半導體照明信息網(wǎng)是將通信與照明結合在一起，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。

一、半導體照明時代的來臨

半導體照明具有節(jié)能、長壽命、環(huán)境友好等優(yōu)點?；谶@些優(yōu)點，半導體照明已被廣泛用于液晶顯示屏背光源、全彩大屏幕顯示、汽車頭尾燈、交通信號燈、景觀照明等領域。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照明的主體。由于LED光源的廣泛應用，半導體照明時代的來臨成為將通信網(wǎng)絡嵌入到照明網(wǎng)絡的契機。

圖1 LED燈發(fā)光效率與傳統(tǒng)燈具的比較

圖2 通信網(wǎng)絡傳輸容量發(fā)展示意圖

二、照明與網(wǎng)絡通信結合將開辟照明和信息交叉的新領域

半導體照明光源與傳統(tǒng)照明光源相比，具有高速調制的優(yōu)勢，將照明光源作為信息發(fā)射源，實現(xiàn)空間自由通信，具有較強應用前景。同時，基于半導體照明的可見光通信技術以其帶寬高、無電磁污染、安全性好、功耗低、無須新增專用網(wǎng)絡和頻率許可證、具有一定的移動性、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，將成為網(wǎng)絡用戶終端的接入方式之一，并且隨著半導體照明技術的進一步發(fā)展和半導體照明的日漸普及，未來有可能成為網(wǎng)絡終端的主要接入方式。

1.半導體照明信息網(wǎng)的特點

目前的室內通信網(wǎng)絡主要指覆蓋范圍在10m半徑以內的短距離無線網(wǎng)絡，即所謂無線個人局域網(wǎng)絡(Wireless Personal Area Network, WPAN)。WPAN是指在個人周圍空間形成的無線網(wǎng)絡，能在便攜式消費者電器和通信設備之間進行短距離連接的自組織網(wǎng)。從網(wǎng)絡構成上來看，WPAN位于整個網(wǎng)絡架構的底層，用于很小范圍內的終端與終端之間的連接，即點到點的短距離連接。WPAN是基于計算機通信的專用網(wǎng)，在個人操作環(huán)境中工作，把需要相互通信的裝置構成一個網(wǎng)絡，且無須任何中央管理裝置及軟件。

用于無線個人局域網(wǎng)的通信技術有很多，如藍牙、紅外、HomeRF等。藍牙是由愛立信、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線通信技術，它可以用于在較小的范圍內通過無線連接，實現(xiàn)固定設備或移動設備之間的網(wǎng)絡互聯(lián)，從而在各種數(shù)字設備之間實現(xiàn)靈活、安全、低功耗、低成本的語音和數(shù)據(jù)通信。藍牙技術的一般有效通信范圍為10m，最高可達100m左右，其傳輸速率最高可達lMb/s。

IrDA(Infrared Data Association)是國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會的英文縮寫，IrDA技術是一種利用紅外線進行點對點短距離通信的技術。IrDA技術的主要特點有：利用紅外傳輸數(shù)據(jù)，無須專門申請?zhí)囟l段的使用執(zhí)照，且體積小、功率低;由于采用點到點的連接，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16Mb/s。IrDA技術缺陷主要有：受視距影響其傳輸距離短;要求通信設備的位置固定;其點對點的傳輸連接，無法靈活地組成網(wǎng)絡等。

HomeRF是在家庭區(qū)域范圍內的計算機和電子設備之間實現(xiàn)無線數(shù)字通信的開放性工業(yè)標準，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)帶來了便利。它工作在開放的2.46Hz頻段，室內覆蓋范圍約45m，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為10Mb/s。目前HomeRF技術僅獲得了少數(shù)公司的支持，并且由于在抗干擾能力等方面與其他技術標準相比也存在不少缺陷，這些使得HomeRF技術的應用和發(fā)展前景受到限制。

與上述技術相比，半導體照明信息網(wǎng)有如下突出的特點：

采用光學鏈路傳輸數(shù)據(jù)，無需頻率許可，無電磁污染，有利于人體健康;利用照明網(wǎng)絡進行通信;用來傳輸信號的可見光不能穿透墻壁和門窗，私密性強，安全性高。

具體參數(shù)比較見表1。

半導體照明信息網(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，提供更高的安全性、可靠性和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。在應用領域方面，其需求來自射頻敏感區(qū)域、信息安全性應用、汽車工業(yè)、交通信息管理、辦公室照明和互連網(wǎng)接入、數(shù)字家庭等多個方面。半導體照明信息網(wǎng)將成為一個重要的工業(yè)領域。

根據(jù)半導體照明信息網(wǎng)的特點，目前其主要應用為射頻敏感區(qū)域場景，包括飛機內無線網(wǎng)絡系統(tǒng)、醫(yī)療場所內有移動性要求的無線接入等方面，后者為室內應用。因為半導體照明信息網(wǎng)在安全性方面的優(yōu)勢，其在信息安全性應用領域，如軍事基地等場所預計也會得到廣泛的應用。

2.各國半導體照明信息網(wǎng)研究進展

目前，美國、歐洲、日本和韓國等發(fā)達國家和地區(qū)都投入了人力和物力從事相關技術的研究與開發(fā)工作。

美國在半導體照明方面的研究處于世界前列，但在半導體照明信息網(wǎng)方面的研究起步較晚。為了迅速趕上其他國家，成立了由波士頓大學(負責LED通信、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)技術研究)、倫斯勒理工學院(負責新材料器件技術與系統(tǒng)應用)、新墨西哥大學(負責納米材料、器件、生物成像和顯示的測試平臺建設)組成的照明中心。其經(jīng)費來源于國家科學基金(NSF)、紐約州、倫斯勒市以及18家企業(yè)合作伙伴。其中，來自NSF的資金投入達到5年1850萬美元(下同)，紐約州政府第一年的經(jīng)費投入為70萬元，倫斯勒市政府第一年的經(jīng)費投入為50萬元，來自18家企業(yè)合作伙伴第一年的經(jīng)費投入為100萬元，預計今后10年累計的經(jīng)費投入達到5000萬元。目前，波士頓大學已經(jīng)開發(fā)出了通過兩個裝配有LED燈的手電筒實現(xiàn)兩臺筆記本電腦之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)难菔鞠到y(tǒng)波音公司也在從事用于飛機上的多媒體娛樂系統(tǒng)的研究與開發(fā)。

歐洲在這方面也開展了大量的研究與開發(fā)工作，代表性的研究者包括英國牛津大學、劍橋大學、帝國理工學院、德國西門子公司、法國電信等。如英國牛津大學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，并且研制出了點到點的音樂播放演示系統(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;西門子公司利用白光LED實現(xiàn)了速率大于500Mb/s的點到點數(shù)據(jù)傳輸。[!--empirenews.page--]

日本慶應義塾大學發(fā)起并于2003年10月成立了產(chǎn)、學、研相結合的戰(zhàn)略聯(lián)盟-可見光通信聯(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，其目的是通過市場研究、推廣和標準化工作，建立安全、無處不在的可見光通信網(wǎng)絡。VLCC不僅重視先進技術的研究與開發(fā)，也很注重行業(yè)標準的研究工作，于2007年提出了兩項標準被日本電子與工業(yè)技術聯(lián)合會采納(可見光通信系統(tǒng)標準CP-1221及可見光ID系統(tǒng)標準CP-1222)。目前開展的研究工作涉及可見光通信的多個方面。比如：利用發(fā)光二極管陣列實現(xiàn)了單管傳輸速率為5Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸以及用于倉儲管理系統(tǒng)的光學標簽(數(shù)據(jù)傳輸速率為4.8Kb/s)等。其中部分研究與半導體照明光通信有關。

國內也有一些科研機構開展了VLC通信研究工作，如中科院半導體所、清華大學、暨南大學、江蘇大學、北郵、復旦大學等，代表性的應用演示是中科院半導體所在2010年上海世博會期間于航空館和滬上.生態(tài)家館演示的半導體照明信息網(wǎng)系統(tǒng)，如圖3所示。

圖3 中科院半導體所研制的半導體照明信息網(wǎng)絡系統(tǒng)在世博會的展示

半導體照明信息網(wǎng)的關鍵核心技術包括適用于信息網(wǎng)的半導體照明LED的材料及器件、光收發(fā)部件、網(wǎng)絡結構和協(xié)議的研究及系統(tǒng)等，牽涉到光學、電學、半導體學、材料學、機械學、通信學、生物學等多個學科的交叉，具有很強的技術先進性和創(chuàng)新性。

半導體照明信息網(wǎng)作為信息網(wǎng)絡的末端，天然適合作為射頻敏感區(qū)域唯一的無線接入方式、適合作為具有信息安全性要求應用的無線接入方式。將照明系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡復合在一個系統(tǒng)中，與分別布設兩種系統(tǒng)相比，具有成本方面的優(yōu)勢。同時，半導體照明信息網(wǎng)與光網(wǎng)絡相銜接，帶寬高、安全性高，且具有移動性，有望在射頻敏感區(qū)域、信息安全應用領域得到大規(guī)模應用，并逐步拓展到汽車工業(yè)、交通信息管理、辦公室照明和互連網(wǎng)接入、數(shù)字家庭等多個方面，其市場前景非常廣闊。（本文選自《半導體照明》雜志第40期）