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作者：羅克鈴 隨著社會向基于固態(tài)照明的大功率LED的不斷發(fā)展，一種大膽的創(chuàng)新思路出現(xiàn)在一些有遠(yuǎn)見的工程師腦海中。他們的建議是：為何不讓LED通/斷切換得足夠快以致于人眼無法分辨，從而也用它們來傳送數(shù)據(jù)？ 這個建議就是可見光通信(VLC)的理論基礎(chǔ)。在足夠先進的技術(shù)支持下，每種新的LED燈具也能以有線方式接入骨干網(wǎng)絡(luò)，使室內(nèi)任何設(shè)備實現(xiàn)無所不在的無線通信，并且不增加已經(jīng)擁擠不堪的射頻帶寬負(fù)擔(dān)。許多工業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)組織和得到大力資助的政府機構(gòu)正在研發(fā)可見光通信�？梢姽馔ㄐ诺那熬胺浅V闊，因為傳統(tǒng)照明市場達(dá)數(shù)萬億美元，并且向固態(tài)照明的轉(zhuǎn)變已經(jīng)開始。據(jù) Strategies Unlimited公司預(yù)測，今年LED照明市場將超過10億美元，到2014年有望增長到約73億美元。 當(dāng)然，固態(tài)照明的重點在于降低溫室氣體排放，因為LED燈的功耗比目前的標(biāo)準(zhǔn)照明產(chǎn)品要低很多。但巨大的市場已經(jīng)激發(fā)幾乎每個主要的電子研究組織投入可見光通信應(yīng)用的開發(fā)。 大多數(shù)可見光通信應(yīng)用并不是要取代其它無線技術(shù)，如藍(lán)牙、Wi-Fi、WiMax和LTE，其應(yīng)用目標(biāo)是當(dāng)前的射頻無線通信無法實施的場合，比如醫(yī)院和飛機等應(yīng)用——這種場合下射頻可能干擾生命攸關(guān)的設(shè)備中的信號；機器人--它們可以使用頭燈中的虛擬路標(biāo)進行導(dǎo)航進而實現(xiàn)信息傳送；標(biāo)牌--當(dāng)手機相機指向它時可以提供額外的信息。 日本的可見光通信聯(lián)盟成員包括卡西歐、NEC、松下電氣工程、三星、夏普、東芝以及NTT Docomo等電信運營商，該聯(lián)盟正致力于推進IEEE 802.15無線個人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會增加“.7”工作，以期將可見光通信提升到與射頻和紅外線相同的無線狀態(tài)。802.15.7委員會剛剛在工作組級別批準(zhǔn)了目前草案版的無線VLC標(biāo)準(zhǔn)，“但我們?nèi)杂性S多問題要解決。”Intel實驗室科學(xué)家、IEEE 802.15.7委員會技術(shù)編輯Rick Roberts指出。 “讓IEEE感到興趣的原因是LED的廣泛普及。目前的LED技術(shù)主要用于照明，但如果無線市場也被開發(fā)出來，從過去的經(jīng)驗我們知道需要對互操作性進行標(biāo)準(zhǔn)化�！盧oberts表示，“我們的標(biāo)準(zhǔn)化工作始于2008年，并有望于明年完成標(biāo)準(zhǔn)的定稿。” 據(jù) Roberts介紹，801.15.7委員會的首要任務(wù)是推行照明第一、通信第二的標(biāo)準(zhǔn)�！翱梢姽馔ㄐ攀悄苡萌庋劭吹降奈ㄒ灰环N‘無線通信’信號，因此不能影響他人。"他指出，“例如，可見光通信不適合遙控，因為人們通常在光線較暗的室內(nèi)觀看電視。你不希望看到遙控器發(fā)出閃爍的光線吧？用LED進行通信不會造成光線閃爍，而且可見光通信必須適應(yīng)人們平時使用照明源的方式，比如光線調(diào)節(jié)�！� 
圖1：就像剎車燈"告訴"司機要停車一樣，VLC可以向發(fā)動機控制單元發(fā)送相同的消息以避免碰撞。 VLC 為創(chuàng)意應(yīng)用開辟空間 可見光通信有望形成一系列新的應(yīng)用，雖然用Wi-Fi或紅外也能實現(xiàn)，但通過可見光實現(xiàn)會更加方便或更加安全。例如，與相鄰射頻信號之間的互相干擾可能會限制Wi-Fi的使用，而可見光基本上不存在干擾問題；相鄰光束可以交相通過，只要它們的目的地不同就可以了。出于安全考慮，有些地方禁止使用射頻通信，比如醫(yī)院和飛機。可見光通信在這些場合是理想的替代技術(shù)，因為LED照明早已在使用，而可見光通信又不會干擾傳送重要任務(wù)的系統(tǒng)信號。同時，可見光通信也具有高數(shù)據(jù)容量的潛力。 “可見光通信可以實現(xiàn)各種類型的新應(yīng)用，”Roberts表示，“我特別喜歡的是智能LED指示牌，它能顯示'喬家餐廳'，但如果你拿出移動設(shè)備并指向這個指示牌時，還可以下載到更多的信息 --例如餐館的地址、菜單甚至優(yōu)惠券等。你必須展開你的想象力，新的可能應(yīng)用確實有很多�！� 三星公司正在基于LED的背光 LCD平板顯示器中試驗使用可見光通信，以便用戶能下載從產(chǎn)品信息到網(wǎng)站地址的所有信息�！拔覀兿嘈臠CD背光通信是可見光通信的絕佳應(yīng)用之一，因為 LCD背光源正在轉(zhuǎn)向使用LED。”三星公司LCD業(yè)務(wù)部副總裁Scott Birnbaum表示。 就像IEEE在2008年開始自己的標(biāo)準(zhǔn)化努力一樣，美國國家科學(xué)基金會也看中了“這道光”，并在旗下的智能照明工程研究中心(ERC)計劃中增加了VLC研究項目。 智能照明ERC是一個投資1,850萬美元的10年期計劃，涉及多家學(xué)院的30多位大學(xué)研究人員，包括倫斯勒理工學(xué)院(RPI)、波士頓大學(xué)和新墨西哥大學(xué)。“由于整個社會都在向固態(tài)照明發(fā)展，我們正在考慮用LED光能做的所有東西�！盤RI學(xué)院教授、智能照明研究中心總監(jiān)Robert Karlicek表示，“我們想知道以前認(rèn)為永遠(yuǎn)不可能的事中哪些事我們能做，并判斷需要創(chuàng)建什么樣的設(shè)備、需要采用哪類系統(tǒng)架構(gòu)才能實現(xiàn)一個先進的照明系統(tǒng)的更多功能。” Karlicek設(shè)想使照明系統(tǒng)的照明功能也變得更加智能，方法是利用可見光通信向照明系統(tǒng)本身增加環(huán)境參數(shù)�！拔覀兿胫烙肔ED還能做什么事以便向社會提供更多的價值，并提供新的機會。”他指出，“舉例來說，我能想象室內(nèi)照明器具相互間通信——從一個燈到另一個燈，它們之間利用低速率信號使顏色標(biāo)準(zhǔn)化并提供均勻一致的光線�！� 智能照明ERC研究人員正在尋求控制LED照明的所有方面，包括顏色、密度、能源使用、極化和調(diào)制，以便形成新的應(yīng)用。這些新應(yīng)用包括從使用固態(tài)照明、到提供數(shù)據(jù)通信來控制人體生理節(jié)奏，或在每天的指定時間提供最健康的光照。ERC還在研究可見光在生物傳感、醫(yī)療診斷和治療方面的用途。 參與了智能照明ERC項目的波士頓大學(xué)專注于在特殊場合使用可見光通信實現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，比如在飛機上。可見光通信能夠利用多個獨立的并行數(shù)據(jù)連接，比如來自不同視線的連接，或在相同視線上復(fù)接不同頻率的可見光。這樣，觀看同一部電影的所有人能夠共享公共廣播連接，或者將獨立的數(shù)據(jù)流饋送給觀看不同電影的各個觀眾。 在工廠車間，同樣的功能允許移動機器人使用可見光通信在倉庫中導(dǎo)航，可以利用頭頂燈檢查它們的位置，還能相互之間直接通信以避免碰撞。同樣，汽車可以通過讀取交通信號燈廣播的坐標(biāo)保持正確的行駛方向。汽車到汽車間的可見光通信有助于避免碰撞，并防止交通擁堵。
圖2：LED燈同時用于照明和通信有助于實現(xiàn)普適計算，于室內(nèi)的每個設(shè)備都可用獨立數(shù)據(jù)流。
圖3：目前無線網(wǎng)絡(luò)的部署使用Wi-Fi，它依賴于網(wǎng)絡(luò)電纜和接入點，但未來系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的有線基礎(chǔ)設(shè)施將數(shù)據(jù)發(fā)送給LED燈，并作為無處不在的新接入點。
圖4：在機場使用LED通信可以減少地面沖突，因為LED可以在機場照明基礎(chǔ)設(shè)施、地面車輛和飛機之間提供信號。 VLC實現(xiàn)之路 波士頓大學(xué)教授Thomas Little是智能照明中心的高級研究員和副總監(jiān)，他正在試驗不同的調(diào)制方案，包括使用標(biāo)準(zhǔn)二元碼的編碼器、非歸零編碼器、脈沖碼調(diào)制和脈沖密度調(diào)制。據(jù)他宣稱，只要數(shù)據(jù)速率大于900kHz，所有這些方案工作時都不會產(chǎn)生閃爍光。Little領(lǐng)導(dǎo)的小組還在研究如何在沒有直接視線的情況下可靠地收發(fā)信號，這要求使用反射信號且同時不能產(chǎn)生互調(diào)干擾。 “我們想要使網(wǎng)絡(luò)的安裝像擰裝燈泡一樣容易�！盠ittle表示。他的實驗室目前為止已經(jīng)完成了40多個原型，這些原型正在一些工業(yè)合作伙伴那里進行評估。 波士頓大學(xué)的智能照明實驗室已經(jīng)建立了多個演示裝置，可以用來演示如何使燈具同時具有照明功能和數(shù)據(jù)通信功能。例如，通過連線傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)信號可以從一個燈具路由到另一個燈具，并由LED調(diào)制來自以太網(wǎng)裝置的數(shù)據(jù)信號。 “我們想要解決的問題是，如何以很低的成本提供較高的數(shù)據(jù)速率，從而使可見光通信能夠成為照明基礎(chǔ)設(shè)施的一個部分�！盠ittle表示。 通過在設(shè)備中安裝LED發(fā)射器，從用戶設(shè)備(如智能手機或筆記本電腦)到以太網(wǎng)集線器的信號可以用可見光來實現(xiàn)。但Wi-Fi仍可用于到以太網(wǎng)集線器的回傳信號并獲得同樣的優(yōu)勢，因為來自用戶的回傳信號(例如通過按鍵)通常是低帶寬的信號。 作為工作的一部分，新墨西哥大學(xué)正在集中精力研究創(chuàng)新的設(shè)備架構(gòu)--致力于提高效率和LED的開關(guān)速度，以求達(dá)到GHz的帶寬。到目前為止，教授Steve Hersee已經(jīng)發(fā)明了一種可擴展的工藝用于制造基于納米線的LED。新墨西哥大學(xué)準(zhǔn)備將這個技術(shù)許可給產(chǎn)業(yè)界，允許他們使用與傳統(tǒng)LED相同的材料大批量生產(chǎn)基于納米線的LED，但架構(gòu)有很大的改進，其中由上百萬條納米線組成的垂直列將用作發(fā)射器。 “我們使用相同的氮化鎵材料，但不像普通LED那樣所有層都平躺在水平面上，它們將以同軸方式纏繞在中央納米線周圍，使得器件具有高得多的效率，并允許以高得多的速率進行調(diào)制�！盚ersee指出，“這將使固態(tài)照明發(fā)生根本的變化。納米線包含零缺陷，而傳統(tǒng)LED中使用的傳統(tǒng)水平氮化鎵膜每平方厘米有數(shù)百萬個缺陷。” 納米線寬度從100nm到500nm不等，在基底上的垂直列中可以生長到5至10um高。第一批原型最近才生產(chǎn)完，但新墨西哥大學(xué)希望在今年年底前有更多的公司獲得許可。 今年7月在RPI學(xué)院將舉辦NSF贊助的一次展會，屆時將評估目前為止的最新工藝，并且為2011年制定新的里程碑。NSF計劃到2018年截止，到那時，NSF希望擁有智能照明標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，并能讓每個新的固態(tài)照明裝置像可見光通信集線器一樣完成雙重任務(wù)。 “既然我們實現(xiàn)了LED照明，我們還希望LED能實現(xiàn)照明之外的其它用途�！盚ersee指出。
表一：射頻與LED可見光通信比較。 |
