LED照明实现可见光通信的创新思路

        随着社会向基于固态照明的大功率LED的不断发展，一种大胆的创新思路出现在一些有远见的工程师脑海中。他们的建议是：为何不让LED通/断切换得足够快以致于人眼无法分辨，从而也用它们来传送数据？

        这个建议就是可见光通信(VLC)的理论基础。在足够先进的技术支持下，每种新的LED灯具也能以有线方式接入骨干网络，使室内任何设备实现无所不在的无线通信，并且不增加已经拥挤不堪的射频带宽负担。许多工业、标准组织和得到大力资助的政府机构正在研发可见光通信。可见光通信的前景非常广阔，因为传统照明市场达数万亿美元，并且向固态照明的转变已经开始。据Strategies Unlimited公司预测，今年LED照明市场将超过10亿美元，到2014年有望增长到约73亿美元。

        当然，固态照明的重点在于降低温室气体排放，因为LED灯的功耗比目前的标准照明产品要低很多。但巨大的市场已经激发几乎每个主要的电子研究组织投入可见光通信应用的开发。

        大多数可见光通信应用并不是要取代其它无线技术，如蓝牙、Wi-Fi、WiMax和LTE，其应用目标是当前的射频无线通信无法实施的场合，比如医院和飞机等应用——这种场合下射频可能干扰生命攸关的设备中的信号；机器人--它们可以使用头灯中的虚拟路标进行导航进而实现信息传送；标牌--当手机相机指向它时可以提供额外的信息。

        日本的可见光通信联盟成员包括卡西欧、NEC、松下电气工程、三星、夏普、东芝以及NTT Docomo等电信运营商，该联盟正致力于推进IEEE 802.15无线个人局域网标准委员会增加“.7”工作，以期将可见光通信提升到与射频和红外线相同的无线状态。802.15.7委员会刚刚在工作组级别批准了目前草案版的无线VLC标准，“但我们仍有许多问题要解决。”Intel实验室科学家、IEEE 802.15.7委员会技术编辑Rick Roberts指出。

      “让IEEE感到兴趣的原因是LED的广泛普及。目前的LED技术主要用于照明，但如果无线市场也被开发出来，从过去的经验我们知道需要对互操作性进行标准化。”Roberts表示，“我们的标准化工作始于2008年，并有望于明年完成标准的定稿。”

        据Roberts介绍，801.15.7委员会的首要任务是推行照明第一、通信第二的标准。“可见光通信是能用肉眼看到的唯一一种‘无线通信’信号，因此不能影响他人。"他指出，“例如，可见光通信不适合遥控，因为人们通常在光线较暗的室内观看电视。你不希望看到遥控器发出闪烁的光线吧？用LED进行通信不会造成光线闪烁，而且可见光通信必须适应人们平时使用照明源的方式，比如光线调节。”

 

 

图1：就像刹车灯"告诉"司机要停车一样，VLC可以向发动机控制单元发送相同的消息以避免碰撞。

VLC为创意应用开辟空间

        可见光通信有望形成一系列新的应用，虽然用Wi-Fi或红外也能实现，但通过可见光实现会更加方便或更加安全。例如，与相邻射频信号之间的互相干扰可能会限制Wi-Fi的使用，而可见光基本上不存在干扰问题；相邻光束可以交相通过，只要它们的目的地不同就可以了。出于安全考虑，有些地方禁止使用射频通信，比如医院和飞机。可见光通信在这些场合是理想的替代技术，因为LED照明早已在使用，而可见光通信又不会干扰传送重要任务的系统信号。同时，可见光通信也具有高数据容量的潜力。

       “可见光通信可以实现各种类型的新应用，”Roberts表示，“我特别喜欢的是智能LED指示牌，它能显示''''''''乔家餐厅''''''''，但如果你拿出移动设备并指向这个指示牌时，还可以下载到更多的信息--例如餐馆的地址、菜单甚至优惠券等。你必须展开你的想象力，新的可能应用确实有很多。”

        三星公司正在基于LED的背光LCD平板显示器中试验使用可见光通信，以便用户能下载从产品信息到网站地址的所有信息。“我们相信LCD背光通信是可见光通信的绝佳应用之一，因为LCD背光源正在转向使用LED。”三星公司LCD业务部副总裁Scott Birnbaum表示。
就像IEEE在2008年开始自己的标准化努力一样，美国国家科学基金会也看中了“这道光”，并在旗下的智能照明工程研究中心(ERC)计划中增加了VLC研究项目。

        智能照明ERC是一个投资1,850万美元的10年期计划，涉及多家学院的30多位大学研究人员，包括伦斯勒理工学院(RPI)、波士顿大学和新墨西哥大学。“由于整个社会都在向固态照明发展，我们正在考虑用LED光能做的所有东西。”PRI学院教授、智能照明研究中心总监Robert Karlicek表示，“我们想知道以前认为永远不可能的事中哪些事我们能做，并判断需要创建什么样的设备、需要采用哪类系统架构才能实现一个先进的照明系统的更多功能。”

        Karlicek设想使照明系统的照明功能也变得更加智能，方法是利用可见光通信向照明系统本身增加环境参数。“我们想知道用LED还能做什么事以便向社会提供更多的价值，并提供新的机会。”他指出，“举例来说，我能想象室内照明器具相互间通信——从一个灯到另一个灯，它们之间利用低速率信号使颜色标准化并提供均匀一致的光线。”

        智能照明ERC研究人员正在寻求控制LED照明的所有方面，包括颜色、密度、能源使用、极化和调制，以便形成新的应用。这些新应用包括从使用固态照明、到提供数据通信来控制人体生理节奏，或在每天的指定时间提供最健康的光照。ERC还在研究可见光在生物传感、医疗诊断和治疗方面的用途。

        参与了智能照明ERC项目的波士顿大学专注于在特殊场合使用可见光通信实现传统的数据通信，比如在飞机上。可见光通信能够利用多个独立的并行数据连接，比如来自不同视线的连接，或在相同视线上复接不同频率的可见光。这样，观看同一部电影的所有人能够共享公共广播连接，或者将独立的数据流馈送给观看不同电影的各个观众。

        在工厂车间，同样的功能允许移动机器人使用可见光通信在仓库中导航，可以利用头顶灯检查它们的位置，还能相互之间直接通信以避免碰撞。同样，汽车可以通过读取交通信号灯广播的坐标保持正确的行驶方向。汽车到汽车间的可见光通信有助于避免碰撞，并防止交通拥堵。

 

图2：LED灯同时用于照明和通信有助于实现普适计算，于室内的每个设备都可用独立数据流。

图3：目前无线网络的部署使用Wi-Fi，它依赖于网络电缆和接入点，但未来系统可以利用现有的有线基础设施将数据发送给LED灯，并作为无处不在的新接入点。

 

图4：在机场使用LED通信可以减少地面冲突，因为LED可以在机场照明基础设施、地面车辆和飞机之间提供信号。

VLC实现之路

         波士顿大学教授Thomas Little是智能照明中心的高级研究员和副总监，他正在试验不同的调制方案，包括使用标准二元码的编码器、非归零编码器、脉冲码调制和脉冲密度调制。据他宣称，只要数据速率大于900kHz，所有这些方案工作时都不会产生闪烁光。Little领导的小组还在研究如何在没有直接视线的情况下可靠地收发信号，这要求使用反射信号且同时不能产生互调干扰。

       “我们想要使网络的安装像拧装灯泡一样容易。”Little表示。他的实验室目前为止已经完成了40多个原型，这些原型正在一些工业合作伙伴那里进行评估。

        波士顿大学的智能照明实验室已经建立了多个演示装置，可以用来演示如何使灯具同时具有照明功能和数据通信功能。例如，通过连线传输的以太网信号可以从一个灯具路由到另一个灯具，并由LED调制来自以太网装置的数据信号。

      “我们想要解决的问题是，如何以很低的成本提供较高的数据速率，从而使可见光通信能够成为照明基础设施的一个部分。”Little表示。

        通过在设备中安装LED发射器，从用户设备(如智能手机或笔记本电脑)到以太网集线器的信号可以用可见光来实现。但Wi-Fi仍可用于到以太网集线器的回传信号并获得同样的优势，因为来自用户的回传信号(例如通过按键)通常是低带宽的信号。

        作为工作的一部分，新墨西哥大学正在集中精力研究创新的设备架构--致力于提高效率和LED的开关速度，以求达到GHz的带宽。到目前为止，教授Steve Hersee已经发明了一种可扩展的工艺用于制造基于纳米线的LED。新墨西哥大学准备将这个技术许可给产业界，允许他们使用与传统LED相同的材料大批量生产基于纳米线的LED，但架构有很大的改进，其中由上百万条纳米线组成的垂直列将用作发射器。

      “我们使用相同的氮化镓材料，但不像普通LED那样所有层都平躺在水平面上，它们将以同轴方式缠绕在中央纳米线周围，使得器件具有高得多的效率，并允许以高得多的速率进行调制。”Hersee指出，“这将使固态照明发生根本的变化。纳米线包含零缺陷，而传统LED中使用的传统水平氮化镓膜每平方厘米有数百万个缺陷。”

        纳米线宽度从100nm到500nm不等，在基底上的垂直列中可以生长到5至10um高。第一批原型最近才生产完，但新墨西哥大学希望在今年年底前有更多的公司获得许可。

        今年7月在RPI学院将举办NSF赞助的一次展会，届时将评估目前为止的最新工艺，并且为2011年制定新的里程碑。NSF计划到2018年截止，到那时，NSF希望拥有智能照明标准和技术，并能让每个新的固态照明装置像可见光通信集线器一样完成双重任务。

     “既然我们实现了LED照明，我们还希望LED能实现照明之外的其它用途。”Hersee指出。