LED点亮下一代无线通讯 VLC技术探讨

    随着业界准备朝高功率 LED 的固态照明(SSL)方向发展，一些较具远见的工程师们脑海中也浮现一种更大胆的创新思维。他们建议：为何不采用一种速度快到让人眼无法辨识的 LED 切换方式，以便使其也能用于传送数据？

    这个建议就是可见光通讯(VLC)的理论基础。在先进的技术支持下，每一种新的 LED 灯具也能以有线方式接取骨干网络，使室内任何设备实现无所不在的无线通讯，而且不至于增加原已拥挤不堪的射频频宽负担。许多业界、标准组织和得到政府大力资助的计划都开始研发可见光通讯。可见光通讯的前景十分广阔，因为传统照明市场规模达数兆美元，而且市场过渡到固态照明应用也已经展开。根据Strategies Unlimited公司预测，今年 LED 照明市场将超过10亿美元，到了2014年还可望成长到大约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更低很多。同时，巨大的市场商机几乎已经激起了每家主要电子研究组织投入可见光通讯应用的兴趣与研发。

    大多数可见光通讯应用并不在于取代其它无线技术，如蓝牙、 Wi-Fi 、 WiMax 和 LTE ，其应用目标是目前射频(RF)无线通讯无法妥善提供服务的场合，如医院和飞机等应用中，射频可能干扰到攸关生命的设备讯号；在机器人应用中， VLC 可以使用头灯中的虚拟路标进行导航以传送邮件；或是在电子看板应用中，当手机照相机指向它时，透过 VLC 可提供更多的信息。

    日本的可见光通讯联盟成员包括卡西欧(Casio)、 NEC 、松下电气(Panasonic)、三星(Samsung)、夏普(Sharp)、东芝(Toshiba)与NTT Docomo等电信厂商，该联盟正致力于推动 IEEE 802.15 无线个人局域网络(WPAN)标准委员会增加‘.7’的计划，以期将可见光通讯提升到与RF和红外线相同的无线状态。

    802.15.7委员会才刚由其工作小组批准了无线 VLC 标准的草案版本，“但我们仍有许多问题尚待解决。”英特尔实验室(Intel Labs)科学家兼 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 的发展普及。目前的 LED 技术主要用于照明，但如果也能应用在无线市场中，从以往的经验就可知道还必须为其互通作业性进行标准化。”Roberts表示，“我们的标准化工作始于2008年，并可望于明年完成标准的定稿。”

    据Roberts介绍， 802.15.7 委员会的首要任务是推动照明第一、通讯第二的标准。“可见光通讯是能用肉眼看到的唯一一种‘无线通讯’讯号，因此不至于受到阻碍。”他指出，“例如，可见光通讯并不适合遥控的方式，因为人们通常在光线较暗的室内看电视，你总不希望看到遥控器发出闪烁的光线吧？采用 LED 进行通讯就不会造成光线闪烁，而且可见光通讯必须适应人们平常使用照明光源的方式，例如光线调节。”

    VLC开发更多创意应用

    可见光通讯可望带来一系列的崭新应用，虽然以 Wi-Fi 或红外线的方式也能实现最终目的，但透过可见光的方式会更加方便或更安全。例如，与相邻RF讯号之间的互相干扰可能会限制Wi-Fi的使用，而可见光基本上并不存在干扰的问题；相邻光束可以交相通过，只要彼此目的地不同就可以了。此外，有些地方出于安全的考量而禁止使用 RF 通讯，例如医院和飞机上。可见光通讯在这些场合中就是一种理想的替代方案，因为 LED 照明早已在使用中，而且可见光通讯又不会干扰到传送重要任务的系统讯号。同时，可见光通讯也具有较高的资料量。

    “可见光通讯能够实现各种类型的新应用，”Roberts表示，“我特别喜欢智能化 LED 广告看板──平常它可能会显示‘欢迎光临Joe餐厅’，但如果你拿出行动设备并指向这个看板时，还能下载到更多的信息，例如这家餐馆的地址、菜单甚至优惠卷等。你必须施展你的想象力，那么就可能看到许多更新的潜在应用。”

    三星公司正以其搭载 LED 背光的 LCD 平面显示器来试验可见光通讯，以便使未来的收视用户能够下载从产品信息到网站地址等所有相关信息。“我们深信 LCD 背光通讯会是可见光通讯的绝佳应用之一，因为 LCD 背光应用正开始改采 LED 背光。”三星公司 LCD 业务部副总裁Scott Birnbaum表示。

图1：就像煞车灯‘告诉’司机要停车一样，VLC可为引擎控制单元发送相同的消息，以避免碰撞。

    就像IEEE在2008年开始进行其标准化计划一样，美国国家科学基金会(National Science Foundation；NSF)也看中了‘这道光’的发展潜力，因其而在其旗下的智能照明工程研究中心(ERC)计划中增加了VLC研究计画。

    智能照明 ERC 是一项斥资1,850万美元的10年期计划，涉及多所大学的30多位研究人员，包括壬色列理工学院(RPI)、波士顿大学(BU)和新墨西哥大学(UNM)。“由于整个社会正朝向固态照明发展，我们认为透过 LED 光将能实现所有的应用。”PRI学院教授兼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，有哪些事是我们现在能做的？我们还得判断必须制作什么样的设备，以及采用哪一类的系统架构，才能够实现一个先进照明系统的更多功能。”

    Karlicek希望能使得照明系统的照明功能也变得更加智能化，其方法是利用可见光通讯为照明系统本身增加环境参数。“我们想知道采用 LED 还能做什么事，以便为此开发社群提供更多的价值与新机会。”他指出，“举例来说，我能想象室内照明器具开的相互间通讯──从一盏灯到另一盏灯，利用低速率讯号而使得色彩标准化，并提供均匀一致的光线。”

    智能照明 ERC 研究人员正寻求控制 LED 照明的所有方面，包括颜色、密度、能源使用、极化和调整，以便形成新的应。这些新应用范围包括从使用固态照明到提供数据通讯，以便控制生理周期的律动，或在每天的固定时间提供最健康的光照形式。ERC并正研究可见光在生物感测、医疗诊断与治疗方面的用途。

    参与智能照明 ERC 计画的波士顿大学专注于为特殊场合使用可见光通讯，以实现传统的数据通讯，例如在飞机上。可见光通讯能够利用多个独立的平行数据连接，例如来自不同视线的连接，或在相同视线上利用多种不同频率的可见光。如此一来，观赏同一部电影的每个人都能共享共同的广播电视联机，或者将各自独立的数据串流馈送至播放不同电影的各种设备中。

    在制造厂房中，同样的功能可使行动机器人使用可见光通讯巡视仓库，他们可以利用头灯来确认所处的位置，彼此之间还能直接通讯以避免碰撞。同样地，汽车可以透过读取由交通号志广播的坐标保持正确的行驶方向。汽车与汽车之间采用可见光通讯还有助于避免碰撞，并且防止交通拥塞。

    图2：同时应用LED灯于照明和通讯，将有助于实现普适运算，在室内的每个设备可分别使用不同的数据串流。

    图3：目前无线网络的部署使用Wi-Fi，它必须依赖于网络电缆和接取点，但未来的系统可以利用现有的有线基础设备将数据传送至LED灯，以实现无所不在的新接取点。

    图4：在机场使用LED通讯可以减少地面碰撞，因为LED可以在机场照明基础设备、地面车辆和飞机之间提供讯号。

    实现VLC之路

    波士顿大学教授Thomas Little是智能照明中心的主要研究员与副总监，他正尝试采用不同的调变机制，包括使用标准二进制编码的编码器、非归零(NRZ)编码器、脉冲编码调变以及脉冲密度调变。据他宣称，只要传输数据速率大于900kHz，这些方案在运作时都不会产生闪烁光。Little带领的研究小组也正探索，透过反射讯号但不能产生互调干扰的方法，如何在缺乏直接视线的情况下可靠地收发讯号。

    “我们希望使得网络的安装就像加装灯泡一样容易。”Little表示。截至目前为止，Little的实验室已经完成了40多款原型，这些原型目前正在一些业界合作伙伴处进行评估。

    波士顿大学的智能照明实验室已经建立了多款展示装置，用以展示如何使灯具同时具备照明功能和数据通讯功能。例如，透过 LED 调变由以太网络建置的数据讯号，可使硬线以太网络讯号从一盏灯具路由至另一盏灯具。

    “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，而使可见光通讯能够成为照明基础架构的一部份。”Little表示。

    只要在设备中安装 LED 发射器，从用户设备(如智能手机或笔记型计算机)到以太网络集线器的讯号就可以透过可见光来实现。但Wi-Fi仍适用于到以太网络集线器的回传讯号，并且也具有相同的优势，因为来自用户设备(例如经由按键)的回传讯号通常是低频的讯号。

    此外，新墨西哥大学正专注于研究创新的设备架构──致力于提升效率和 LED 开关速度的方法，以便达到 GHz 级的频宽。到目前为止，新墨西哥大学教授Steve Hersee已经发明了一种制造奈米线 LED 的可扩展制程。该技术架构已有很大的改善，特别是其中由上百万条奈米线组成的垂直列将作为发射器。新墨西哥大学准备将该技术授权给产业界，使其可采用与传统LED相同的材料来大量生产奈米线 LED 。

    “我们使用相同的氮化镓材料，但相较于一般 LED 中所有层都平置在水平面的作法，他们将采用同轴的方式缠绕在中央奈米线四周，使得组件具有更高的效率，并使其能以更高的速率进行调整。“Hersee指出，“这将使固态照明发生根本的变化。奈米线可说是零缺陷，而传统 LED 中使用的传统水平氮化镓薄膜则每平方公分中就有数百万个缺陷。”

    奈米线宽度从100nm到500nm不等，在基板上的垂直列中可以生长到5至10um高。第一款原型产品最近才制造完成，但新墨西哥大学预计在今年年底前会有更多的公司取得授权。

    NSF将在今年7月于 RPI 学院赞助一场研究展示会，届时将评估研究的最新进展，以及为2011年所擘划的新里程碑。NSF计划将在2018年完成，NSF希望届时就能拥有智能照明标准和技术，让每个新兴固态照明装置都能像可见光通讯集线器一样实现双重任务。

    “既然我们能够实现 LED 照明，我们还希望将它应用在照明以外的其它用途。”Hersee指出。