LED照明集成VLC 是通信技术发展方向

可见光通信技术，对于许多人来说都只是“久闻其声”，没有过真实的体验。其国内外研发的现状如何?技术方面有了哪些突破?以及它的主要应用前景又在哪里?

　　17日，由广东省半导体光源产业协会、广东省半导体照明产业联合创新中心联合中山市中创光电产业技术研究院为中山市小榄镇企业量身定制一期《LED智能照明与可见光通信》培训于中山小榄举行。就在这次的培训课程中，主讲嘉宾武汉光电国家实验室、华中科技大学光学与电子信息学院元秀华教授为参与培训活动的行业人士，进一步普及了LED智能照明、可见光通信、物联、传感等知识。

　　LED作为新一代的环保光源，具有节能、环保、寿命长、体积小、无毒无害等优点，被称作为“绿色照明”。自2003年6月起，由科技部牵头成立了“国家半导体照明工程协调领导小组”，拉开了国内LED照明产业的序幕。此后，国家相继出台了“LED照明节能产业发展意见”等政策，开展“十城万盏”项目，推动国内LED照明的发展。目前，LED照明已在众多领域普及应用，LED照明的市场规模甚至每年可达上千亿，足见前景非常可观。

　　据元秀华教授介绍，LED照明集成可见光通信(Visible Light Communication VLC)，是具有和LED照明同样的市场规模。并且，由于LED照明集成可见光通信，“绿色照明+绿色通信”，有着节能环保、无电磁辐射、抗电磁干扰等特点，应用范围更加宽广。

　　有调研机构对LED照明市场进行预测，从2009年到2012年，LED照明增加了3倍之多，到2016年，LED照明将占整个照明市场的30%以上，以后将更加快速增长。

　　对移动通信需求的增长率

　　“哪里有照明，哪里就有网络通信”。针对LED照明+VLC应用前景分析，元秀华教授指出，可见光通信是当前短距离通信技术的研究热点，随着半导体照明的普及，基于LED和光电探测器的VLC通信技术将在不久的将来得到广泛的应用。

　　同时，他也指出了VLC技术需求颇为迫切。在人口非常密集的地区，例如大城市的中央商务区，要为区域内大量用户提供良好的无线接入服务，即使是最新的蜂窝技术也面临巨大的流量压力。而VLC则可以在提高空间复用密度的同时降低小区间干扰，提供更高的流量密度。

　　在谈到VLC(可见光通信)与RF(射频)两者的局限与优势时，他表示，首先，可见光无法穿墙;其次，频谱不受管制，不产生EMI;第三，通信距离较短，多径传播效应;最后，室外受太阳光影响，气候、环境。从而得出结论：VLC和RF应互为补充技术，而不是其替代技术。

　　VLC的应用前景

　　那么，VLC的应用前景又是怎样?元秀华教授认为，无处不在的LED照明为VLC的应用提供了肥沃的土壤。其应用领域具体包括有，高速Li-Fi，室内定位，通信安全，汽车通信，特殊地点……

　　据元教授讲解，Li-Fi与IEEE802.11定义的Wi-Fi在功能上是一致的，未来Li-Fi共同在异构网络(Hetnets)中作为接入点(AP)，为用户提供Internet高速接入。其中，Li-Fi能提升流量密度。Wi-Fi则能增加覆盖范围。

　　据悉，LED照明集成VLC涉及到的相关技术包括有：光学、光电子学、大气光传播理论、通信理论与技术、光机电一体化、精密机械。对其市场及产业化前景分析，预期可带动的相关产业就有半导体照明、光电子器件(电子器件、光电探测器、各类光无源器件等)、光网络技术行业、光机电技术行业、光学机密机械制造与加工等。

　　国内外发展现状

　　此外，元教授还介绍了LED照明与VLC技术发展现状，在国外，美国、日本、南韩、欧洲等通信技术发达国家均投入大量人力物力研发VLC，2006年，2008年、2012年均有应用样机展示。尤其是美国，将LED照明集成VLC技术，应用在军事领域，仅2010年，投资5000万美元以上研发。

　　欧洲市场推出的EIB(一种标准的总线控制系统)，采用对等控制方式，总线为4芯屏蔽双绞线，采用24VDC供电与电信号复用。DALI协议为电源驱动和设备控制之间提供异步串行通信规则，同时采用半双工传输、双线差分驱动方式。美国市场推出的X-10协议是以电力线为连接介质对电子设备进行远程控制的协议。系统由发送控制盒和多个接收控制组建组成，实现照明回路的远程控制。

　　日本推出HBS协议作为家庭网络协议，松下公司基于HBS的WR31202采用两线制主从结构，通过手持控制器设置地址，提高了产品的易用性。FRANCISM等人提出了时段与照度检测相结合的控制方法，充分利用自然光，系统通过照度检测进行实时补光。

　　返观国内，我国已出台了“LED照明节能产业发展意见”等政策，开展“十城万盏”项目，推动国内LED照明的发展。如今正在逐年增加对VLC的研发投入，近两年仅科技项目经费超过2亿，多省市已投入数千万专项资金发展LED照明与VLC。华中科技大学、复旦大学、清华大学等均开始研发VLC技术，发表了学术论文，但工程技术及应用滞后于国外。其中，华中科技大学已解决VLC关键技术，已研发完成LED照明+VLC样机，工程技术处于国内领先。

　　国外VLC在标准制定方面的情况是，IEEE、VLCC、三星、IrDA等机构都已经发布或正在制定自己的VLC标准，以2011年IEEE发布的802.15.7最具代表性。然而，OFDM在VLC中的成功运用要求制定新的、能被广泛接受的标准。新标准应能与IEEE802.11的高层协议兼容。元教授为此判断，VLC技术已处于应用推广前夜。

　　目前国内外VLC的推广商用情况，在LED厂商方面，刺激用户对现有LED灯具升级换代，解决市场饱和问题。在移动通信厂商方面，具备VLC功能的设备将提供差异化竞争优势。元教授认为，二者的合作，将推广VLC技术从低速向高速演进。

　　谈智能照明的含义

　　元教授对何谓智能照明作出如下的定义：无需人工干预，照明参数随场景、环境等自动调控。例如，人体检测控制，环境参量(温度、湿度等)检测与控制，时间控制，电参量(电流电压等)检测与控制，光参量(如环境照度等)检测与控制。照明参数包括了照度、色温、亮度、颜色、光照时间、开关受控、光照布局动态分配等等。

　　在整个照明场景中，考虑到的因素可以包含：照明、人体移动、时间等参数。对各个参数进行综合分析后，给出合适的照明方案，并对照明回路进行精确地调整。

　　谈光学设计

　　当中，光学设计是LED智能照明的关键技术之一，光学系统的功能是按预先设计要求，保障照明区域的光学参量合理分布。那些有特殊要求的环境，都需要进行专门的光学设计。

　　谈驱动技术

　　驱动技术，是实现照明智能化的核心——电子技术。在LED照明里驱动是关键，驱动方式有多种，典型的有线性驱动和非线性驱动。LED智能照明——程控驱动电路。程控方式包括有1、可预先设置参数;2根据场景检测实时调控……

　　谈光源布局

　　元教授以几个应用场景实例来讲解光源布局的问题。在大厅灯光分布上，酒店大厅主要担任的功能有：迎宾接待、服务台登记手续、休息区洽谈等等，因此大厅的布置关系到客人对酒店的整体印象，在灯光布置方面要形成良好的气氛，给人以舒适的视觉感受。

　　在休息室灯光分布上，休息室作为客人进入会场前休息的场所，所以在灯具布置方面，主要采用整体照明，但是在某些区域还应加强局部照明，以满足读写的需要。休息室内同时设有彩色射灯，必要场合中营造效果。

　　在会议室灯光分布上，比如在酒店会议流程里，会议室虽然控制区域集中，照明回路较少，但是由于会议进行的时需要频繁地进行模式切换，这些都应该通过智能化系统实现。

　　LED照明融合VLC产品基本流程

　　VLC技术与照明之研发流程

　　总结

　　据了解，在VLC关键技术研究上，华中科技大学已完成了LED+VLC宽带调制、上下行链路设计、光学收发、多入多出(MIMO)技术研发，4终端、1Gbps/100MbpsLED照明+VLC系统实验样机研发业已基本完成，技术研发处于国内领先，正研发工程样机，已申请了国家发明专利2项。完成了酒店、会议室等环境的LED智能照明系统样机研制。

　　元秀华教授认为，LED照明比传统照明具有一系列优势，市场前景巨大;VLC具有宽广的市场，随着技术改进，VLC将得到广泛的应用;无线电、光纤通信不能应用的环境，必须依靠VLC。

　　另外，他更指出，LED照明+VLC市场规模巨大，率先研发VLC，将处于国内领先，率先占领市场。半导体照明是VLC的应用支撑平台，VLC集成LED照明将形成巨大产业规模。LED照明集成VLC，是通信技术的发展方向，其产业前景不可限量。