WiFi上网已经out了,很快你将通过灯泡连接互联网

作者:陈雄斌来源:网易新闻发布时间:2019-10-16

期待不久的将来,可见光通信技术给我们的生活带来无限的精彩。

  日常生活中,灯泡给了我们无处不在的照明,不过,假如有人告诉你,灯泡还能用来上网,而且网速还不低,你信吗?

  这可一点儿也不科幻,能够让灯泡实现上网功能的是一项新技术,学术界称其为可见光通信(Visible Light Communication,VLC)技术。借助这项无线通信技术,未来的LED照明灯、交通信号灯、电视机背光源、电器信号指示灯等等都可以复用,实现通信功能。


  (一)“有灯的地方就能通信”是怎么做到的?

  无线通信业务与应用的海量需求促使射频识别、蓝牙、超宽带、WiFi等无线通信技术层出不穷,这同时也加剧了无线电频谱资源的供求矛盾。

  为寻求新的频谱资源和信息传输媒介,科学家把目光转向了可见光。光和无线电波一样,都属于电磁波的一种,因此二者传播网络信号的基本原理是一致的。

  所谓可见光通信,就是利用荧光灯或发光二极管发出的高速明暗变化光信号来传输信息,目前主要使用的是LED灯通信。

图:发光二极管

  与无线电通信相比,可见光通信开拓了新的频谱资源,而且传输速率、安全性和私密性极高,没有电磁干扰和辐射,也无需频段许可授权。并且,由于可见光通信凭借的是LED照明设备,因此只要灯光能照到的地方,就可以进行数据传输。

  可见光通信技术使几乎无处不在的照明设备摇身一变,具备了“无线路由器”、“通信基站”、“网络接入点”甚至“GPS卫星”的功能。那么,这究竟是怎么实现的呢?

  简单来说,其实就是给普通的LED灯泡装上能通信的“调制电路”,从而控制它每秒数百万次闪烁,然后可以用明表示1,用暗代表0。这个闪烁速度如此之快,人眼根本觉察不到,不过通信用的光探测器却可以接收到。就这样,二进制的数据被快速编码成明暗变化的灯光信号并进行了有效的传输。

  而灯光下的电脑等上网终端,则需要借助一套特制的接收装置,读懂灯光里的“莫尔斯密码”。

  (二)既高速又便携,兼具光通信和无线通信优点

  可见光通信和传统的射频无线通信相比,有许多不一样的优点,它比射频WiFi更加符合无线通信技术“高速、大容量、安全放心”的发展要求。


图:可见光通信的三大优点

  1.单点高速率

  与基于射频信号的无线电通信技术相比,基于可见光的无线光通信技术的速率优势已经初步显示。

  2015年,复旦大学的研究团队利用红绿蓝黄四色LED,通过波分复用技术加DMT技术创造了可见光通信的非实时传输峰值总速率8Gbps。2015年,中国科学院半导体所团队利用荧光型LED,通过带宽拓展技术创造了可见光通信的实时单路传输速率610Mbps。

  2.系统大容量

  为了实现宽带大容量的无线通信,无线基站的发展方向是不断提高蜂窝小区的复用度。

  因为光的空间复用性比电的空间复用性要好,能建立比射频无线更小的光无线小区,故可以在给单用户提供高速实时通信的同时,通过众多非常小的无线光通信小区组网,实现无线光网络系统的超大容量。

  举例来说,如果一节地铁车厢装200个小灯珠,每颗灯珠设定100Mbps的通信速率,那么就可以构建一个无线通信容量20 Gbps的局域网。

  3.通信安全

  可见光通信的信号可见易控,靠透镜和灯罩就可以灵活控制信号覆盖区域,有效防止信息泄露。同时,可见光通信能通过肉眼直接观察信号覆盖区域,不再担心“第三只耳朵”,能给通信用户带来前所未有的心理安全感。

  (三)让照明LED实现高速通信,其实并不容易

  光纤通信系统中的LED 光源功率一般为毫瓦量级,PN结(一块半导体晶体一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体,二者相连的接触面则称为PN结)的结面积小,对应的结电容也小,比较容易实现高速调制。

  可见光通信系统如果采用照明用的大功率发光二极管,单颗LED的功率最大可以做到1瓦到几瓦,PN结面积大,比较难实现高速调制。

  以单颗功率1瓦的GaN(氮化镓,第三代半导体材料)材料的LED为例,其芯片面积大概1平方毫米,表征蓝光通信速率的3dB带宽大概是12MHz,涂覆黄色荧光粉后,因为荧光粉的余晖效应,白光中黄光的3dB带宽大概是3MHz。

  所以,不通过特殊处理,照明最常用的大功率荧光型LED就无法实现高速的可见光通信。

  

图:荧光型LED的光谱及带宽

  拿汽车运输货物来举例,要想提高货物运输量,既可以通过拓宽马路宽度,也可以通过增加汽车上货物层叠的高度来实现。同样,对于通信系统来说,要想提高通信速率,既可以通过拓展系统带宽,也可以通过提高频带利用率来实现。

  图:决定通信速率的因素

  要想拓展系统带宽,简单的方法是用RGBY(红绿蓝黄)多色LED来做光源,这样既规避了荧光粉的余晖效应,还可以利用多色复用提高系统总带宽。不过,这种方案的最大问题是在多路通信时很难保证理想的白光混色。

  此外,RGB或者RGBY型LED因为成本问题,在照明领域远不如荧光型LED普及,这也是该技术方案要面对的一个问题。

  因此,如果有办法拓展荧光型LED的带宽,则实用价值会更大。当然,要想提高频带利用率,也可以采用高阶调制。现代通信技术中的正交振幅调制(Quadrature Amplitude Modulation, QAM)技术和正交频分复用技术 (Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM) 常被用于可见光通信系统中。

  但是,类似于OFDM这类调制信号,因为信号的峰均比很大,对发射机功率的设计要求比较高,所以既有利又有弊。特别要说明的是,因为OFDM系统需要D/A和A/D转换,系统结构复杂,如果没有专用集成电路的支持,很难实现高速实时传输。

  截至2017年,OFDM的非实时传输系统峰值速率虽然能到10 Gbps量级,但是OFDM的实时可见光通信系统速率只能到100 Mbps左右。

  此外,要提高可见光通信系统的通信速率,还可以在上述技术基础上,通过空间的多入多出复用(MIMO)、偏振态复用等增加系统的复用维度,从而进一步提高系统总的通信速率。

  总之,基于照明LED的可见光通信系统的通信速率具备很大的提升空间。

  (四)可见光通信应用多多,中国有哪些阶段性成果?

  可见光通信技术可用来设计保密单位的保密会议网络系统、地铁车厢内灯光通信、卫星内部、舰船内部无线通信,火箭分离、太空舱内外、深潜舱等设备间的非接触高速无线通信,可以说是应用多多。那么,这方面中国的研究进行到哪一步了?

  2000年,日本论证了基于LED照明灯构建无线基站的可行性。2008年,欧盟、美国、中国相继启动了可见光通信技术研究的科技计划。现在,很多国家的科研团队都陆续加入到了这一项无线通信新技术的研究行列。

  中国在“十二五”期间,曾资助了“可见光通信(VLC)系统关键技术研究”863项目和“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”973项目,“十三五”期间又新启动了“可见光通信关键技术及系统研发”的国家重点研发计划项目。依托这些国家级科研项目以及一些省部级科研项目的支持,中国的科研团队在可见光通信研究领域做出了许多国际领跑的研究成果,包括大功率荧光型LED的单路实时速率688Mbps传输、RGBY型LED的非实时4路总速率10.7Gbps传输、蓝光LED阵列的128路实时总速率50Gbps复用传输。

  中国的科研团队还独立研制出了如下图所示的灯光上网系统,验证了照明用大功率荧光型LED高速、稳定的通信性能。

图:可见光上网演示系统

  结语

  借助可见光通信技术,未来地面上的照明灯、电视机背光源、信号指示灯都可以用来通信,车灯之间可以互相联网;天上的飞机、航天器可以灯光互连;水下的深潜舱、仿生鱼可以灯光组网。也就是说,当这些无处不在的照明和显示光源都复用实现通信功能了,就像哑巴能说话了。期待不久的将来,可见光通信技术给我们的生活带来无限的精彩。

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  编辑| 史文慧

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