中国发展可见光通信技术与产业的思考

认为随着固体照明技术在世界范围的广泛应用，可见光通信已引起学术界和产业界高度关注，并逐渐取得小部分市场，但要真正大规模应用，还需综合考虑技术演进规律，并在国家和地方政府政策扶植下，加强产学研合作，共同推进LED信息化技术应用进程。

可见光通信；技术演进；发光二极管信息化技术

1 可见光通信技术

可见光通信（VLC）俗称灯光上网技术，又叫LiFi[1]，是一种在半导体照明发光二极管（LED）技术上发展起来的新兴的、短距离无线光通信技术[2]。利用LED比传统光源电光转换速度快的特点，将信息高速加载到光强上并传输至空间覆盖区域的接收终端，经过光电转换而获得信息。与Wi-Fi等现有射频（RF）通信接入手段相比具有独特的优势。可见光覆盖波长范围380 nm至780 nm，相应能提供超宽光谱（百太赫兹以上），每秒千兆比特的传输速率已在实验室得到展示，并借助密集分布的光源保证人口密集区域用户的平均容量，为未来宽带移动网络接入带来曙光，为高速大容量移动通信提供了新型手段。其次，可见光不能穿透遮挡物，也不易绕射，因而数据更具安全性和私密性，不易被窃取，对于电子支付、局域保密通信等提供有效手段。再者，由于光波与射频相互干扰很小，使得可见光通信更能适用于电磁复杂或电磁受限场景，如医院、矿井、油田和飞机机舱。另外在室内，手持终端可使用LED光源实现高精度定位导航功能，并可主动转送位置信息至远程监控中心。除了室内照明LED外，信号显示LED如广告信息屏、交通信号灯、车路灯等也可作为信息发送装置，接入通信网络。

2 可见光通信全球现状

世界范围已展开新一轮可见光通信研究制高点和频谱资源开发利用的话语权争夺[3]。欧美日等科技强国的大型科研计划和机构层出不穷，包括欧洲的OMEGA和EPSRC研究计划，美国波斯顿大学的ERC中心、加州大学的UC-Light中心、宾州州立大学的COWA中心，日本的可见光通信联盟（VLCC）等。2013年10月，欧洲的EPSRC将LiFi的通信速率刷新到10 Gb/s，美国的ERC和UC-Light已报道了室内手机和机器人的精确定位。

中国一些机构和地方政府也资助了可见光通信研究。国家“973”计划项目“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”于2013年1月正式启动，研究各波段的光信号传输和通信理论与方法。2013年4月国家“863”计划项目“可见光通信系统关键技术研究”也正式启动，目标实现480 Mb/s可见光通信。国家“新一代宽带无线移动通信网”科技重大专项2014年已完成可见光通信课题的论证评审工作。中科院半导体所研究出的每秒几兆比特的可见光通信系统在2010年上海世博会期间成功展示，目前速率已大幅度提升。深圳市科委资助了清华大学深圳研究生院无线光通信研究团队研究LED信息化技术，上海科委等资助复旦大学研究的可见光链路的视频传输系统在2013年11月上海工博会成功展示。南京和重庆也都投入资助可见光通信技术应用和产业化。最近，中科院成立的无线光电通信重点实验室进行多学科交叉合作，研究多种载波的无线光电通信器件、多模态光电传输技术、网络结构、移动大数据和多媒体等新型业务。国际学术界也掀起了涵盖各色光谱的无线光通信研究热潮。通信领域顶尖级期刊IEEE JSAC和IEEE Wireless Communications以及著名的IEEE GLOBECOM等国际会议近年来均开辟了专题讨论会。

在知识产权方面，从欧美日韩以及中国的可见光通信相关国际专利检索结果发现，索尼、三星在专利产出上有较大优势，而中国企业和机构虽然申请中国一定数量专利，但国际专利数量较少，对产业影响力较弱。在技术标准化方面[4-5]，IEEE于2011年9月通过了第一个无线可见光通信技术标准IEEE 802.15.7 《Short-Range Wireless Optical Communication Using Visible Light》，提出了减少闪烁和支持调光的相关机制，允许多种不同的拓扑结构，支持各种室内和室外应用，速率从11.67 kb/s至96 Mb/s。但业界普遍认为该标准缺少足够的照明产业支撑和技术的实验验证，极大制约了它的参考和使用价值。2014年1月IEEE成立了IEEE 802.15.SG7a研究工作组“Optical Camera Communications Study Group”，修订IEEE 802.15.7，引入闪光灯、显示器、光学相机等作为收发器件，以实现可变速率通信、定位导航和消息广播等功能。近期也有专家在酝酿修订IEEE 802.15.7，增加摄像头低速通信和多载波调制下的高速通信技术与网络协议，形成IEEE 802.15.7r1。

目前可见光通信的研究在世界范围处于起步阶段，在技术方面还有许多问题尚未解决，这些问题包括，如何优化现有LED器件达到照明通信一体化，能否集成LED驱动电源与通信模块，并设计出兼顾照明的通信透镜；从信号调制编码和通信协议方面如何提高通信链路的传输速率，有效解决上行链路、多光源干扰抑制和小区移动切换；在系统和网络层面，如何将空间、颜色、时间、频率、功率等各种资源在多用户间进行最优分配，取得系统总容量的最大化。

3 可见光通信应用市场预测

近年来，LED照明技术发展迅速，成本快速下降，产品应用得到迅猛发展，LED照明产品正快速替代传统照明产品。中国LED照明产业形成了较为完整的产业链和一定的产业规模，为LED可见光通信奠定了较好的发展基础。预计到2025年，LED市场将形成近万亿规模。

可见光通信将在许多有线通信不易实现的场景得到应用，同时在无线传输容量需求旺盛或电磁波受限的场景发挥独特的作用。可见光通信产业在全球还处在探索和起步阶段，但已显示出诱人的应用前景。不仅可以用于室内无线接入网络[6-7]，更可以用于智能家居、智能交通[8-9]、实时数据采集、近场识别、安全支付和定位[10-11]等各类应用场景。另外可见光通信可用于一些特定场景，如射频受限（如航天，医疗应用），安全特殊要求（如采矿、油气田）以及特殊区域（如水下）场景。这些应用还将延伸到半导体显示通信，成像通信[12]，穿戴式设备传感通信等新型应用领域。

在短期内，可见光通信可以实现一些小范围应用。例如，在室内和矿井等区域的定位，在飞机中使用该技术帮助手机和笔记本上网，此外也可以在水下等无线电波无法传播的场所使用。可以预测，在相当长时间内仍需要Wi-Fi，需要射频通信系统。如果光信号被阻挡，当需要发送信息时，使用者可以无缝地切换至射频信号。新型成像定位通信功能将集成于手持终端，定位精度达到厘米级，成像通信达到兆级以上。

4 可见光通信未来发展

方向与应对策略

针对可见光通信的全球研究现状和市场分析，中国正面临着千载难逢但稍纵即逝的机遇。一旦可见光通信在中国起步应用，随之而来的将是其在各种各样环境下极其丰富的创意应用和一个崭新的LED信息化时代的到来，同时伴随着光电器件如摄像头和光感二极管被广泛植入移动终端，这一时代的雏形已经出现。中国照明LED产品在国际市场中占据的显著份额将有助于中国在国际可见光通信技术应用和产品推广方面占据一席之地。国家需要统筹制订LED信息化产业战略规划，和可见光通信与测试设备标准，使得可见光通信关键技术研究及应用快速稳步发展，并带动照明LED产业升级。

可见光通信关键技术与网络大数据业务结合。基于不同波段的光波和电磁波作为信息传输载体，从照明约束下的可见光传输技术[13-15]到大容量无线光电协同通信，以及未来无线光电网络业务与应用几个方向，进一步加大研究投入，提升未来通信网络的传输容量和带宽利用率，满足移动大数据和移动多媒体业务需求，构建具有精准位置特征的室内高速可见光通信网络，手持和车载移动终端的光通信网络，以及水下无线光通信和传感网络。

可见光通信芯片研发。可见光通信系统诸多主要功能将会集成在未来光电芯片上，包括发射端的电光转换芯片，通信发送信号处理芯片，接收端的光电转换芯片和通信接收信号处理芯片。随着硅基光电子材料和工艺革新，有望研制出通信与照明驱动相结合的发射端LED通信发光芯片、宽带光源驱动芯片、新一代光电转换和处理芯片等，并嵌入薄膜滤光片和微透镜进一步增强可见光通信系统性能，满足低功耗小型化大数据网络终端的要求。

可见光通信技术相关的知识产权风险将会对可见光宽带无线接入产业形成威胁。目前中国面向802.11高速通信的可见光通信专利主要是中国专利，而且集中在点对点通信系统关键技术上，需进军国际专利申请阵营，并拓展技术层面，涵盖新的范畴，比如通信照明器件技术，超大规模阵列收发技术，光谱复用技术，干扰信号处理技术，可变窗口的成像传感器数据读取技术，高精度可见光定位技术，通信照明网络技术等。在标准化方面，面向IEEE 802.11和802.15，鼓励相关机构和企业参与全球标准化工作，提交标准草案，推动高速可见光无线局域网和低速成像通信的应用推广和产业化。中兴通讯正在牵头中国可见光通信的标准化工作，华为海思、联想、中国科大、东南大学、北京邮电大学等多家单位参与，在此过程中需要加强与半导体照明标准和企业的衔接。预期在可见光通信这一新兴技术领域，中国将有望拥有更多话语权，取得较多具有自主知识产权的技术成果。

5 结束语

在LED照明产业升级和强大的通信与基于位置服务应用需求驱动下，未来无线移动通信技术体系将会全面融合从微波至光波不同波段。一方面，现有无线（电）通信的移动性和宏覆盖等诸多特性将会继续秉承，另一方面，可见光通信在超宽带宽、高精度定位和免受电磁干扰方面将突显优势，更能适应未来多场景和多样化速率的应用需求，包括大数据、高清视频等多媒体业务和微波受限场景。多波段融合将会充分发挥无线通信和可见光通信的各自优势，自适应传输场景及多应用模态，并且深度拓展与其他异构通信网络的互通互联。

可见光通信将能源与信息技术有机结合，目前正处于快速发展的时期。产业界、学术界、金融界正在齐心协力解决目前在应用和产业化推进过程中面临的挑战。预测在相关标准出台后各种移动终端和光源将会标配可见光通信光电模块，与现有无线通信技术深度融合，互相补充，真正让用户快速便捷享受高质量的信息服务。中国在可见光通信技术发展与产业化方面与大部分国际强国处于同一起跑线上，又具有相对完备的条件和良好的LED产业基础，这将有助于中国取得具有自主知识产权的研究成果，在标准制订及专利申请方面抢占话语权，推动知识经济的发展，增强中国在这一新兴战略性领域的国际竞争力。

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