國(guó)也早在2008年由暨南大學(xué)教授陳長(zhǎng)纓研制出國(guó)內(nèi)首臺(tái)白光LED可見光通信樣機(jī)。

如今，國(guó)際上科研人員是在通信速率上進(jìn)行比拼，復(fù)旦大學(xué)此次即是刷新了世界的可見光通信速率。要想實(shí)現(xiàn)如WiFi般流暢上網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化推廣，還有很長(zhǎng)的一段路要走。

原理

將半導(dǎo)體照明技術(shù)與光通信技術(shù)相結(jié)合，利用白光LED能夠高速切換開關(guān)的特點(diǎn)，把信息調(diào)制到LED燈光上，實(shí)現(xiàn)“有燈光的地方就能下載信息”

2010年上海世博會(huì)，“滬上生態(tài)家”展示區(qū)里，一盞LED燈被它的發(fā)明者賦予了智慧：它發(fā)出的光不僅照亮了桌面，還滿載了豐富的資訊—在燈光下，不僅可以讀書、寫作，借助小巧的液晶屏幕，人們還可以通過燈光觀看電影、欣賞音樂、下載信息。

這就是國(guó)內(nèi)首個(gè)“白光LED節(jié)能燈構(gòu)筑的無(wú)線通信系統(tǒng)”，由陳長(zhǎng)纓親手做出。作為沒有任何資源可供利用的先行者，陳長(zhǎng)纓自嘲自己是在“做老木匠的活”，燈里的LED小燈珠都是他手工一個(gè)個(gè)焊起來，成本不到100元。

這一套樣機(jī)看起來并不神秘：用一臺(tái)普通的VCD機(jī)，放上刻錄了影片的VCD碟片，就成為了發(fā)射信號(hào)源。一臺(tái)他親手焊制的白光LED燈，里面的72個(gè)小燈珠都是從電子商店里買來，成陣列分布，作為光信號(hào)發(fā)射器。VCD碟里的影片數(shù)據(jù)在這盞特殊的LED燈內(nèi)部進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換成了燈光信號(hào)。

陳長(zhǎng)纓借用一臺(tái)便攜式DVD機(jī)顯示屏作為多媒體顯示設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的核心技術(shù)是自制的光檢測(cè)器與解調(diào)器。這兩件小小的設(shè)備能夠?qū)⑻N(yùn)藏著信息的燈光接收并解密轉(zhuǎn)換還原成數(shù)碼影片信號(hào)，在DVD的顯示屏上同步播放出來。

陳長(zhǎng)纓介紹，該項(xiàng)研究的原理是將半導(dǎo)體照明技術(shù)與光通信技術(shù)相結(jié)合，利用白光LED能夠高速切換開關(guān)的特點(diǎn)，把信息調(diào)制到LED燈光上，實(shí)現(xiàn)“有燈光的地方就能下載信息”。

原來，光和常用的無(wú)線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的基本原理是一致的。給普通的LED燈泡裝上驅(qū)動(dòng)芯片，就可以控制它每秒數(shù)百萬(wàn)次閃爍，亮了表示1，滅了代表0。

由于頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化。就這樣，二進(jìn)制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號(hào)并進(jìn)行了有效地傳輸。燈光下的電腦，通過一套特制的接收裝置，就能接收到燈光里附加的信息。

隨后在2011年7月份Ted大會(huì)(全球科技娛樂設(shè)計(jì)大會(huì))上，英國(guó)愛丁堡大學(xué)工程學(xué)院教授哈拉爾德·哈斯，向人們展示了他制造的可以用來通信的VLC燈泡。他首次將VLC稱為“LiFi”。

為什么要用LED燈來進(jìn)行通信？哈斯說，我們傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)的方式是使用電磁波，特別是無(wú)線電波。但無(wú)線電頻譜在整個(gè)電磁頻譜中僅占很小的一部分，目前我們的無(wú)線電頻譜資源已所剩無(wú)幾。與此同時(shí)，人們對(duì)無(wú)線上網(wǎng)的需求越來越大。

陳長(zhǎng)纓說：“可見光通信系統(tǒng)不需要占用無(wú)線電頻譜資源，它與無(wú)線電傳輸互為補(bǔ)充，可以減輕無(wú)線電通信的壓力，釋放無(wú)線電頻譜?？梢姽馔ㄐ蓬l譜是400T-800THz，比無(wú)線電頻譜大10000倍，這即意味著更大的帶寬和更高的速度。”

在哈斯看來，VLC有一個(gè)最重要的優(yōu)點(diǎn)，這就是幾乎不需要再新建基礎(chǔ)設(shè)施。而傳統(tǒng)射頻信號(hào)的發(fā)射需要能量密集的設(shè)備。他宣稱，VLC可以利用現(xiàn)有設(shè)施，“只要你擁有電燈泡，就可以獲得無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)連接。”

研發(fā)

LED最早的用途就是通信，在其功能延伸到照明后，科學(xué)家開始不斷嘗試使它再回歸到通信上去。目前，可見光離線最高單向傳輸速率達(dá)3.7G

陳長(zhǎng)纓介紹，LED用在通信技術(shù)上，其實(shí)是一種功能的“回歸”。

LED的中文全稱為發(fā)光二極管，是一種能發(fā)光的半導(dǎo)體電子元件。

由于工作電壓低、工作電流小、抗沖擊和抗震性能好、可靠性高、壽命長(zhǎng)，尤其是可以通過調(diào)制通電電流的強(qiáng)弱方便地控制發(fā)光的強(qiáng)弱，LED最初被用來通信，在許多電子設(shè)備中用作信號(hào)顯示器，在一些光電控制設(shè)備中用作光源。

1977年，陳長(zhǎng)纓在我國(guó)光纖通信的發(fā)源地—武漢郵電科學(xué)研究院工作，“當(dāng)時(shí)一部分光纖通信系統(tǒng)就是用LED來作為信號(hào)光源的”。

如今的白光LED是1997年由日本日亞公司(Nichia Corporation)發(fā)明的。

本世紀(jì)初，科學(xué)家們提出，LED的功能從通信延伸到了照明，能否再回歸到通信上去？2006年，日本國(guó)土交通省組織了電工、、中川研究所、日本航空等研究機(jī)構(gòu)投入大量經(jīng)費(fèi)進(jìn)行可見光LED通信技術(shù)的研究。這一年，陳長(zhǎng)纓也向廣州市科技局提出了開展“半導(dǎo)體照明-通信兼用系統(tǒng)”的科研項(xiàng)目申請(qǐng)，并獲得了批準(zhǔn)。陳長(zhǎng)纓帶領(lǐng)他的團(tuán)隊(duì)在一片空白的情況下展開了研究。

2008年10月在國(guó)際著名的三大電子展之一的東京國(guó)際電子展，日本太陽(yáng)誘電公司向全世界首次現(xiàn)場(chǎng)展出了一個(gè)白光LED的通信系統(tǒng)，不過，它的最大傳輸距離僅20cm。

兩個(gè)月之后，陳長(zhǎng)纓團(tuán)隊(duì)的白光LED通信樣機(jī)也通過了廣州市科技局的項(xiàng)目驗(yàn)收，他的樣機(jī)的傳輸距離已大于2.5米。次年11月該套樣機(jī)亮相深圳高交會(huì)并現(xiàn)場(chǎng)表演。2010年5月受上海世博會(huì)主辦方的特別邀請(qǐng)，這套樣機(jī)作為中國(guó)唯一的白光LED照明-通信兼用系統(tǒng)亮相世界博覽會(huì)并現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期演示直至展會(huì)結(jié)束。

繼日本、中國(guó)之后，美德等國(guó)家陸續(xù)開展相關(guān)研究。2008年10月，美國(guó)投入了1.85億美元的國(guó)家基金，資助一項(xiàng)名為“智能照明”的美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金計(jì)劃，為期10年，主題就是探索把無(wú)線通信能力嵌入未來的LED照明安裝之中。

陳長(zhǎng)纓介紹，目前在可見光通信研究領(lǐng)域里實(shí)際上存在有兩個(gè)不同的研究流派，一派主張將通信作為L(zhǎng)ED燈光的附加功能，為L(zhǎng)ED裝置創(chuàng)造出各種創(chuàng)新的應(yīng)用領(lǐng)域；另一派主張用可見光通信技術(shù)替代已經(jīng)相當(dāng)普及的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，這決定了必須花大力氣解決白光LED開關(guān)速率不夠高的難題。[!--empirenews.page--]

今年年初，復(fù)旦大學(xué)遲楠的課題組剛剛發(fā)表了可見光傳輸速率在1.5G的科研成果，這一速度很快就被國(guó)際學(xué)界同行刷新。就在前幾天，遲楠課題組宣布在實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)造了新的傳輸速度世界紀(jì)錄：離線最高單向傳輸速率達(dá)到3.7G，實(shí)時(shí)系統(tǒng)平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M。

未來

可見光通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的高速下載，但說到“上網(wǎng)”還言之過早。LiFi不是WiFi的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它們是相輔相成的技術(shù)

“今天我們用WiFi，明天我們用LiFi。”在一張圖解中，美國(guó)研究者提出了對(duì)這項(xiàng)技術(shù)的美好設(shè)想：在一盞盞燈光底下，人們就可以享受到高速上網(wǎng)。

對(duì)此，陳長(zhǎng)纓并不樂觀。他認(rèn)為，可見光通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)信息的高速下載，但說到“上網(wǎng)”還言之過早，“白光LED通信上網(wǎng)最大的技術(shù)問題是難以建立反向信道。”

上網(wǎng)是要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的下行和上行，既要下載信息，也要能上傳信息。但是，難道還要在電腦和手機(jī)上再裝一個(gè)LED燈往回照嗎？

目前，復(fù)旦大學(xué)課題組一共做出了10臺(tái)樣機(jī)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，從已展示的樣機(jī)上看，確實(shí)是“再裝一個(gè)LED燈往回照”。“數(shù)據(jù)上傳的方案，我們歸納有3種，一種是雙向可見光通信，這要求筆記本有LED燈。其次是下行可見光，上行紅外。還有就是半光模式，下行可見光，上行采用無(wú)線的方式。”遲楠介紹。

但陳長(zhǎng)纓認(rèn)為，各種數(shù)據(jù)上傳方案無(wú)疑增加了這套系統(tǒng)的復(fù)雜程度。

哈斯也認(rèn)為，LiFi不是WiFi的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，它們是相輔相成的技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)一些無(wú)線電波傳輸所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

“只要是有燈光的地方，就有傳輸資料的潛在方式。”哈斯舉例來說明這項(xiàng)技術(shù)的無(wú)限前景：在海底，無(wú)線電通信會(huì)受到阻隔，但光線會(huì)暢通無(wú)阻。潛入海底的遙控車，用光來照亮海底的空間，這個(gè)光源就可以用來傳輸資料，使得在海底的裝置之間實(shí)現(xiàn)彼此通信。

目前不能在石化工廠里使用無(wú)線電頻率，它可能使天線產(chǎn)生火花，但使用光進(jìn)行通信是安全的。在醫(yī)院里，可用于新型醫(yī)療設(shè)備，不用擔(dān)心設(shè)備間的無(wú)線電干擾。在飛機(jī)上，也可以通過機(jī)艙里的燈光下載影片觀看。

陳長(zhǎng)纓認(rèn)為：“相比‘上網(wǎng)’，我覺得更恰當(dāng)?shù)挠猛臼?lsquo;下載’，每秒數(shù)MB的信息通過普通的電線就可以傳輸。”

據(jù)他介紹，這項(xiàng)技術(shù)可以用在智能交通系統(tǒng)上。新款的汽車都裝有LED頭燈、尾燈，汽車可借此交換信息，防止意外發(fā)生；LED交通信號(hào)燈也可以與汽車通信，進(jìn)行交通管制；當(dāng)前面的車突然剎車時(shí)，后面的車收到剎車燈信息就會(huì)立即自動(dòng)減速剎車。

陳長(zhǎng)纓指出，可見光通信與無(wú)線、紅外等其他通信方式相比，唯一不可替代的優(yōu)點(diǎn)是，它的通信區(qū)域可通過人眼直觀地確定，從而加以劃分和控制，每一盞燈光底下就是其獨(dú)有的通信區(qū)域。

陳長(zhǎng)纓還補(bǔ)充，可見光通信只要拉上遮光窗簾，外界就接收不到燈光里的信息，保密性勝過無(wú)線通信，因此可以承擔(dān)軍事、國(guó)家安全等方面的特殊用途。

“LED燈光通信技術(shù)上早已實(shí)現(xiàn)，如何應(yīng)用才是需要全民貢獻(xiàn)智慧的地方。”陳長(zhǎng)纓說。