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探究可見光通信LiFi的“前世今生”

時間：2017-07-27 15:33:00 瀏覽：5375次

2013年10月，復旦大學傳出好消息，LED可見光通信技術在其計算機科學技術學院實驗室成功實現。研究人員將網絡信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺電腦即可上網，最高速率可達3.25G，平均上網速率達到150M，堪稱世界最快的“燈光上網”。一時間，“復旦大學實現點燈上網”的消息不脛而走。隨后，有關可見光通信技術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。實際上，早在2000年，日本慶應大學的Tanaka等人和SONY計算機科學研究所的Haruyama就提出了利用LED燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統。2002年，Tanaka和Komine等人對LED可見光通信系統展開了具體分析，并于同年正式提出了一套結合電力線載波通信和LED可見光通信的數據傳輸系統。時光飛逝，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場展出了白光LED的通信系統，當時，它的最大傳輸距離僅20cm。雖然這個距離相當短，但在當時，那確實是獨一無二的創新技術!
　　鏡頭切換到國內可見光通信研究。2006年，北京大學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，并進行了一系列的理論和實驗工作。2008年，繼日企首次公開展示白光LED通信系統之后，暨南大學教授陳長纓研制出國內首臺白光LED可見光通信樣機，傳輸距離大于2.5米。但直到2013年，“復旦大學實現LED燈光上網”的消息瘋傳網絡，LED可見光通信才真正地呈現在國內民眾面前。
　　繼日本、中國之后，歐洲國家也陸續展示可見光通信研究。2009年，牛津大學的Brien等人利用均衡技術實現了100 Mbit/s的通信速率;次年，他們展出了室內可見光通信演示系統，利用16個白光LED通信，完成了4路高清視頻實時廣播。到2010年，德國Fraunhofer Henrich Hertz Institute實驗室的科研人員將這一通信速率提高到513 Mbit/s，創造了當時可見光通信速率的世界紀錄。當時的可見光通信還不叫LiFi，而是VLC(Visible Light Communication)。直到2011年，愛丁堡大學哈拉爾德?哈斯教授演示了帶有信號處理技術的LED燈泡如何將高清視頻傳輸到電腦上，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10Gb/s。
可見光通信技術正在商業化
　　LED可見光通信并非實驗室里的“寵物”，它已經逐漸實現了商業化。2013年10月，哈斯教授創立的PureLiFi(原名為PureVLC)公司向美國一家醫療機構售出第一套LiFi設備，價值5000歐元(人民幣約4.1萬元)。這場交易標志著LiFi的實用商業價值正式被認可。
　　近日，在今年的國際消費電子展(CES)期間，法國Oledcomm公司演示了可以實現光通信技術的手機設備。技術和工作人員將智能手機的前置攝像頭改裝成光線感應器，讓觀眾親眼見證LiFi光通信技術，傳輸速率約為10Mpbs。該公司表示，明年將會實現可見光通信產業化。
　　可見光通信應用領域廣泛
　　可見光通信主要有四大應用領域有：1)照明與通信，信息可以在室內環境下進行廣播，并同時滿足照明的需求;2)視覺信號與數據傳輸，信號燈主要通過顏色的變化來給人們提供信號，而將數據通信與信號燈相結合則可以為交通管理提供更好的安全可靠性;3)顯示與數據通信，LED顯示屏通常用于顯示信息，如果將相應的信息和數據直接傳輸給用戶手持終端，將會提供很大便利，在火車站、機場等場所有著巨大的應用前景;4)室內定位，可見光通信可以將用戶的位置信息通過照明設施來進行傳遞，較傳統衛星定位更為精準。
　　可見光通信之未來展望
　　新技術的開發和推廣并不總是一帆風順，LiFi雖然優點多多，卻也會面臨諸多技術難題。比如：白天關燈了怎么上網?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?數據回傳難怎么解決?
　　這些問題實在令人頭疼，研究者們正費盡心思找尋解決途徑。復旦大學信息科學與工程學院教授遲楠表示，國際上已經在研究一種新技術，在LED燈不發光等情況下，通過接通弱電流實現上網功能。而哈斯教授則講過，WiFi可以成為LiFi的補充技術，當燈光信號被阻擋的時候，可以無縫地切換至射頻通信系統。另外，遲楠教授表示，數據的雙向傳輸仍然是一大難題。燈光照射在電腦上容易，但在電腦或手機上安裝燈泡回傳數據卻非易事。
　　遲楠表示，可見光通信沒有專用芯片組，發射接收系統非常龐大，這些都需要完善。我們要客觀看待可見光通信技術。LED燈不是為通信而設計，所以LED燈珠帶寬很窄，約20MHz，而且有很強的非線性效應。探測器也不是專為可見光波段設計，藍光不是最敏感頻段。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，目前在復旦實驗室里，從燈光通訊控制到芯片設計制造等一系列關鍵技術產品，都是研究人員自己動手做。用于收發網絡信號的發射器和接收器，都有兩個筆記本電腦那么大，顯然無法普及。
　　所以，相關芯片的壓縮和產業化，是燈光上網走進尋常百姓家面臨的首要難題。遲楠表示，芯片壓縮的研發需要大筆資金，在人們已經有了WiFi的前提下，究竟還會不會花大把的錢來研發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用。在下一代城市中，智能電網完備，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射和接收設備，LED燈光上網就可以普及。

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