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开启未来,可见光通信悄然兴起

2018-02-08  来源:人民邮电报-中国信息产业网  作者:中国信息通信研究院技术与标准研究所 余冰雁

随着LED照明产业的高速发展,可见光通信(VLC)作为一种利用LED灯来发送数据的无线通信手段,引起无线通信研究及工程人员的关注,在全球范围内得到发展。得益于泛在的基础设施、高功率与大带宽的通信、绿色无辐射以及不易被窃听等特点,VLC技术被认为将有效拓展现有无线通信频谱和通信方式,可以应用在高速数据传输、电磁屏蔽场景下的无线通信覆盖、室内定位导航、摄像头中低速通信等场景。

目前,VLC已经在全球范围内得到了一定的发展,但是仍然面临产业环境不够成熟、相关产品竞争力不足、发展目标不明确等挑战。不过,随着工业互联网、人工智能等技术的兴起,VLC产业的市场空间将开启,如果相关应用能够在一些场景下实现普及,那么VLC产业有望腾飞。

VLC技术关注度提升

可见光通信的技术研究起源于日本,发展于欧美,壮大于国内。早在2003年,日本多个从事VLC研究的科研机构和企业成立了可见光通信联盟,以研究VLC应用技术,推进VLC产业化和标准化为目标。NEC、NTT、卡西欧、KDDI、索尼、东京电力和东芝等企业及东京大学、庆应大学等科研机构都是该联盟的成员。

早期的VLC技术以室内低速传输、定位、水下通信等场景的应用为主,通信速率较低,通信距离较近,理论研究尚不深入。2008年~2010年,随着欧盟FP7的OMEGA项目将VLC当作智慧家庭中高速无线数据接入手段,包括法国电信、牛津大学、法国汤姆逊公司、西门子公司、HHI等在内的大量实力雄厚的单位参与到VLC无线接入系统研发中,推动了VLC技术的第一次快速发展。

在这一轮技术进步中,VLC理论逐渐被深入研究,包括自适应光路、预均衡、MIMO、OFDM、高阶编码调制等技术被应用于VLC中,使VLC的最高通信速率拓展至500Mbps左右,最远通信距离拓展至100米左右。2012年~2015年,国内以清华大学、复旦大学、解放军信息工程大学、中科院半导体所等研究机构为主的科研机构开始逐渐重视VLC研究,国家科技部先后设立了VLC领域的“973”“863”等专项课题鼓励相关理论与应用研究。

VLC技术在国内科研团队的主导下再一次取得了跨越式发展。专用OFDM调制方式、波分复用、通信照明一体化、超高速VLC通信系统等领域取得重大突破,商用照明LED可调制带宽可达350MHz以上,单LED灯芯通信速率最高被拓展至3Gbps~5Gbps,配合MIMO可以实现更高的理论通信速率。

近两年,VLC技术开始走向应用,潜在的应用场景包括高速数据传输、电磁屏蔽场景下的无线通信覆盖、室内定位导航、摄像头中低速通信等。VLC研究重心由理论基础向工程实践转移,如VLC网络结构与网络拓扑、上下行通信结合方式、通信覆盖与移动切换和摄像头通信编解码算法等。

产业链亟待完善

目前,全球VLC产业规模仍然较小,相关企业主要集中在欧美日和我国,主要瞄准特种应用场景。

在美国,包括GE Lightings、ByteLight、Philips等在内的多家公司在超市中部署VLC定位导航系统,辅助商家透过追踪用户位置定位顾客的消费过程。在欧洲,Pure-LiFi公司尝试开发并售卖短距离VLC无线上网模块;Marvel公司寻求在G.hn芯片的基础上开展VLC通信芯片的开发。在日本,东芝、NEC均发布了基于VLC的工厂生产线自动化通信系统。

在国内,深圳光启聚焦光子安全和光子支付领域,采用VLC进行安全传输;华为、国家电网等公司开展VLC样机开发。从器件角度看,现有VLC应用或产品对LED或光电探测器件的性能要求不高,国内基本可以实现自主研发与生产;通信芯片大多复用已有方案或在现有基础上进行二次开发,尚没有成熟的VLC专用芯片。

总体而言,VLC的产业仍处于萌芽状态,除初创公司外,相关领域的绝大多数公司仍处于观望与试探阶段。但Grand View Research的数据较为乐观,其预测:VLC在美国的市场份额在未来几年将保持每年30%以上的高速增长,2024年可达约1013亿美元。主要应用领域包括家庭内数据传输、交通辅助、消费电子、医疗、安全通信等领域。

在标准方面,VLC标准起步较早、覆盖较广,但参与企业较少。2011年IEEE发布了第一版VLC标准802.15.7,主要参与企业包括英特尔、三星等多家企业和研究机构。但由于标准中定义的通信速率较低,通信方式选择了较难实现的色域调制,故该标准并未得到相关企业的积极响应。

2015年IEEE和ITU-T先后启动了新的VLC标准项目。IEEE在2017年发布了802.15.7r1,专注于中低速的VLC通信(包括摄像头通信)。由于缺少相关企业的积极参与,高速VLC未能在802.15.7r1中形成标准化。在ITU-T的VLC标准项目中,参与企业主要是对VLC感兴趣的G.hn芯片厂家,寻求在已有基础上实现VLC技术。在国内方面,关于VLC高速、中低速、摄像头通信的多个国标、行标项目已先后在国标委和CCSA立项,但参与单位均以科研单位为主,感兴趣且深度参与的企业较少。

推进VLC发展的“三大步”

可以看到,目前VLC的发展尚处于起步阶段,无论是技术、标准、产业链以及生态建设都需要进一步完善。在推进VLC产业发展上,业界可以从三个方面入手。

第一,中低速应用和摄像头通信有望成为产业突破点,高速应用的吸引力仍待挖潜。对于VLC技术而言,中低速应用的通信算法开发难度较低,部分可复用现有模块和芯片;摄像头通信甚至无需专用的接收端,仅采用手机端App即可实现数据传输和定位导航等应用,在产品开发周期和推广难易度上具有明显优势。国内产业应注重器件自主研发生产能力的提升,例如专用LED的定制,低成本接收端的生产,标准化、集成化的通信模块开发等。高速应用具有高速率、可空分复用/接入、保密性强等优势,在电磁屏蔽、超多接入用户数、保密要求高等通信场景下仍具有很强的潜力,可成为WiFi、4G/5G等通信技术的有效补充。

第二,产品开发应围绕特需应用场景,成本应成为最主要的竞争力。VLC对于现有其他无线通信方式在大部分应用场景中暂时无法构成“致命”威胁。因此VLC产业应优先专注于特定需求的应用场景,例如室内定位导航、水下传感通信、煤矿/隧道通信等场景。同时,VLC产品应将成本作为产品优化的主要目标,充分利用LED产业高速发展带来低成本红利,开发低成本、高性价比的无线通信产品方案,提升VLC技术的直接竞争力,在形成一定规模后进一步寻求拓展VLC其他特有优势,提高产品附加价值。

第三,把握工业互联网和人工智能的机遇,寻求产业的跨越式发展。在物联网概念不断普及和推广、工业互联网如火如荼发展的背景下,VLC技术可作为一种低成本、高可靠性的通信方案,在各类场景下发挥作用。人工智能时代对数据的需求日益增加,大量由传感器、控制器、中继节点产生的数据需要回传至云端数据中心,利用VLC技术可以在车间、生产线、医院等场景下实现无需布线的自组织网络,亦可为桥梁、水电站、油井、环境监控等场景下的传感器提供复杂环境下的可靠数据传输。VLC产业应牢牢把握这次机遇,寻求产品类型和数量的高速发展。

总体而言,VLC技术从起源至今经历了多年的研究和发展,虽然关于VLC的标准项目由来已久,但相关产业仍较为薄弱,产品方案竞争力不足,发展目标不甚明确。随着工业互联网和人工智能的兴起,VLC迎来了产业腾飞的重大机遇。业内各企业和研究机构应端正位置,看清形势,从低速通信和成像通信入手,找准特定需求的应用场景,开发性价比高、竞争力强的拳头产品,扩大产业影响力。随后逐步挖掘高速通信应用的潜力,强化关键技术创新,补齐产品线,实现产业高速发展和升级。

关键词:VLC 通信速率 空分复用 调制带宽 CCSA