LED照明實現(xiàn)可見光通信的創(chuàng)新思路

隨著社會向基于固態(tài)照明的大功率LED的不斷發(fā)展，一種大膽的創(chuàng)新思路出現(xiàn)在一些有遠見的工程師腦海中。他們的建議是：為何不讓LED通/斷切換得足夠快以致于人眼無法分辨，從而也用它們來傳送數(shù)據(jù)？

這個建議就是可見光通信(VLC)的理論基礎(chǔ)。在足夠先進的技術(shù)支持下，每種新的LED燈具也能以有線方式接入骨干網(wǎng)絡(luò)，使室內(nèi)任何設(shè)備實現(xiàn)無所不在的無線通信，并且不增加已經(jīng)擁擠不堪的射頻帶寬負擔(dān)。許多工業(yè)、標準組織和得到大力資助的政府機構(gòu)正在研發(fā)可見光通信。可見光通信的前景非常廣闊，因為傳統(tǒng)照明市場達數(shù)萬億美元，并且向固態(tài)照明的轉(zhuǎn)變已經(jīng)開始。據(jù)Strategies Unlimited公司預(yù)測，今年LED照明市場將超過10億美元，到2014年有望增長到約73億美元。

當(dāng)然，固態(tài)照明的重點在于降低溫室氣體排放，因為LED燈的功耗比目前的標準照明產(chǎn)品要低很多。但巨大的市場已經(jīng)激發(fā)幾乎每個主要的電子研究組織投入可見光通信應(yīng)用的開發(fā)。

大多數(shù)可見光通信應(yīng)用并不是要取代其它無線技術(shù)，如藍牙、Wi-Fi、WiMax和LTE，其應(yīng)用目標是當(dāng)前的射頻無線通信無法實施的場合，比如醫(yī)院和飛機等應(yīng)用——這種場合下射頻可能干擾生命攸關(guān)的設(shè)備中的信號；機器人--它們可以使用頭燈中的虛擬路標進行導(dǎo)航進而實現(xiàn)信息傳送；標牌--當(dāng)手機相機指向它時可以提供額外的信息。

日本的可見光通信聯(lián)盟成員包括卡西歐、NEC、松下電氣工程、三星、夏普、東芝以及NTT Docomo等電信運營商，該聯(lián)盟正致力于推進IEEE 802.15無線個人局域網(wǎng)標準委員會增加“.7”工作，以期將可見光通信提升到與射頻和紅外線相同的無線狀態(tài)。802.15.7委員會剛剛在工作組級別批準了目前草案版的無線VLC標準，“但我們?nèi)杂性S多問題要解決?！盜ntel實驗室科學(xué)家、IEEE 802.15.7委員會技術(shù)編輯Rick Roberts指出。

“讓IEEE感到興趣的原因是LED的廣泛普及。目前的LED技術(shù)主要用于照明，但如果無線市場也被開發(fā)出來，從過去的經(jīng)驗我們知道需要對互操作性進行標準化?！盧oberts表示，“我們的標準化工作始于2008年，并有望于明年完成標準的定稿?！?/P>

據(jù)Roberts介紹，801.15.7委員會的首要任務(wù)是推行照明第一、通信第二的標準。“可見光通信是能用肉眼看到的唯一一種‘無線通信’信號，因此不能影響他人。"他指出，“例如，可見光通信不適合遙控，因為人們通常在光線較暗的室內(nèi)觀看電視。你不希望看到遙控器發(fā)出閃爍的光線吧？用LED進行通信不會造成光線閃爍，而且可見光通信必須適應(yīng)人們平時使用照明源的方式，比如光線調(diào)節(jié)?！?/P>

圖1：就像剎車燈"告訴"司機要停車一樣，VLC可以向發(fā)動機控制單元發(fā)送相同的消息以避免碰撞。

VLC為創(chuàng)意應(yīng)用開辟空間

可見光通信有望形成一系列新的應(yīng)用，雖然用Wi-Fi或紅外也能實現(xiàn)，但通過可見光實現(xiàn)會更加方便或更加安全。例如，與相鄰射頻信號之間的互相干擾可能會限制Wi-Fi的使用，而可見光基本上不存在干擾問題；相鄰光束可以交相通過，只要它們的目的地不同就可以了。出于安全考慮，有些地方禁止使用射頻通信，比如醫(yī)院和飛機。可見光通信在這些場合是理想的替代技術(shù)，因為LED照明早已在使用，而可見光通信又不會干擾傳送重要任務(wù)的系統(tǒng)信號。同時，可見光通信也具有高數(shù)據(jù)容量的潛力。

“可見光通信可以實現(xiàn)各種類型的新應(yīng)用，”Roberts表示，“我特別喜歡的是智能LED指示牌，它能顯示''''''''喬家餐廳''''''''，但如果你拿出移動設(shè)備并指向這個指示牌時，還可以下載到更多的信息--例如餐館的地址、菜單甚至優(yōu)惠券等。你必須展開你的想象力，新的可能應(yīng)用確實有很多?！?/P>

三星公司正在基于LED的背光LCD平板顯示器中試驗使用可見光通信，以便用戶能下載從產(chǎn)品信息到網(wǎng)站地址的所有信息?！拔覀兿嘈臠CD背光通信是可見光通信的絕佳應(yīng)用之一，因為LCD背光源正在轉(zhuǎn)向使用LED?！比枪綥CD業(yè)務(wù)部副總裁Scott Birnbaum表示。
就像IEEE在2008年開始自己的標準化努力一樣，美國國家科學(xué)基金會也看中了“這道光”，并在旗下的智能照明工程研究中心(ERC)計劃中增加了VLC研究項目。

智能照明ERC是一個投資1,850萬美元的10年期計劃，涉及多家學(xué)院的30多位大學(xué)研究人員，包括倫斯勒理工學(xué)院(RPI)、波士頓大學(xué)和新墨西哥大學(xué)。“由于整個社會都在向固態(tài)照明發(fā)展，我們正在考慮用LED光能做的所有東西?！盤RI學(xué)院教授、智能照明研究中心總監(jiān)Robert Karlicek表示，“我們想知道以前認為永遠不可能的事中哪些事我們能做，并判斷需要創(chuàng)建什么樣的設(shè)備、需要采用哪類系統(tǒng)架構(gòu)才能實現(xiàn)一個先進的照明系統(tǒng)的更多功能?！?/P>

Karlicek設(shè)想使照明系統(tǒng)的照明功能也變得更加智能，方法是利用可見光通信向照明系統(tǒng)本身增加環(huán)境參數(shù)。“我們想知道用LED還能做什么事以便向社會提供更多的價值，并提供新的機會?！彼赋?，“舉例來說，我能想象室內(nèi)照明器具相互間通信——從一個燈到另一個燈，它們之間利用低速率信號使顏色標準化并提供均勻一致的光線。”

智能照明ERC研究人員正在尋求控制LED照明的所有方面，包括顏色、密度、能源使用、極化和調(diào)制，以便形成新的應(yīng)用。這些新應(yīng)用包括從使用固態(tài)照明、到提供數(shù)據(jù)通信來控制人體生理節(jié)奏，或在每天的指定時間提供最健康的光照。ERC還在研究可見光在生物傳感、醫(yī)療診斷和治療方面的用途。

參與了智能照明ERC項目的波士頓大學(xué)專注于在特殊場合使用可見光通信實現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，比如在飛機上。可見光通信能夠利用多個獨立的并行數(shù)據(jù)連接，比如來自不同視線的連接，或在相同視線上復(fù)接不同頻率的可見光。這樣，觀看同一部電影的所有人能夠共享公共廣播連接，或者將獨立的數(shù)據(jù)流饋送給觀看不同電影的各個觀眾。

在工廠車間，同樣的功能允許移動機器人使用可見光通信在倉庫中導(dǎo)航，可以利用頭頂燈檢查它們的位置，還能相互之間直接通信以避免碰撞。同樣，汽車可以通過讀取交通信號燈廣播的坐標保持正確的行駛方向。汽車到汽車間的可見光通信有助于避免碰撞，并防止交通擁堵。

圖2：LED燈同時用于照明和通信有助于實現(xiàn)普適計算，于室內(nèi)的每個設(shè)備都可用獨立數(shù)據(jù)流。

圖3：目前無線網(wǎng)絡(luò)的部署使用Wi-Fi，它依賴于網(wǎng)絡(luò)電纜和接入點，但未來系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的有線基礎(chǔ)設(shè)施將數(shù)據(jù)發(fā)送給LED燈，并作為無處不在的新接入點。

圖4：在機場使用LED通信可以減少地面沖突，因為LED可以在機場照明基礎(chǔ)設(shè)施、地面車輛和飛機之間提供信號。

VLC實現(xiàn)之路

波士頓大學(xué)教授Thomas Little是智能照明中心的高級研究員和副總監(jiān)，他正在試驗不同的調(diào)制