可見光無線通信

產(chǎn)生背景

        WiFi技術(shù)已經(jīng)越來越普及，不過抱怨無線信號(hào)不穩(wěn)定、上網(wǎng)速度慢、WiFi熱點(diǎn)太少而用的人也越來越多。現(xiàn)在，有一項(xiàng)新技術(shù)可能會(huì)讓這些問題得到解決。
 

　　電燈泡一直以來被視作發(fā)明家夢(mèng)寐以求的靈感閃現(xiàn)的象征。不過對(duì)德國(guó)物理學(xué)家Herald Haas來說，電燈泡本身給他帶來了靈感。Haas和他愛丁堡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一項(xiàng)專利技術(shù)，利用一束閃光來無線傳輸數(shù)字信息，這類技術(shù)通常被稱作可見光通信(VLC)。
 

　　Haas表示：“我最大的設(shè)想就是將電燈泡變?yōu)?span id="4mh006o" class='hrefStyle'>寬帶通信設(shè)備。這樣電燈泡不僅能提供照明，也將成為一款必要的工具。”Haas認(rèn)為，通過給普通的LED燈泡加裝微芯片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用燈泡發(fā)送數(shù)據(jù)。而燈泡的閃爍頻率達(dá)到每秒數(shù)百萬次。
 

　　通過這種方式，LED燈泡可以快速傳輸二進(jìn)制編碼。但對(duì)裸眼來說，這樣的閃爍是不可見的，只有光敏接收器才能探測(cè)。Haas表示：“這類似于通過火炬發(fā)送莫爾斯碼，但速度更快，并使用了計(jì)算機(jī)能理解的字母表。”
 

　　這一技術(shù)意味著，只要你擁有電燈泡，就可以獲得無線互聯(lián)網(wǎng)連接。目前全世界的電燈泡數(shù)量約有140億盞。實(shí)際上，這也意味著任何路燈都可以成為互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)。
 

　　不過，被昵稱為“Li-Fi”的可見光通信技術(shù)并不只是能提升互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍。作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)，WiFi利用了射頻信號(hào)。然而，無線電波在整個(gè)電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對(duì)無線互聯(lián)網(wǎng)需求的增長(zhǎng)，可用的射頻頻譜正越來越少。
 

　　例如，當(dāng)在咖啡店中上網(wǎng)時(shí)，如果周圍上網(wǎng)的人越來越多，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)速變得很慢。3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也是如此。與此同時(shí)，根據(jù)思科的數(shù)據(jù)，每年通過移動(dòng)設(shè)備發(fā)送的信息量都在翻番。
 

　　Haas表示，他的技術(shù)將是問題解決方案的重要一部分。他表示：“可見光頻譜的寬度達(dá)到射頻頻譜的1萬倍。”這意味著可見光通信能帶來更高的帶寬。Haas表示，“Li-Fi”技術(shù)能帶來高達(dá)1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。
 

　　Haas認(rèn)為，他的技術(shù)有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，這就是不需要再新建任何基礎(chǔ)設(shè)施。而傳統(tǒng)射頻信號(hào)的發(fā)射需要能量密集的設(shè)備。他表示：“我們使用現(xiàn)有設(shè)備。可見光頻譜沒有得到利用，沒有得到監(jiān)管，我們可以進(jìn)行高速通信。”
 

　　不過這一技術(shù)也有著自身的局限。雅典Harokopio大學(xué)信息學(xué)講師Thomas Kamalakis推薦了Haas的技術(shù)，但也表示該技術(shù)的潛力不應(yīng)被高估。他表示：“一個(gè)明顯的問題是，可見光無法穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號(hào)將被切斷。”
 

　　英國(guó)華威大學(xué)工程學(xué)院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“問題在于，我們的手機(jī)如何使用可見光來通信？”
 

　　Haas表示，這是兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，但他也有簡(jiǎn)單的臨時(shí)解決方法。“如果光信號(hào)被阻擋，而你需要使用設(shè)備發(fā)送信息，你可以無縫地切換至射頻信號(hào)。”他認(rèn)為，可見光通信并不是WiFi的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而是一種相互補(bǔ)充的技術(shù)，這將有助于釋放頻譜空間。
 

　　他表示：“我們?nèi)孕枰猈iFi，需要射頻通信系統(tǒng)。你無法使用電燈泡向快速移動(dòng)的物體發(fā)送數(shù)據(jù)，或是向樹、墻和障礙物背后的物體發(fā)送數(shù)據(jù)。”在短期內(nèi)，可見光通信已可以實(shí)現(xiàn)一些小范圍應(yīng)用。例如，可以在飛機(jī)中使用該技術(shù)，幫助手機(jī)和筆記本上網(wǎng)，此外也可以在水下等無線電波無法傳播的場(chǎng)所使用該技術(shù)。
 

　　Haas指出，Li-Fi技術(shù)帶來了極高的安全性，因?yàn)榭梢姽庵荒苎刂本€傳播，因此只有處在光線傳播直線上的人才有可能截獲信息。[2]

技術(shù)原理

        可見光無線通信（稱為LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脈沖無線傳輸信息。根據(jù)不同速率在光中編碼信息完全可行，例如LED開表示1，關(guān)表示0，通過快速開關(guān)就能傳輸信息。由于LED的發(fā)光強(qiáng)度，人眼不會(huì)注意到光的快速變化。LiFi技術(shù)目前還處在于實(shí)驗(yàn)室階段，由Haas和他愛丁堡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明的一項(xiàng)專利技術(shù)。電燈泡一直以來被視作發(fā)明家夢(mèng)寐以求的靈感閃現(xiàn)的象征。與光纖通信擁有同樣的優(yōu)點(diǎn)，高帶寬，高速率，不同的是LiFi是使光傳播在我們周圍的環(huán)境中，自然光能到達(dá)的任何地方，就有LiFi的信號(hào)。LiFi技術(shù)是運(yùn)用已鋪設(shè)好的設(shè)備（無處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個(gè)微小的芯片，就能變成了類似于AP（WiFi熱點(diǎn)）的設(shè)備，使終端隨時(shí)能接入網(wǎng)絡(luò)。

缺點(diǎn)

        雖然LiFi確實(shí)有不受無線電信號(hào)干擾的優(yōu)勢(shì)，但其許多優(yōu)勢(shì)都因下述事實(shí)黯然失色：可見光不能穿透墻壁，這一關(guān)鍵事實(shí)使得WiFi獲得了很大優(yōu)勢(shì)。這種可視性限制提高了系統(tǒng)安全性，但目前尚不清楚信號(hào)接收的最小距離。可以設(shè)想的是，利用長(zhǎng)焦鏡頭和調(diào)整恰當(dāng)?shù)?span id="juyjh4n" class='hrefStyle'>光學(xué)傳感器，人們就可以截獲光學(xué)信號(hào)。TechCrunch表示，盡管LiFi被宣傳為一種可能的機(jī)載無線通信技術(shù)，但WiFi在大多數(shù)美國(guó)航空公司的大規(guī)模普及使得LiFi在飛機(jī)上的應(yīng)用前景越來越不樂觀。[3]

主要用途

        Li-Fi通過調(diào)節(jié)LED光輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。人類的眼睛無法覺察到快速的閃爍，但在桌面計(jì)算機(jī)上的接收器或移動(dòng)設(shè)備可以讀取信號(hào)，甚至可以把信號(hào)返回房間天花板上的信號(hào)收發(fā)器，提供雙向通信。但許多發(fā)光二極管用熒光粉涂層把藍(lán)色光轉(zhuǎn)化成白色光，這也限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省＿@項(xiàng)研究發(fā)表在光學(xué)快訊（Optics Express），哈斯和他的團(tuán)隊(duì)研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大改善現(xiàn)在的情形。激光器的高能量與光效率，傳輸數(shù)據(jù)的速率可以比LED快10 倍。不使用熒光粉，激光照明可以混合不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生白色光。這意味著每個(gè)波長(zhǎng)的光可以用作一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)通道，同樣的光波可以雙向傳輸，可以大大提高光傳輸數(shù)據(jù)的速率，愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)用了9個(gè)激光二極管。
 

        雖然基于LED的Li-Fi可達(dá)到10 Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率上限。激光傳輸數(shù)據(jù)的速率可以很容易超出100 Gb/s。
目前，這種設(shè)備目前還非常昂貴，愛丁堡大學(xué)正在尋求大規(guī)模生產(chǎn)來降低其成本，并且可以把它應(yīng)用到照明市場(chǎng)。寶馬i8 的前大燈就是基于該激光燈。[4]
 

參考資料

1. LiFi技術(shù)成功組網(wǎng) 速度比WiFi快百倍 ．網(wǎng)易[引用日期2015-12-2]
2. LiFi：可見光無線通信 ．LiFi：可見光無線通信
3. 取代WiFi？利用可見光通信的LiFi還任重道遠(yuǎn) ．騰訊[引用日期2015-12-2]
4. 愛丁堡大學(xué)的激光Li-Fi傳輸速度可突破100G每秒 ．鳳凰科技[引用日期2015-05-13]