“光”景無限好

文/劉榮 陳碩

“光”景無限好

文/劉榮 陳碩

LED可見光通信無需頻譜使用許可證，能很好地解決當前全球無線頻譜資源嚴重短缺的狀況，而且它的覆蓋范圍相當廣泛，有LED的地方將來就會有通信

光在人類的生活中無處不在，利用光來傳遞信息的歷史也可以追溯到三千多年前。那時的人們已經懂得應用火光傳遞信號，大大小小的烽火臺就是信號的發射源；1880年，貝爾利用太陽光作光源，以大氣為傳輸介質，用硒晶體作為光接收器件，成功進行了光電話實驗，通話距離最遠達到了213米……由此可見，有關可見光通信的設想并不是異想天開。

不久前，英國可見光通信研究被《時代周刊》評選為2011年度全球50大科技發明之一，而在我國，基于LED可見光通信的智能家居系統和上網系統已經在上海世博會和廣州高新技術展示會上亮相，吸引了大批觀眾的目光，并引起了觀眾的好奇：燈光在提供照明的同時，是怎么實現通信功能的呢？

近日，本刊記者帶著疑問，采訪了國家“千人計劃”特聘專家、清華大學無線光信息系統實驗室主任徐正元教授。

為什么是LED

通信對于人類生活正變得越來越普遍和重要，其技術的發展和進步都會引來我們的關注。光纖通信、無線通信、寬帶、Wi-Fi等通信方式是我們所熟悉的，但當第一次聽說LED燈也能用來通信時，除了感覺新鮮，更多的是驚訝和好奇。在白熾燈、節能燈、日光燈等眾多照明設備中，為什么只有LED燈具有通信的功能呢？

徐正元告訴記者，衡量某個設備是否適合作為通信設備的要求有很多，響應時間和響應速度是其中兩個非常關鍵的基本要求。響應時間過長、響應速度太慢，設備信息加載的能力肯定有限，就不適合通信。白熾燈、日光燈等傳統燈具本身在開燈的過程中，反應時間相對較長，如果再加入信號的話，響應時間一定會被延長，能夠夾帶的信號量很有限，用它們作為信號發射源，受到的限制就會比較大。

但LED就不一樣。LED屬于半導體照明器件，其內部結構、材料和制作機理等都與傳統燈具不同，其特殊性也決定了LED燈的響應速度比較快。“LED的響應速度如果換算成帶寬，大概能夠達到10兆赫茲。在這種高響應速度和高帶寬的條件下，只要將LED燈與信息源相連，就能使LED燈在發光的同時，將信息傳輸到相應空間。”徐正元說，“可能其它燈具也能實現信息傳遞，但速率很低，目前只有LED燈的通信性能能夠達到要求。”

此外，在國家“綠色照明工程”的推動下，上海、大連、南昌、廈門和深圳等地相繼形成了半導體照明工程產業化基地，LED逐漸成為照明產業的發展核心。前不久，國家發展改革委、商務部、海關總署、國家工商總局、國家質檢總局聯合印發《關于逐步禁止進口和銷售普通白熾燈的公告》，決定用5年時間，按照功率大小分階段逐步淘汰普通照明白熾燈，這將會給LED燈的普及帶來巨大的發展空間，同時也為實現LED通信技術奠定了基礎條件。

實驗室部分成員合影

LED怎么通信

眾所周知，光纖通信中光纖就像一根管道，信息就在這個管道里進行傳輸，那么LED通信中，信息傳遞是怎么實現的呢？

徐正元說：“以室內LED照明為例，信息可能來源于光纖、某個無線基站、電話線或者電力線通信等，這些信息進入房間里的LED燈上后，LED燈就會把信息加載到照明光上進行信息傳輸。”燈光在空氣中傳輸類似于光纖通信中信息在光纖中傳輸，而要想知道光是否載有信息，只需觀察光強明暗變化即可，但前提要保證這種變化不會影響正常的照明。徐正元表示，由于傳輸的信息量比較大且速度非常快，人眼不會感覺到明暗變化，但探測器能夠分辨出來。

但是，光線是散亂且多方向的，在光源和探測器之間可能存在許多條不同的光路，探測器是否都能探測到呢？徐正元表示，根據照明需求，LED光的發散角可達到60°～120°不等，目前沒有統一標準。對于照明來說，不同地點、不同角落對燈的照度要求都不一樣，但探測器的大小卻是有限的，這就需要一個透鏡系統，將光線聚集到探測器上。徐正元說：“我們小時候都做過一個實驗，利用放大鏡將太陽光聚集到一個點上，就能點燃樹葉。光學透鏡系統類似聚光鏡。它能將LED發散的光匯集到探測器上，探測器再將光信號轉換成電信號，進行后續的信號處理或信息提取。”

此外，墻壁、地板、天花板等反射的光也會對通信的性能產生一定影響，徐正元表示，目前團隊正在想辦法消除這些反射光的不良影響，將其充分利用起來。

徐正元還表示，LED通信沒有光纖傳輸的拉線、布網等繁瑣環節，只要在LED照明范圍內的自由空間都可以實現無線數據通信。目前常用的無線射頻通信中的射頻信號會對人體造成一定傷害，且容易對其他設備產生電磁干擾，不易在電磁敏感區使用，但LED可見光通信則沒有這些問題，并且安全性很高，如果不想信息泄露至室外，只用將光線遮住即可。

LED通信用于哪兒

對于LED通信的應用前景，徐正元顯得很自信。他說：“LED可見光通信無需頻譜使用許可證，能很好地解決當前全球無線頻譜資源嚴重短缺的狀況，而且它的覆蓋范圍相當廣泛，有LED的地方將來就會有通信，實現LED的信息化勢不可擋。”

徐正元說，LED通信有著不可替代的泛在性，能夠對當下無線通信覆蓋盲區進行填補，在醫院、機艙、礦井等無線受限場合或地鐵、隧道、水下等無線信號衰減很大的環境下以及用戶高度密集等無線通信非常不通暢的場所使用LED光源進行通信，將會是很好的選擇，而在室內照明環境下通過LED燈進行高速網絡接入的應用前景也很樂觀。

眾所周知，為防止引起瓦斯爆炸，在礦井下工作的人員是不允許通電話的，要想傳遞信息只能跑到特定的巷道，用專門的電話通信，而如果一旦發生礦難，巷道封閉，井下與井外的通信必定會中斷。徐正元表示，如果礦工頭盔上裝配的是LED燈，就能實現彼此間的通訊，或者通過隧道兩側照明燈內特定發射和探測裝置，也能實現與井外的通信。“LED通信技術除了簡單的通信聯絡功能之外，還能對礦工所處的位置進行定位和反饋，遇到礦難等突發狀況，外界還能第一時間獲知礦工在井下的具體位置，對加快救援速度起到重要的作用，能有效保證礦工的生命安全。”徐正元說。

除了在家庭、特殊環境下運用外，LED通信還可以在大型復雜場所、建筑物內等環境，實現掌上移動終端的定位和導航。在這些環境內，每一盞小小的LED燈如同一個個小衛星，可以作為提供定位信息的位置傳感器。比如消費者如果在商場內找不到需要的貨物，可以通過手上的終端接收“小衛星”發布的信息，鎖定商品位置，同時還能將最新商品和折扣信息傳給消費者，極大地方便了顧客購物。

如今越來越多的車輛也開始使用LED燈，這樣一來，車與車之間、車與交通信號燈之間就能通過LED實現通信。“如果將LED光源裝配在車身周邊，就能讓汽車通過LED車燈與外界通信聯系，司機在駕駛過程中可以獲取最及時的交通、道路或位置信息，并增強駕車的安全性。”徐正元說。一些發達國家已經考慮將LED通信技術在汽車電子行業進行實際應用，我國目前正處于研發初級階段，將來一定能在汽車上普及。

徐正元認為，LED通信綠色節能，安全環保，抗電磁干擾能力強，同時可以利用已有照明基礎設施，減少了專門鋪設的成本。他說：“作為一種新型無線通信手段，泛在性、廣覆蓋性等優勢為LED通信的發展提供了無限可能的空間。”

左圖：徐正元(右二)指導學生實驗

發展前景喜人

科學界對于可見光通信的研究始于上世紀70年代，但直至最近5至10年，可見光通信研究才逐漸成為研究熱點。可見光通信技術近期是由香港大學電子工程系一位教授于1998年提出，并在日本KEIO大學教授的研究下不斷發展。據了解，目前德國一家公司宣稱他們的可見光通信能夠達到500Mbps的傳輸速度，相當于每秒大概傳輸20首MP3歌曲，而另一家公司也計劃在明年初上市能夠提供每秒100Mbps傳輸速度的可見光無線路由器。隨著半導體照明技術的發展，可見光通信技術研究也獲得了新的動力。

右圖：徐正元給學生授課

但徐正元也指出了目前存在的問題和不足。他表示，LED的高效照明技術目前的商業應用水平還遠遠沒有達到極限效率，而開展LED光通信的科技研發，高速高效LED器件及通信技術也是當下LED信息化發展所面臨的問題。

此外，光線具有易遮擋性，一旦被遮擋傳播就會中斷，信息傳播也會隨之中斷，要保證信息正常傳輸，還得借助光學、電路等其他手段輔助信息傳播。徐正元舉例說：“如果屋內有三盞平行放置的燈都在發布信息，而其中一盞燈的光線被擋住了，但只要不是所有光線都被遮住，探測器依然能夠探測到信號，所以可以通過合理的空間布局，彌補光的這個缺點。”

近年來，歐美日韓等發達國家都在加緊研制和發展LED可見光通信，在某些方面達到了較高的技術水平。在國家的重視和科研人員的努力下，我國不但掌握了LED可見光通信技術，而且也有了一些實際應用設計，正處于產業化前夜。但這離國際先進水平還有一定距離，仍然需要更多科研人員投入其中，為我國可見光通信的長遠發展出謀劃策。這也是徐正元放棄美國優越的工作環境，毅然回國的目的之一。

徐正元自1999年在美國史蒂文斯理工學院無線通信專業獲得博士學位后，便開始從事與光相關的研究工作。2009年左右他牽頭創立了美國加州大學泛在光通信研究中心，并擔任中心主任，在可見光通信研究領域已經小有成就。但是，在了解到國內該領域仍然處于研究的初期后，徐正元便放棄美國優厚的工作和生活條件，回國開展無線光通信研究，并在清華大學成立了無線光信息系統實驗室。他說：“清華大學是我的母校，我也希望回到母校發揮我的專長，與國內其它單位一起為可見光通信研究作一點貢獻，開辟出我國在該領域的新天地。”

為推動我國LED產業發展，降低能源消耗，國家已經啟動了“十城萬盞”照明工程，涵蓋北京、上海、深圳、武漢等21個發達城市，國家對LED的支持是毋庸置疑的。在徐正元心中，他已經勾畫了一副LED光通信發展的美好藍圖。他希望未來可以開發一些LED通信的特色應用，在解決照明的基礎上能夠賦予LED通信等更多的附加功能，提高其信息化的程度，讓LED技術更好地服務大眾的生活。

徐正元認為，增加LED的附加功能與LED發展是相輔相成的，賦予LED更多的附加功能，能夠促進我國LED產業的規模化推廣，而規模的擴大也會使照明市場相應擴大，這也會推動LED通信技術的發展，使LED信息化應用更加廣泛。同時，徐正元還希望在五年或幾年之后，能夠在我國見到與照明產業緊密結合的LED通信產業，并能形成有我國自主知識產權、有中國特色、有規模的產業鏈。他說：“LED可見光通信技術的發展必然會使我們的生活更舒適、更便捷，也能為無線通信的發展提供新的解決方案，LED光通信將會有著無限美好的光景。”

徐正元，清華大學電子工程系教授，無線光信息系統實驗室主任，博士生導師，國家中組部第三批“千人計劃”特聘專家，國家海外杰出青年科學基金獲得者。

在無線光領域，主要從事基于LED綠色節能照明和顯示的泛在無線光信息理論、技術、實驗和應用系統研究，其成果可應用于泛在寬帶無線光網絡、傳感、成像、定位導航、無線射頻受限條件下的通信等領域。除可見光系統外，涵蓋紅外和紫外光譜的寬光譜無線光信息系統也是其研究重點。在無線射頻領域，徐正元主要從事多用戶無線通信理論與技術、超寬帶、網絡、定位等研究。