【极智课堂】陈雄斌：可见光通信技术及应用场景的思考

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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“可见光通信技术及应用场景的思考”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”。

2017年04月14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3KHz到300GHz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 THz到789 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5G的2019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1148Mbps，802.11ax (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）

用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2019年1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 421MHz。2014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2019年1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 Mbps、294 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2019年1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的 PJ期刊上发表了论文。2020年1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。