可见光通信：实现有光就有网

11/5/2013,有灯光的地方就能上网？这可给一刻也离不开WiFi的手机党带来了福音。最近，复旦大学信息科学与工程学院传出了消息，科研人员将网络信号接入一盏1W的LED灯，灯光下的4台电脑即可上网，最高速率可达3.7G，平均上网速率能达到150M。

　　继续联想下去，是不是以后只要在任何一个LED灯泡中增加一个微芯片，就可让无数灯泡变成无线网络发射器，实现有灯光的地方就有网络信号？“不是科幻，却胜似科幻。”科幻作家韩松在微博上这样感叹。

　　这样科幻的成果是怎样实现的呢？其实，这是一种被称为“可见光通信(VLC，Visible Light Communication)”的技术，最早由日本科研人员提出并展开研究，而我国也早在2008年由暨南大学教授陈长缨研制出国内首台白光LED可见光通信样机。

　　如今，国际上科研人员是在通信速率上进行比拼，复旦大学此次即是刷新了世界的可见光通信速率。要想实现如WiFi般流畅上网并实现商业化推广，还有很长的一段路要走。


　　原理

　　将半导体照明技术与光通信技术相结合，利用白光LED能够高速切换开关的特点，把信息调制到LED灯光上，实现“有灯光的地方就能下载信息”

　　2010年上海世博会，“沪上生态家”展示区里，一盏LED灯被它的发明者赋予了智慧：它发出的光不仅照亮了桌面，还满载了丰富的资讯——在灯光下，不仅可以读书、写作，借助小巧的液晶屏幕，人们还可以通过灯光观看电影、欣赏音乐、下载信息。

　　这就是国内首个“白光LED节能灯构筑的无线通信系统”，由陈长缨亲手做出。作为没有任何资源可供利用的先行者，陈长缨自嘲自己是在“做老木匠的活”，灯里的LED小灯珠都是他手工一个个焊起来，成本不到100元。

　　这一套样机看起来并不神秘：用一台普通的VCD机，放上刻录了影片的VCD碟片，就成为了发射信号源。一台他亲手焊制的白光LED灯，里面的72个小灯珠都是从电子商店里买来，成阵列分布，作为光信号发射器。VCD碟里的影片数据在这盏特殊的LED灯内部进行编码转换成了灯光信号。

　　陈长缨借用一台便携式DVD机显示屏作为多媒体显示设备。整个系统最关键的核心技术是自制的光检测器与解调器。这两件小小的设备能够将蕴藏着信息的灯光接收并解密转换还原成数码影片信号，在DVD的显示屏上同步播放出来。

　　陈长缨介绍，该项研究的原理是将半导体照明技术与光通信技术相结合，利用白光LED能够高速切换开关的特点，把信息调制到LED灯光上，实现“有灯光的地方就能下载信息”。

　　原来，光和常用的无线电波一样，都属于电磁波的一种，传播网络信号的基本原理是一致的。给普通的LED灯泡装上驱动芯片，就可以控制它每秒数百万次闪烁，亮了表示1，灭了代表0。

　　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。就这样，二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效地传输。灯光下的电脑，通过一套特制的接收装置，就能接收到灯光里附加的信息。

随后在2011年7月份Ted大会(全球科技娱乐设计大会)上，英国爱丁堡大学工程学院教授哈拉尔德·哈斯，向人们展示了他制造的可以用来通信的VLC灯泡。他首次将VLC称为“LiFi”。

　　为什么要用LED灯来进行通信？哈斯说，我们传输无线数据的方式是使用电磁波，特别是无线电波。但无线电频谱在整个电磁频谱中仅占很小的一部分，目前我们的无线电频谱资源已所剩无几。与此同时，人们对无线上网的需求越来越大。

　　陈长缨说：“可见光通信系统不需要占用无线电频谱资源，它与无线电传输互为补充，可以减轻无线电通信的压力，释放无线电频谱。可见光通信频谱是400T-800THz，比无线电频谱大10000倍，这即意味着更大的带宽和更高的速度。”

　　在哈斯看来，VLC有一个最重要的优点，这就是几乎不需要再新建基础设施。而传统射频信号的发射需要能量密集的设备。他宣称，VLC可以利用现有设施，“只要你拥有电灯泡，就可以获得无线互联网连接。”

　　研发

　　LED最早的用途就是通信，在其功能延伸到照明后，科学家开始不断尝试使它再回归到通信上去。目前，可见光离线最高单向传输速率达3.7G

　　陈长缨介绍，LED用在通信技术上，其实是一种功能的“回归”。

　　LED的中文全称为发光二极管，是一种能发光的半导体电子元件。

　　由于工作电压低、工作电流小、抗冲击和抗震性能好、可靠性高、寿命长，尤其是可以通过调制通电电流的强弱方便地控制发光的强弱，LED最初被用来通信，在许多电子设备中用作信号显示器，在一些光电控制设备中用作光源。

　　1977年，陈长缨在我国光纤通信的发源地——武汉邮电科学研究院工作，“当时一部分光纤通信系统就是用LED来作为信号光源的”。

　　如今的白光LED是1997年由日本日亚公司(Nichia Corporation)发明的。

　　本世纪初，科学家们提出，LED的功能从通信延伸到了照明，能否再回归到通信上去？2006年，日本国土交通省组织了松下电工、索尼、中川研究所、日本航空等研究机构投入大量经费进行可见光LED通信技术的研究。这一年，陈长缨也向广州市科技局提出了开展“半导体照明-通信兼用系统”的科研项目申请，并获得了批准。陈长缨带领他的团队在一片空白的情况下展开了研究。

　　2008年10月在国际著名的三大电子展之一的东京国际电子展，日本太阳诱电公司向全世界首次现场展出了一个白光LED的通信系统，不过，它的最大传输距离仅20cm。

　　两个月之后，陈长缨团队的白光LED通信样机也通过了广州市科技局的项目验收，他的样机的传输距离已大于2.5米。次年11月该套样机亮相深圳高交会并现场表演。2010年5月受上海世博会主办方的特别邀请，这套样机作为中国唯一的白光LED照明-通信兼用系统亮相世界博览会并现场长期演示直至展会结束。

　　继日本、中国之后，美德等国家陆续开展相关研究。2008年10月，美国投入了1.85亿美元的国家基金，资助一项名为“智能照明”的美国国家科学基金计划，为期10年，主题就是探索把无线通信能力嵌入未来的LED照明安装之中。

　　陈长缨介绍，目前在可见光通信研究领域里实际上存在有两个不同的研究流派，一派主张将通信作为LED灯光的附加功能，为LED装置创造出各种创新的应用领域；另一派主张用可见光通信技术替代已经相当普及的无线网络通信，这决定了必须花大力气解决白光LED开关速率不够高的难题。

　　今年年初，复旦大学迟楠的课题组刚刚发表了可见光传输速率在1.5G的科研成果，这一速度很快就被国际学界同行刷新。就在前几天，迟楠课题组宣布在实验室创造了新的传输速度世界纪录：离线最高单向传输速率达到3.7G，实时系统平均上网速率达到150M。

未来

　　可见光通信技术可以实现信息的高速下载，但说到“上网”还言之过早。LiFi不是WiFi的竞争对手，它们是相辅相成的技术

　　“今天我们用WiFi，明天我们用LiFi。”在一张图解中，美国研究者提出了对这项技术的美好设想：在一盏盏灯光底下，人们就可以享受到高速上网。

　　对此，陈长缨并不乐观。他认为，可见光通信技术可以实现信息的高速下载，但说到“上网”还言之过早，“白光LED通信上网最大的技术问题是难以建立反向信道。”

　　上网是要实现数据的下行和上行，既要下载信息，也要能上传信息。但是，难道还要在电脑和手机上再装一个LED灯往回照吗？

　　目前，复旦大学课题组一共做出了10台样机可以实现数据上传，从已展示的样机上看，确实是“再装一个LED灯往回照”。“数据上传的方案，我们归纳有3种，一种是双向可见光通信，这要求笔记本有LED灯。其次是下行可见光，上行红外。还有就是半光模式，下行可见光，上行采用无线的方式。”迟楠介绍。

　　但陈长缨认为，各种数据上传方案无疑增加了这套系统的复杂程度。

　　哈斯也认为，LiFi不是WiFi的竞争对手，它们是相辅相成的技术，可以实现一些无线电波传输所不能实现的功能。

　　“只要是有灯光的地方，就有传输资料的潜在方式。”哈斯举例来说明这项技术的无限前景：在海底，无线电通信会受到阻隔，但光线会畅通无阻。潜入海底的遥控车，用光来照亮海底的空间，这个光源就可以用来传输资料，使得在海底的装置之间实现彼此通信。

　　目前不能在石化工厂里使用无线电频率，它可能使天线产生火花，但使用光进行通信是安全的。在医院里，可用于新型医疗设备，不用担心设备间的无线电干扰。在飞机上，也可以通过机舱里的灯光下载影片观看。

　　陈长缨认为：“相比‘上网’，我觉得更恰当的用途是‘下载’，每秒数MB的信息通过普通的电线就可以传输。”

　　据他介绍，这项技术可以用在智能交通系统上。新款的汽车都装有LED头灯、尾灯，汽车可借此交换信息，防止意外发生；LED交通信号灯也可以与汽车通信，进行交通管制；当前面的车突然刹车时，后面的车收到刹车灯信息就会立即自动减速刹车。

　　陈长缨指出，可见光通信与无线、红外等其他通信方式相比，唯一不可替代的优点是，它的通信区域可通过人眼直观地确定，从而加以划分和控制，每一盏灯光底下就是其独有的通信区域。

　　陈长缨还补充，可见光通信只要拉上遮光窗帘，外界就接收不到灯光里的信息，保密性胜过无线通信，因此可以承担军事、国家安全等方面的特殊用途。

　　“LED灯光通信技术上早已实现，如何应用才是需要全民贡献智慧的地方。”陈长缨说。

来源南方日报