半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)述

半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)是將通信與照明結(jié)合在一起，以更低的能耗及成本，提供照明及具有安全性、可靠性寬帶數(shù)據(jù)接入的新型技術(shù)。

一、半導(dǎo)體照明時(shí)代的來(lái)臨

半導(dǎo)體照明具有節(jié)能、長(zhǎng)壽命、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。基于這些優(yōu)點(diǎn)，半導(dǎo)體照明已被廣泛用于液晶顯示屏背光源、全彩大屏幕顯示、汽車(chē)頭尾燈、交通信號(hào)燈、景觀照明等領(lǐng)域。隨著LED發(fā)光效率的不斷提高及制造成本的逐步降低，LED燈正逐步取代傳統(tǒng)白熾燈、熒光燈而成為室外和室內(nèi)照明的主體。由于LED光源的廣泛應(yīng)用，半導(dǎo)體照明時(shí)代的來(lái)臨成為將通信網(wǎng)絡(luò)嵌入到照明網(wǎng)絡(luò)的契機(jī)。

圖1 LED燈發(fā)光效率與傳統(tǒng)燈具的比較

圖2 通信網(wǎng)絡(luò)傳輸容量發(fā)展示意圖

二、照明與網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)合將開(kāi)辟照明和信息交叉的新領(lǐng)域

半導(dǎo)體照明光源與傳統(tǒng)照明光源相比，具有高速調(diào)制的優(yōu)勢(shì)，將照明光源作為信息發(fā)射源，實(shí)現(xiàn)空間自由通信，具有較強(qiáng)應(yīng)用前景。同時(shí)，基于半導(dǎo)體照明的可見(jiàn)光通信技術(shù)以其帶寬高、無(wú)電磁污染、安全性好、功耗低、無(wú)須新增專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)和頻率許可證、具有一定的移動(dòng)性、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，將成為網(wǎng)絡(luò)用戶終端的接入方式之一，并且隨著半導(dǎo)體照明技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和半導(dǎo)體照明的日漸普及，未來(lái)有可能成為網(wǎng)絡(luò)終端的主要接入方式。

1.半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)的特點(diǎn)

目前的室內(nèi)通信網(wǎng)絡(luò)主要指覆蓋范圍在10m半徑以內(nèi)的短距離無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，即所謂無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(Wireless Personal Area Network, WPAN)。WPAN是指在個(gè)人周?chē)臻g形成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，能在便攜式消費(fèi)者電器和通信設(shè)備之間進(jìn)行短距離連接的自組織網(wǎng)。從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成上來(lái)看，WPAN位于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的底層，用于很小范圍內(nèi)的終端與終端之間的連接，即點(diǎn)到點(diǎn)的短距離連接。WPAN是基于計(jì)算機(jī)通信的專(zhuān)用網(wǎng)，在個(gè)人操作環(huán)境中工作，把需要相互通信的裝置構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，且無(wú)須任何中央管理裝置及軟件。

用于無(wú)線個(gè)人局域網(wǎng)的通信技術(shù)有很多，如藍(lán)牙、紅外、HomeRF等。藍(lán)牙是由愛(ài)立信、英特爾、諾基亞、IBM和東芝等公司于1998年5月聯(lián)合推出的一種短距離無(wú)線通信技術(shù)，它可以用于在較小的范圍內(nèi)通過(guò)無(wú)線連接，實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而在各種數(shù)字設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)靈活、安全、低功耗、低成本的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)通信。藍(lán)牙技術(shù)的一般有效通信范圍為10m，最高可達(dá)100m左右，其傳輸速率最高可達(dá)lMb/s。

IrDA(Infrared Data Association)是國(guó)際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(huì)的英文縮寫(xiě)，IrDA技術(shù)是一種利用紅外線進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短距離通信的技術(shù)。IrDA技術(shù)的主要特點(diǎn)有：利用紅外傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)須專(zhuān)門(mén)申請(qǐng)?zhí)囟l段的使用執(zhí)照，且體積小、功率低;由于采用點(diǎn)到點(diǎn)的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較小，數(shù)據(jù)傳輸速率高，速率可達(dá)16Mb/s。IrDA技術(shù)缺陷主要有：受視距影響其傳輸距離短;要求通信設(shè)備的位置固定;其點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳輸連接，無(wú)法靈活地組成網(wǎng)絡(luò)等。

HomeRF是在家庭區(qū)域范圍內(nèi)的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)字通信的開(kāi)放性工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為家庭用戶建立具有互操作性的音頻和數(shù)據(jù)通信網(wǎng)帶來(lái)了便利。它工作在開(kāi)放的2.46Hz頻段，室內(nèi)覆蓋范圍約45m，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mb/s。目前HomeRF技術(shù)僅獲得了少數(shù)公司的支持，并且由于在抗干擾能力等方面與其他技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相比也存在不少缺陷，這些使得HomeRF技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展前景受到限制。

與上述技術(shù)相比，半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)有如下突出的特點(diǎn)：

采用光學(xué)鏈路傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需頻率許可，無(wú)電磁污染，有利于人體健康;利用照明網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信;用來(lái)傳輸信號(hào)的可見(jiàn)光不能穿透墻壁和門(mén)窗，私密性強(qiáng)，安全性高。

具體參數(shù)比較見(jiàn)表1。

半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)符合“節(jié)能減排”的要求，以更低的能耗和更低的成本(通信與照明一體)為代價(jià)，提供更高的安全性、可靠性和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，其需求來(lái)自射頻敏感區(qū)域、信息安全性應(yīng)用、汽車(chē)工業(yè)、交通信息管理、辦公室照明和互連網(wǎng)接入、數(shù)字家庭等多個(gè)方面。半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)將成為一個(gè)重要的工業(yè)領(lǐng)域。

根據(jù)半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)的特點(diǎn)，目前其主要應(yīng)用為射頻敏感區(qū)域場(chǎng)景，包括飛機(jī)內(nèi)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、醫(yī)療場(chǎng)所內(nèi)有移動(dòng)性要求的無(wú)線接入等方面，后者為室內(nèi)應(yīng)用。因?yàn)榘雽?dǎo)體照明信息網(wǎng)在安全性方面的優(yōu)勢(shì)，其在信息安全性應(yīng)用領(lǐng)域，如軍事基地等場(chǎng)所預(yù)計(jì)也會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

2.各國(guó)半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)研究進(jìn)展

目前，美國(guó)、歐洲、日本和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都投入了人力和物力從事相關(guān)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作。

美國(guó)在半導(dǎo)體照明方面的研究處于世界前列，但在半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)方面的研究起步較晚。為了迅速趕上其他國(guó)家，成立了由波士頓大學(xué)(負(fù)責(zé)LED通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)研究)、倫斯勒理工學(xué)院(負(fù)責(zé)新材料器件技術(shù)與系統(tǒng)應(yīng)用)、新墨西哥大學(xué)(負(fù)責(zé)納米材料、器件、生物成像和顯示的測(cè)試平臺(tái)建設(shè))組成的照明中心。其經(jīng)費(fèi)來(lái)源于國(guó)家科學(xué)基金(NSF)、紐約州、倫斯勒市以及18家企業(yè)合作伙伴。其中，來(lái)自NSF的資金投入達(dá)到5年1850萬(wàn)美元(下同)，紐約州政府第一年的經(jīng)費(fèi)投入為70萬(wàn)元，倫斯勒市政府第一年的經(jīng)費(fèi)投入為50萬(wàn)元，來(lái)自18家企業(yè)合作伙伴第一年的經(jīng)費(fèi)投入為100萬(wàn)元，預(yù)計(jì)今后10年累計(jì)的經(jīng)費(fèi)投入達(dá)到5000萬(wàn)元。目前，波士頓大學(xué)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了通過(guò)兩個(gè)裝配有LED燈的手電筒實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)筆記本電腦之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难菔鞠到y(tǒng)波音公司也在從事用于飛機(jī)上的多媒體娛樂(lè)系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)。

歐洲在這方面也開(kāi)展了大量的研究與開(kāi)發(fā)工作，代表性的研究者包括英國(guó)牛津大學(xué)、劍橋大學(xué)、帝國(guó)理工學(xué)院、德國(guó)西門(mén)子公司、法國(guó)電信等。如英國(guó)牛津大學(xué)提出了采用前置均衡和后置均衡提高數(shù)據(jù)傳輸速率的方法，并且研制出了點(diǎn)到點(diǎn)的音樂(lè)播放演示系統(tǒng)(數(shù)據(jù)傳輸速率小于1Mb/s)以及傳輸距離為2m的2.5Mbit/s單向通信;西門(mén)子公司利用白光LED實(shí)現(xiàn)了速率大于500Mb/s的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸。[!--empirenews.page--]

日本慶應(yīng)義塾大學(xué)發(fā)起并于2003年10月成立了產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的戰(zhàn)略聯(lián)盟-可見(jiàn)光通信聯(lián)盟(VLCC)，成員包括通信、照明、LED制造、功率電子、電子制造等方面的公司，其目的是通過(guò)市場(chǎng)研究、推廣和標(biāo)準(zhǔn)化工作，建立安全、無(wú)處不在的可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)。VLCC不僅重視先進(jìn)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)，也很注重行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究工作，于2007年提出了兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)被日本電子與工業(yè)技術(shù)聯(lián)合會(huì)采納(可見(jiàn)光通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)CP-1221及可見(jiàn)光ID系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)CP-1222)。目前開(kāi)展的研究工作涉及可見(jiàn)光通信的多個(gè)方面。比如：利用發(fā)光二極管陣列實(shí)現(xiàn)了單管傳輸速率為5Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸以及用于倉(cāng)儲(chǔ)管理系統(tǒng)的光學(xué)標(biāo)簽(數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8Kb/s)等。其中部分研究與半導(dǎo)體照明光通信有關(guān)。

國(guó)內(nèi)也有一些科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展了VLC通信研究工作，如中科院半導(dǎo)體所、清華大學(xué)、暨南大學(xué)、江蘇大學(xué)、北郵、復(fù)旦大學(xué)等，代表性的應(yīng)用演示是中科院半導(dǎo)體所在2010年上海世博會(huì)期間于航空館和滬上.生態(tài)家館演示的半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 中科院半導(dǎo)體所研制的半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在世博會(huì)的展示

半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)包括適用于信息網(wǎng)的半導(dǎo)體照明LED的材料及器件、光收發(fā)部件、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和協(xié)議的研究及系統(tǒng)等，牽涉到光學(xué)、電學(xué)、半導(dǎo)體學(xué)、材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、通信學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科的交叉，具有很強(qiáng)的技術(shù)先進(jìn)性和創(chuàng)新性。

半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)作為信息網(wǎng)絡(luò)的末端，天然適合作為射頻敏感區(qū)域唯一的無(wú)線接入方式、適合作為具有信息安全性要求應(yīng)用的無(wú)線接入方式。將照明系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)合在一個(gè)系統(tǒng)中，與分別布設(shè)兩種系統(tǒng)相比，具有成本方面的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)與光網(wǎng)絡(luò)相銜接，帶寬高、安全性高，且具有移動(dòng)性，有望在射頻敏感區(qū)域、信息安全應(yīng)用領(lǐng)域得到大規(guī)模應(yīng)用，并逐步拓展到汽車(chē)工業(yè)、交通信息管理、辦公室照明和互連網(wǎng)接入、數(shù)字家庭等多個(gè)方面，其市場(chǎng)前景非常廣闊。（本文選自《半導(dǎo)體照明》雜志第40期）