LED照明實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信的創(chuàng)新思路

隨著社會(huì)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(yuǎn)見(jiàn)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(wú)法分辨，從而也用它們來(lái)傳送數(shù)據(jù)？

這個(gè)建議就是可見(jiàn)光通信(VLC)的理論基礎(chǔ)。在足夠先進(jìn)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(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的無(wú)線通信，并且不增加已經(jīng)擁擠不堪的射頻帶寬負(fù)擔(dān)。許多工業(yè)、標(biāo)準(zhǔn)組織和得到大力資助的政府機(jī)構(gòu)正在研發(fā)可見(jiàn)光通信?？梢?jiàn)光通信的前景非常廣闊，因?yàn)閭鹘y(tǒng)照明市場(chǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)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(cè)，今年LED照明市場(chǎng)將超過(guò)10億美元，到2014年有望增長(zhǎng)到約73億美元。

當(dāng)然，固態(tài)照明的重點(diǎn)在于降低溫室氣體排放，因?yàn)?span id="duvwtfr" class=hrefStyle>LED燈的功耗比目前的標(biāo)準(zhǔn)照明產(chǎn)品要低很多。但巨大的市場(chǎng)已經(jīng)激發(fā)幾乎每個(gè)主要的電子研究組織投入可見(jiàn)光通信應(yīng)用的開發(fā)。

大多數(shù)可見(jiàn)光通信應(yīng)用并不是要取代其它無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙、Wi-Fi、WiMax和LTE，其應(yīng)用目標(biāo)是當(dāng)前的射頻無(wú)線通信無(wú)法實(shí)施的場(chǎng)合，比如醫(yī)院和飛機(jī)等應(yīng)用——這種場(chǎng)合下射頻可能干擾生命攸關(guān)的設(shè)備中的信號(hào)；機(jī)器人--它們可以使用頭燈中的虛擬路標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息傳送；標(biāo)牌--當(dāng)手機(jī)相機(jī)指向它時(shí)可以提供額外的信息。

日本的可見(jiàn)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(yùn)營(yíng)商，該聯(lián)盟正致力于推進(jìn)IEEE 802.15無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)增加“.7”工作，以期將可見(jiàn)光通信提升到與射頻和紅外線相同的無(wú)線狀態(tài)。802.15.7委員會(huì)剛剛在工作組級(jí)別批準(zhǔn)了目前草案版的無(wú)線VLC標(biāo)準(zhǔn)，“但我們?nèi)杂性S多問(wèn)題要解決?！盜ntel實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家、IEEE 802.15.7委員會(huì)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(wú)線市場(chǎng)也被開發(fā)出來(lái)，從過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)我們知道需要對(duì)互操作性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。”Roberts表示，“我們的標(biāo)準(zhǔn)化工作始于2008年，并有望于明年完成標(biāo)準(zhǔn)的定稿?！?/P>

據(jù)Roberts介紹，801.15.7委員會(huì)的首要任務(wù)是推行照明第一、通信第二的標(biāo)準(zhǔn)?！翱梢?jiàn)光通信是能用肉眼看到的唯一一種‘無(wú)線通信’信號(hào)，因此不能影響他人。"他指出，“例如，可見(jiàn)光通信不適合遙控，因?yàn)槿藗兺ǔＴ诠饩€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(jìn)行通信不會(huì)造成光線閃爍，而且可見(jiàn)光通信必須適應(yīng)人們平時(shí)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(jī)要停車一樣，VLC可以向發(fā)動(dòng)機(jī)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(jiàn)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(shí)現(xiàn)，但通過(guò)可見(jiàn)光實(shí)現(xiàn)會(huì)更加方便或更加安全。例如，與相鄰射頻信號(hào)之間的互相干擾可能會(huì)限制Wi-Fi的使用，而可見(jiàn)光基本上不存在干擾問(wèn)題；相鄰光束可以交相通過(guò)，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(jī)?？梢?jiàn)光通信在這些場(chǎng)合是理想的替代技術(shù)，因?yàn)長(zhǎng)ED照明早已在使用，而可見(jiàn)光通信又不會(huì)干擾傳送重要任務(wù)的系統(tǒng)信號(hào)。同時(shí)，可見(jiàn)光通信也具有高數(shù)據(jù)容量的潛力。

“可見(jiàn)光通信可以實(shí)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(dòng)設(shè)備并指向這個(gè)指示牌時(shí)，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(shí)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(yàn)使用可見(jiàn)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(jiàn)光通信的絕佳應(yīng)用之一，因?yàn)長(zhǎng)CD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(biāo)準(zhǔn)化努力一樣，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)也看中了“這道光”，并在旗下的智能照明工程研究中心(ERC)計(jì)劃中增加了VLC研究項(xiàng)目。

智能照明ERC是一個(gè)投資1,850萬(wàn)美元的10年期計(jì)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(gè)社會(huì)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(rèn)為永遠(yuǎn)不可能的事中哪些事我們能做，并判斷需要?jiǎng)?chuàng)建什么樣的設(shè)備、需要采用哪類系統(tǒng)架構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)先進(jìn)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(jiàn)光通信向照明系統(tǒng)本身增加環(huán)境參數(shù)?！拔覀兿胫烙肔ED還能做什么事以便向社會(huì)提供更多的價(jià)值，并提供新的機(jī)會(huì)?！彼赋?，“舉例來(lái)說(shuō)，我能想象室內(nèi)照明器具相互間通信——從一個(gè)燈到另一個(gè)燈，它們之間利用低速率信號(hào)使顏色標(biāo)準(zhǔn)化并提供均勻一致的光線?！?/P>

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(lái)控制人體生理節(jié)奏，或在每天的指定時(shí)間提供最健康的光照。ERC還在研究可見(jiàn)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(xiàng)目的波士頓大學(xué)專注于在特殊場(chǎng)合使用可見(jiàn)光通信實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，比如在飛機(jī)上?？梢?jiàn)光通信能夠利用多個(gè)獨(dú)立的并行數(shù)據(jù)連接，比如來(lái)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(jiàn)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(dú)立的數(shù)據(jù)流饋送給觀看不同電影的各個(gè)觀眾。

在工廠車間，同樣的功能允許移動(dòng)機(jī)器人使用可見(jiàn)光通信在倉(cāng)庫(kù)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(guò)讀取交通信號(hào)燈廣播的坐標(biāo)保持正確的行駛方向。汽車到汽車間的可見(jiàn)光通信有助于避免碰撞，并防止交通擁堵。

圖2：LED燈同時(shí)用于照明和通信有助于實(shí)現(xiàn)普適計(jì)算，于室內(nèi)的每個(gè)設(shè)備都可用獨(dú)立數(shù)據(jù)流。

圖3：目前無(wú)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(diǎn)，但未來(lái)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(wú)處不在的新接入點(diǎn)。

圖4：在機(jī)場(chǎng)使用LED通信可以減少地面沖突，因?yàn)長(zhǎng)ED可以在機(jī)場(chǎng)照明基礎(chǔ)設(shè)施、地面車輛和飛機(jī)之間提供信號(hào)。

VLC實(shí)現(xiàn)之路

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