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【极智课堂】陈雄斌:可见光通信技术及应用场景的思考

发布时间:2020-03-17 10:15:28   作者:   来源:菲律宾申博官网


当前,新型冠状病毒仍在持续,对产业及企业造成了一定程度的影响,也牵动着各行各业人们的心。在此形势下,中国半导体照明网、极智头条,在国家半导体照明工程研发及产业联盟、第三代半导体产业技术创新战略联盟指导下,开启疫情期间知识分享,帮助企业解答疑惑。助力我们LED照明企业和产业共克时艰!

本期,我们邀请到中国科学院半导体研究所研究员陈雄斌带来了“碳化硅功率器件之新能源汽车应用及展望”的精彩主题分享,以下为主要内容:

一、可见光通信的研究价值

可见光通信原理是通过控制灯的“明”、“暗”变化实现信息的传递。

通信技术的演进方向:有线传输——无线传输;电的通信——光的通信。

可见光通信就是用看得见的光来通信,比如灯光通信。它的基本工作原理可以是通过控制灯光的明、暗变化来实现数字通信中的“1”和“0”的传输,所以在通信时还必须做到人眼无闪烁感。显然,这是一项无线通信新技术。那这项技术值不值得研究呢?

我们来回顾一下通信技术的发展演进过程。先有了有线通信,后来为了便捷、移动,推出了无线通信,并且现在大家越来越离不开无线通信了。同时,也是先有电缆通信,后来为了更加高速,推出了光纤通信,因为光的通信速率比电高。可见光通信是无线、光通信,所以它非常 符合通信技术向“无线”和“光”方向的演进。

《“十三五”国家科技创新规划》中“发展新一代信息技术”

2008年,中科院和美国、欧盟同年开始了可见光通信技术研究。2016年,可见光通信作为“新一代信息技术”写入了《“十三五”国家科技创新规划》。

“材料领域”和“信息领域”一样看好“可见光通信”这项无线通信新技术,把“可见光通讯关键技术、系统集成和应用示范”列入了“发展重点”。

20170414日,科技部发布的《“十三五”材料领域科技创新专项规划》第14页对应第四部分“发展重点”中“战略性先进电子材料” 的方向包括“超越照明和可见光通讯关键技术、系统集成和应用示范”。

2017年,材料领域资助了“可见光通信关键技术及系统研发”的国家重点研发计划项目,我有幸担任项目负责人,组织国内19个单位一起攻关,研发可见光通信的光源、探测器、集成电路、模块、系统并进行商用示范。 信息领域两年后也启动面向微型化高速长距离传输的可见光通信系统研究的国家重点研发计划项目。该项目的经费是我们项目的两倍,也是做器件、模块、系统的研发。总之,国家在这个研究方向是立了项的,会出来一批好成果。

无线通信频谱资源

1可见光的频率很高;2. 可见光的频谱很宽。

其实,最初提可见光通信的时候,是被逼的。因为无线电频谱资源已经太拥挤了,从无线电频率划分图上可以看到从3KHz300GHz资源基本上快被分完了,要增加新的通信业务就很困难。所以,无线通信需要拓展新的频谱资源。可见光频段的频率是385 THz789 THz,频谱宽度400 THz,比电的300 GHz谱宽大了3个数量级。可见光的频率很高、频谱很宽,是一座频谱资源宝库。

6G 期待新理论新技术

去年5月份召开的第五届无线大数据研讨会的主题是“6G期待新理论新技术”。在会上,多位专家谈到6G无线通信将用到太赫兹和可见光频段。

可见光通信可以利用照明、显示LED来复用实现通信功能,近似于“零能耗”通信。

除了频谱拓展的意义之外,可见光跟传统射频无线通信相比有四大比较优势。首先是高速,光通信比电通信速率高是常识,现在一颗多色LED的速率能做到10Gbps量级,荧光型LED能做到Gbps量级。

其次是大容量,光是直线传播,所以可以把通信小区做得很小,我们实验室是0.64平方米一个小区,信号也不会互相串扰,小区密度高,通信总容量就大。可见光看得见的优点是既不好偷装钓鱼热点,也不好偷偷截获信号,通信的心理安全感特别强。节能的意义也特别大,尤其是现在5G能耗不堪重负的历史背景下。

中国电信技术创新中心副主任杨峰义在中国通信学会举办的“2019天线射频系统与5G通信专题研讨会”上表示,目前困扰5G发展的一大难题是功耗。根据他的报告,2018年中国三家移动通信运营商的移动基站共耗电270亿度,总电费240亿元。在同样覆盖情况下,预计5G的网络能耗将达到2430亿度,电费达到2160亿元。根据年报,2018年三大电信运营商的营收是1.4万亿元,总利润1492.57亿元,随着5G2019年商用开始,估计说好的“提速降费”应该无法继续了。

可见光通信可以利用照明、显示LED来复用实现通信功能,近似于“零能耗”通信。根据中国照明学会提供的统计数据,2017年中国照明用电约7963.3亿度(功率大)。2017年,中国LED灯在用数量约为93.6亿只(数量多)。个人认为,如果利用室内灯泡充当可见光通信的无线基站来做高速大容量的无线光通信,在照明节能基础上的通信节能意义也非常大。

二、误解与困境

高速、大容量、安全、节能既是可见光通信的优点,也是我们做通信追求的方向。可见光通信的这些优点可能以前大家没想到。但是白天要开灯、灯光怕遮挡这两个误解,可能很多人有。

个人认为,只要可见光通信比WiFi快,白天也可以开一盏小灯上网,wifi的抗干扰能力太差了。灯光怕遮挡是事实,但是手机也怕遮挡。主要手机信号用户看不见,所以手机设计成了在被遮挡时做降速通信。

可见光通信用户自己看得到哪里光信号强,哪里光信号弱,可以去掉遮挡物或者找个光强的地方做全速通信,可以有效规避脆弱链路下的降速通信。所以,可见光通信是不会被遮挡的。

因此,最好不用传统观念来看待新生事物。除了面临类似误解,可见光通信还有一个困境是缺乏大人物代言,要在信息领域获得话语权不容易。所以,希望在物联网、工业互联网先找到应用。

三、研究进展

为了评价一个通信系统的性能优劣,除了关注距离外,还得考虑误码率和速率。三个维度都会有单项冠军,三项全能才是真的好。

(备注:华硕ROG GT-AX11000无线路由器 总共8根天线,WiFi6 802.11ac (5GHz)最高4333Mbps 802.11ax (2.4GHz) 最高1148Mbps802.11ax (5GHz) 最高4804Mbps *2

“天下武功唯快不破”,下面挑传输速率这个指标来介绍一下研究进展。非实时通信比实时通信容易做高速,多色LED比单色LED容易做高速。目前来看,单颗多色LED非实时速率最起码能做到15.73 Gbps,单颗荧光型LED实时速率最起码能做到1.39 Gbps

如果一盏灯有多颗LED,则还可以通过成像通信实现多入多出来的多路复用来提高通信速率。

1.中科院半导体所高速可见光通信模块(实时)

1瓦功率的荧光型LED做光源、PIN做探测器,搭建了单路731 Mbps的实时传输系统,传输距离6.9米时,信息产业专用材料质量监督检测中心20191月做第三方测试,结果是:3个半小时的平均误码率是 7.16e-7;系统3dB 带宽 421MHz2014年,我们做到550Mbps时在OE上发表过论文。

731Mbps可见光收发模块(信息产业专用材料质量监督检测中心20191月测试)

2.半导体所的300M可见光上网原型系统

我们也在实验室光学平台上搭建了可见光上网系统,只用了500M的电接口(没用到731M),我们就做到了292 Mbps294 Mbps 的上下行速率,传输距离7米,从实物照片上可以看得出是荧光型LED

500 M电接口的可见光上网系统(信息产业专用材料质量监督检测中心20191月测试)。

3.半导体所的可见光通信模块最新成果(荧光型LED+PIN

通过优化设计,改进电路,2019年底我们继续用荧光型LED做光源,用PIN做探测器,3dB带宽600MHz,单路实时通信速率做到了1.35Gbps,在IEEE PJ期刊上发表了论文。20201月又把速率提升到1.393Gbps、距离3.3米,原始误码率1.5e-5

4.半导体所产品研发——可见光上网系统

基于高速可见光通信的学术研究基础,我们开发了一些应用系统。这是我们在2015年研发的100M灯光上网系统。在实验室的展示区安装了几套,测试结果表明下载速率最快能到95.1Mbps,平均下载速率91.7Mbps,这跟有线上网速率基本一样,速率既高又稳。

2018719-20日,我们的100M上网系统在深圳市民中心展示,实时播放了帧率60FPS8K视频,获得了中国科学院的率先杯创新大赛的最高奖。目前国家推的5G商用也只是提4K电视直播,我们的可见光上网系统实时传输的视频是清晰度8K,帧率是60帧每秒。这就是新技术的实力。

5.半导体所产品研发——智能家居

除了上网,我们还做了智能家居系统。2019年在广州市国际会展中心展示了基于灯光对电器和机器人的控制,这套系统的特点是灯光照度20lx就能正常工作。低于建筑物内照明国标中所有场景的最低照度要求。因为车库的最低照度标准也有30lx

四、技术路线选择

作为一项无线通信新技术,如果可见光通信技术研究水平进入无人区,则团队领路人的技术路线选择就见仁见智。光源、探测器、调制解调、复用解复用、编码解码等都需要选择。

以光源选择为例,备选方案有荧光型LED、三基色甚至4色或5LED。照明工程师和通信工程师对光源的喜好可能还不一样。个人认为,如果要跟照明结合,建议优选荧光型LED

五、应用与思考

2008年,时任中国科学院院长的路甬祥院士认为“这可能是无线领域从电磁走向光传输的很好切入点!”。我们受路院长批示开始基于“半导体照明信息网”做可见光通信研究。因为国内外都是刚起步,我们需要从材料、器件、模块、系统全面布局做,但是我们的研究进展非常顺利。

我很感谢科学院2008年给我可见光通信这个先发研究机会。让我们2009年有机会参加工博会展示、2010年参加上海世博会展示。除了在北、上、广、深等地做成果展示外,2012年还到央视的“创新科技环球新锐榜”节目现场做了“光怪路由”的科普宣传。

利用无处不在的LED之光构建万物光互连新生态

十余年后的今天,环境好多了。现在,照明灯、车灯、路灯、显示器背光源、户外广告屏等都已经是LED了。大家可以利用这些无处不在的LED之光来构建万物光互连的新生态。因为所有LED都能通信;只是LED不同,通信速率不同。做的门槛变得容易,但是做好还是很难。考虑到团队不同,技术路线不同,建议大家做新技术研发时好好遴选领路人!

半导体所的可见光自给能通信

为了挖掘可见光通信的潜力,我们还研发了自给能通信系统,发表了学术论文也获得了发明专利。所谓自给能,就是说LED灯既照明又发送数据还要给接收机供能。接收机没有电池也不需要外接电源就能接收数据。希望未来。借助该技术,数据的无缘拷贝能成为技术主流。

可见光通信技术中国有优势

总的来说,新技术的应用要突破传统观念来想。中国有全世界最好的半导体照明产业作为可见光通信的配套支撑。可见光通信中国跟欧、美基本同步开始。国内做可见光通信的研究团队也很多,研究成果很有特色,许多成果代表国际水平。希望国内业界能把握难得的新技术变革机会,把可见光通信产业做起来。

分享三段视频

1. 基于荧光型LEDPIN1.393 Gbps单路实时传输系统 2010110日在半导体所1号楼303测试)

2. 北京公众创意坊——高速可见光通信系统(2017811日在北京电视台的“北京您早”节目段播出)

3. 陈氏智能家居(2019910日在中国科学院大学国际会议中心客房展示)

从第一段视频可以看到可见光收发模块跨接了将近31.2米的光学平台,安捷伦误码率测试仪的测试界面上能看到频率是1393MHz,对应通信速率是1.393Gbps,右下角是平均误码率1.539231e-005,也就是1.539的负5次方。

第二个视频中能看到光学平台上模块的速率是622Mbps100M可见光上网系统的下载平均速率94.2Mbps

第三个智能家居系统视频中,客房吸顶灯的三段调光和电视机的操控可以通过手机控制或者语音控制,其实该系统还支持智能场景功能,比如晚上10点先自动关电视机,10分钟后自动关灯。智能场景的操作,该视频中没有展示。

通过这些视频,大家能了解LED灯除了照明还能干哪些事。希望十几年可见光通信研究的成果能帮助大家认识LED灯泡价值。我们研究小组没有海归人员,成果都是自立更生做出来的。踏实科研真的不容易,也欢迎大家资助。

感谢极智课堂,也非常高兴能有机会跟大家一起探讨可见光通信的技术发展和应用创新。也希望与业界同仁多多交流探讨。

问答环节

1.能不能简单讲解下可见光通信技术出现好多年了,影响可见光通信技术(LiFi)产业化发展的主要因素有哪些

陈雄斌:可见光通信目前来看,主要是一些低速应用居多。高速产业化做得不是很好,高速可见光通信还是有难度。大家对于可见光通信尚不太了解,包括有怎样的能力,可能还存在一些误解,一些需求也没有出现。

高速是可见光通信的一大优点,但是高速现在做的话,不是特别实用化。未来如果家庭有限带宽很宽了,WiFi受到环境的射频信号干扰,做不了高速通信,若用可见光通信,高速可能才能找到它的机会。

2.想请教一下光通信的安全问题,因为您提到会和智能家居智慧城市等互联,系统侵入之类是否有风险?普通家庭大概多少瓦的灯就可以满足基本上网?开灯会抑制褪黑素,但智能电视等都需要连接网络。

陈雄斌:可见光通讯的照度情况,跟通讯速率或者业务有关系。比如我们现在能做到的水平智能家居这部分,实验室是50平方,总共一盏15瓦的灯就够了,整个房间能够覆盖。如果要用来上网。我们做到的目前的照度是要求大概300lx左右的情况,能做到100兆的上网。有做智能家居比20lx低很多的都可以。

3.照明有不同的色温。哪个色温最适合和通信结合。难度主要是在光源上还是发射上?

陈雄斌:如果以荧光型LED为例。色温越高的话,里面的蓝光成分就会比较多一些,蓝光适合做高速通信。如果荧光这部分光也要做通讯的话,通常能做到几兆BPS,如果速率更高的话,基本上都是靠蓝光去做通讯。从这个原理上来看,应该是色温越高,越适合做可见光通信。

可见光通信的难度主要还是在发射部分。接收部分已有光纤通信、放大电路等都做得很好。探测器的话,可见光的探测器会比较麻烦一些,也能做高速的响应。主要是光源不好做高速调制。

4.实验测试中,通讯速率和带宽的提升,全都是直接优化通信系统吗?有从LED器件上提升吗?

陈雄斌:如果带宽提高,肯定系统带宽也上去了,也可以从别的地方去做,比如我们用带宽有限的器件,通过外围加一些东西,做一些非线性补偿或者做均衡,能够利用带宽有限的器件来实现高速通信,把它的系统带宽提高。国内外很多同行也在采取与我们相同的技术路径,也有越来越多的人做带宽拓展。

5.可见光通信产业化道路上还有哪些问题待克服?请大胆预测一下还有多少年可进入商用化?

陈雄斌:可见光通信现在已商用化,只是量不大。现在的问题可能是要找到一个突破口。就是有一个目标产品让大家觉得真的非常好用,找到这样的一个点,以后会有爆发性增长。

比如我们现在做的智能家居系统,个人认为是可以商用的,但有多少人愿意购买或者去进行商业推广,这部分可能是研究所比较难做到的。

6.目前商用系统的技术除了您讲解集中应用以外,还可以在哪些领域进行应用,能不能多讲解下?

陈雄斌:个人角度,一个是用于射频敏感区做无线通信,二是利用已有的照明和显示光源来复用实现通信功能,包括地铁站,人口密集区做上网通讯,以及在核电站,用来做室内定位导航等。

7.芯片的研究处于整个产业链的核心部分,目前在可见光通信领域有没有成熟芯片组设计?

陈雄斌:商用芯片组目前应该是没有,科研的芯片能实现一些基本功能或者指标,未来伴随产业化需求,可能会去落实芯片的商品化。

8.可见光通信要用到的器件都成熟了吗,如光源、PD等等?

陈雄斌:光源是商用照明用LED,肯定可以做可见光通信。探测器目前使用较多的是硅的探测器。

目前可见光通信主要是使用这些商业化器件。如果定制化、专用的光源和探测器能做到商业化程度,并且性能优化,那么可见光通讯的性能还能够进一步提升。但要做到商业化推广必须要保证可靠性。(文字根据直播内容编辑整理,略有删减,仅供参考)


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