隨著LED照明產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，可見光通信（VLC）作為一種利用LED燈來發(fā)送數(shù)據(jù)的無線通信手段，引起無線通信研究及工程人員的關(guān)注，在全球范圍內(nèi)得到發(fā)展。得益于泛在的基礎(chǔ)設(shè)施、高功率與大帶寬的通信、綠色無輻射以及不易被竊聽等特點(diǎn)，VLC技術(shù)被認(rèn)為將有效拓展現(xiàn)有無線通信頻譜和通信方式，可以應(yīng)用在高速數(shù)據(jù)傳輸、電磁屏蔽場景下的無線通信覆蓋、室內(nèi)定位導(dǎo)航、攝像頭中低速通信等場景。
目前，VLC已經(jīng)在全球范圍內(nèi)得到了一定的發(fā)展，但是仍然面臨產(chǎn)業(yè)環(huán)境不夠成熟、相關(guān)產(chǎn)品競爭力不足、發(fā)展目標(biāo)不明確等挑戰(zhàn)。不過，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的興起，VLC產(chǎn)業(yè)的市場空間將開啟，如果相關(guān)應(yīng)用能夠在一些場景下實(shí)現(xiàn)普及，那么VLC產(chǎn)業(yè)有望騰飛。
VLC技術(shù)關(guān)注度提升
可見光通信的技術(shù)研究起源于日本，發(fā)展于歐美，壯大于國內(nèi)。早在2003年，日本多個(gè)從事VLC研究的科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)成立了可見光通信聯(lián)盟，以研究VLC應(yīng)用技術(shù)，推進(jìn)VLC產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化為目標(biāo)。NEC、NTT、卡西歐、KDDI、索尼、東京電力和東芝等企業(yè)及東京大學(xué)、慶應(yīng)大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)都是該聯(lián)盟的成員。
早期的VLC技術(shù)以室內(nèi)低速傳輸、定位、水下通信等場景的應(yīng)用為主，通信速率較低，通信距離較近，理論研究尚不深入。2008年~2010年，隨著歐盟FP7的OMEGA項(xiàng)目將VLC當(dāng)作智慧家庭中高速無線數(shù)據(jù)接入手段，包括法國電信、牛津大學(xué)、法國湯姆遜公司、西門子公司、HHI等在內(nèi)的大量實(shí)力雄厚的單位參與到VLC無線接入系統(tǒng)研發(fā)中，推動(dòng)了VLC技術(shù)的第一次快速發(fā)展。
在這一輪技術(shù)進(jìn)步中，VLC理論逐漸被深入研究，包括自適應(yīng)光路、預(yù)均衡、MIMO、OFDM、高階編碼調(diào)制等技術(shù)被應(yīng)用于VLC中，使VLC的最高通信速率拓展至500Mbps左右，最遠(yuǎn)通信距離拓展至100米左右。2012年~2015年，國內(nèi)以清華大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所等研究機(jī)構(gòu)為主的科研機(jī)構(gòu)開始逐漸重視VLC研究，國家科技部先后設(shè)立了VLC領(lǐng)域的“973”“863”等專項(xiàng)課題鼓勵(lì)相關(guān)理論與應(yīng)用研究。
VLC技術(shù)在國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)的主導(dǎo)下再一次取得了跨越式發(fā)展。專用OFDM調(diào)制方式、波分復(fù)用、通信照明一體化、超高速VLC通信系統(tǒng)等領(lǐng)域取得重大突破，商用照明LED可調(diào)制帶寬可達(dá)350MHz以上，單LED燈芯通信速率最高被拓展至3Gbps~5Gbps，配合MIMO可以實(shí)現(xiàn)更高的理論通信速率。
近兩年，VLC技術(shù)開始走向應(yīng)用，潛在的應(yīng)用場景包括高速數(shù)據(jù)傳輸、電磁屏蔽場景下的無線通信覆蓋、室內(nèi)定位導(dǎo)航、攝像頭中低速通信等。VLC研究重心由理論基礎(chǔ)向工程實(shí)踐轉(zhuǎn)移，如VLC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、上下行通信結(jié)合方式、通信覆蓋與移動(dòng)切換和攝像頭通信編解碼算法等。
產(chǎn)業(yè)鏈亟待完善
目前，全球VLC產(chǎn)業(yè)規(guī)模仍然較小，相關(guān)企業(yè)主要集中在歐美日和我國，主要瞄準(zhǔn)特種應(yīng)用場景。
在美國，包括GELightings、ByteLight、Philips等在內(nèi)的多家公司在超市中部署VLC定位導(dǎo)航系統(tǒng)，輔助商家透過追蹤用戶位置定位顧客的消費(fèi)過程。在歐洲，Pure-LiFi公司嘗試開發(fā)并售賣短距離VLC無線上網(wǎng)模塊；Marvel公司尋求在G.hn芯片的基礎(chǔ)上開展VLC通信芯片的開發(fā)。在日本，東芝、NEC均發(fā)布了基于VLC的工廠生產(chǎn)線自動(dòng)化通信系統(tǒng)。
在國內(nèi)，深圳光啟聚焦光子安全和光子支付領(lǐng)域，采用VLC進(jìn)行安全傳輸；華為、國家電網(wǎng)等公司開展VLC樣機(jī)開發(fā)。從器件角度看，現(xiàn)有VLC應(yīng)用或產(chǎn)品對(duì)LED或光電探測器件的性能要求不高，國內(nèi)基本可以實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)與生產(chǎn)；通信芯片大多復(fù)用已有方案或在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，尚沒有成熟的VLC專用芯片。
總體而言，VLC的產(chǎn)業(yè)仍處于萌芽狀態(tài)，除初創(chuàng)公司外，相關(guān)領(lǐng)域的絕大多數(shù)公司仍處于觀望與試探階段。但GrandViewResearch的數(shù)據(jù)較為樂觀，其預(yù)測：VLC在美國的市場份額在未來幾年將保持每年30%以上的高速增長，2024年可達(dá)約1013億美元。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括家庭內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸、交通輔助、消費(fèi)電子、醫(yī)療、安全通信等領(lǐng)域。
在標(biāo)準(zhǔn)方面，VLC標(biāo)準(zhǔn)起步較早、覆蓋較廣，但參與企業(yè)較少。2011年IEEE發(fā)布了第一版VLC標(biāo)準(zhǔn)802.15.7，主要參與企業(yè)包括英特爾、三星等多家企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)。但由于標(biāo)準(zhǔn)中定義的通信速率較低，通信方式選擇了較難實(shí)現(xiàn)的色域調(diào)制，故該標(biāo)準(zhǔn)并未得到相關(guān)企業(yè)的積極響應(yīng)。
2015年IEEE和ITU-T先后啟動(dòng)了新的VLC標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目。IEEE在2017年發(fā)布了802.15.7r1，專注于中低速的VLC通信（包括攝像頭通信）。由于缺少相關(guān)企業(yè)的積極參與，高速VLC未能在802.15.7r1中形成標(biāo)準(zhǔn)化。在ITU-T的VLC標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目中，參與企業(yè)主要是對(duì)VLC感興趣的G.hn芯片廠家，尋求在已有基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)VLC技術(shù)。在國內(nèi)方面，關(guān)于VLC高速、中低速、攝像頭通信的多個(gè)國標(biāo)、行標(biāo)項(xiàng)目已先后在國標(biāo)委和CCSA立項(xiàng)，但參與單位均以科研單位為主，感興趣且深度參與的企業(yè)較少。
推進(jìn)VLC發(fā)展的“三大步”
可以看到，目前VLC的發(fā)展尚處于起步階段，無論是技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)鏈以及生態(tài)建設(shè)都需要進(jìn)一步完善。在推進(jìn)VLC產(chǎn)業(yè)發(fā)展上，業(yè)界可以從三個(gè)方面入手。
第一，中低速應(yīng)用和攝像頭通信有望成為產(chǎn)業(yè)突破點(diǎn)，高速應(yīng)用的吸引力仍待挖潛。對(duì)于VLC技術(shù)而言，中低速應(yīng)用的通信算法開發(fā)難度較低，部分可復(fù)用現(xiàn)有模塊和芯片；攝像頭通信甚至無需專用的接收端，僅采用手機(jī)端App即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和定位導(dǎo)航等應(yīng)用，在產(chǎn)品開發(fā)周期和推廣難易度上具有明顯優(yōu)勢。國內(nèi)產(chǎn)業(yè)應(yīng)注重器件自主研發(fā)生產(chǎn)能力的提升，例如專用LED的定制，低成本接收端的生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化、集成化的通信模塊開發(fā)等。高速應(yīng)用具有高速率、可空分復(fù)用/接入、保密性強(qiáng)等優(yōu)勢，在電磁屏蔽、超多接入用戶數(shù)、保密要求高等通信場景下仍具有很強(qiáng)的潛力，可成為WiFi、4G/5G等通信技術(shù)的有效補(bǔ)充。
第二，產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)圍繞特需應(yīng)用場景，成本應(yīng)成為最主要的競爭力。VLC對(duì)于現(xiàn)有其他無線通信方式在大部分應(yīng)用場景中暫時(shí)無法構(gòu)成“致命”威脅。因此VLC產(chǎn)業(yè)應(yīng)優(yōu)先專注于特定需求的應(yīng)用場景，例如室內(nèi)定位導(dǎo)航、水下傳感通信、煤礦/隧道通信等場景。同時(shí)，VLC產(chǎn)品應(yīng)將成本作為產(chǎn)品優(yōu)化的主要目標(biāo)，充分利用LED產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展帶來低成本紅利，開發(fā)低成本、高性價(jià)比的無線通信產(chǎn)品方案，提升VLC技術(shù)的直接競爭力，在形成一定規(guī)模后進(jìn)一步尋求拓展VLC其他特有優(yōu)勢，提高產(chǎn)品附加價(jià)值。
第三，把握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的機(jī)遇，尋求產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。在物聯(lián)網(wǎng)概念不斷普及和推廣、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)如火如荼發(fā)展的背景下，VLC技術(shù)可作為一種低成本、高可靠性的通信方案，在各類場景下發(fā)揮作用。人工智能時(shí)代對(duì)數(shù)據(jù)的需求日益增加，大量由傳感器、控制器、中繼節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)需要回傳至云端數(shù)據(jù)中心，利用VLC技術(shù)可以在車間、生產(chǎn)線、醫(yī)院等場景下實(shí)現(xiàn)無需布線的自組織網(wǎng)絡(luò)，亦可為橋梁、水電站、油井、環(huán)境監(jiān)控等場景下的傳感器提供復(fù)雜環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸。VLC產(chǎn)業(yè)應(yīng)牢牢把握這次機(jī)遇，尋求產(chǎn)品類型和數(shù)量的高速發(fā)展。
總體而言，VLC技術(shù)從起源至今經(jīng)歷了多年的研究和發(fā)展，雖然關(guān)于VLC的標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目由來已久，但相關(guān)產(chǎn)業(yè)仍較為薄弱，產(chǎn)品方案競爭力不足，發(fā)展目標(biāo)不甚明確。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和人工智能的興起，VLC迎來了產(chǎn)業(yè)騰飛的重大機(jī)遇。業(yè)內(nèi)各企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)應(yīng)端正位置，看清形勢，從低速通信和成像通信入手，找準(zhǔn)特定需求的應(yīng)用場景，開發(fā)性價(jià)比高、競爭力強(qiáng)的拳頭產(chǎn)品，擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)影響力。隨后逐步挖掘高速通信應(yīng)用的潛力，強(qiáng)化關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新，補(bǔ)齊產(chǎn)品線，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和升級(jí)。（中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所 余冰雁）
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