半导体照明信息网技术简述

半导体照明信息网是将通信与照明结合在一起，以更低的能耗及成本，提供照明及具有安全性、可靠性宽带数据接入的新型技术。

一、半导体照明时代的来临

半导体照明具有节能、长寿命、环境友好等优点。基于这些优点，半导体照明已被广泛用于液晶显示屏背光源、全彩大屏幕显示、汽车头尾灯、交通信号灯、景观照明等领域。随着LED发光效率的不断提高及制造成本的逐步降低，LED灯正逐步取代传统白炽灯、荧光灯而成为室外和室内照明的主体。由于LED光源的广泛应用，半导体照明时代的来临成为将通信网络嵌入到照明网络的契机。

图1 LED灯发光效率与传统灯具的比较

图2 通信网络传输容量发展示意图

二、照明与网络通信结合将开辟照明和信息交叉的新领域

半导体照明光源与传统照明光源相比，具有高速调制的优势，将照明光源作为信息发射源，实现空间自由通信，具有较强应用前景。同时，基于半导体照明的可见光通信技术以其带宽高、无电磁污染、安全性好、功耗低、无须新增专用网络和频率许可证、具有一定的移动性、节能环保等优点，将成为网络用户终端的接入方式之一，并且随着半导体照明技术的进一步发展和半导体照明的日渐普及，未来有可能成为网络终端的主要接入方式。

1.半导体照明信息网的特点

目前的室内通信网络主要指覆盖范围在10m半径以内的短距离无线网络，即所谓无线个人局域网络(Wireless Personal Area Network, WPAN)。WPAN是指在个人周围空间形成的无线网络，能在便携式消费者电器和通信设备之间进行短距离连接的自组织网。从网络构成上来看，WPAN位于整个网络架构的底层，用于很小范围内的终端与终端之间的连接，即点到点的短距离连接。WPAN是基于计算机通信的专用网，在个人操作环境中工作，把需要相互通信的装置构成一个网络，且无须任何中央管理装置及软件。

用于无线个人局域网的通信技术有很多，如蓝牙、红外、HomeRF等。蓝牙是由爱立信、英特尔、诺基亚、IBM和东芝等公司于1998年5月联合推出的一种短距离无线通信技术，它可以用于在较小的范围内通过无线连接，实现固定设备或移动设备之间的网络互联，从而在各种数字设备之间实现灵活、安全、低功耗、低成本的语音和数据通信。蓝牙技术的一般有效通信范围为10m，最高可达100m左右，其传输速率最高可达lMb/s。

IrDA(Infrared Data Association)是国际红外数据协会的英文缩写，IrDA技术是一种利用红外线进行点对点短距离通信的技术。IrDA技术的主要特点有：利用红外传输数据，无须专门申请特定频段的使用执照，且体积小、功率低;由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较小，数据传输速率高，速率可达16Mb/s。IrDA技术缺陷主要有：受视距影响其传输距离短;要求通信设备的位置固定;其点对点的传输连接，无法灵活地组成网络等。

HomeRF是在家庭区域范围内的计算机和电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准，为家庭用户建立具有互操作性的音频和数据通信网带来了便利。它工作在开放的2.46Hz频段，室内覆盖范围约45m，最高数据传输速率为10Mb/s。目前HomeRF技术仅获得了少数公司的支持，并且由于在抗干扰能力等方面与其他技术标准相比也存在不少缺陷，这些使得HomeRF技术的应用和发展前景受到限制。

与上述技术相比，半导体照明信息网有如下突出的特点：

采用光学链路传输数据，无需频率许可，无电磁污染，有利于人体健康;利用照明网络进行通信;用来传输信号的可见光不能穿透墙壁和门窗，私密性强，安全性高。

具体参数比较见表1。

半导体照明信息网符合“节能减排”的要求，以更低的能耗和更低的成本(通信与照明一体)为代价，提供更高的安全性、可靠性和更快的数据传输速率。在应用领域方面，其需求来自射频敏感区域、信息安全性应用、汽车工业、交通信息管理、办公室照明和互连网接入、数字家庭等多个方面。半导体照明信息网将成为一个重要的工业领域。

根据半导体照明信息网的特点，目前其主要应用为射频敏感区域场景，包括飞机内无线网络系统、医疗场所内有移动性要求的无线接入等方面，后者为室内应用。因为半导体照明信息网在安全性方面的优势，其在信息安全性应用领域，如军事基地等场所预计也会得到广泛的应用。

2.各国半导体照明信息网研究进展

目前，美国、欧洲、日本和韩国等发达国家和地区都投入了人力和物力从事相关技术的研究与开发工作。

美国在半导体照明方面的研究处于世界前列，但在半导体照明信息网方面的研究起步较晚。为了迅速赶上其他国家，成立了由波士顿大学(负责LED通信、计算机网络系统技术研究)、伦斯勒理工学院(负责新材料器件技术与系统应用)、新墨西哥大学(负责纳米材料、器件、生物成像和显示的测试平台建设)组成的照明中心。其经费来源于国家科学基金(NSF)、纽约州、伦斯勒市以及18家企业合作伙伴。其中，来自NSF的资金投入达到5年1850万美元(下同)，纽约州政府第一年的经费投入为70万元，伦斯勒市政府第一年的经费投入为50万元，来自18家企业合作伙伴第一年的经费投入为100万元，预计今后10年累计的经费投入达到5000万元。目前，波士顿大学已经开发出了通过两个装配有LED灯的手电筒实现两台笔记本电脑之间数据传输的演示系统波音公司也在从事用于飞机上的多媒体娱乐系统的研究与开发。

欧洲在这方面也开展了大量的研究与开发工作，代表性的研究者包括英国牛津大学、剑桥大学、帝国理工学院、德国西门子公司、法国电信等。如英国牛津大学提出了采用前置均衡和后置均衡提高数据传输速率的方法，并且研制出了点到点的音乐播放演示系统(数据传输速率小于1Mb/s)以及传输距离为2m的2.5Mbit/s单向通信;西门子公司利用白光LED实现了速率大于500Mb/s的点到点数据传输。[!--empirenews.page--]

日本庆应义塾大学发起并于2003年10月成立了产、学、研相结合的战略联盟-可见光通信联盟(VLCC)，成员包括通信、照明、LED制造、功率电子、电子制造等方面的公司，其目的是通过市场研究、推广和标准化工作，建立安全、无处不在的可见光通信网络。VLCC不仅重视先进技术的研究与开发，也很注重行业标准的研究工作，于2007年提出了两项标准被日本电子与工业技术联合会采纳(可见光通信系统标准CP-1221及可见光ID系统标准CP-1222)。目前开展的研究工作涉及可见光通信的多个方面。比如：利用发光二极管阵列实现了单管传输速率为5Mb/s的数据传输以及用于仓储管理系统的光学标签(数据传输速率为4.8Kb/s)等。其中部分研究与半导体照明光通信有关。

国内也有一些科研机构开展了VLC通信研究工作，如中科院半导体所、清华大学、暨南大学、江苏大学、北邮、复旦大学等，代表性的应用演示是中科院半导体所在2010年上海世博会期间于航空馆和沪上.生态家馆演示的半导体照明信息网系统，如图3所示。

图3 中科院半导体所研制的半导体照明信息网络系统在世博会的展示

半导体照明信息网的关键核心技术包括适用于信息网的半导体照明LED的材料及器件、光收发部件、网络结构和协议的研究及系统等，牵涉到光学、电学、半导体学、材料学、机械学、通信学、生物学等多个学科的交叉，具有很强的技术先进性和创新性。

半导体照明信息网作为信息网络的末端，天然适合作为射频敏感区域唯一的无线接入方式、适合作为具有信息安全性要求应用的无线接入方式。将照明系统和通信网络复合在一个系统中，与分别布设两种系统相比，具有成本方面的优势。同时，半导体照明信息网与光网络相衔接，带宽高、安全性高，且具有移动性，有望在射频敏感区域、信息安全应用领域得到大规模应用，并逐步拓展到汽车工业、交通信息管理、办公室照明和互连网接入、数字家庭等多个方面，其市场前景非常广阔。（本文选自《半导体照明》杂志第40期）