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作者：羅克鈴 隨著社會向基于固態照明的大功率LED的不斷發展，一種大膽的創新思路出現在一些有遠見的工程師腦海中。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據？ 這個建議就是可見光通信(VLC)的理論基礎。在足夠先進的技術支持下，每種新的LED燈具也能以有線方式接入骨干網絡，使室內任何設備實現無所不在的無線通信，并且不增加已經擁擠不堪的射頻帶寬負擔。許多工業、標準組織和得到大力資助的政府機構正在研發可見光通信。可見光通信的前景非常廣闊，因為傳統照明市場達數萬億美元，并且向固態照明的轉變已經開始。據 Strategies Unlimited公司預測，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。 當然，固態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準照明產品要低很多。但巨大的市場已經激發幾乎每個主要的電子研究組織投入可見光通信應用的開發。 大多數可見光通信應用并不是要取代其它無線技術，如藍牙、Wi-Fi、WiMax和LTE，其應用目標是當前的射頻無線通信無法實施的場合，比如醫院和飛機等應用——這種場合下射頻可能干擾生命攸關的設備中的信號；機器人--它們可以使用頭燈中的虛擬路標進行導航進而實現信息傳送；標牌--當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，該聯盟正致力于推進IEEE 802.15無線個人局域網標準委員會增加“.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。802.15.7委員會剛剛在工作組級別批準了目前草案版的無線VLC標準，“但我們仍有許多問題要解決。”Intel實驗室科學家、IEEE 802.15.7委員會技術編輯Rick Roberts指出。 “讓IEEE感到興趣的原因是LED的廣泛普及。目前的LED技術主要用于照明，但如果無線市場也被開發出來，從過去的經驗我們知道需要對互操作性進行標準化。”Roberts表示，“我們的標準化工作始于2008年，并有望于明年完成標準的定稿。” 據 Roberts介紹，801.15.7委員會的首要任務是推行照明第一、通信第二的標準。“可見光通信是能用肉眼看到的唯一一種‘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觀看電視。你不希望看到遙控器發出閃爍的光線吧？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人們平時使用照明源的方式，比如光線調節。” 
圖1：就像剎車燈"告訴"司機要停車一樣，VLC可以向發動機控制單元發送相同的消息以避免碰撞。 VLC 為創意應用開辟空間 可見光通信有望形成一系列新的應用，雖然用Wi-Fi或紅外也能實現，但通過可見光實現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，比如醫院和飛機。可見光通信在這些場合是理想的替代技術，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的系統信號。同時，可見光通信也具有高數據容量的潛力。 “可見光通信可以實現各種類型的新應用，”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、菜單甚至優惠券等。你必須展開你的想象力，新的可能應用確實有很多。” 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品信息到網站地址的所有信息。“我們相信LCD背光通信是可見光通信的絕佳應用之一，因為 LCD背光源正在轉向使用LED。”三星公司LCD業務部副總裁Scott Birnbaum表示。 就像IEEE在2008年開始自己的標準化努力一樣，美國國家科學基金會也看中了“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，涉及多家學院的30多位大學研究人員，包括倫斯勒理工學院(RPI)、波士頓大學和新墨西哥大學。“由于整個社會都在向固態照明發展，我們正在考慮用LED光能做的所有東西。”PRI學院教授、智能照明研究中心總監Robert Karlicek表示，“我們想知道以前認為永遠不可能的事中哪些事我們能做，并判斷需要創建什么樣的設備、需要采用哪類系統架構才能實現一個先進的照明系統的更多功能。” Karlicek設想使照明系統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本身增加環境參數。“我們想知道用LED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準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、極化和調制，以便形成新的應用。這些新應用包括從使用固態照明、到提供數據通信來控制人體生理節奏，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項目的波士頓大學專注于在特殊場合使用可見光通信實現傳統的數據通信，比如在飛機上。可見光通信能夠利用多個獨立的并行數據連接，比如來自不同視線的連接，或在相同視線上復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，或者將獨立的數據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普適計算，于室內的每個設備都可用獨立數據流。
圖3：目前無線網絡的部署使用Wi-Fi，它依賴于網絡電纜和接入點，但未來系統可以利用現有的有線基礎設施將數據發送給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設施、地面車輛和飛機之間提供信號。 VLC實現之路 波士頓大學教授Thomas Little是智能照明中心的高級研究員和副總監，他正在試驗不同的調制方案，包括使用標準二元碼的編碼器、非歸零編碼器、脈沖碼調制和脈沖密度調制。據他宣稱，只要數據速率大于900kHz，所有這些方案工作時都不會產生閃爍光。Little領導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信號，這要求使用反射信號且同時不能產生互調干擾。 “我們想要使網絡的安裝像擰裝燈泡一樣容易。”Little表示。他的實驗室目前為止已經完成了40多個原型，這些原型正在一些工業合作伙伴那里進行評估。 波士頓大學的智能照明實驗室已經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據通信功能。例如，通過連線傳輸的以太網信號可以從一個燈具路由到另一個燈具，并由LED調制來自以太網裝置的數據信號。 “我們想要解決的問題是，如何以很低的成本提供較高的數據速率，從而使可見光通信能夠成為照明基礎設施的一個部分。”Little表示。 通過在設備中安裝LED發射器，從用戶設備(如智能手機或筆記本電腦)到以太網集線器的信號可以用可見光來實現。但Wi-Fi仍可用于到以太網集線器的回傳信號并獲得同樣的優勢，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，新墨西哥大學正在集中精力研究創新的設備架構--致力于提高效率和LED的開關速度，以求達到GHz的帶寬。到目前為止，教授Steve Hersee已經發明了一種可擴展的工藝用于制造基于納米線的LED。新墨西哥大學準備將這個技術許可給產業界，允許他們使用與傳統LED相同的材料大批量生產基于納米線的LED，但架構有很大的改進，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制。”Hersee指出，“這將使固態照明發生根本的變化。納米線包含零缺陷，而傳統LED中使用的傳統水平氮化鎵膜每平方厘米有數百萬個缺陷。” 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完，但新墨西哥大學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準和技術，并能讓每個新的固態照明裝置像可見光通信集線器一樣完成雙重任務。 “既然我們實現了LED照明，我們還希望LED能實現照明之外的其它用途。”Hersee指出。
表一：射頻與LED可見光通信比較。 |
