可见光通信： 有光就能上网

牛禄青

面对LED照明的大范围应用和可见光通信技术的不断成熟，新的市场需求将喷薄而出，新的蓝海正在招手

如今，人们用Wi-Fi上网早已司空见惯，可你听说过Li-Fi（Light Fidelity）吗？有灯光就能上网，这种看似天方夜谭的事情，正在由实验室走向现实生活，可见光通信时代悄然来了。

可见光通信（Visible Light Communications） 是指利用可见光波段的光作为信息载体，不使用光纤等有线信道的传输介质，而在空气中直接传输光信号的通信方式，简称“VLC”。

普通的灯具如白炽灯、荧光灯（节能灯）不适合当作光通信的光源，而LED灯非常适合做可见光通信的光源。可见光通信技术可以通过LED灯在完成照明功能的同时，实现数据网络的覆盖，用户可以方便地使用自己的手机、平板电脑等移动智能终端接收这些灯光发送的信息。该技术可广泛用于导航定位、安全通信与支付、智能交通管控、智能家居、超市导购、灯箱广告等领域，特别是在不希望或不可能使用无线电传输网络的场合比如飞机上、医院里更能发挥它的作用。

可见光通信兼顾照明与通信，具有传输数据率高、安全性强、无电磁干扰、节能、无需频谱认证等优点，带宽是Wi-Fi的1万倍、4G的100倍，是理想的室内高速无线接入方案之一。

可见光通信在全球已成为研究的热点，特别是日本、欧洲和美国对可见光通信的研发极为重视，并取得了一定的进展。可见光通信在未来的通信领域中将会占据重要地位，并将大大地推动信息化社会的发展。

事件

中国启动可见光通信产业化应用

2014年4月17日，位于河南平顶山市高新区产业集聚区内的河南中平川仪公司车间内，全国近30家政府、企业、科研、高校机构的相关人员，共同见证了一个神奇的时刻：中国可见光通信技术产业化在这里正式启动，而其重要标志就是河南中平川仪公司LED项目的正式投产。

启动仪式现场，科研人员进行了演示：天花板上有一个装有芯片的LED灯，科研人员拿起同样内置芯片的矿灯帽进行移动，计算机上就显示出帽子的移动轨迹。“LED灯和矿灯帽之间的芯片形成信息交互，计算机能够对矿井下矿工进行实时监控、定位，如果矿工遇到危险，可随时呼叫与地面取得联系。”科研人员说。

作为我国863计划首个可见光通信项目的牵头单位以及中国可见光通信产业技术创新联盟的发起单位，解放军信息工程大学可见光通信实验室组建于2011年1月，由中国可见光通信产业技术创新联盟筹备领导小组组长、解放军信息工程大学校长、中国工程院院士邬江兴领衔，于去年年底成功研发可见光通信技术。

目前，河南省已成功研发出可见光网络台灯、可见光家庭基站、矿下可见光通信与定位等6套应用示范系统。而河南中平川仪公司LED项目的投产，标志着可见光通信技术由“实验室”走向了“产业化”发展的新阶段。

此次投产的矿用可见光应用系统，就是将可见光通信技术、半导体照明技术、数字信号处理技术、防爆技术充分融合，在不增加系统成本的前提下，利用LED照明灯具，实现在井下复杂电磁环境的人员定位、无线通信和监测监控等功能。将可见光通信技术与LED照明系统相结合，是对传统的矿用照明系统革命性的突破。

据中国平煤神马集团的一位负责人介绍，矿用可见光通信技术照明系统在井下的成功应用，能够解决当前井下通信、照明和安全多套系统重复建设资源浪费问题，极大地增强安全性。

由中平川仪电气有限公司负责建设的年产20万台矿用LED防爆灯项目，前期投资2000万元人民币，项目建成后将成为华中地区规模最大、技术最先进、产品种类最齐全的矿用LED灯具生产企业。矿用可见光应用系统已于2014年6月进行井下应用试点。该系统规模化生产后，预计可实现年产30万台（套），产值可达2.5亿元以上。

背景 可见光通信与LED息息相关

可见光通信的发明人是德国爱丁堡大学的哈斯（Harald Haas）博士，正如《时代》（Time）杂志所说，他擅长将数量丰富的物体创新应用。哈斯表示：“我最大的设想就是将电灯泡变为宽带通信设备。这样电灯泡不仅能提供照明，也将成为一款必要的工具。”哈斯认为，通过给普通的LED灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪烁频率达到每秒数百万次。

不同于普通的白炽灯、荧光灯，LED灯可快速明灭，闪动频率极高，可承担发送信息任务。专家告诉记者，因为LED闪动频率极高，我们的肉眼 “功能”太差分辨不出来，这种闪动其实就是一种开、关过程，LED这一开一关就可以承担发送信息的任务了，比如，开就代表“1”，关就代表“0”，通过信息编码也就是0与1的各种组合，就可以通过灯光来传递了，灯光在空气中传输就类似于光纤通信中信息在光纤中传输一样，这就是LED可见光通信的基本原理。而白炽灯因为在亮灭的变化过程中非常容易被损坏，且亮灭变化动作太慢，因而不具备这种通信功能。

在LED灯内只要设置一个芯片，利用芯片控制LED光源，其便具有无线路由器、通信基站、WIFI接入点甚至GPS卫星功能，由此就提供了一种全新的无线通信方式。

可见光通信利用LED可见光传输通信信号，还是未来通信业发展的一次绿色革命。在全球移动数据流量激增，基于无线电波传送的频带即将告罄之际，Li-Fi的出现，或可解决全球电信商的燃眉之急。美国有线电视网（CNN）估计，全球这140亿盏电灯如果全换成LED灯泡，不但对推进LED产业意义重大，将街灯改造成可提供无线网络的热点，撤除高耗电又占空间的基站，对节能环保也有巨大贡献。

总之，可见光通信的产生主要源于LED照明技术的逐步成熟以及LED照明产品的广泛应用。与白炽灯、荧光灯相比，LED照明灯具作为可见光通信的“媒介”具有其独特的“先天性”优势。

第一，LED照明发展至今，其发光效率已超过100lm/W，实验室样品已达到280lm/W以上，远超其他灯具。第二，LED灯具的亮度可以高速调节，其调节速度可达到μs级甚至ns级，而且调节幅度大，理论上可以从0%到100%亮度范围内任意调节，这一点是可见光通信可以高速调制的保证；而荧光灯的亮度基本上不可以调节，白炽灯的亮度虽然可以通过改变电压进行调节，但是白炽灯属于热灯丝发光型灯具，亮度调节反应速度极慢，最快也在ms级，无法进行高速（Mbts或Gbts）信号调制。

第三，LED芯片的光谱中心波长在可见光频谱范围内易控制，可以在制造工艺上根据载频的需要进行中心波长选择，以达到最佳中心频率；而白炽灯和荧光灯的光谱中心波长基本固定，无法进行多样性选择。第四，LED采用直流低压（恒压源或者恒流源）供电，便于脉冲信号的载频；而白炽灯、荧光灯均采用高压交流供电，其稳定度比较难以控制，不利于信号的提取和识别。

焦点 Li-Fi 能否代替 Wi-Fi

“未来，只要有光的地方，就可实现高速上网，且速度非常快，1G电影下载只需0.1秒。”中国可见光通信产业技术创新联盟筹备领导小组组长、中国工程院院士邬江兴在2014年中国可见光通信技术产业化启动会议上这样介绍可见光通信技术。

可见光通信技术的应用领域非常广泛：无论是飞机上还是矿井中，无论是家庭还是办公室，无论是图书馆、博物馆还是饭店、宾馆，只要有LED灯就能实现通信上网；每一盏路灯都能实现道路导航和交通疏导；商场超市和医院还可利用LED照明进行导购、导医和安全支付……

为了应对气候变化，完成节能减排目标任务，政府必然要大力推广LED绿色照明。《半导体照明节能产业规划》（以下简称《规划》）明确，促进LED照明节能产业产值年均增长30%左右，2015年达到4500亿元（其中LED照明应用产品1800亿元）。

《规划》提出，逐步扩大财政补贴推广力度，适时将球泡灯等量大面广、技术成熟的LED照明产品纳入补贴范围；推动实施一批政府办公楼、医院、宾馆、商厦、机场、轨道交通、道路等公共照明应用工程，落实节能产品政府采购政策，政府机关和公共机构带头采用LED照明产品。

鉴于Wi-Fi信号不稳定、速度慢、热点太少等问题，如果LED照明产品未来实现了普及应用，Li-Fi 能否代替了 Wi-Fi呢？尽管英特尔（Intel）、三星（Samsung）、波音（Boing）、卡西欧（Casio）等国际巨头以及中国的一些高校和企业都纷纷看好Li-Fi的诱人前景，积极加快Li-Fi应用的研发，然而，可见光通信技术本身也有其局限性。

雅典Harokopio大学信息学讲师Thomas Kamalakis推荐了哈斯的技术，但也表示该技术的潜力不应被高估。他表示：“一个明显的问题是，可见光无法穿透物体，因此如果接收器被阻挡，那么信号将被切断。”

英国华威大学工程学院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“问题在于，我们的手机如何使用可见光来通信？”

哈斯表示，这是两个现实问题，但他也有简单的临时解决方法。“如果光信号被阻挡，而你需要使用设备发送信息，你可以无缝地切换至射频信号。”他认为，可见光通信并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充的技术，这将有助于释放频谱空间。

“我们仍需要WiFi，需要射频通信系统。你无法使用电灯泡向快速移动的物体发送数据，或是向树、墙和障碍物背后的物体发送数据。”哈斯说，在短期内，可见光通信已可以实现一些小范围应用。例如，可以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该技术。

哈斯指出，Li-Fi技术带来了极高的安全性，因为可见光只能沿直线传播，因此只有处在光线传播直线上的人才有可能截获信息。

启示 可见光通信是一片蓝海

随着通信功能的加入，灯的形态将发生巨大变化，茶几、餐桌、家具都有可能变成实用的灯具和高速无线接入点。邬江兴指出，可见光通信产业将是一个具有万亿产值的战略性新兴产业，不仅可以促进照明与通信两大传统行业的技术变革和产业结构升级，还将催生出一大批与此相关的新兴产业。

2013年10月，可见光通信的发明者哈斯教授创立的PureLiFi公司向美国一家医疗机构售出第一套LiFi设备，价值5000欧元（人民币约4.1万元）。LiFi的商业价值标志着可见光通信开启了物联网产业的新篇章。

我国对可见光通信技术的研发和商业化应用也颇为重视。2006年，北京大学首次提出了基于广角镜头的超宽视角可见光信号接收方案，并进行了一系列的理论和实验工作。2008年，继日企首次公开展示白光LED通信系统之后，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，传输距离大于2.5米。

据邬江兴介绍，国家863计划在2011年开始部署可见光通信技术研究，经过两年多的科技攻关，在调制带宽拓展、实时传输速率、融合网络架构等方面取得了一批重要研究成果。目前，我国与发达国家已处于同一起跑线上。

2012年，我国已成功研发出可见光网络台灯、可见光家庭基站、矿下可见光通信与定位等6套应用示范系统。“目前，可见光通信技术主要集中在矿业和商用领域，预计5年时间将进入普通家庭中。”邬江兴对此充满信心。

2013年9月，珠海华策集团斥巨资20亿元研究LED白光通信；2013年12月，重庆成为可见光技术推广应用试点城市。国内22家LED上市企业中，多家LED上市企业表示特别关注LED在光通讯方面的应用。其中勤上光电与中科院半导体研究所独家合作，进行可见光定位系统和通信系统的技术研发和产学研合作，以促进可见光信息产业技术的进步和产业化发展。目前可见光通信设备的手板已出，距产品应用水平仍有一定的技术提升空间。

2014年8月份，中国已经成立可见光通信产业技术创新战略联盟。广东未来将依托自身LED产业优势，抢占可见光通信这个“万亿级”产业发展的制高点。在成立仪式上，广东省科技厅厅长黄宁生表示：“可见光通信作为面向LED照明、通信、物联网等多领域交叉融合的高新技术，具有广阔的市场应用前景。”

可见光通信技术及标准光组件已作为广东首批启动的8个重大科技专项之一。接下来，广东省将大力支持中国可见光通信产业技术创新战略联盟开展工作，加快突破可见光通信产业关键核心技术瓶颈，推动可见光通信产业加快发展，为广东产业转型升级提供有力的科技支撑。

当前，传统的照明和通信行业竞争日趋激烈，技术变革和产业升级是唯一出路。面对LED照明的大范围应用和可见光通信技术的不断成熟，新的市场需求将喷薄而出，新的蓝海正在招手。