LED的數字時代:探可見光通信LiFi的「前世今生」

2013年5月,清華大學與勤上光電簽訂了LED無 線光通信項目,將一個新名詞「LED無線光通信」拋到公眾面前。當時,大眾對這一名詞都比較陌生,或只知其名不知其事。同年10月,復旦大學又傳出好消息,LED可見光通信技術在其計算機科學技術學院實驗室成功實現。研究人員將網絡信號接入一盞1W的LED燈珠,燈光下的4台電腦即可上網,最高速率可達3.25G,平均上網速率達到150M,堪稱世界最快的「燈光上網」。一時間,「復旦大學實現 點燈上網」的消息不脛而走。隨後,有關可見光通信技術的消息就如潮水般湧來,LiFi徹底火了一把。

可見光通信研究早已開啟

LEDinside 小編瞭解到,可見光通信這一概念並非2013年才有。實際上,早在2000年,日本慶應大學的Tanaka等人和SONY計算機 科學研究所的Haruyama就提出了利用LED燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。2002年,Tanaka和Komine等人對LED可 見光通信系統展開了具體分析,並於同年正式提出了一套結合電力線載波通信和LED可見光通信的數據傳輸系統。時光飛逝,科研人員從未放棄研究,終於在 2008年10月的東京國際電子展上,日本太陽誘電公司向全世界首次現場展出了白光LED的通信系統,當時,它的最大傳輸距離僅20cm。雖然這個距離相當短,但在當時,那確實是獨一無二的創新技術!

鏡頭切換到中國可見光通信研究。2006年,北京大學首次提出了基於廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案,並進行了一系列的理論和實驗工作。 2008年,繼日企首次公開展示白光LED通信系統之後,暨南大學教授陳長纓研製出中國首台白光LED可見光通信樣機,傳輸距離大於2.5公尺。但直到 2013年,「復旦大學實現LED燈光上網」的消息瘋傳網絡,LED可見光通信才真正地呈現在中國民眾面前。

繼日本、中國之後,歐洲國家也陸續展示可見光通信研究。2009年,牛津大學的Brien等人利用均衡技術實現了100 Mbit/s的通信速率;次年,他們展出了室內可見光通信演示系統,利用16個白光LED通信,完成了4路高清影片實時廣播。到2010年,德國 Fraunhofer Henrich Hertz Institute實驗室的科研人員將這一通信速率提高到513 Mbit/s,創造了當時可見光通信速率的世界紀錄。當時的可見光通信還不叫LiFi,而是VLC(Visible Light Communication)。直到2011年,愛丁堡大學哈拉爾德•哈斯教授演示了帶有信號處理技術的LED燈泡如何將高清影片傳輸到電腦上,並將可見光通信命名為LiFi(Light Fidelity)。2013年10月,來自英國多所高校的研究者們將LiFi的通信速率刷新到高達10Gb/s。

LiFi實現影片播放  圖片來源:PureLiFi 官網

可見光通信技術正在商業化

LED可見光通信並非實驗室裡的「寵物」,它已經逐漸實現了商業化。2013年10月,哈斯教授創立的PureLiFi(原名為PureVLC)公司向美國一家醫療機構售出第一套LiFi設備,價值5000歐元。這場交易標誌著LiFi的實用商業價值正式被認可。

中國,2013年11月,勤上光電與清華大學合作成功研發出LiFi通信手機版樣品,並預計最終達到iPhone大小和輕薄的程度,實現市場化。

近日,在今年的國際消費電子展(CES)期間,法國Oledcomm公司演示了可以實現光通信技術的手機設備。技術和工作人員將智慧手機的前置攝像頭改裝成光線感應器,讓觀眾親眼見證LiFi光通信技術,傳輸速率約為10Mpbs。該公司表示,明年將會實現可見光通信產業化。

順應可見光通信的快速發展,中國各種投資、推廣也一應展開。2013年9月,珠海華策集團斥巨資20億元研究LED白光通信;2013年12月,重 慶成為可見光技術推廣應用試點城市;同月,江寧開發區中國無線谷的移動通信國家重點實驗室專家表示,可見光通信技術應用設備明年有望在江寧開發區產業化。廠商的大手筆投資、政府的大力扶持都昭示著可見光通信前景可期。

可見光通信應用領域廣泛

雖然可見光通信這一名詞我們是耳熟能詳了,但具體到它的應用領域,卻未必都知曉。

LEDinside小編獻醜為您解讀,其主要四大應用領域有:

  1. 照明與通信,信息可以在室內環境下進行廣播,並同時滿足照明的需求。
  2. 視覺信號與數據傳輸,信號燈主要通過顏色的變化來給人們提供信號,而將數據通信與 信號燈相結合則可以為交通管理提供更好的安全可靠性。
  3. 顯示與數據通信,LED顯示屏通常用於顯示信息,如果將相應的信息和數據直接傳輸給用戶手持終端,將會提供很大便利,在火車站、機場等場所有著巨大的應用前景。
  4. 室內定位,可見光通信可以將用戶的位置信息通過照明設施來進行傳遞,較傳統衛星定位更為精準。

可見光通信之未來展望

 

新技術的開發和推廣並不總是一帆風順,LiFi雖然優點多多,卻也會面臨諸多技術難題。比如:白天關燈了怎麼上網?可見光無法穿透物體,如果燈光被阻擋,信號就將被切斷怎麼辦?數據回傳難怎麼解決?

這些問題實在令人頭疼,研究者們正費盡心思找尋解決途徑。復旦大學信息科學與工程學院教授遲楠表示,國際上已經在研究一種新技術,在LED燈不發光等情況下,通過接通弱電流實現上網功能。而哈斯教授則講過,WiFi可以成為LiFi的補充技術,當燈光信號被阻擋的時候,可以無縫地切換至射頻通信系統。另外,遲楠教授表示,數據的雙向傳輸仍然是一大難題。燈光照射在電腦上容易,但在電腦或手機上安裝燈泡回傳數據卻非易事。

遲楠表示,可見光通信沒有專用晶片組,發射接收系統非常龐大,這些都需要完善。我們要客觀看待可見光通信技術。LED燈不是為通信而設計,所以 LED燈珠帶寬很窄,約20MHz,而且有很強的非線性效應。探測器也不是專為可見光波段設計,藍光不是最敏感頻段。所以在材料、器件、封裝、模塊等方面 都需要做一系列研究。她介紹,目前在復旦實驗室裡,從燈光通訊控制到晶片設計製造等一系列關鍵技術產品,都是研究人員自己動手做。用於收發網絡信號的發射 器和接收器,都有兩個筆記本電腦那麼大,顯然無法普及。

所以,相關晶片的壓縮和產業化,是燈光上網走進尋常百姓家面臨的首要難題。遲楠表示,晶片壓縮的研發需要大筆資金,在人們已經有了WiFi的前提下,究竟還會不會花大把的錢來研發LiFi所需的晶片就不得而知。但總體來說,LiFi無 疑是下一代智慧城市的應用。在下一代城市中,智慧電網完備,智慧電線連接到千家萬戶。再配上集約化晶片所做成的可見光通信發射和接收設備,LED燈光上網就可以普及。

LEDinside編輯觀點:

技術革新的速度之快超出人們的想像,當人們還沉浸在「蹭免費WiFi」的小竊喜當中,LiFi的腳步已經悄然靠近。科技創新就是突破常規,讓「非分之想」成為現實。LED燈具與網絡的結合,無疑是 21世紀數字時代的發展潮流,為LED照明的推廣和網絡的進一步普及畫下濃墨重彩的一筆。不管LiFi目前的發展如何,難題幾許,人們總能找出方法推動它 的前進。幾年或者十幾年後,未來的某一天,我們總會見證LED燈光上網處處開花!

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