瞭望｜有灯光就能联网？国内Li-Fi研究进展如何？
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◆ 我国与美国、欧洲、日本等的通信科研人员，都在竞逐可见光通信这一研究领域
- 可见光通信可以改变无线频谱资源紧张的状况，光谱比无线电频谱大10000倍，这意味着更大的带宽和更高的速度
- 可应用于已有照明网络又希望能低成本增加通信功能的地方
- 在飞机、医院、矿井、核电站等电磁敏感区，以及电磁静默的军事环境地区等，可见光通信具有不可替代性
◆ Li-Fi竞争，中国处于什么位置？
Li-Fi竞争 中国在哪个位置
文/《瞭望》新闻周刊记者 扈永顺 吴振东
在复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室里，记者见到了一个神奇的场景：两人分别手持可见光手电筒对讲机，相隔10米左右的距离，只要一人的手电光打到另一人的接收装置上，二人就能实现语音通话。
“这一点对点的实时通话系统，传输距离完全取决于光照强度。”复旦大学信息科学与工程学院教授迟楠介绍。
这种只需要有灯光就可以实现通信、监控、定位的技术，就是可见光通信技术(VLC），人们形象地将在室内应用的该技术称之为Li-Fi。2011年时，美国《时代》周刊公布的年度全球50大最佳发明中，英国爱丁堡大学的哈拉尔德·哈斯教授开发出的可见光无线上网解决方案排在第8位。
与Wi-Fi相比，Li-Fi在传播速率、频谱带宽、安全性等方面都有优势。可以想象：将来只要打开一盏台灯，电脑就能联网；汽车通过LED车灯与其他车辆或路牌等交换信息，实现智能驾驶。基于Li-Fi的精准定位功能，可用于商场超市的室内导航……这种魔幻技术何时才能进入现实？令人期待。
▲ 复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室的可见光水下通信实验平台 吴振东摄
像烽火一样传递信息
2000年前后，利用LED灯光来传输信息的可见光通信概念被提出。
“给普通的LED灯泡装上微芯片，灯泡变成无线网络发射器。我们以光源的明暗来代表信息，芯片控制LED每秒数百万次闪烁，就好比明是‘1’，暗是‘0’，明暗不断变化，产生一串‘0、1’序列，这就是我们传输的二进制信息。”迟楠向《瞭望》新闻周刊记者介绍，这和古代的烽火台一样，只是机器的反应速度远远快于人眼，人们无法看到明暗的闪烁变化。
灯光下，电脑链接一套接收装置，可以识别灯光快速明暗变化，并将二进制信息解码，读懂灯光里的信息。
迟楠告诉本刊记者，可见光通信可以改变无线频谱资源紧张的状况。现有的通信频谱相对有限，而光谱比无线电频谱大10000倍，这意味着更大的带宽和更高的速度。例如，当前可见光通信实时传输速率支持1Gbps（比特每秒）的高速传输，用Li-Fi下载一部一个G大小的电影，只需要8秒。
基于这一优势，可见光通信技术可应用于已有照明网络又希望能低成本增加通信功能的地方，如地铁站、商场、会议室等人口密集区；在一些无线电通信技术不能用的地方，如飞机、医院、矿井、核电站等电磁敏感区，以及电磁静默的军事环境地区等。在上述地区，可见光通信具有不可替代性。
有灯光的地方，就有网络信号。可见光通信技术使几乎无处不在的照明设备摇身一变，具备了“无线路由器”“通信基站”功能。无线电通信电磁信号容易泄露，但利用“遮挡灯光、信号传输就会中断”的特点，可以构建抗干扰、抗截获的安全信息空间。在复旦大学实验室里，研究人员向记者现场演示了这一幕：不需关灯，只需遮挡光源，原本流畅的音频传输就被立即截断。
争相角逐难分伯仲
我国与美国、欧洲、日本等的通信科研人员，都在竞逐可见光通信这一研究领域。起步时间仅差数月，“几乎每个月都有新文章发表”，竞争的激烈程度可见一斑。
对于通信系统来说，传输速率的快慢是核心指标参数之一。
2013年，复旦大学迟楠团队研发出的单颗LED离线数据传输速率为3.75Gbps，创造世界纪录。但这一数据不久就被刷新，并且各方研究机构反复拉锯：2016年，复旦大学刚刷新的传输速率被英国牛津大学超过；2017年，复旦大学再次实现速率刷新，同年又被英国爱丁堡大学超过。
2018年，复旦大学实现了14.6Gbps的水下光通信纪录，今年3月份该成果将会在美国的光纤通讯博览会及研讨会（OFC）上公布。
仅有离线传输研究并不能真正实现可见光通信技术的正常应用，要想用可见光通信技术传输数据、视频和音频，还需要做实时数据传输研究。
2008年，中国科学院半导体研究所和美国、欧盟同年启动了可见光通信技术研究，从材料、器件等到系统全方位发力，加之中国有全球最大的半导体照明市场和最多的企业作为依托，以及国家科研项目支持，Li-Fi的实时通信速率指标可与国际同行媲美。
中科院半导体所团队基于荧光型LED研发的100Mbps可见光上网系统已在深圳市民中心等地多次公开展示，该系统比2018年上海进出口博览会上英国的43Mbps的灯光上网系统，以及飞利浦的30Mbps灯光上网系统在通信速率方面高出很多。
各方齐头并进、难分伯仲。德国在2016年实现了高效传输的实时系统，并在OFC会议上做了展出。迟楠团队将在2019年巴黎可见光大会上，公布与华为合作的实时传输系统成果。
有研究人员认为，可见光通信作为无线通信新技术，其整体成熟度不如射频无线通信技术。从实验室技术成熟度来看，基于照明光源的100Mbps或者1000Mbps量级的高速可见光通信技术还不成熟，但是中低速的可见光通信技术相对比较成熟。
中科院半导体所团队自主开发的可见光智能家居控制系统协议，解决了物联网应用领域低速可见光通信的闪烁问题；2018年，珠海横琴华策光通信技术有限公司基于LED灯光定位技术的购物车已经在深圳天虹超市和北京天虹新奥店进行7200m2的商用。
商业应用何时实现
复旦大学实验室里的展柜，陈列着四代可见光高速实时样机，相较于第一代体积庞大的样机，现今样机的体型不断缩小。此外，诸如耳机孔可见光通信、可见光定位、水下通信等多个应用场景都有相应的样机展示。
在某些特殊领域，可见光通信的优势正在显现。在核电站核安全区，为了避免电磁干扰，禁止任何无线通信，因此只能用光来通信，目前迟楠团队已在福建宁德、广东阳江和广西防城港核电站安装了样机做试点。
对于可见光通信的大规模商业化应用，迟楠持保守态度。因为在芯片研制、产学研结合方面，我国与美、日等国仍有不小差距。
“无论是LED灯的信号控制还是信号接收后的实时处理，都需要专用的集成芯片，目前国内在这方面还有短板。”迟楠表示，国外顶尖研究机构在芯片研制上，会更多考虑光电子芯片与微电子芯片的综合设计，而我国由于学科划分，光电子和微电子的结合相对较少。此外，照明产业是传统产业，通信属于信息产业，这两个产业缺少交集，缺少针对通信设计的LED器件。
在与众多企业接触后，迟楠还发现，虽然他们团队已经站在了现有器件可达速率的顶端，但企业却几乎不会去考虑这样高的速率。企业更多关心成本与市场，这是面向基础研究的高校、科研院所的弱项。
相比之下，国外一些大学研究组与企业的结合更为紧密，例如美国波士顿大学和英国爱丁堡大学都有创业公司，国外产业化的脚步比国内迈得更快更大。苏格兰一家光通信技术公司pureLiFi已将Li-Fi产品卖给了医院。
可见光通信产业链涉及从材料、芯片、模组、系统到网络，这并不是一家企业、一个研究机构可以拉动的。如何进一步加强产学研协作，加速可见光通信的商用化，仍任重道远。LW
刊于《瞭望》2019年第9期
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