LED點(diǎn)亮下一代無(wú)線通訊 VLC技術(shù)探討

    隨著業(yè)界準(zhǔn)備朝高功率 LED 的固態(tài)照明(SSL)方向發(fā)展，一些較具遠(yuǎn)見(jiàn)的工程師們腦海中也浮現(xiàn)一種更大膽的創(chuàng)新思維。他們建議：為何不采用一種速度快到讓人眼無(wú)法辨識(shí)的 LED 切換方式，以便使其也能用于傳送數(shù)據(jù)？

    這個(gè)建議就是可見(jiàn)光通訊(VLC)的理論基礎(chǔ)。在先進(jìn)的技術(shù)支持下，每一種新的 LED 燈具也能以有線方式接取骨干網(wǎng)絡(luò)，使室內(nèi)任何設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的無(wú)線通訊，而且不至于增加原已擁擠不堪的射頻頻寬負(fù)擔(dān)。許多業(yè)界、標(biāo)準(zhǔn)組織和得到政府大力資助的計(jì)劃都開(kāi)始研發(fā)可見(jiàn)光通訊�？梢�(jiàn)光通訊的前景十分廣闊，因?yàn)閭鹘y(tǒng)照明市場(chǎng)規(guī)模達(dá)數(shù)兆美元，而且市場(chǎng)過(guò)渡到固態(tài)照明應(yīng)用也已經(jīng)展開(kāi)。根據(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，到了2014年還可望成長(zhǎng)到大約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)?LED 燈的功耗比目前的標(biāo)準(zhǔn)照明產(chǎn)品更低很多。同時(shí)，巨大的市場(chǎng)商機(jī)幾乎已經(jīng)激起了每家主要電子研究組織投入可見(jiàn)光通訊應(yīng)用的興趣與研發(fā)。

    大多數(shù)可見(jiàn)光通訊應(yīng)用并不在于取代其它無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙、 Wi-Fi 、 WiMax 和 LTE ，其應(yīng)用目標(biāo)是目前射頻(RF)無(wú)線通訊無(wú)法妥善提供服務(wù)的場(chǎng)合，如醫(yī)院和飛機(jī)等應(yīng)用中，射頻可能干擾到攸關(guān)生命的設(shè)備訊號(hào)；在機(jī)器人應(yīng)用中， VLC 可以使用頭燈中的虛擬路標(biāo)進(jìn)行導(dǎo)航以傳送郵件；或是在電子看板應(yīng)用中，當(dāng)手機(jī)照相機(jī)指向它時(shí)，透過(guò) VLC 可提供更多的信息。

    日本的可見(jiàn)光通訊聯(lián)盟成員包括卡西歐(Casio)、 NEC 、松下電氣(Panasonic)、三星(Samsung)、夏普(Sharp)、東芝(Toshiba)與NTT Docomo等電信廠商，該聯(lián)盟正致力于推動(dòng) IEEE 802.15 無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)增加‘.7’的計(jì)劃，以期將可見(jiàn)光通訊提升到與RF和紅外線相同的無(wú)線狀態(tài)。

    802.15.7委員會(huì)才剛由其工作小組批準(zhǔn)了無(wú)線 VLC 標(biāo)準(zhǔn)的草案版本，“但我們?nèi)杂性S多問(wèn)題尚待解決�！庇⑻貭枌�(shí)驗(yàn)室(Intel Labs)科學(xué)家兼 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 的發(fā)展普及。目前的 LED 技術(shù)主要用于照明，但如果也能應(yīng)用在無(wú)線市場(chǎng)中，從以往的經(jīng)驗(yàn)就可知道還必須為其互通作業(yè)性進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化�！盧oberts表示，“我們的標(biāo)準(zhǔn)化工作始于2008年，并可望于明年完成標(biāo)準(zhǔn)的定稿�！�

    據(jù)Roberts介紹， 802.15.7 委員會(huì)的首要任務(wù)是推動(dòng)照明第一、通訊第二的標(biāo)準(zhǔn)�！翱梢�(jiàn)光通訊是能用肉眼看到的唯一一種‘無(wú)線通訊’訊號(hào)，因此不至于受到阻礙。”他指出，“例如，可見(jiàn)光通訊并不適合遙控的方式，因?yàn)槿藗兺ǔＴ诠饩�較暗的室內(nèi)看電視，你總不希望看到遙控器發(fā)出閃爍的光線吧？采用 LED 進(jìn)行通訊就不會(huì)造成光線閃爍，而且可見(jiàn)光通訊必須適應(yīng)人們平常使用照明光源的方式，例如光線調(diào)節(jié)�！�

    VLC開(kāi)發(fā)更多創(chuàng)意應(yīng)用

    可見(jiàn)光通訊可望帶來(lái)一系列的嶄新應(yīng)用，雖然以 Wi-Fi 或紅外線的方式也能實(shí)現(xiàn)最終目的，但透過(guò)可見(jiàn)光的方式會(huì)更加方便或更安全。例如，與相鄰RF訊號(hào)之間的互相干擾可能會(huì)限制Wi-Fi的使用，而可見(jiàn)光基本上并不存在干擾的問(wèn)題；相鄰光束可以交相通過(guò)，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 通訊，例如醫(yī)院和飛機(jī)上�？梢�(jiàn)光通訊在這些場(chǎng)合中就是一種理想的替代方案，因?yàn)?LED 照明早已在使用中，而且可見(jiàn)光通訊又不會(huì)干擾到傳送重要任務(wù)的系統(tǒng)訊號(hào)。同時(shí)，可見(jiàn)光通訊也具有較高的資料量。

    “可見(jiàn)光通訊能夠?qū)崿F(xiàn)各種類(lèi)型的新應(yīng)用，”Roberts表示，“我特別喜歡智能化 LED 廣告看板──平常它可能會(huì)顯示‘歡迎光臨Joe餐廳’，但如果你拿出行動(dòng)設(shè)備并指向這個(gè)看板時(shí)，還能下載到更多的信息，例如這家餐館的地址、菜單甚至優(yōu)惠卷等。你必須施展你的想象力，那么就可能看到許多更新的潛在應(yīng)用�！�

    三星公司正以其搭載 LED 背光的 LCD 平面顯示器來(lái)試驗(yàn)可見(jiàn)光通訊，以便使未來(lái)的收視用戶能夠下載從產(chǎn)品信息到網(wǎng)站地址等所有相關(guān)信息。“我們深信 LCD 背光通訊會(huì)是可見(jiàn)光通訊的絕佳應(yīng)用之一，因?yàn)?LCD 背光應(yīng)用正開(kāi)始改采 LED 背光�！比�星公司 LCD 業(yè)務(wù)部副總裁Scott Birnbaum表示。

圖1：就像煞車(chē)燈‘告訴’司機(jī)要停車(chē)一樣，VLC可為引擎控制單元發(fā)送相同的消息，以避免碰撞。

    就像IEEE在2008年開(kāi)始進(jìn)行其標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)劃一樣，美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(National Science Foundation；NSF)也看中了‘這道光’的發(fā)展?jié)摿�，因其而在其旗下的智能照明工程研究中�?ERC)計(jì)劃中增加了VLC研究計(jì)畫(huà)。

    智能照明 ERC 是一項(xiàng)斥資1,850萬(wàn)美元的10年期計(jì)劃，涉及多所大學(xué)的30多位研究人員，包括壬色列理工學(xué)院(RPI)、波士頓大學(xué)(BU)和新墨西哥大學(xué)(UNM)�！坝捎谡麄�(gè)社會(huì)正朝向固態(tài)照明發(fā)展，我們認(rèn)為透過(guò) LED 光將能實(shí)現(xiàn)所有的應(yīng)用。”P(pán)RI學(xué)院教授兼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，有哪些事是我們現(xiàn)在能做的？我們還得判斷必須制作什么樣的設(shè)備，以及采用哪一類(lèi)的系統(tǒng)架構(gòu)，才能夠?qū)崿F(xiàn)一個(gè)先進(jìn)照明系統(tǒng)的更多功能�！�

    Karlicek希望能使得照明系統(tǒng)的照明功能也變得更加智能化，其方法是利用可見(jiàn)光通訊為照明系統(tǒng)本身增加環(huán)境參數(shù)。“我們想知道采用 LED 還能做什么事，以便為此開(kāi)發(fā)社群提供更多的價(jià)值與新機(jī)會(huì)�！彼�指出，“舉例來(lái)說(shuō)，我能想象室內(nèi)照明器具開(kāi)的相互間通訊──從一盞燈到另一盞燈，利用低速率訊號(hào)而使得色彩標(biāo)準(zhǔn)化，并提供均勻一致的光線。”

    智能照明 ERC 研究人員正尋求控制 LED 照明的所有方面，包括顏色、密度、能源使用、極化和調(diào)整，以便形成新的應(yīng)。這些新應(yīng)用范圍包括從使用固態(tài)照明到提供數(shù)據(jù)通訊，以便控制生理周期的律動(dòng)，或在每天的固定時(shí)間提供最健康的光照形式。ERC并正研究可見(jiàn)光在生物感測(cè)、醫(yī)療診斷與治療方面的用途。

    參與智能照明 ERC 計(jì)畫(huà)的波士頓大學(xué)專(zhuān)注于為特殊場(chǎng)合使用可見(jiàn)光通訊，以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，例如在飛機(jī)上。可見(jiàn)光通訊能夠利用多個(gè)獨(dú)立的平行數(shù)據(jù)連接，例如來(lái)自不同視線的連接，或在相同視線上利用多種不同頻率的可見(jiàn)光。如此一來(lái)，觀賞同一部電影的每個(gè)人都能共享共同的廣播電視聯(lián)機(jī)，或者將各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)串流饋送至播放不同電影的各種設(shè)備中。

    在制造廠房中，同樣的功能可使行動(dòng)機(jī)器人使用可見(jiàn)光通訊巡視倉(cāng)庫(kù)，他們可以利用頭燈來(lái)確認(rèn)所處的位置，彼此之間還能直接通訊以避免碰撞。同樣地，汽車(chē)可以透過(guò)讀取由交通號(hào)志廣播的坐標(biāo)保持正確的行駛方向。汽車(chē)與汽車(chē)之間采用可見(jiàn)光通訊還有助于避免碰撞，并且防止交通擁塞。

    圖2：同時(shí)應(yīng)用LED燈于照明和通訊，將有助于實(shí)現(xiàn)普適運(yùn)算，在室內(nèi)的每個(gè)設(shè)備可分別使用不同的數(shù)據(jù)串流。

    圖3：目前無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的部署使用Wi-Fi，它必須依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)電纜和接取點(diǎn)，但未來(lái)的系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的有線基礎(chǔ)設(shè)備將數(shù)據(jù)傳送至LED燈，以實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的新接取點(diǎn)。

    圖4：在機(jī)場(chǎng)使用LED通訊可以減少地面碰撞，因?yàn)長(zhǎng)ED可以在機(jī)場(chǎng)照明基礎(chǔ)設(shè)備、地面車(chē)輛和飛機(jī)之間提供訊號(hào)。

    實(shí)現(xiàn)VLC之路

    波士頓大學(xué)教授Thomas Little是智能照明中心的主要研究員與副總監(jiān)，他正嘗試采用不同的調(diào)變機(jī)制，包括使用標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制編碼的編碼器、非歸零(NRZ)編碼器、脈沖編碼調(diào)變以及脈沖密度調(diào)變。據(jù)他宣稱(chēng)，只要傳輸數(shù)據(jù)速率大于900kHz，這些方案在運(yùn)作時(shí)都不會(huì)產(chǎn)生閃爍光。Little帶領(lǐng)的研究小組也正探索，透過(guò)反射訊號(hào)但不能產(chǎn)生互調(diào)干擾的方法，如何在缺乏直接視線的情況下可靠地收發(fā)訊號(hào)。

    “我們希望使得網(wǎng)絡(luò)的安裝就像加裝燈泡一樣容易�！盠ittle表示。截至目前為止，Little的實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)完成了40多款原型，這些原型目前正在一些業(yè)界合作伙伴處進(jìn)行評(píng)估。

    波士頓大學(xué)的智能照明實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)建立了多款展示裝置，用以展示如何使燈具同時(shí)具備照明功能和數(shù)據(jù)通訊功能。例如，透過(guò) LED 調(diào)變由以太網(wǎng)絡(luò)建置的數(shù)據(jù)訊號(hào)，可使硬線以太網(wǎng)絡(luò)訊號(hào)從一盞燈具路由至另一盞燈具。

    “我們想要解決的問(wèn)題是如何以很低的成本提供較高的數(shù)據(jù)速率，而使可見(jiàn)光通訊能夠成為照明基礎(chǔ)架構(gòu)的一部份�！盠ittle表示。

    只要在設(shè)備中安裝 LED 發(fā)射器，從用戶設(shè)備(如智能手機(jī)或筆記型計(jì)算機(jī))到以太網(wǎng)絡(luò)集線器的訊號(hào)就可以透過(guò)可見(jiàn)光來(lái)實(shí)現(xiàn)。但Wi-Fi仍適用于到以太網(wǎng)絡(luò)集線器的回傳訊號(hào)，并且也具有相同的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)閬?lái)自用戶設(shè)備(例如經(jīng)由按鍵)的回傳訊號(hào)通常是低頻的訊號(hào)。

    此外，新墨西哥大學(xué)正專(zhuān)注于研究創(chuàng)新的設(shè)備架構(gòu)──致力于提升效率和 LED 開(kāi)關(guān)速度的方法，以便達(dá)到 GHz 級(jí)的頻寬。到目前為止，新墨西哥大學(xué)教授Steve Hersee已經(jīng)發(fā)明了一種制造奈米線 LED 的可擴(kuò)展制程。該技術(shù)架構(gòu)已有很大的改善，特別是其中由上百萬(wàn)條奈米線組成的垂直列將作為發(fā)射器。新墨西哥大學(xué)準(zhǔn)備將該技術(shù)授權(quán)給產(chǎn)業(yè)界，使其可采用與傳統(tǒng)LED相同的材料來(lái)大量生產(chǎn)奈米線 LED 。

    “我們使用相同的氮化鎵材料，但相較于一般 LED 中所有層都平置在水平面的作法，他們將采用同軸的方式纏繞在中央奈米線四周，使得組件具有更高的效率，并使其能以更高的速率進(jìn)行調(diào)整�！癏ersee指出，“這將使固態(tài)照明發(fā)生根本的變化。奈米線可說(shuō)是零缺陷，而傳統(tǒng) LED 中使用的傳統(tǒng)水平氮化鎵薄膜則每平方公分中就有數(shù)百萬(wàn)個(gè)缺陷�！�

    奈米線寬度從100nm到500nm不等，在基板上的垂直列中可以生長(zhǎng)到5至10um高。第一款原型產(chǎn)品最近才制造完成，但新墨西哥大學(xué)預(yù)計(jì)在今年年底前會(huì)有更多的公司取得授權(quán)。

    NSF將在今年7月于 RPI 學(xué)院贊助一場(chǎng)研究展示會(huì)，屆時(shí)將評(píng)估研究的最新進(jìn)展，以及為2011年所擘劃的新里程碑。NSF計(jì)劃將在2018年完成，NSF希望屆時(shí)就能擁有智能照明標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)，讓每個(gè)新興固態(tài)照明裝置都能像可見(jiàn)光通訊集線器一樣實(shí)現(xiàn)雙重任務(wù)。

    “既然我們能夠?qū)崿F(xiàn) LED 照明，我們還希望將它應(yīng)用在照明以外的其它用途�！盚ersee指出。