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未来网络用灯光

迟楠 //m.auribault.com 2014-05-22 来源：光明日报

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　　光，作为生命最初的色彩，在其照耀下，人类慢慢从愚昧走向开化，从野蛮走向文明。现代人类早已不满足于灯光仅仅用来照亮整个世界，一种颠覆传统观念寄望用灯光联络整个世界的技术应运而生。这种利用可见光来传输我们需要的信息和数据的技术被称为可见光通信（VLC），又名“Lifi”。

　　灯光里的“摩尔斯密码”

　　未来，网络或许是这样的。

　　餐厅、飞机、高铁……无论在哪一个场合，你不用再向服务员询问“这里有没有Wifi？”，只要有灯光的地方，你就可以上网，甚至能够看高清视频。在医院，无论手术室还是住院房，你都能随时上网，不再担心电磁会干扰信号。甚至在无线电波无法很好传播的地方，比如水下，或是潜艇内部，我们也能够保障通讯的流畅。海上的灯塔不再仅仅是闪亮的浮标，它可以发出海域安全程度等信息给远处的轮船，使其能规避风险，安全远航；汽车车灯甚至也能传递信息，提示人们规避种种风险，保障安全出行。

　　这就是Lifi——可见光通信技术。

　　Lifi是近年才提出的新技术。简单地说，给LED灯泡装上微芯片后，可控制其每秒数百万次闪烁，亮了表示“1”，灭了代表“0”（二进制的数据）。由于频率太快，人眼根本觉察不到，光敏传感器却可以接收到这些变化。这样一来，二进制的数据就被快速编码到灯光信号并进行有效传输。灯光下的电脑，通过一套特制的接收装置，读懂了灯光里的“摩尔斯密码”，就可以高速的传输了。

　　Lifi拥有很多特有的优点：兼具照明、通信和控制功能——具有能耗低、购置设备少等优势；无电磁污染——适用于飞机、医院、工业控制等射频敏感领域；绿色环保、方便快捷——无须无线电频率许可，无须开挖管道的市政许可，便携性强，便于维护，适合在智能家居、智能交通等领域应用；适合水下通信——基于蓝绿光LED灯的半导体照明技术可用于水下高带宽通信；具有更大的带宽潜力——未来能够达到每秒几百兆甚至更高的接入速度；适合信息安全领域应用——只要有可见光不能透过的障碍物阻挡，半导体照明信息网内的信息就不会外泄。Lifi作为一种照明和通信结合的新型模式可以有效推动下一代照明和接入网的发展和技术进步，已成为国内外竞争的焦点和制高点。

　　Lifi技术因何而生

　　基于LED的Lifi技术的快速发展有其深层次的市场背景，也是科技发展的必然产物。从产业发展的角度上看，LED固态照明是一种效率非常高且节能的光源，相比较普通日光灯3000小时的寿命，LED灯可以高达五万小时。2011年我国便公布了相关条例，将于2016年全面禁止白炽灯的销售——LED成为下一代照明技术已是大势所趋。目前，我国照明产业市场容量达5000亿元，而LED在其中的规模只占到9%，预计2015年将达到30%，而到2018年则会占有高达80%的市场份额。但是，LED产业门槛比较低，这让市场竞争的压力无比巨大。为了让整个产业朝着良性态势发展下去，大家都在考虑如何开发LED潜在应用、增加附加产值、拉高竞争门槛——正是这种历史大背景促成了Lifi技术的诞生和发展。

　　在激烈的国际竞争中，中国并未落后

　　回顾Lifi的发展历程，早在2000年，日本研究者就提出并仿真了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。随后，松下公司与日本新??大学针对视障者进行步行研究，佩戴VLC技术仪器的视障者，可透过步行时VLC技术定位后传送定位信息于仪器中。另外，已在博物馆与美术馆的导览应用中，利用展览物的照明灯光传送画作的展出背景信息于用户的移动电话中。欧盟OMEGA项目（2008年1月至2010年12月）研究目的在于发展1GB以上的超高速家庭接入网。近年来，美国关于VLC技术也开展了许多项目，例如2008年10月的美国国家科学基金重点资助VLC无线通信技术研究。值得一提的是，就在2013年10月11日，英国爱丁堡大学哈斯教授团队交付了第一台Lifi技术的产品，演示了直播伦敦市长鲍里斯·约翰逊的一段讲话。

　　在这一个领域，中国并没有落后。科技部、上海市科委等部门也在这一战略新兴领域提前做了布局。几乎就在爱丁堡大学哈斯教授团队做出产品的同一时期，我们团队也研发出了样机，演示了高清视频流传输。就传输速率而言，我们团队在2013年就研发出了3.75Gb/s的离线数据传输速率，这个速率发布时打破了当时的世界纪录3.4Gb/s；同时，成功实现了实时传输速率为150Mb/s的双向可见光传输系统。今年，我们团队的实时传输系统达到450Mb/s，传输距离可达4米。

　　突破这些瓶颈，Lifi前景无限

　　目前，限制Lifi系统传输速率提高的主要原因在于白光LED有限的调制带宽，众所周知，LED是为照明而设计的，其发光效率高。但对于通信而言，却存在着巨大的缺陷：最广泛使用的蓝光激发黄色荧光粉LED的调制带宽只有几MHz。因此，如何提高LED的调制带宽，提高系统传输速率，成为国内外研究者们关注的焦点。

　　其次，现有的技术中没有专用的高速可见光探测器。现在普遍使用的硅基探测器其灵敏度的表现差强人意，因为这类探测器更主要用于红外波段，对可见光波段而言并没有特别好的性能。

　　另外，从产业发展而言，已有的Wifi、3G等技术都有着相应的成熟的集成芯片，但可见光通信没有任何专业芯片，因而，无论LED灯的信号控制还是接收机信号接收后的实时处理，都需要研究人员自己像“搭积木”一般组建出来。

　　虽然Lifi还存在着许多问题和不足，要像Wifi那样走进千家万户，也还有很长的路要走。但这一新兴领域已经展现出蓬勃的生命力。而这一领域的技术发展，必将为照明和显示产业中长期发展开辟新的增长点。研发发射光电芯片，接收光电芯片，收发光学天线，控制芯片，通信芯片，收发端机以及未来可见光通信组网，可以形成从材料、芯片、模块、系统到网络的整个纵向产业链。而基于LED灯定位、手机LED通信、显示屏LED通信、交通信号灯LED通信、点对点LED大功率长距离通信等，又能构成横向的产业链。发展LED可见光通信技术，可望拉动上下游整个产业链，不啻为LED产业可持续发展提供一剂强心剂。这不仅需要更多科研团队的加入，还需要相关产业的支持和投入。相信，在多方面的努力下，能够促成产学研的立体式发展，共同推进Lifi新技术的成熟与进步。

　　（作者为复旦大学信息科学与工程学院教授）

编辑：尹盼秋