可见光无线通信

产生背景

        WiFi技术已经越来越普及，不过抱怨无线信号不稳定、上网速度慢、WiFi热点太少而用的人也越来越多。现在，有一项新技术可能会让这些问题得到解决。
 

　　电灯泡一直以来被视作发明家梦寐以求的灵感闪现的象征。不过对德国物理学家Herald Haas来说，电灯泡本身给他带来了灵感。Haas和他爱丁堡大学的团队发明了一项专利技术，利用一束闪光来无线传输数字信息，这类技术通常被称作可见光通信(VLC)。
 

　　Haas表示：“我最大的设想就是将电灯泡变为宽带通信设备。这样电灯泡不仅能提供照明，也将成为一款必要的工具。”Haas认为，通过给普通的LED灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪烁频率达到每秒数百万次。
 

　　通过这种方式，LED灯泡可以快速传输二进制编码。但对裸眼来说，这样的闪烁是不可见的，只有光敏接收器才能探测。Haas表示：“这类似于通过火炬发送莫尔斯码，但速度更快，并使用了计算机能理解的字母表。”
 

　　这一技术意味着，只要你拥有电灯泡，就可以获得无线互联网连接。目前全世界的电灯泡数量约有140亿盏。实际上，这也意味着任何路灯都可以成为互联网接入点。
 

　　不过，被昵称为“Li-Fi”的可见光通信技术并不只是能提升互联网的覆盖范围。作为无线数据传输的最主要技术，WiFi利用了射频信号。然而，无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分。而随着用户对无线互联网需求的增长，可用的射频频谱正越来越少。
 

　　例如，当在咖啡店中上网时，如果周围上网的人越来越多，那么你会发现网速变得很慢。3G移动网络也是如此。与此同时，根据思科的数据，每年通过移动设备发送的信息量都在翻番。
 

　　Haas表示，他的技术将是问题解决方案的重要一部分。他表示：“可见光频谱的宽度达到射频频谱的1万倍。”这意味着可见光通信能带来更高的带宽。Haas表示，“Li-Fi”技术能带来高达1Gbps的数据传输速度。
 

　　Haas认为，他的技术有一个重要优点，这就是不需要再新建任何基础设施。而传统射频信号的发射需要能量密集的设备。他表示：“我们使用现有设备。可见光频谱没有得到利用，没有得到监管，我们可以进行高速通信。”
 

　　不过这一技术也有着自身的局限。雅典Harokopio大学信息学讲师Thomas Kamalakis推荐了Haas的技术，但也表示该技术的潜力不应被高估。他表示：“一个明显的问题是，可见光无法穿透物体，因此如果接收器被阻挡，那么信号将被切断。”
 

　　英国华威大学工程学院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“问题在于，我们的手机如何使用可见光来通信？”
 

　　Haas表示，这是两个现实问题，但他也有简单的临时解决方法。“如果光信号被阻挡，而你需要使用设备发送信息，你可以无缝地切换至射频信号。”他认为，可见光通信并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充的技术，这将有助于释放频谱空间。
 

　　他表示：“我们仍需要WiFi，需要射频通信系统。你无法使用电灯泡向快速移动的物体发送数据，或是向树、墙和障碍物背后的物体发送数据。”在短期内，可见光通信已可以实现一些小范围应用。例如，可以在飞机中使用该技术，帮助手机和笔记本上网，此外也可以在水下等无线电波无法传播的场所使用该技术。
 

　　Haas指出，Li-Fi技术带来了极高的安全性，因为可见光只能沿直线传播，因此只有处在光线传播直线上的人才有可能截获信息。[2]

技术原理

        可见光无线通信（称为LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脉冲无线传输信息。根据不同速率在光中编码信息完全可行，例如LED开表示1，关表示0，通过快速开关就能传输信息。由于LED的发光强度，人眼不会注意到光的快速变化。LiFi技术目前还处在于实验室阶段，由Haas和他爱丁堡大学的团队发明的一项专利技术。电灯泡一直以来被视作发明家梦寐以求的灵感闪现的象征。与光纤通信拥有同样的优点，高带宽，高速率，不同的是LiFi是使光传播在我们周围的环境中，自然光能到达的任何地方，就有LiFi的信号。LiFi技术是运用已铺设好的设备（无处不在的灯泡），只要在灯泡上植入一个微小的芯片，就能变成了类似于AP（WiFi热点）的设备，使终端随时能接入网络。

缺点

        虽然LiFi确实有不受无线电信号干扰的优势，但其许多优势都因下述事实黯然失色：可见光不能穿透墙壁，这一关键事实使得WiFi获得了很大优势。这种可视性限制提高了系统安全性，但目前尚不清楚信号接收的最小距离。可以设想的是，利用长焦镜头和调整恰当的光学传感器，人们就可以截获光学信号。TechCrunch表示，尽管LiFi被宣传为一种可能的机载无线通信技术，但WiFi在大多数美国航空公司的大规模普及使得LiFi在飞机上的应用前景越来越不乐观。[3]

主要用途

        Li-Fi通过调节LED光输出的数据进行编码。人类的眼睛无法觉察到快速的闪烁，但在桌面计算机上的接收器或移动设备可以读取信号，甚至可以把信号返回房间天花板上的信号收发器，提供双向通信。但许多发光二极管用荧光粉涂层把蓝色光转化成白色光，这也限制了数据传输的速率。这项研究发表在光学快讯（Optics Express），哈斯和他的团队研究表明，用激光二极管替换现有的LED灯可以大大改善现在的情形。激光器的高能量与光效率，传输数据的速率可以比LED快10 倍。不使用荧光粉，激光照明可以混合不同波长的光产生白色光。这意味着每个波长的光可以用作一个单独的数据通道，同样的光波可以双向传输，可以大大提高光传输数据的速率，爱丁堡大学团队的试验用了9个激光二极管。
 

        虽然基于LED的Li-Fi可达到10 Gb/s 的数据传输速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的数据传输速率上限。激光传输数据的速率可以很容易超出100 Gb/s。
目前，这种设备目前还非常昂贵，爱丁堡大学正在寻求大规模生产来降低其成本，并且可以把它应用到照明市场。宝马i8 的前大灯就是基于该激光灯。[4]
 

参考资料

1. LiFi技术成功组网 速度比WiFi快百倍 ．网易[引用日期2015-12-2]
2. LiFi：可见光无线通信 ．LiFi：可见光无线通信
3. 取代WiFi？利用可见光通信的LiFi还任重道远 ．腾讯[引用日期2015-12-2]
4. 爱丁堡大学的激光Li-Fi传输速度可突破100G每秒 ．凤凰科技[引用日期2015-05-13]