【極智課堂】陳雄斌:可見光通信技術及應用場景的思考

當前，新型冠狀病毒仍在持續，對產業及企業造成了一定程度的影響，也牽動著各行各業人們的心。在此形勢下，中國半導體照明網、極智頭條，在國家半導體照明工程研發及產業聯盟、第三代半導體產業技術創新戰略聯盟指導下，開啟疫情期間知識分享，幫助企業解答疑惑。助力我們LED照明企業和產業共克時艱！

本期，我們邀請到中國科學院半導體研究所研究員陳雄斌帶來了「碳化矽功率器件之新能源汽車應用及展望」的精彩主題分享，以下為主要內容：

一、可見光通信的研究價值

可見光通信原理是通過控制燈的「明」、「暗」變化實現信息的傳遞。

通信技術的演進方向：有線傳輸——無線傳輸；電的通信——光的通信。

可見光通信就是用看得見的光來通信，比如燈光通信。它的基本工作原理可以是通過控制燈光的明、暗變化來實現數字通信中的「1」和「0」的傳輸，所以在通信時還必須做到人眼無閃爍感。顯然，這是一項無線通信新技術。那這項技術值不值得研究呢？

我們來回顧一下通信技術的發展演進過程。先有了有線通信，後來為了便捷、移動，推出了無線通信，並且現在大家越來越離不開無線通信了。同時，也是先有電纜通信，後來為了更加高速，推出了光纖通信，因為光的通信速率比電高。可見光通信是無線、光通信，所以它非常 符合通信技術向「無線」和「光」方向的演進。

《「十三五」國家科技創新規劃》中「發展新一代信息技術」

2008年，中科院和美國、歐盟同年開始了可見光通信技術研究。2016年，可見光通信作為「新一代信息技術」寫入了《「十三五」國家科技創新規劃》。

「材料領域」和「信息領域」一樣看好「可見光通信」這項無線通信新技術，把「可見光通訊關鍵技術、系統集成和應用示範」列入了「發展重點」。

2017年04月14日，科技部發布的《「十三五」材料領域科技創新專項規劃》第14頁對應第四部分「發展重點」中「戰略性先進電子材料」 的方向包括「超越照明和可見光通訊關鍵技術、系統集成和應用示範」。

2017年，材料領域資助了「可見光通信關鍵技術及系統研發」的國家重點研發計劃項目，我有幸擔任項目負責人，組織國內19個單位一起攻關，研發可見光通信的光源、探測器、集成電路、模塊、系統並進行商用示範。 信息領域兩年後也啟動「面向微型化高速長距離傳輸的可見光通信系統研究「的國家重點研發計劃項目。該項目的經費是我們項目的兩倍，也是做器件、模塊、系統的研發。總之，國家在這個研究方向是立了項的，會出來一批好成果。

無線通信頻譜資源

1可見光的頻率很高；2． 可見光的頻譜很寬。

其實，最初提可見光通信的時候，是被逼的。因為無線電頻譜資源已經太擁擠了，從無線電頻率劃分圖上可以看到從3KHz到300GHz資源基本上快被分完了，要增加新的通信業務就很困難。所以，無線通信需要拓展新的頻譜資源。可見光頻段的頻率是385 THz到789 THz，頻譜寬度400 THz，比電的300 GHz譜寬大了3個數量級。可見光的頻率很高、頻譜很寬，是一座頻譜資源寶庫。

6G 期待新理論新技術

去年5月份召開的第五屆無線大數據研討會的主題是「6G期待新理論新技術」。在會上，多位專家談到6G無線通信將用到太赫茲和可見光頻段。

可見光通信可以利用照明、顯示LED來復用實現通信功能，近似於「零能耗」通信。

除了頻譜拓展的意義之外，可見光跟傳統射頻無線通信相比有四大比較優勢。首先是高速，光通信比電通信速率高是常識，現在一顆多色LED的速率能做到10Gbps量級，螢光型LED能做到Gbps量級。

其次是大容量，光是直線傳播，所以可以把通信小區做得很小，我們實驗室是0．64平方米一個小區，信號也不會互相串擾，小區密度高，通信總容量就大。可見光看得見的優點是既不好偷裝釣魚熱點，也不好偷偷截獲信號，通信的心理安全感特別強。節能的意義也特別大，尤其是現在5G能耗不堪重負的歷史背景下。

中國電信技術創新中心副主任楊峰義在中國通信學會舉辦的「2019天線射頻系統與5G通信專題研討會」上表示，目前困擾5G發展的一大難題是功耗。根據他的報告，2018年中國三家移動通信運營商的移動基站共耗電270億度，總電費240億元。在同樣覆蓋情況下，預計5G的網絡能耗將達到2430億度，電費達到2160億元。根據年報，2018年三大電信運營商的營收是1．4萬億元，總利潤1492．57億元，隨著5G的2019年商用開始，估計說好的「提速降費」應該無法繼續了。

可見光通信可以利用照明、顯示LED來復用實現通信功能，近似於「零能耗」通信。根據中國照明學會提供的統計數據，2017年中國照明用電約7963．3億度（功率大）。2017年，中國LED燈在用數量約為93．6億隻（數量多）。個人認為，如果利用室內燈泡充當可見光通信的無線基站來做高速大容量的無線光通信，在照明節能基礎上的通信節能意義也非常大。

二、誤解與困境

高速、大容量、安全、節能既是可見光通信的優點，也是我們做通信追求的方向。可見光通信的這些優點可能以前大家沒想到。但是白天要開燈、燈光怕遮擋這兩個誤解，可能很多人有。

個人認為，只要可見光通信比WiFi快，白天也可以開一盞小燈上網，wifi的抗幹擾能力太差了。燈光怕遮擋是事實，但是手機也怕遮擋。主要手機信號用戶看不見，所以手機設計成了在被遮擋時做降速通信。

可見光通信用戶自己看得到哪裡光信號強，哪裡光信號弱，可以去掉遮擋物或者找個光強的地方做全速通信，可以有效規避脆弱鏈路下的降速通信。所以，可見光通信是不會被遮擋的。

因此，最好不用傳統觀念來看待新生事物。除了面臨類似誤解，可見光通信還有一個困境是缺乏大人物代言，要在信息領域獲得話語權不容易。所以，希望在物聯網、工業網際網路先找到應用。

三、研究進展

為了評價一個通信系統的性能優劣，除了關注距離外，還得考慮誤碼率和速率。三個維度都會有單項冠軍，三項全能才是真的好。

（備註：華碩ROG GT－AX11000無線路由器 總共8根天線，WiFi6  802．11ac （5GHz）最高4333Mbps ，802．11ax （2．4GHz） 最高1148Mbps，802．11ax （5GHz） 最高4804Mbps ＊2）

「天下武功唯快不破」，下面挑傳輸速率這個指標來介紹一下研究進展。非實時通信比實時通信容易做高速，多色LED比單色LED容易做高速。目前來看，單顆多色LED非實時速率最起碼能做到15．73 Gbps，單顆螢光型LED實時速率最起碼能做到1．39 Gbps。

如果一盞燈有多顆LED，則還可以通過成像通信實現多入多出來的多路復用來提高通信速率。

1．中科院半導體所高速可見光通信模塊（實時）

用1瓦功率的螢光型LED做光源、PIN做探測器，搭建了單路731 Mbps的實時傳輸系統，傳輸距離6．9米時，信息產業專用材料質量監督檢測中心2019年1月做第三方測試，結果是：3個半小時的平均誤碼率是 7．16e－7；系統3dB 帶寬 421MHz。2014年，我們做到550Mbps時在OE上發表過論文。

731Mbps可見光收發模塊（信息產業專用材料質量監督檢測中心2019年1月測試）

       2．半導體所的300M可見光上網原型系統

我們也在實驗室光學平臺上搭建了可見光上網系統，只用了500M的電接口（沒用到731M），我們就做到了292 Mbps、294 Mbps 的上下行速率，傳輸距離7米，從實物照片上可以看得出是螢光型LED。

500 M電接口的可見光上網系統（信息產業專用材料質量監督檢測中心2019年1月測試）。

       3．半導體所的可見光通信模塊最新成果（螢光型LED＋PIN）

通過優化設計，改進電路，2019年底我們繼續用螢光型LED做光源，用PIN做探測器，3dB帶寬600MHz，單路實時通信速率做到了1．35Gbps，在IEEE的 PJ期刊上發表了論文。2020年1月又把速率提升到1．393Gbps、距離3．3米，原始誤碼率1．5e－5。

       4．半導體所產品研發——可見光上網系統

基於高速可見光通信的學術研究基礎，我們開發了一些應用系統。這是我們在2015年研發的100M燈光上網系統。在實驗室的展示區安裝了幾套，測試結果表明下載速率最快能到95．1Mbps，平均下載速率91．7Mbps，這跟有線上網速率基本一樣，速率既高又穩。

2018年7月19－20日，我們的100M上網系統在深圳市民中心展示，實時播放了幀率60FPS的8K視頻，獲得了中國科學院的率先杯創新大賽的最高獎。目前國家推的5G商用也只是提4K電視直播，我們的可見光上網系統實時傳輸的視頻是清晰度8K，幀率是60幀每秒。這就是新技術的實力。

5．半導體所產品研發——智能家居

除了上網，我們還做了智能家居系統。2019年在廣州市國際會展中心展示了基於燈光對電器和機器人的控制，這套系統的特點是燈光照度20lx就能正常工作。低於建築物內照明國標中所有場景的最低照度要求。因為車庫的最低照度標準也有30lx。

四、技術路線選擇

作為一項無線通信新技術，如果可見光通信技術研究水平進入無人區，則團隊領路人的技術路線選擇就見仁見智。光源、探測器、調製解調、復用解復用、編碼解碼等都需要選擇。

以光源選擇為例，備選方案有螢光型LED、三基色甚至4色或5色LED。照明工程師和通信工程師對光源的喜好可能還不一樣。個人認為，如果要跟照明結合，建議優選螢光型LED。

五、應用與思考

2008年，時任中國科學院院長的路甬祥院士認為「這可能是無線領域從電磁走向光傳輸的很好切入點！」。我們受路院長批示開始基於「半導體照明信息網」做可見光通信研究。因為國內外都是剛起步，我們需要從材料、器件、模塊、系統全面布局做，但是我們的研究進展非常順利。

我很感謝科學院2008年給我可見光通信這個先發研究機會。讓我們2009年有機會參加工博會展示、2010年參加上海世博會展示。除了在北、上、廣、深等地做成果展示外，2012年還到央視的「創新科技環球新銳榜」節目現場做了「光怪路由」的科普宣傳。

利用無處不在的LED之光構建萬物光互連新生態

十餘年後的今天，環境好多了。現在，照明燈、車燈、路燈、顯示器背光源、戶外廣告屏等都已經是LED了。大家可以利用這些無處不在的LED之光來構建萬物光互連的新生態。因為所有LED都能通信；只是LED不同，通信速率不同。做的門檻變得容易，但是做好還是很難。考慮到團隊不同，技術路線不同，建議大家做新技術研發時好好遴選領路人！

半導體所的可見光自給能通信

為了挖掘可見光通信的潛力，我們還研發了自給能通信系統，發表了學術論文也獲得了發明專利。所謂自給能，就是說LED燈既照明又發送數據還要給接收機供能。接收機沒有電池也不需要外接電源就能接收數據。希望未來。藉助該技術，數據的無緣拷貝能成為技術主流。

可見光通信技術中國有優勢

總的來說，新技術的應用要突破傳統觀念來想。中國有全世界最好的半導體照明產業作為可見光通信的配套支撐。可見光通信中國跟歐、美基本同步開始。國內做可見光通信的研究團隊也很多，研究成果很有特色，許多成果代表國際水平。希望國內業界能把握難得的新技術變革機會，把可見光通信產業做起來。

分享三段視頻

1． 基於螢光型LED和PIN的1．393 Gbps單路實時傳輸系統 （2010年1月10日在半導體所1號樓303測試）

2． 北京公眾創意坊——高速可見光通信系統（2017年8月11日在北京電視臺的「北京您早」節目段播出）

3． 陳氏智能家居（2019年9月10日在中國科學院大學國際會議中心客房展示）

從第一段視頻可以看到可見光收發模塊跨接了將近3個1．2米的光學平臺，安捷倫誤碼率測試儀的測試界面上能看到頻率是1393MHz，對應通信速率是1．393Gbps，右下角是平均誤碼率1．539231e－005，也就是1．539的負5次方。

第二個視頻中能看到光學平臺上模塊的速率是622Mbps，100M可見光上網系統的下載平均速率94．2Mbps。

第三個智能家居系統視頻中，客房吸頂燈的三段調光和電視機的操控可以通過手機控制或者語音控制，其實該系統還支持智能場景功能，比如晚上10點先自動關電視機，10分鐘後自動關燈。智能場景的操作，該視頻中沒有展示。

通過這些視頻，大家能了解LED燈除了照明還能幹哪些事。希望十幾年可見光通信研究的成果能幫助大家認識LED燈泡價值。我們研究小組沒有海歸人員，成果都是自立更生做出來的。踏實科研真的不容易，也歡迎大家資助。

感謝極智課堂，也非常高興能有機會跟大家一起探討可見光通信的技術發展和應用創新。也希望與業界同仁多多交流探討。

問答環節

1．能不能簡單講解下可見光通信技術出現好多年了，影響可見光通信技術（LiFi）產業化發展的主要因素有哪些？

陳雄斌：可見光通信目前來看，主要是一些低速應用居多。高速產業化做得不是很好，高速可見光通信還是有難度。大家對於可見光通信尚不太了解，包括有怎樣的能力，可能還存在一些誤解，一些需求也沒有出現。

高速是可見光通信的一大優點，但是高速現在做的話，不是特別實用化。未來如果家庭有限帶寬很寬了，WiFi受到環境的射頻信號幹擾，做不了高速通信，若用可見光通信，高速可能才能找到它的機會。

2．想請教一下光通信的安全問題，因為您提到會和智能家居智慧城市等互聯，系統侵入之類是否有風險？普通家庭大概多少瓦的燈就可以滿足基本上網？開燈會抑制褪黑素，但智能電視等都需要連接網絡。

陳雄斌：可見光通訊的照度情況，跟通訊速率或者業務有關係。比如我們現在能做到的水平智能家居這部分，實驗室是50平方，總共一盞15瓦的燈就夠了，整個房間能夠覆蓋。如果要用來上網。我們做到的目前的照度是要求大概300lx左右的情況，能做到100兆的上網。有做智能家居比20lx低很多的都可以。

3．照明有不同的色溫。哪個色溫最適合和通信結合。難度主要是在光源上還是發射上？

陳雄斌：如果以螢光型LED為例。色溫越高的話，裡面的藍光成分就會比較多一些，藍光適合做高速通信。如果螢光這部分光也要做通訊的話，通常能做到幾兆BPS，如果速率更高的話，基本上都是靠藍光去做通訊。從這個原理上來看，應該是色溫越高，越適合做可見光通信。

可見光通信的難度主要還是在發射部分。接收部分已有光纖通信、放大電路等都做得很好。探測器的話，可見光的探測器會比較麻煩一些，也能做高速的響應。主要是光源不好做高速調製。

4．實驗測試中，通訊速率和帶寬的提升，全都是直接優化通信系統嗎？有從LED器件上提升嗎？

陳雄斌：如果帶寬提高，肯定系統帶寬也上去了，也可以從別的地方去做，比如我們用帶寬有限的器件，通過外圍加一些東西，做一些非線性補償或者做均衡，能夠利用帶寬有限的器件來實現高速通信，把它的系統帶寬提高。國內外很多同行也在採取與我們相同的技術路徑，也有越來越多的人做帶寬拓展。

5．可見光通信產業化道路上還有哪些問題待克服？請大膽預測一下還有多少年可進入商用化？

陳雄斌：可見光通信現在已商用化，只是量不大。現在的問題可能是要找到一個突破口。就是有一個目標產品讓大家覺得真的非常好用，找到這樣的一個點，以後會有爆發性增長。

比如我們現在做的智能家居系統，個人認為是可以商用的，但有多少人願意購買或者去進行商業推廣，這部分可能是研究所比較難做到的。

6．目前商用系統的技術除了您講解集中應用以外，還可以在哪些領域進行應用，能不能多講解下？

陳雄斌：個人角度，一個是用於射頻敏感區做無線通信，二是利用已有的照明和顯示光源來復用實現通信功能，包括地鐵站，人口密集區做上網通訊，以及在核電站，用來做室內定位導航等。

7．晶片的研究處於整個產業鏈的核心部分，目前在可見光通信領域有沒有成熟晶片組設計？

陳雄斌：商用晶片組目前應該是沒有，科研的晶片能實現一些基本功能或者指標，未來伴隨產業化需求，可能會去落實晶片的商品化。

8．可見光通信要用到的器件都成熟了嗎，如光源、PD等等？

陳雄斌：光源是商用照明用LED，肯定可以做可見光通信。探測器目前使用較多的是矽的探測器。

目前可見光通信主要是使用這些商業化器件。如果定製化、專用的光源和探測器能做到商業化程度，並且性能優化，那麼可見光通訊的性能還能夠進一步提升。但要做到商業化推廣必須要保證可靠性。（文字根據直播內容編輯整理，略有刪減，僅供參考）