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探究可見光通信LiFi的“前世今生”

時(shí)間：2017-07-27 15:33:00 瀏覽：4487次

2013年10月，復(fù)旦大學(xué)傳出好消息，LED可見光通信技術(shù)在其計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)室成功實(shí)現(xiàn)。研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M，堪稱世界最快的“燈光上網(wǎng)”。一時(shí)間，“復(fù)旦大學(xué)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)燈上網(wǎng)”的消息不脛而走。隨后，有關(guān)可見光通信技術(shù)的消息就如潮水般涌來，LiFi徹底火了一把。
　　可見光通信研究早已開啟
　　可見光通信這一概念并非2013年才有。實(shí)際上，早在2000年，日本慶應(yīng)大學(xué)的Tanaka等人和SONY計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama就提出了利用LED燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)。2002年，Tanaka和Komine等人對LED可見光通信系統(tǒng)展開了具體分析，并于同年正式提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。時(shí)光飛逝，科研人員從未放棄研究，終于在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(xiàn)場展出了白光LED的通信系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)，它的最大傳輸距離僅20cm。雖然這個(gè)距離相當(dāng)短，但在當(dāng)時(shí)，那確實(shí)是獨(dú)一無二的創(chuàng)新技術(shù)!
　　鏡頭切換到國內(nèi)可見光通信研究。2006年，北京大學(xué)首次提出了基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案，并進(jìn)行了一系列的理論和實(shí)驗(yàn)工作。2008年，繼日企首次公開展示白光LED通信系統(tǒng)之后，暨南大學(xué)教授陳長纓研制出國內(nèi)首臺(tái)白光LED可見光通信樣機(jī)，傳輸距離大于2.5米。但直到2013年，“復(fù)旦大學(xué)實(shí)現(xiàn)LED燈光上網(wǎng)”的消息瘋傳網(wǎng)絡(luò)，LED可見光通信才真正地呈現(xiàn)在國內(nèi)民眾面前。
　　繼日本、中國之后，歐洲國家也陸續(xù)展示可見光通信研究。2009年，牛津大學(xué)的Brien等人利用均衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)了100 Mbit/s的通信速率;次年，他們展出了室內(nèi)可見光通信演示系統(tǒng)，利用16個(gè)白光LED通信，完成了4路高清視頻實(shí)時(shí)廣播。到2010年，德國Fraunhofer Henrich Hertz Institute實(shí)驗(yàn)室的科研人員將這一通信速率提高到513 Mbit/s，創(chuàng)造了當(dāng)時(shí)可見光通信速率的世界紀(jì)錄。當(dāng)時(shí)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(xué)哈拉爾德?哈斯教授演示了帶有信號處理技術(shù)的LED燈泡如何將高清視頻傳輸?shù)诫娔X上，并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(dá)10Gb/s。
可見光通信技術(shù)正在商業(yè)化
　　LED可見光通信并非實(shí)驗(yàn)室里的“寵物”，它已經(jīng)逐漸實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化。2013年10月，哈斯教授創(chuàng)立的PureLiFi(原名為PureVLC)公司向美國一家醫(yī)療機(jī)構(gòu)售出第一套LiFi設(shè)備，價(jià)值5000歐元(人民幣約4.1萬元)。這場交易標(biāo)志著LiFi的實(shí)用商業(yè)價(jià)值正式被認(rèn)可。
　　近日，在今年的國際消費(fèi)電子展(CES)期間，法國Oledcomm公司演示了可以實(shí)現(xiàn)光通信技術(shù)的手機(jī)設(shè)備。技術(shù)和工作人員將智能手機(jī)的前置攝像頭改裝成光線感應(yīng)器，讓觀眾親眼見證LiFi光通信技術(shù)，傳輸速率約為10Mpbs。該公司表示，明年將會(huì)實(shí)現(xiàn)可見光通信產(chǎn)業(yè)化。
　　可見光通信應(yīng)用領(lǐng)域廣泛
　　可見光通信主要有四大應(yīng)用領(lǐng)域有：1)照明與通信，信息可以在室內(nèi)環(huán)境下進(jìn)行廣播，并同時(shí)滿足照明的需求;2)視覺信號與數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)通信與信號燈相結(jié)合則可以為交通管理提供更好的安全可靠性;3)顯示與數(shù)據(jù)通信，LED顯示屏通常用于顯示信息，如果將相應(yīng)的信息和數(shù)據(jù)直接傳輸給用戶手持終端，將會(huì)提供很大便利，在火車站、機(jī)場等場所有著巨大的應(yīng)用前景;4)室內(nèi)定位，可見光通信可以將用戶的位置信息通過照明設(shè)施來進(jìn)行傳遞，較傳統(tǒng)衛(wèi)星定位更為精準(zhǔn)。
　　可見光通信之未來展望
　　新技術(shù)的開發(fā)和推廣并不總是一帆風(fēng)順，LiFi雖然優(yōu)點(diǎn)多多，卻也會(huì)面臨諸多技術(shù)難題。比如：白天關(guān)燈了怎么上網(wǎng)?可見光無法穿透物體，如果燈光被阻擋，信號就將被切斷怎么辦?數(shù)據(jù)回傳難怎么解決?
　　這些問題實(shí)在令人頭疼，研究者們正費(fèi)盡心思找尋解決途徑。復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院教授遲楠表示，國際上已經(jīng)在研究一種新技術(shù)，在LED燈不發(fā)光等情況下，通過接通弱電流實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)功能。而哈斯教授則講過，WiFi可以成為LiFi的補(bǔ)充技術(shù)，當(dāng)燈光信號被阻擋的時(shí)候，可以無縫地切換至射頻通信系統(tǒng)。另外，遲楠教授表示，數(shù)據(jù)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(jī)上安裝燈泡回傳數(shù)據(jù)卻非易事。
　　遲楠表示，可見光通信沒有專用芯片組，發(fā)射接收系統(tǒng)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(shù)。LED燈不是為通信而設(shè)計(jì)，所以LED燈珠帶寬很窄，約20MHz，而且有很強(qiáng)的非線性效應(yīng)。探測器也不是專為可見光波段設(shè)計(jì)，藍(lán)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(fù)旦實(shí)驗(yàn)室里，從燈光通訊控制到芯片設(shè)計(jì)制造等一系列關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)品，都是研究人員自己動(dòng)手做。用于收發(fā)網(wǎng)絡(luò)信號的發(fā)射器和接收器，都有兩個(gè)筆記本電腦那么大，顯然無法普及。
　　所以，相關(guān)芯片的壓縮和產(chǎn)業(yè)化，是燈光上網(wǎng)走進(jìn)尋常百姓家面臨的首要難題。遲楠表示，芯片壓縮的研發(fā)需要大筆資金，在人們已經(jīng)有了WiFi的前提下，究竟還會(huì)不會(huì)花大把的錢來研發(fā)LiFi所需的芯片就不得而知。但總體來說，LiFi無疑是下一代智慧城市的應(yīng)用。在下一代城市中，智能電網(wǎng)完備，智能電線連接到千家萬戶。再配上集約化芯片所做成的可見光通信發(fā)射和接收設(shè)備，LED燈光上網(wǎng)就可以普及。

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