不温不火的Li-Fi技术如何撬动万亿级年产值？各国Li-Fi技术发展初探

　　可见光通信具有保密性好、不受电磁干扰和保障水下通信等特点，在军事、航天、水下等特定领域可发挥重要作用。相比于无线电传播的发散性，可见光通信使用光来传递信息，可以限制信息的传播范围，提升无线通信的安全性和保密性，应用于国家信息安全相关领域。可见光通信无电磁辐射，不会对精密电子设备造成电磁干扰，也不会干扰其它无线通信，可应用于航空航天领域。同时，蓝绿色可见光在水下通信的能量损耗小，可实现较高的通信信噪比，是水下无线通信的优选方案。

　　一、可见光通信是军事行动中安全可靠的无线通信手段。在敌方实施电子干扰时，无线电通信设备功能会受到限制，如果使用可见光通信进行军用车船之间的无线保密通信，则可保障作战指令顺利传达。如果为每个单兵配备可见光通信设备，可实现单兵间信息的安全共享。

　　二、蓝绿光可见光通信可以为军用潜艇和舰船提供安全可靠的水下通信手段。日本东洋电机研发的水下可见光通信装置的通信速率达到50Mbps，美国海军已开始探索装备水下可见光通信系统。可见光通信还可为深海探测提供高效稳定的通信手段。

　　三、可见光通信也适用于航空航天机舱内的通信和定位。利用航空航天器内的LED灯，实现高速通信和定位。美国航空航天局(NASA)已与美国可见光通信企业LVX公司签订了太空行动协议，共同研发可见光通信在航空航天领域的新应用，以拓展航天器内设备间的通信手段和提供舱内定位服务。

　　随着信息需求的不断增长，3G/4G和Wi-Fi等现有无线通信手段的短板日益明显。一是人员密集场所通信网络拥挤。机场和大型会议等人员密集场所容易发生通信网络拥挤，难以保证通信速度与可靠性，影响上网体验。二是无线通信网络的覆盖无法面面俱到。升降电梯、隧道等封闭场所常常会出现移动通信中断问题，偏远山区的移动通信质量欠佳且网络覆盖成本很高。三是在电磁辐射敏感区域缺乏无线通信手段。无线电信号会对精密电子设备产生电磁干扰，可能造成严重的安全事故。手术室和核电站等场所的无线电通信就会受到限制。四是无线电频谱资源稀缺。无线电频谱的使用需要无线电管理部门进行分配和认证，各国对无线电频谱的争夺日益激烈。

　　高速性、广泛性和无电磁辐射等特点，使得可见光通信技术能够成为现有无线通信的重要补充。可见光通信速率最高能达到50Gbps，是5G规划速率的50倍。其通过LED灯接入网络，将有效弥补3G/4G和Wi-Fi等无线通信手段的缺陷，提供紧急情况下的应急通信手段，未来将成为无线通信技术的重要组成部分。

　　绿色安全的最后十米无线连接和极高的传输速率是推动可见光通信市场发展的两大动力。可见光通信技术特别适合短距离(10米左右)高速通信和定位，可达到Gbps量级的数据传输速率。在移动数据业务激增、频谱资源紧张的大背景下，可见光通信技术可以缓解其它无线通信数据流量上的压力。相关市场研究机构预测，在2020年之前，全球Li-Fi行业市场规模至少会增长到90亿美元。我国在工业互联网、智慧城市和智慧交通等可见光通信应用领域发展迅速，市场前景广阔。

　　一是工业互联网领域。通过工厂厂房内的LED照明灯实现工业机器设备的远程控制和运行状态监测，并实现机器设备间的信息传输和互联。未来随着工业互联网以及无人工厂的高速发展，可见光通信具有可观的市场空间。二是封闭空间的通信和定位领域。利用隧道、矿井和地下停车场内的LED灯，可实现封闭空间的高速通信和定位，构建安全信息系统，弥补GPS在室内无法有效定位的缺陷。
 

　　虽然这项新颖的技术横空出世，一时相当引人注目，然而在发展的道路上却颇有点“雷声大、雨点小”的尴尬，距离实际应用推广还有相当长的一段路要走……小编搜集了多个国家至今的发展可见光通信的最新概况，仅供参考。

　　我国可见光通信技术水平处于国际领先地位。2010年，中国科学院半导体研究所在上海世博会展出了基于可见光通信技术的智能家居系统。2013年，复旦大学实现了3.7Gbps的通信速率，引起各界的广泛关注。2015年，解放军信息工程大学一个研究组刷新了可见光通信传输速率的世界纪录，达到50Gbps，并通过了工业和信息化部的测试和认证。我国科研工作者在可见光通讯方面的研究也获得了重大突破，最新测试结果显示，我国可见光实时通信速率已提高至50Gbps，速度全球领先。

　　据大河报报道，2016年1月4日，由信息工程大学牵头承担的国家863计划项目以及郑州市重大专项“可见光通信系统关键技术研究与应用”取得重大突破。一举将可见光实时通信速率提高至50Gbps，是当前公开报道的国际最高水平的5倍，相当于0．2秒即可下载完成一部高清电影。目前，相关成果已经通过国家工业与信息化部电信传输研究所测试认证。

　　我国可见光通信产业化存在诸多问题。重点集中在三个方面：一是市场定位尚不清晰。可见光通信在产业化推广中被认为会取代现有的无线通信技术，并被取名为与Wi-Fi类似的Li-Fi。然而，目前Wi-Fi和4G均十分成熟，热点和基站建设日益密集，用户体验越来越好，这就使得可见光通信在民用领域的应用意愿并不强烈。二是产业链缺乏合作协同。

　　目前可见光通信产业链各环节存在脱节问题，通信系统开发企业需要高调制速率的LED光源，而LED生产企业在产品规范中并没有调制速率的检测指标。同时，可见光通信系统的研发目前以原型机为主，设备体积庞大，缺少专用的ASIC或SoC芯片来提高系统的集成度。三是技术标准制订滞后。我国目前尚无可见光通信相关的产品标准和技术标准，企业推出的产品在传输协议和接口等方面不统一，互联互通存在困难，针对通信用的LED也没有统一的技术标准。而国际上对可见光通信技术标准制订的步伐却在不断加快。

　　2017年3月消息，荷兰爱因霍芬科技大学开发了新式Li－Fi系统，它用红外光传输数据，最快速度可以超过40Gbit／s。据称，用红外光线组建无线网络就可以提高网速，速度将会比现有系统快100倍。报道指，研究人员通过实验证实，相距2．5米网速可达42．8Gbit／s，而在目前网络速度平均只有17．6Mbit／s的荷兰，这速度是激增得非常给力。研究人员预计，再过5年后Li－Fi就会投入使用，最开始时可能是消费设备使用，比如视频监视器、笔记本、平板。研究人员表示，用中央“光天线”向无线设备发送波长不同的光线，当不同的设备争夺网络信号时，网络也不会出现拥堵。此外，使用新系统时必须从光纤获得直接光线，由于没有活动组件，所以系统不需要维护，不需要电力。

　　据研究人员介绍，使用时将几根光天线安装在给定区域，每根天线配一对光栅，就可以让光线按不同的波长和角度发射出去。当使用者拿着手机或者平板行走，设备如果离开某条直接光线，另一条就会接替。通过调整波长可以改变光线的直射方向。另外，根据无线电信号，还可以用光网络追踪无线设备的准确位置。如果想增加更多设备，只需要让同一根天线分配不同的波长即可。由于设备不会共享带宽，连接的速度更快，也不会被邻居的网络干扰。现有WiFi网络无线电信号的频率是2．5GHz或5GHz，新网络使用的红外光波长约为1500纳米，或者更大，研究人员指出，光的频率可以更高，最高达到200THz，带宽也会高很多。不过，目前为止研究人员只用光线下载数据，上传数据还是要使用无线电信号。

　　2015年1月，苏格兰初创公司PureLiFi宣布获得了150万英镑投资，而该公司估值为1400万英镑。PureLiFi希望通过全世界的灯泡，建立互联网连接。这家初创公司之前的投资方包括爱丁堡大学，苏格兰政府，以及若干私人投资者，由Harald Haas教授创立的PureLiFi，前名叫PureVLC，它成立于2012年，从英国爱丁堡大学剥离出来的“衍生公司”。2014年末，PureLiFi为其行业合作伙伴开发了Li－Flame产品，对于Li－Fi来说，是迈出了重要一步，因为这套系统可以将现有灯具转换成为Li－Fi访问点。在整套设备中，有一个电池支持的Li－Fi移动模块，它可以连接到计算机显示屏顶部，并通过Li－Fi访问点连接到互联网上。

　　据介绍，迄今PureLiFi已经公布了三个版本的Li－Fi系统，在2014年推出了第一代技术Li－ist，2015年推出了第二代Li－Flame，2016年推出了第三代LiFi－X。LiFi－X APs（接入点）支持PoE（以太网供电）、PLC（电力线通信）以及LED照明产品。到2016年12月，PureLiFi已经将数据传输速率从原来的5Mbps提高到10Mbps，进一步提高到40Mbps，使得Li－Fi成为Wi－Fi技术的有效补充。经三代技术发展后，PureLiFi已确立其技术方向，以最新的LiFi－X产品为例，包含全双工（Full－Duplex）的收发传输模式、可支持PoE、PLC等；其中，接入点（AP）发射端对应至LED照明具有安装容易优势，站点（STA）接收端具体积小、直接与NB及个人装置等连结，达商品化应用阶段。另外，还公布了与法国照明制造商Lucibel合作开发的LiFi集成照明设备。

　　2013年，英国研究者称，他们已通过Li－Fi技术——通过LED灯泡进行数据传输的技术——取得了高达10Gb／s的数据传输速度。该研究项目名为“超并行可见光通信工程”，是由爱丁堡大学哈拉尔德－哈斯领头，圣安德鲁斯大学、斯特拉斯克莱德大学、牛津大学和剑桥大学联合开展的项目。据悉，Li－Fi通过调节LED光输出的数据进行编码。人类的眼睛无法觉察到快速的闪烁，但在桌面计算机上的接收器或移动设备可以读取信号，甚至可以把信号返回房间天花板上的信号收发器，提供双向通信。但许多发光二极管用荧光粉涂层把蓝色光转化成白色光，这也限制了数据传输的速率。这项研究发表在光学快讯（Optics Express），哈斯和他的团队研究表明，用激光二极管替换现有的LED灯可以大大改善现在的情形。

　　激光器的高能量与光效率，传输数据的速率可以比LED快10 倍。不使用荧光粉，激光照明可以混合不同波长的光产生白色光。这意味着每个波长的光可以用作一个单独的数据通道，同样的光波可以双向传输，可以大大提高光传输数据的速率，爱丁堡大学团队的试验用了9个激光二极管。虽然基于LED的Li－Fi可达到10 Gb／s 的数据传输速率，可以改善Wi－fi7 Gb／s的数据传输速率上限，但是激光传输数据的速率可以很容易超出100 Gb／s。目前，这种设备目前还非常昂贵，爱丁堡大学正在寻求大规模生产来降低其成本，并且可以把它应用到照明市场。

　　2016年12月，成立于2012年的可见光无线通信（Li－Fi）技术研发公司PureLiFi，已被新加坡媒体资讯通信发展管理局（IMDA）批准在新加坡展开Li－Fi测试。据了解，这一举动恰逢IMDA公布决定免除与Li－Fi测试相关的频率费用，以便鼓励和促进在新加坡进行的Li－Fi技术测试。值得一提的是，PureLiFi近日已被新加坡媒体资讯通信发展管理局（IMDA）批准在新加坡展开Li－Fi测试。这一举动恰逢IMDA公布决定免除与Li－Fi测试相关的频率费用，以便鼓励和促进在新加坡进行的Li－Fi技术测试。IMDA表示，新加坡目前对该技术的兴趣越来越大。新加坡淡马锡在今年7月投资了爱丁堡的pureLiFi；而包括StartHub在内的众多公司正在与PureLiFi合作，探索如何将该技术引入城市国家。IMDA指出，除了家庭和企业网络的潜力，Li－Fi还为企业开辟了重要的基于位置的广告和导航商机。如基于室内定位的超市优惠券推送，商品信息及时推送，地下车库寻车、找车位等。此前有用户发现苹果从iOS 9．1开始在系统缓存文件中加入了对“LiFi Capability（Li－Fi兼容）”的描述。这似乎可以看出，在新一代iPhone 7或未来下一代手机的无线传输标准上，苹果将兼容Li－Fi。

　　2017年4月消息，新加坡科技研究局和新加坡国立大学的研究人员联手设计了一款波长可选的光侦测器，它能聚焦白光荧光粉所发射的蓝光信号，从而使白光光照上网（Light Fidelity；Li－Fi）速度从5MHz提高到20MHz。在侦测白光在450nm和560nm的时域解析黄色光致荧光光谱（PL），研究人员发现蓝光的衰减时间为1．4ns，较黄光发射的54．4ns更快许多。这意味着当调节白光使其得以传输数字信号时，蓝光能以较黄光更快的速度有效地开启和关闭，而宽带的硅（Si）光侦测器最终取得信号的最慢公分母，减缓上升和下降时间。为了聚焦于快速的蓝光，研究人员设计了一款窄频的绿光氮化铟镓（InGaN） LED作为接收器。研究人员在发表于《ACS Photonics》期刊的论文中详细描述在380nm的波长制造InGaN LED时，具有V型凹槽纹理的表面可提高InGaN LED主动层的峰值响应度。据透露，这项研究背后的想法是，利用这种蓝光波长可选的光侦测器取代宽带的Si光侦测器，将足以使白光Li－Fi通信速度提高4倍，而无需更换任何安装的白光LED灯泡和灯具。

　　2016年1月，墨西哥采用一种叫做“ledcom”的服务，在全球首先实现Li－Fi（光保真）连接技术的商业化。此次商用借助了语音、视频以及互联网每秒传输速度高达15M的被称作LedCom的技术。LedCom技术是Sisoft公司所研发出来。室内Li－Fi系统能通过室内多个LED灯产生的可见LED光无线传输数据，取代传统的调制解调器和Wi－Fi信号。LED光线被调至千兆位速率用来传输信号。如果光线足够亮，那么该光线在被插入到笔记本电脑或其他设备上的USB闪盘上的光敏传感器探测到之前就能被漫反射回去。

　　Sisoft公司执行总裁表示，包括俄罗斯、美国、以色列和中国在内的许多国家都在致力于此项技术的研发利用，但是墨西哥却是全球第一个将该技术推上市场并进行日常用途的国家。虽然传输速率依赖于服务提供商，但是其范围能从200MB／s到10GB／s（相当于在30秒下载一部高清电影）。该企业表示，他们希望灯具既美观同时还能实现光强条件来执行优化数据传送，并因此生产了一款台灯，该灯具就结合了上述技术且在内部嵌入了接收器。

　　2016年8月消息，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的科学家团队发现，一种由红色荧光粉和钙钛矿纳米晶体组合制造的色彩转换器可支持的见光通信（VLC）调制速率接近500 MHz。 根据研究人员得出的结论，如果制造商改变荧光粉（使得LED从蓝色光转换成白光）的设计，那么基于LED的数据传输速度可以比现在快40倍。据介绍，VLC 在LED光波中采用非可见光调制，并经由光波传输数据。这项支撑Li－Fi的技术，以光的方式取代基于无线电的Wi－Fi技术，实现无线互联网传输。它也是基于室内照明的几种定位系统技术之一，能够帮助工厂、商店，工作场所和其他环境中的人、产品和资产追踪。

　　据称，这种红色荧光粉和钙钛矿材料的调节速度比传统的钇铝石榴石（YAG）荧光粉更快，因为它具有更短的“激发态的寿命”。钙钛矿是具有潜力的矿物，能够改善在一系列的产品的性能，包括LED、太阳能电池、和光电探测器。传统的照明荧光粉，通常与有限的调制带宽的LED集成，因此不能提供足够的带宽去释放VLC的潜力。该科学团队介绍，钙钛矿材料支持高达2 Gb ／秒的数据传输速率，但该文件没有说明这一速度是否也比使用了现有荧光粉的VLC快40倍。但根据Phys．org，2G每秒的速度明显是比“只有几十兆每秒”的Wi－Fi要快。

　　2016年4月消息，作为新兴通讯技术，Li－Fi虽然停留在实验阶段，不过它的潜力备受瞩目，许多新创及大公司都正努力让它走向商用化。法国新创Oledcomm就是致力于让Li－Fi技术商用化的推手之一。据介绍，Li－Fi技术具有高带宽、节能、安全等优势，近几年来已慢慢离开实验室，走向商用化阶段。法国新创Oledcomm希望所开发出的Li－Fi解决方案，能成为智慧城市及建筑不可或缺的一环。其制造的Li－Fi传输芯片同时包含发射端与接收端；除了靠卖芯片赚钱外，他们也提供客户“服务”──协助建置及管理Li－Fi传输的后端数据管理系统。目前，Oledcomm已经拥有不少合作伙伴，包含医院、超市、卖场等。

　　Oledcomm共同创办人赛巴斯蒂安·雷诺认为，与Wi－Fi等通讯技术相较，Li－Fi技术最大的优势是安全。他解释，由于Li－Fi是透过LED灯泡传输数据，在灯光可照射的小范围才有效，不会穿透墙壁、建筑或任何物体，因此具备高度可靠的安全性。再加上，Li－Fi高速（实验结果比Wi－Fi快100倍）且一次只能传输单笔数据的特性，种种因素，让它在部分特殊的企业市场大有潜力，例如在医院，医护人员只要到病床附近的灯泡下，立刻就能接收到关于某病患的数据；又或是在车站、卖场、博物馆，Li－Fi可以用当作室内定位、导航的工具，以便在特定的区域传送相应的数据，而且定位结果比Beacon更精准。

　　在2016年亚洲智能硬件大赛现场上，来自印度新德里的 Velmenni公司的创始人介绍了该公司目前有三个不同的产品，分别为LIFI传输器、INTERENT HUB和MESH HETWORKING。Li－Fi 可以远程传输非常大的一些数据，INTERENT HUB就是说在自己的家里面可以建立一个“互联网中心”，在商店里面也可以建立Li－Fi的传输中心。据了解，2014年的时候Velmenni获得了种子基金，2015年3月份Velmenni已经用该技术实现了10米范围内 1Mbps 的传输速度。2015年11月份，其测试所使用的Li－Fi技术能够以最快 1GBps 的速度发送数据。Velmenni 团队表示，世界上很多地方达不到1Mbps 每秒的速度，在进行成果转化和商业化的时候，他们会考虑在不同的应用范围内它的局限性，比如飞机上由于数据传输的特殊性，可能在设计解决方案这方面要进行调整，而不是光考虑到速度的问题。

　　Li－Fi 技术目前主要应用在室内场景，包括酒店、机场、火车站，不过 Velmenni 也正在其他场景做一些新的实验，比如室外场景。另外，据透露，他们的第一款产品专为“飞机”量身定制，计划2017年第一季度推出。据悉。航空业极有可能是从Li－Fi技术获益的主要行业。近年来，随着航空电子设备的技术要求变得越来越严格，为了保护航空电子设备免受无线信号干扰，Li－Fi技术绝对是一个安装选项。这就意味着可以在飞机机舱内组建Li－Fi局域网，为乘客提供娱乐节目，并让配置了Li－Fi设备的手机和电脑连接互联网。利用可见光通信组建局域网还能节省重量，因为机载乘客娱乐系统无需使用电缆来连接。为此，欧洲大型飞机制造厂商空中客车公司让Velmenni公司在自己的一架飞机机舱实体模型内安装和测试Li－Fi网络。Velmenni公司则希望能使用乘客的阅读灯来传送信号。

　　据我国信息领域著名专家、中国工程院院士邬江兴介绍说，目前全球大约拥有440亿盏灯具构成的照明网络，数百亿LED照明设备就可以和其他设备融合构筑一个巨大的可见光通信网。可以设想，未来实现大规模可见光通信后，每盏灯都可以当做一个高速网络热点，也就是说，人们等车时，在路灯下就可下载几部电影，在飞机、高铁上也可借助LED光源无线高速上网，满足室内网、物联网、车联网、工业4.0、安全支付、智慧城市、国防通信、武器装备、电磁敏感区域等网络末端无线通信需求，为“互联网＋”提供一种崭新的廉价接入方法。

　　邬江兴预测，在未来数十年内，信息的传输量将超出现有无线电频谱的承载能力，由此可见光通信技术可有效突破无线电频谱资源严重匮乏的困局，是具有广阔应用前景的下一代无线通信技术之一，也可以形成万亿级年产值的战略性新兴产业。

　　据了解，这种高速传输一直是可见光通信领域研究的焦点课题之一，解放军信息工程大学于宏毅研发团队采用光学和电学相协同的处理方法，突破了可见光空间通道互干扰高效抑制等关键技术，现在已经进入集成化、微型化的设计和实现阶段了，期待这种新的通信应用能够尽快来到百姓生活当中。

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