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Li-Fi技术持续突破 助推可见光照明通讯迈向商用化

日期: 2018-06-30
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可见照明通讯在短短几年间立即成为产官学研界热烈讨论的关键性发展课题。

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  近十年来在经由英国Herald Haas教授等人倡议自由空间照明与通讯两用的Light-Fidelity(Li-Fi)技术,以及在氮化镓(GaN)蓝光发光与雷射二极管组件制程技术及量产商品蓬勃发展态势之下,可见照明通讯在短短几年间立即成为产官学研界热烈讨论的关键性发展课题。在不久的将来,Li-Fi势必将因为其兼具照明与通讯整合的双重用途,而成为智能家居生活不可或缺的革命性技术。

  扩大应用范围 Li-Fi/Wi-Fi相辅相成

  Li-Fi是一种能与目前空间自由度最大的无线通信(Wi-Fi)以及传输比特率容量最高的光纤通讯网络彼此互补的技术,未来无论在室内或移动载具或水下等特殊空间地形或电磁遮蔽的环境都能有其发展的前景。另外,根据智能服务技术的最新研究显示,氮化镓蓝光发光二极管应用在自动载具光源上的市值金额将达十亿美元以上,并且预计未来光是自动载具之前后灯模块每年利润增长将超过一成,而发光二极管车用照明在未来几年随渗透率逐步提升将创造相当之利润。

  然而这些评估只单就车用照明部分且其估算未包含车用可见光通讯的潜在产值。在现今的交通系统中,交通信号如红绿灯仅局限于给与驾驶人视觉讯息之功能,并借此达成交通流量控管的目的。然而,这样的系统在信息爆炸的当今并不足以给予驾驶人如导航、交通与安全讯息等足够的信息。尤其在未来无人驾驶自动载具的开发与成熟推广方面,可防止碰撞、确保安全的周围环境参数快速监控系统的运作非常重要。

  可见光通讯加持 行车安全添战力

  因应车辆速度越快使得系统感测的容忍时间与距离都要更短,现今适用于自动载具的安全通讯传感器技术包括超音波、微波近程雷达和视讯识别等技术。为跳脱传统框架,车辆讯息和通讯系统(Vehicle Information and Communication System, VICS)的概念早于1996年被提出,其主要概念是利用设置于道路旁之光讯号源所发出之红外光,侦测路上行驶之自动载具并实时掌握交通讯息以期在第一时间控制交通流量。然而VICS迟至今日仍未能被真正地实用化的原因是大量的光信标设置会产生巨额之公共交通系统建构成本。

  为实现更为实际且低成本的次时代智能交通系统,遂有研究指出以发光二极管取代交通信号灯的方式来同时建构视觉讯息传达与可见光讯息通讯的可行性。该系统利用绿光发光二极管为传输光源携带二进制相移键控(Binary Phase Shift Keying, BPSK)直调数据,达成1Mbps传输速率且角度偏差容忍范围为5o与误码率为10-6之实验测试。

  随后,在2009年提出的一个新型道路与自动载具(Road-to-Vehicle, R2V)可见光通讯系统,传输正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying, QPSK)并达成60公尺1Mbps与40公尺2Mbps的自由空间可见光传输。

  为突破单向信息传输局限,2008年有研究提出自动载具间通讯系统(Inter-Vehicle Communication, IVC)的概念,利用现行网络架构如Wi-Fi与蓝牙作为载具间通讯的媒介,借此满足自动载具间大量通讯之需求如车间定位、流量管制、导航信息与行驶安全等。

  相关研究为实现自动载具间IVC,已经利用头灯与定位灯结合展示了100Mbps之可见光传输系。2013年更有研究团队利用自动载具之发光二极管头灯携带脉波位置调变(Pulse Position Modulation, PPM)数据格式达成10kbps与20公尺之可见光传输。此外,2014年已研究证实了当发光二极管头灯的偏移位置在0.2~0.4公尺内时,其所建构之车对车(C2C)可见光传输系统仍能有传输距离为20公尺且传输速率为2Mbps之性能。

  为达成智能交通系统,结合车辆讯息通讯与自动载具间通讯两项技术为一具有潜力的解决方案,其借助道路旁之交通信号和自动载具之头灯与定位灯达成多方讯息传输与交换,借此提供车间定位、流量管制、导航信息与行驶安全等应用。然而在这样的概念下,自动载具之移动速度必定会影响接收端所能撷取数据的时间,如自动载具的高速移动会使接收角快速偏移而导致接收端无法完整接收信息。

  显然,在移动载具间的可见光通讯系统如何提升单位时间内信息传输容量成为现阶段一项极大挑战,同步发展可耐受高速移动而不牺牲数据传输系统速率之可见光照明通讯源将成为下一步研究的热点。因此,雷射光测距与通讯感测技术也于近期被评估与应用,特别是因为使用高调变带宽的氮化镓蓝光雷射二极管所能提升的高影像解析深度,以及其未来与氮化镓蓝光敏晶体管的单晶化制程兼容性,将使得成像感测速度较之使用硅晶体管驱动之相同模块有一个数量级以上提升的优势。

  因此利用氮化镓蓝光雷射二极管作为光源进行下一时代无人驾驶自动载具之间(Vehicle-to-Vehicle, V2V)的通讯与感测技术研发,以其高速传输性能优化避免碰撞和盲点检测系统,与优化成像速度和影像深度对比的产品或许相当可行。若再配合分波多任务分配所需信息,更可建立可见光通讯智能型运输系统,借以实时控制自动载具动向与撷取其信息如速度、位置、行进方向以及行车状况,进而达成次时代无人驾驶自动载具之愿景,使交通环境更安全与便捷,其概念如图1所示。

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图1 Li-Fi系统搭配D分波多任务PON建构智能型运输系统。数据来源:SMF:Single-mode fiber。Sweet Home 3D, Copyright(c) 2005-2015 Emmanuel PUYBA RET/eTeks

  基于上述不论是智能住宅照明通讯或是车用照明通讯感测等次时代应用技术需求,可见光照明与通讯两用Li-Fi光源与相关讯号处理模块等产品的研发需求已势不可挡。理论上,建构Li-Fi系统的关键在于寻求可同时提供长效照明与高速传输能力之可见光源。目前的白光照明光源主流关键产品是LED,因具高亮度、低功耗及长寿命等优点而被广泛应用于公共建设与信息产品作为标准光源。因此,使用发光二极管来建立Li-Fi系统一直以来被认为是具有创造性与长期开发价值的普世解决方案。

  为实现可同时提供照明与数据传输之白光发光二极管,目前的研究多以红绿蓝三色发光二极管混成白光光源或引用黄磷光体(Yellow Phosphor)使蓝光发光二极管输出转化为白光光源。基本上,以氮化镓蓝光发光二极管加上色转换荧光体产生的白光照明光源,比利用红蓝绿三色发光二极管混成的白光产生技术更能降低光源复杂度与系统成本。然而,此二者所使用的传统发光二极管其内部量子效率与光取出率受限于组件接口之内部反射效应,使得部分由主动层激发的光子被局限于组件内部导致输出光功率受限。

  为突破此限制,遂有具备高内部量子效率、光取出率与调变带宽的微型发光二极管(μLED)数组因而被提出。

  Li-Fi光源潜力股 微型发光二极管数组

  2017年起在发光二极管与雷射二极管(LD)组件技术上都有新的发展,发光二极管的尺寸缩小化成为微型发光二极管后导致其响应速度变快,调变带宽变大,LD成长在不同指向基板的组件同调(Coherence)性能优化,使得雷射输出线宽变窄,直调带宽扩大。

  上述的发展都将有利于可见光通讯整体可传输比特率容量的提升。在硬件技术方面方面要同时兼顾照明性能需求的光源带宽提升与荧光粉体的荧光转换活期缩短,咸认是白光照明Li-Fi具备足够下传比特率而能初步商品化与普及化的关键。然而不可避免的是在采用荧光色转换技术时所需的载子能阶跃迁,因为具有一定的弛豫时间而仍然会相对地降低蓝光发光二极管的调变带宽,进而限制Li-Fi系统传输容量。

  所幸近年学术界在转移波长荧光材料研发上也有重要的进展,可以商业化量产且活期短至数纳秒的荧光材料已经问世。上述这些高速组件与材料将有机会使白光Li-Fi的传输速度达到数量级的提升。如果是使用蓝光雷射二极管取代发光二极管配合荧光粉体形成的白光光源,在带宽方面毫无问题但须考虑如何提升流明效率、调控演色度与控制残余蓝光强度以免危害人眼等问题。若使用紫外波长雷射二极管搭配荧光粉体的技术,如此一来可以避开人眼敏感的蓝光区残余光量稍为减轻蓝光危害,二来可以拓宽波长转换后黄绿光区带宽对演色度的调整更有帮助。

  除了现有的氮化镓蓝光雷射二极管之外,日本住友商事为此极具市场价值的未来应用甚至已先一步开发出绿光侧射型雷射二极管。而分波多任务技术也被视为建构高速可见光通讯传输系统的一个有效方案。在目前的研究中,分波多任务可见光传输系统多以红蓝绿光源混成形式作为传输光源,其不仅可达成三载波之分波多任务传输,同时也可提供白光照明。为实现分波多任务可见光传输系统,有研究工作首先于2011年以波长为700、530与470nm之红蓝绿发光二极管数组建构分波多任务可见光传输系统[8],并在使用离散多载波调变(Discrete Multitone, DMT)作为调变格式时可得传输误码率为2×10-3,其值小于前向错误更正准则(Forward Error Correction, FEC)所规定之误码率3.8×10-3。

  为降低分波多任务可见光传输系统的建构成本以提升其商品化之可能性,2012年时也有研究团队提出了以市售之671nm红光与532nm绿光雷射笔建构双波长分波多任务可见光传输系统[9],并使用NRZ-OOK数据格式。在接收端借助前置放大器与可适性滤波器的帮助,成功进行了10公尺自由空间传输,且在各波长达到500Mbps传输速率下,误码率小于10-9。

  此外,目前的商业化系统因为使用较低频谱利用率的传统数字讯号格式,所以无法在相同的发光二极管或雷射二极管有限带宽内再提升其比特率。未来期待重要的突破之一,是必须将目前在实验室发展中,且在无线网络中广泛使用的高带宽使用率位格式讯号收发电路与模块技术,实际应用到Li-Fi商用模块才能更进一步促进Li-Fi与现阶段4G甚或是下一阶段5G无线网络技术达到兼容互补。

  目前白光照明Li-Fi系统中为提升可调变频谱的使用率以增加总通讯比特率容量,多以无载波振幅相位与多进制正交振幅调变-正交分频多任务(QAM-OFDM)作为调变格式。借助以上各种软硬件技术的交叉运用,Tsonev与其研究团队使用蓝光微型发光二极管在2014年时首度进行了比特率为3Gbps的OFDM可见光传输,其在自由空间传输距离为5公分时可达成误码率<2×10-3之传输性能。为了进一步提升白光照明Li-Fi系统的传输容量与距离,用蓝光雷射二极管取代蓝光发光二极管具有可自由使用的直调带宽高(~GHz)、不受电磁波影响且在大气中传输损耗小等优点,更是使蓝光雷射转白光照明Li-Fi具有极高潜力成为次时代可见光无线通信的主轴。

  因此,Watson与其研究团队于2013年时利用波长为422与450nm的蓝光雷射二极管携带非归零(Non-Return-to-Zero, NRZ)开关键控(On-Off Keying, OOK)达成2.5Gbps之自由空间传输,此外,Chi与其研究团队更于2015年以中心波长为450nm的氮化镓蓝光雷射二极管,建构了16-QAM OFDM数据链结进行传输容量可达9Gbps与传输误码率低于3.6×10-3且距离可达9公尺之自由空间传输。

  这些研究工作证明了应用氮化镓蓝光发光二极管/雷射二极管于Li-Fi系统以同时实现白光照明与可见光无线通信之可行性。为进一步提供白光照明,有研究同侪在2013年首次使用市售的红蓝绿型白色发光二极管建构分波多任务可见光传输系统,并采用了使用OFDM与CAP调变格式,此外,他们也引入预补偿和判别回授均衡器(Decision Feedback Equalization, DFE)等技术来改善红蓝绿型白色发光二极管之频率响应所造成之传输性能劣化。

  在分别优化三波长发光二极管所携带的CAP数据格式后,其成功地进行了3.22Gbps传输速率且白光传输25公分自由空间,其传输误码率皆小于10-3。除了使用可增加带宽使用率之OFDM调变格式来大幅提升传输比特率之外,为了提升光源的调变带宽,另一研究团队于2016年使用商用红蓝绿雷射二极管来建构高速可见光无线传输系统[10],由于雷射光源有较好的同调性、3-dB调变带宽与光电转换效率,因此可以使用高阶之OFDM格式讯号来大幅提升传输比特率,最后以16-QAM OFDM格式讯号达到总传输比特率为8Gbps,并且以传输距离0.5公尺模拟了室内无线传输。

  除此之外,以红蓝绿雷射二极管为基础的系统同时也可以提供色温约8000K之白光照明,且照度与演色性指数可分别达到54.4与7540流明。此外,同年亦有研究分别利用商用Phosphor白光发光二极管与RGD发光二极管作为上下行光源建构全双工可见光传输系统[11]。其中,他们利用了次载波多任务(Subcarrier Multiplexing, SCM)技术来实现分波多任务系统,并采用QAM-OFDM数据格式。

  另一方面,为提升传输光源的性能,2014年遂有研究利用波长范围为684-685.5nm之四颗红光垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)作为传输光源建构分波多任务可见光传输系统[13],并搭配空间光调变器(Spatial Light Modulator, SLM)调变16-QAM OFDM格式讯号于传输光源上,达成传输速率达2.5×4Gbps之15公尺自由空间传输。

  以上研究证明了分波多任务可见光传输系统之潜力,若将分波多任务可见光技术引入自动载具通讯系统中,并配合氮化镓蓝光雷射二极管与发光二极管,可建构能同时提供大量自动载具高速存取且成本低廉之可见光照明/传输系统。

  老将新秀争相卡位 Li-Fi商用进入萌芽期

  截至目前为止,在国外有许多公司已经有前瞻的商业化可见光照明通讯产品问世,例如英国Haas教授参与创立的PureLi-Fi的Li-Fi-X是一款可与笔电连接使用的轻便式产品。另外还有VLNComm的Overhead-light Prototype头灯模块,以及Velmenni发展专门给Li-Fi收发器模块使用的卡式Router硬件与软件模块。飞利浦照明更收购了Luciom准备大肆发展Li-Fi&Smart lighting技术与产品。

  近期台大与UCSB合作在蓝光雷射转换白光Li-Fi系统中对蓝光雷射二极管光源、光收集透镜与接收器方面进行优化,更使得蓝光雷射进行接近20公尺点对点的传输的容量提升到18Gbps[15]。UCSB的研究群则已有更新的蓝光雷射二极管制程技术,能进一步提升蓝光雷射二极管直调带宽至5GHz以上,预期未来这种新型雷射二极管组件将促使20~30Gbps比特率的高频谱利用率传输成为可能。

  工研院电光所方面也已经在照明通讯产业联盟以及实体Li-Fi网络布建方面有所斩获,例如在教学医院建置发光二极管照明与通讯网络,初步已经成功实现单向Li-Fi定位与传输能力。未来Li-Fi应该会是一个使用上方向自由度仅次于Wi-Fi的通讯产品,并且能够与无线网络Wi-Fi与有线光网络PON发挥极佳的互补作用。

  可以预期的是Li-Fi全面性大量的商业用途应该还需要五至十年的发展时程,全球对于这种兼具照明与通讯功能的Li-Fi技术在十年内商业化普及秉持审慎乐观态度。

  支持多种应用 Li-Fi发展前景可期

  不论大型卖场仓储与集会展演空间,或是机船载具客舱及医疗院所等须避免电磁干扰的环境,甚至是水下照明感测探勘等特殊用途都有可能是Li-Fi照明通讯的潜力应用场域。

  除了这些受瞩目的发展之外,如何有效运用光学组件与加强接收器增益提高在接收端讯号噪声比也是一项挑战。此后如何由照明装置单向定位与传输的局限性功能,迈向个人手持与桌上型照明与通讯装置也能双向传输应是下一时代重要研发课题。


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