比WiFi更快更好的LiFi 我们为何迟迟享受不到?

 中国电子报、电子信息产业网  作者:赛迪智库集成电路产业研究所 朱邵歆
发布时间:2016-03-18
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  可见光通信技术(LiFi)越来越火了。2015年,解放军信息工程大学研制出的可见光通信系统经过了工业和信息化部的认证,实时通信速率达到50Gbps。同年,美国国家航空航天局(NASA)与美国可见光通信公司LVX签署了太空行动协议(Space Act agreement),合作研发航天领域的可见光通信技术。该协议授权LVX公司在美国肯尼迪航天中心研究并发展可见光通信在航空航天领域的新应用。2016年,媒体曝出苹果公司应用于iPhone的iOS系统中包含支持LiFi功能的测试代码,并猜测iPhone 7中可能采用这一技术。随后在世界移动通信大会MWC 2016上,LiFi概念的提出者哈斯教授所创立的PureLifi公司展出了其最新的可见光通信上网卡和上网灯。包括TCL、洲明科技在内的国内照明企业也在努力推动可见光通信的应用落地。

  然而不可否认,可见光通信技术的产业化进程依然缓慢,目前仍处于示范和推广阶段。技术发展的瓶颈、产业链缺少协同和市场定位不清晰等原因限制了可见光通信的产业化进程。

  可见光通信潜在应用领域广泛

  作为半导体发光器件,LED可以通过发光来高速传输信号。不同于白炽灯、节能灯等传统光源,LED能以超高速切换“开”和“关”两种状态,使得LED发出的光呈现“明”和“暗”的快速变化,分别用以代表信息中包含的二进制字符“1”和“0”。可见光通信的原理与光纤通信和红外无线通信有相似之处,基本过程包括:首先将需要传输的信息调制到LED灯发出的光线中,然后通过无线传输,携带信号的光线被远处的半导体光探测器接收,最后通过解调制和信息处理,实现信息的无线传输。LED光的明暗变化非常快,肉眼无法察觉出正在可见光通信的LED和普通LED的区别,人眼不会产生任何不适。

  相对于其他无线通信手段,可见光通信具有以下对比优势:一是具有广泛性。随着LED渗透率的不断提高,LED灯将无处不在,而所有LED灯均可改造为可见光通信的接入点。二是具有高速性。与光纤通信类似,基于LED的光通信的传输速度非常高,实验室中已经可以实现50Gbps的传输速率,是4G通信速度的500倍。三是具有保密性。LED发出的光沿直线传播,会被不透光的障碍物阻挡,只要掐断光的传播路线,就不会造成信息的泄露。四是具有互补性。可见光通信可以在传统无线通信的盲区和电磁屏蔽的场所使用,与现有的无线通信手段形成互补。五是无需频谱认证。LED发出的可见光无需频谱认证,而4G和WiFi等无线通信手段所使用的无线频谱资源紧缺,需要无线电管理部门的分配和认证。六是无电磁辐射和红外光伤害。相对于无线电通信和红外光通信,LED发出的可见光对人体无害。

  可见光通信的优势使得其潜在应用领域非常广泛。一是室内网络接入。未来全球的LED灯将达到上百亿颗,可见光通信可以通过LED灯实现无处不在的网络接入。二是移动支付。利用智能手机自带的LED闪光灯和摄像头来实现移动支付功能,国内的闪易科技公司已推出基于此的光子支付系统。三是室内定位。大型商场和超市可利用室内LED灯发出的光信号来定位顾客,向顾客推送附近货架的商品信息,顾客也可通过智能手机来确定自己在室内的位置。法国家乐福超市已经装备了飞利浦公司提供的可见光通信定位系统。四是物联网。在智能硬件中配置LED灯和光探测器,通过可见光通信技术与其他硬件实现网络连接。五是工业互联网。通过工厂里的LED灯和机器设备上的光探测器来实现机器设备的远程控制和运行状态监测,并实现机器间的互联。六是智能网联汽车。使用车辆上的LED车灯和图像传感器传递车辆信息,或使用LED交通灯为车辆广播临近道路的交通状况和突发情况。

  三大问题导致产业化进程缓慢

  存在双向传输困难等技术瓶颈。

  可见光通信存在的技术瓶颈使得其应用场景受到限制。一是双向传输存在一定难度。信息的传输既需要下行也需要上行,而可见光通信的上行比较难实现,需要在专用的上网卡上加装用于上行传输的LED灯,并同时在下行传输的LED灯具上加装接收上行信号的光探测器。而受体积限制,用于上行的LED灯的功率不能很高,这就限制了上行传输的速率,并且增加了系统的复杂程度。可行的替代方案是上行采用信噪比较高的红外通信或者无线电通信。二是信号受环境光干扰比较大。环境中存在的太阳光和其他照明光源会对LED的光信号产生强烈的背景干扰,使得光信号的辨识度降低。这就使得可见光通信很难在室外的白天工作,只能在室内或夜晚工作。同时由于环境光的干扰,使用日常照明灯具的可见光通信只能作为近距离的通信手段,限制了应用的场景。三是直线传播限制跨房间使用。可见光通信传输的信号只能沿直线传输且不能穿越墙壁等障碍物,这就使得跨房间的网络接入变得非常困难,限制了其应用的推广。需要研发不同LED灯之间的网络中继技术。

  产业链各环节缺少协同。

  可见光通信产业链各环节并未发挥协同作用。以可见光通信系统专用的信号处理集成电路为例,现阶段研究机构和企业研发出的可见光通信高速通信系统多为原型机,使用自行设计的电路进行信号处理,设备体积庞大。采用多路输入多路输出(MIMO)通信原理的可见光通信设备的体积与电脑主机的大小相当。若是能设计ASIC或SOC等专用集成电路来处理接收到的光通信信号,通信设备将实现小型化和低能耗。目前下行信号的传输设备一般是内嵌在天花板或墙体内,对设备的体积没有过多要求,但是移动终端等需要通过发出灯光来实现信号的上行传输,其对设备的体积会非常敏感,需要设计专用集成电路来实现设备的小型化,使得其可以嵌入到移动终端中,或者作为一个配件来使用。

  市场定位不清晰。

  可见光通信应用的市场定位尚不清晰。目前可见光通信的相关报道广泛活跃于各类媒体,其宣传的主要优点是高速性和广泛性,即利用无处不在的LED灯就能高速连接互联网。因此可见光通信会被拿来与技术成熟的WiFi相比较,并被取名为与WiFi相类似的LiFi。然而由于WiFi的技术非常成熟,用户在使用中没有感到有显著的不便之处,使得商家和通信方案解决商使用可见光通信替代WiFi的意愿并不强烈。加之目前4G基站建设日趋密集,4G体验越来越好,使无线接口的数量与人们上网需求的矛盾得到大幅缓解。这就使得可见光通信产业化的前景不再如前几年刚推出时那么引人注目。在移动支付领域的应用也存在同样的问题。微信/支付宝的扫码支付和苹果公司的NFC支付已经足够便利,很难有留给可见光通信支付的市场空间。其他潜在的应用领域则由于缺少产业间互动和服务平台而未形成规模。

  从长远发展来看,可见光通信应该是WiFi等无线通信手段的补充。可见光通信应优先在载人航天、水下通信、矿井通信定位、核电站通信等潜在应用领域加以示范和推广,并在应用中逐步提高技术水平,完善产品形态,培养产业生态。待产品成熟后再进入智慧城市、工业互联网、智能网联汽车和大众市场,成为4G/WiFi等无线通信技术的重要补充。


来源:中国电子报、电子信息产业网            责任编辑:赵晨
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