白光通讯时代即将来临

电灯在我们的生活中不可或缺，1879年被爱迪生发明以来，一百多年间，电灯泡的功能，始终是单一的照明。如今古老的电灯将被赋予神奇的新功能。1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论，奠定了无线通信的理论基础，揭开人类利用无线通讯的历史篇章。电磁波家族成员众多，人类只能接收到其中很小一部分，这个范围我们称作可见光，在很久以前，科学家就尝试用光进行通讯。

1880年，被称为电话之父的亚历山大贝尔曾做过一个著名实验，他发明了一个奇怪的装置，利用化学元素化学元素锡制作成接收器，当经过调制的光到达接收器时，新的电阻会发生变化，产生的电流下次要乖乖听话通过一个小型扩音器实现声音的传递，这种装置被称为光变化，这是人类历史上第一次使用光进行无线通信。像贝尔的光电话，还有信号弹等等，这些实际上都是无线光通讯的一种最初的雏形方式。光变化使用后的一百五十多年里，人们开始利用电磁波的各个频段传输信息，电磁波已经发展成一门技术科学，深海通信、通话业务、数据传输、卫星导航、电磁波无处不在，提起电磁波，你是不是想到了微波炉？不，这只是电磁波应用的一部分，雷达、农业生产、生物医学研究，甚至现代战争。提起红外线，你想到的又是什么？感应门，遥控器，电波家族中，可见光是我们唯一可以见到的，手电筒霓虹灯，这些生活中的各种灯光都是电磁波的一部分，紫外线会诱发生物的基因突变，在它的照射下我们的皮肤会变黑，说道×射线，你一定会想到×光机，它被广泛应用于放射医学。穿透力极强的伽马射线，可以破坏细胞组织，使生物死亡。电磁波家族成员丰富，但频谱资源被各种应用占用，随着wifi，3G等技术的普及，人们对信息传递速度提出了更高的需求，频谱资源中可用的频段越来越少，科学家们的目光转向可见光，如电灯泡。

白光通讯简称VLC通讯，即可见光通讯。基本上就是用现在照明的led灯，来做加载通讯的功能。光和无线电波一样，都是电磁波的家庭成员。传播信号的基本原理是一致的。利用专用的能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要加上信号的光线照射，就可以传输信号，下载和上传高清图像、动画等数据，关掉灯网络全无，现在VLC通讯的应用最主要的是通讯，利用现有的照明资源做通讯和做高速宽带无线的覆盖，与现有wifi相比，未来的可见光通讯安全又经济，高速通信的需求是已经紧迫，白光通信的时代即将到来。而第四代led灯的发展及应用为白光通信的发展提供了有利的契机，白光通信原理就是通讯传送端，接收机传输的视频信号，通过数字模拟转换为光源传输信号，并由接收端接收并还原成视频信号的波过程。

白光通信比以往其他的传输方式有什么不同？它的优势又在哪里呢？带宽比较大，能效比较高，对人体是安全的，是一种绿色通讯方式，通讯方式又比常见的无线的激光的那个通讯方式更加灵活，同时它对周围的设备没有干扰，它自己也不太容易受到干扰。

白光led等系列可见光无线通信系统比传统的红外和弧线电通讯相比，具有发生功率高，无电磁干扰，无需申请频谱资源等优点。

白光led不仅可以提供室内照明，而且可以应用到无线光通信系统中，满足室内个人网络需求，在照明方面，白光led的节能环保等特点，被认为终将取代荧光灯白炽灯等传统照明光源，与此同时，白光led响应时间短，加之其具有高速调制特性，可以设计出近于白光led的室内可见光无线通信系统，用LED灯就能帮您定位，您相信吗？这样的技术确实存在，在第15届中国国际光电博览会上，led白光通信技术首次在深圳亮相，相较于传统技术，这一新技术在国内尚属首创，在定位精确度上提升五倍，可成本却降了八成，有效解决了室内精准定位，这一世界性的难题，填补了我国在光通信领域的技术空白，同时也增加了led灯在定位方面的价值。

21 世纪的无线通信技术：可见光通信的发展背景

为什么灯光能够传输信号呢?灯光的传输原理是通过明暗的快速变化将数字信号传递给接收端。我们可以打一个简单的比方:如果传递0信号，则灯光变暗;传递1信号，则灯光变亮。灯光的快速变化是人的肉眼无法察觉的。因此，我们可以通过芯片，利用灯光的快速明暗变化将0信号和1信号传递出去，实现通信。

2000年“可见光通信”的概念横空出世，它利用发光二极管(以下简称LED)作为光源，使LED在照明的同时还可以进行高速通信。白光LED现在已经被广泛应用于显示、照明等领域。与其他光源相比，白光LED具有更高的调制带宽a，并且调制性能好、响应灵敏度高。利用LED的这些特性，我们可以将信号调制到LED所发出的可见光上进行传输。白光LED能将照明与数据传输结合起来的特性，促进了可见光通信(VLC，VisibleLightCommunications)技术的发展。

可见光通信利用白光LED作为光源，而21世纪注定是LED的时代。LED自诞生至今，平均以每10年亮度提高到原来的20倍、价格降低到原来的1%的速度发展。技术的日趋成熟、功能的不断完善和丰富，给人类社会带来了翻天覆地的变化，其影响已经渗透到全球科技、经济、生活等各个领域之中，尤其在照明领域，LED具有强大的优势和竞争力。较之白炽灯和节能灯，LED灯具有效率高、价格低和寿命长等优点。LED灯的能耗分别是白炽灯的1/10和节能灯的1/4，发光效率更高(可达349lm/W，约为日光灯的4倍)，寿命高达10万小时，而稀土添加量仅为节能灯的1/1000。这些无与伦比的性能使其迅速占领了市场，在世界各国备受青睐，各国陆续出台了白炽灯淘汰计划，传统照明技术正在迅速向固态照明技术演进。毫无疑问，LED成为下一代主流照明技术已是大势所趋。固态照明的普及使得可见光通信的光源无处不在，这就使可见光通信得以站在巨人的肩膀上，随着LED的发展而高速发展。

可见光通信技术从诞生至今只有短短十几年的时间，但它发展迅速，取得了一个又一个突破性进展。日本研究者首先提出“可见光通信”的概念。2000年，日本学者提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的方案，并对可见光通信信道进行了模拟仿真和分析计算。之后，日本学界看到了可见光通信的发展前景，投入了大量精力进行研究。为了实现可见光通信的实用化，“可见光通信联盟”(VLCC)于2003年在日本成立，并迅速成为国际性组织。日本的可见光通信技术已经从系统传输研究走向应用研究，提出了可见光通信技术在广告牌、灯塔、定位、智能交通系统等多方面的应用方案。2008年，在日本九十九里浜进行了利用灯塔上的LED作为发射机，用图像传感器作为接收机的可见光通信实验，实现了可见光通信的最远传输距离——2000米，传输速率为1022bit/s(比特/秒)。2010年，可见光通信联盟与日本交通管理技术协会进行了利用LED交通信号灯作为发射机的可见光通信实验，并取得了成功，传输速率4800kb/s(千字节/秒)，距为离300米。

虽然可见光技术的发源地在日本，但是美国和欧盟的研究者也不甘落后。由于政府的重视，研究资金的充裕，欧美的可见光通信研究已成为全球的领头羊。笔者的博士导师，哈拉尔德·哈斯(HaraldHaas)教授，早期是无线通信研究者，于2007年开始投入可见光通信的研究，并从德国来到英国爱丁堡大学任教。2008年，他参与了欧盟的“OMEGA项目”，致力于发展每秒1G以上的超高速家庭接入网研究，可见光通信技术是其研究的焦点之一。2011年，哈斯教授在TED(技术、娱乐、设计大会)上发表演讲，第一次将可见光通信技术带进公众视野。同时，他提出要开发基于可见光通信的室内光通信技术，并给这项技术起名为Li-Fi(LightFidelity的缩写，即光保真技术)。简单来说，Li-Fi和无线光通信的关系，与Wi-Fi(无线保真)和传统无线通信的关系相似。Li-Fi旨在为用户提供一套高效、稳定、实用的室内可见光通信技术。同年年底，爱丁堡大学的衍生公司PureLi-Fi诞生，着力研发适合室内使用的Li-Fi产品。

2012年，在英国工程与自然研究理事会(EPSRC)的资助下，英国科学家开展了“超并行可见光通信”(UPVLC)项目。其中，哈斯教授的团队使用uLED(有机发光二极管)a进行可见光通信，并首次实现了单灯3.5Gbit/s(吉比特/秒)的超高速传输。随后，哈斯教授使用RGB(红绿蓝)三种颜色合成白光进行可见光数据传输(RGB传输)，达到了14Gbit/s的速度。从理论上说，如果充分利用光谱的带宽，现有技术可以达到100Gbit/s以上的速度。这里有必要就两个问题进行解释。

首先要解释的是，单灯传输和RGB传输的数据传输速率区别。常规的LED灯，是用蓝色LED灯加上黄色磷光粉合成白光效果。因此，单灯传输实际上用的是可见光谱中蓝色光的带宽。使用三个RGB灯同样可以合成白光效果。这种方案利用的分别是可见光中的红色、绿色和蓝色三个波段的带宽，因此总的数据传输速率就可以达到单灯传输速度的三倍。更进一步来看，可见光光谱可以分成大约36个不同的独立波段，如果每个波段传输3.5Gbit/s，那么总数据传输速率就可以超过100Gbit/s。当然，这只是理论上的推导，还有待具体实验的验证。

其次要解释的是，单灯传输和RGB传输的可行性。由于单灯传输使用一个波段，带宽有限，所以数据传输速率不如RGB传输。但是，由于RGB传输需要在发射端和接收端把各个波段区分开，因此对设备性能和体积的要求非常高，复杂度远远大于单灯传输。所以，目前RGB的多路传输仅限于实验室研究。所有工业领域做出的关于可见光通信的产品，使用的全部是单灯传输的方式。

近年来，国内可见光通信研究如雨后春笋，蓬勃发展。由于可见光通信是从传统无线通信里演变而来的，基本通信原理相通，所以这个行业的通信技术壁垒并不是非常高，加之国内外研究的起步时间相差不大，两者的发展差距也不是很大。2014年，《国家高技术研究发展计划(863计划)》里首次将可见光通信单独立项，标志着国家开始在这个领域加大投入。到目前为止，国内研究依然以实验室研究为主，以解放军信息工程大学邬江兴院士为首，中山大学的陈长缨教授、上海复旦大学的迟楠教授也纷纷加入。2016年，笔者在参加国际无线通信学术会议(IEEEICC)的时候，发现国内许多研究无线通信和光纤通信的实验室纷纷转投可见光通信领域，这背后既有国家政策扶持的原因，也有行业大趋势整体上行的因素。总的来说，可见光通信正处在一个蓬勃发展的时期，但毕竟发展时间较短，还有许多技术和工程问题亟待解决。

关于前哨团

本文作者是可见光通信博士，英国爱丁堡大学可见光无线通信研究与发展中心(Li-Fi Research and Development Centre，LRDC)研究员王云路。本文节选自《科技前哨》一书发表的文章《21 世纪的无线通信技术：可见光通信》。作者团队来自全球各大高校和科研机构，他们有一个共同的名字——“前哨团”。

水平与行业洞见超强的“前哨团”，是全球科技创新产业专家、海银资本创始合伙人、得到app《全球创新260讲》专栏主理人王煜全组建的。 “前哨团”号召全球高科技前沿领域的精英，共同绘制一幅全球科研创新地图，将中国人的视野向更前沿的领域拓展，让更多的人了解全球科技前沿信息和全球高科技产业发展趋势。

这个智库性质的团体目前已经吸引了将近 200 名全球知名高校的教授、博士，著名企业里的科研人员，高科技行业分析师和专家加入， 致力于向国人汇报来自科技前沿的信息和创新创业的趋势，帮助国内企业、投资界与国外学术界形成有效的沟通和对接，为专利找到投资， 为投资找到项目，为项目找到人才，为人才搭建平台。

我们会梳理虚拟现实、新能源、通信、建筑、自动驾驶、生物、 医疗等行业中最热门、最前沿的科技，并分析了这些行业的发展趋势和机会，把握这些机会的人将成为这个时代的赢家。

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