“光”景无限好

文/刘荣 陈硕

“光”景无限好

文/刘荣 陈硕

LED可见光通信无需频谱使用许可证，能很好地解决当前全球无线频谱资源严重短缺的状况，而且它的覆盖范围相当广泛，有LED的地方将来就会有通信

光在人类的生活中无处不在，利用光来传递信息的历史也可以追溯到三千多年前。那时的人们已经懂得应用火光传递信号，大大小小的烽火台就是信号的发射源；1880年，贝尔利用太阳光作光源，以大气为传输介质，用硒晶体作为光接收器件，成功进行了光电话实验，通话距离最远达到了213米……由此可见，有关可见光通信的设想并不是异想天开。

不久前，英国可见光通信研究被《时代周刊》评选为2011年度全球50大科技发明之一，而在我国，基于LED可见光通信的智能家居系统和上网系统已经在上海世博会和广州高新技术展示会上亮相，吸引了大批观众的目光，并引起了观众的好奇：灯光在提供照明的同时，是怎么实现通信功能的呢？

近日，本刊记者带着疑问，采访了国家“千人计划”特聘专家、清华大学无线光信息系统实验室主任徐正元教授。

为什么是LED

通信对于人类生活正变得越来越普遍和重要，其技术的发展和进步都会引来我们的关注。光纤通信、无线通信、宽带、Wi-Fi等通信方式是我们所熟悉的，但当第一次听说LED灯也能用来通信时，除了感觉新鲜，更多的是惊讶和好奇。在白炽灯、节能灯、日光灯等众多照明设备中，为什么只有LED灯具有通信的功能呢？

徐正元告诉记者，衡量某个设备是否适合作为通信设备的要求有很多，响应时间和响应速度是其中两个非常关键的基本要求。响应时间过长、响应速度太慢，设备信息加载的能力肯定有限，就不适合通信。白炽灯、日光灯等传统灯具本身在开灯的过程中，反应时间相对较长，如果再加入信号的话，响应时间一定会被延长，能够夹带的信号量很有限，用它们作为信号发射源，受到的限制就会比较大。

但LED就不一样。LED属于半导体照明器件，其内部结构、材料和制作机理等都与传统灯具不同，其特殊性也决定了LED灯的响应速度比较快。“LED的响应速度如果换算成带宽，大概能够达到10兆赫兹。在这种高响应速度和高带宽的条件下，只要将LED灯与信息源相连，就能使LED灯在发光的同时，将信息传输到相应空间。”徐正元说，“可能其它灯具也能实现信息传递，但速率很低，目前只有LED灯的通信性能能够达到要求。”

此外，在国家“绿色照明工程”的推动下，上海、大连、南昌、厦门和深圳等地相继形成了半导体照明工程产业化基地，LED逐渐成为照明产业的发展核心。前不久，国家发展改革委、商务部、海关总署、国家工商总局、国家质检总局联合印发《关于逐步禁止进口和销售普通白炽灯的公告》，决定用5年时间，按照功率大小分阶段逐步淘汰普通照明白炽灯，这将会给LED灯的普及带来巨大的发展空间，同时也为实现LED通信技术奠定了基础条件。

实验室部分成员合影

LED怎么通信

众所周知，光纤通信中光纤就像一根管道，信息就在这个管道里进行传输，那么LED通信中，信息传递是怎么实现的呢？

徐正元说：“以室内LED照明为例，信息可能来源于光纤、某个无线基站、电话线或者电力线通信等，这些信息进入房间里的LED灯上后，LED灯就会把信息加载到照明光上进行信息传输。”灯光在空气中传输类似于光纤通信中信息在光纤中传输，而要想知道光是否载有信息，只需观察光强明暗变化即可，但前提要保证这种变化不会影响正常的照明。徐正元表示，由于传输的信息量比较大且速度非常快，人眼不会感觉到明暗变化，但探测器能够分辨出来。

但是，光线是散乱且多方向的，在光源和探测器之间可能存在许多条不同的光路，探测器是否都能探测到呢？徐正元表示，根据照明需求，LED光的发散角可达到60°～120°不等，目前没有统一标准。对于照明来说，不同地点、不同角落对灯的照度要求都不一样，但探测器的大小却是有限的，这就需要一个透镜系统，将光线聚集到探测器上。徐正元说：“我们小时候都做过一个实验，利用放大镜将太阳光聚集到一个点上，就能点燃树叶。光学透镜系统类似聚光镜。它能将LED发散的光汇集到探测器上，探测器再将光信号转换成电信号，进行后续的信号处理或信息提取。”

此外，墙壁、地板、天花板等反射的光也会对通信的性能产生一定影响，徐正元表示，目前团队正在想办法消除这些反射光的不良影响，将其充分利用起来。

徐正元还表示，LED通信没有光纤传输的拉线、布网等繁琐环节，只要在LED照明范围内的自由空间都可以实现无线数据通信。目前常用的无线射频通信中的射频信号会对人体造成一定伤害，且容易对其他设备产生电磁干扰，不易在电磁敏感区使用，但LED可见光通信则没有这些问题，并且安全性很高，如果不想信息泄露至室外，只用将光线遮住即可。

LED通信用于哪儿

对于LED通信的应用前景，徐正元显得很自信。他说：“LED可见光通信无需频谱使用许可证，能很好地解决当前全球无线频谱资源严重短缺的状况，而且它的覆盖范围相当广泛，有LED的地方将来就会有通信，实现LED的信息化势不可挡。”

徐正元说，LED通信有着不可替代的泛在性，能够对当下无线通信覆盖盲区进行填补，在医院、机舱、矿井等无线受限场合或地铁、隧道、水下等无线信号衰减很大的环境下以及用户高度密集等无线通信非常不通畅的场所使用LED光源进行通信，将会是很好的选择，而在室内照明环境下通过LED灯进行高速网络接入的应用前景也很乐观。

众所周知，为防止引起瓦斯爆炸，在矿井下工作的人员是不允许通电话的，要想传递信息只能跑到特定的巷道，用专门的电话通信，而如果一旦发生矿难，巷道封闭，井下与井外的通信必定会中断。徐正元表示，如果矿工头盔上装配的是LED灯，就能实现彼此间的通讯，或者通过隧道两侧照明灯内特定发射和探测装置，也能实现与井外的通信。“LED通信技术除了简单的通信联络功能之外，还能对矿工所处的位置进行定位和反馈，遇到矿难等突发状况，外界还能第一时间获知矿工在井下的具体位置，对加快救援速度起到重要的作用，能有效保证矿工的生命安全。”徐正元说。

除了在家庭、特殊环境下运用外，LED通信还可以在大型复杂场所、建筑物内等环境，实现掌上移动终端的定位和导航。在这些环境内，每一盏小小的LED灯如同一个个小卫星，可以作为提供定位信息的位置传感器。比如消费者如果在商场内找不到需要的货物，可以通过手上的终端接收“小卫星”发布的信息，锁定商品位置，同时还能将最新商品和折扣信息传给消费者，极大地方便了顾客购物。

如今越来越多的车辆也开始使用LED灯，这样一来，车与车之间、车与交通信号灯之间就能通过LED实现通信。“如果将LED光源装配在车身周边，就能让汽车通过LED车灯与外界通信联系，司机在驾驶过程中可以获取最及时的交通、道路或位置信息，并增强驾车的安全性。”徐正元说。一些发达国家已经考虑将LED通信技术在汽车电子行业进行实际应用，我国目前正处于研发初级阶段，将来一定能在汽车上普及。

徐正元认为，LED通信绿色节能，安全环保，抗电磁干扰能力强，同时可以利用已有照明基础设施，减少了专门铺设的成本。他说：“作为一种新型无线通信手段，泛在性、广覆盖性等优势为LED通信的发展提供了无限可能的空间。”

左图：徐正元(右二)指导学生实验

发展前景喜人

科学界对于可见光通信的研究始于上世纪70年代，但直至最近5至10年，可见光通信研究才逐渐成为研究热点。可见光通信技术近期是由香港大学电子工程系一位教授于1998年提出，并在日本KEIO大学教授的研究下不断发展。据了解，目前德国一家公司宣称他们的可见光通信能够达到500Mbps的传输速度，相当于每秒大概传输20首MP3歌曲，而另一家公司也计划在明年初上市能够提供每秒100Mbps传输速度的可见光无线路由器。随着半导体照明技术的发展，可见光通信技术研究也获得了新的动力。

右图：徐正元给学生授课

但徐正元也指出了目前存在的问题和不足。他表示，LED的高效照明技术目前的商业应用水平还远远没有达到极限效率，而开展LED光通信的科技研发，高速高效LED器件及通信技术也是当下LED信息化发展所面临的问题。

此外，光线具有易遮挡性，一旦被遮挡传播就会中断，信息传播也会随之中断，要保证信息正常传输，还得借助光学、电路等其他手段辅助信息传播。徐正元举例说：“如果屋内有三盏平行放置的灯都在发布信息，而其中一盏灯的光线被挡住了，但只要不是所有光线都被遮住，探测器依然能够探测到信号，所以可以通过合理的空间布局，弥补光的这个缺点。”

近年来，欧美日韩等发达国家都在加紧研制和发展LED可见光通信，在某些方面达到了较高的技术水平。在国家的重视和科研人员的努力下，我国不但掌握了LED可见光通信技术，而且也有了一些实际应用设计，正处于产业化前夜。但这离国际先进水平还有一定距离，仍然需要更多科研人员投入其中，为我国可见光通信的长远发展出谋划策。这也是徐正元放弃美国优越的工作环境，毅然回国的目的之一。

徐正元自1999年在美国史蒂文斯理工学院无线通信专业获得博士学位后，便开始从事与光相关的研究工作。2009年左右他牵头创立了美国加州大学泛在光通信研究中心，并担任中心主任，在可见光通信研究领域已经小有成就。但是，在了解到国内该领域仍然处于研究的初期后，徐正元便放弃美国优厚的工作和生活条件，回国开展无线光通信研究，并在清华大学成立了无线光信息系统实验室。他说：“清华大学是我的母校，我也希望回到母校发挥我的专长，与国内其它单位一起为可见光通信研究作一点贡献，开辟出我国在该领域的新天地。”

为推动我国LED产业发展，降低能源消耗，国家已经启动了“十城万盏”照明工程，涵盖北京、上海、深圳、武汉等21个发达城市，国家对LED的支持是毋庸置疑的。在徐正元心中，他已经勾画了一副LED光通信发展的美好蓝图。他希望未来可以开发一些LED通信的特色应用，在解决照明的基础上能够赋予LED通信等更多的附加功能，提高其信息化的程度，让LED技术更好地服务大众的生活。

徐正元认为，增加LED的附加功能与LED发展是相辅相成的，赋予LED更多的附加功能，能够促进我国LED产业的规模化推广，而规模的扩大也会使照明市场相应扩大，这也会推动LED通信技术的发展，使LED信息化应用更加广泛。同时，徐正元还希望在五年或几年之后，能够在我国见到与照明产业紧密结合的LED通信产业，并能形成有我国自主知识产权、有中国特色、有规模的产业链。他说：“LED可见光通信技术的发展必然会使我们的生活更舒适、更便捷，也能为无线通信的发展提供新的解决方案，LED光通信将会有着无限美好的光景。”

徐正元，清华大学电子工程系教授，无线光信息系统实验室主任，博士生导师，国家中组部第三批“千人计划”特聘专家，国家海外杰出青年科学基金获得者。

在无线光领域，主要从事基于LED绿色节能照明和显示的泛在无线光信息理论、技术、实验和应用系统研究，其成果可应用于泛在宽带无线光网络、传感、成像、定位导航、无线射频受限条件下的通信等领域。除可见光系统外，涵盖红外和紫外光谱的宽光谱无线光信息系统也是其研究重点。在无线射频领域，徐正元主要从事多用户无线通信理论与技术、超宽带、网络、定位等研究。