Li-Fi：不需要無線電的無線連接技術

目前，WiFi、3G/4G蜂窩網(wǎng)絡和相關技術在各個領域都被應用的很好，我們每個人以及日益增加的物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設備都在采用這些技術，這也導致網(wǎng)絡容量已經快接近極限。因此，我們需要提升基于無線電的網(wǎng)絡容量來滿足帶寬的需求，這是具有挑戰(zhàn)性的。

基于無線電網(wǎng)絡訪問帶寬增長的一個關鍵挑戰(zhàn)是射頻頻譜的可用性，它可以分為兩種：

授權的頻譜需要由政府機構 (比如美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)) 專門授予，被特定的無線電應用、特定的用戶組使用，通常被用在特定的區(qū)域。由于需求巨大，全國范圍內的射頻授權的費用可能要數(shù)十億美元。人們不斷努力的將頻譜從較舊的，利潤較低的領域中解放出來，并將其轉移到5G蜂窩網(wǎng)絡等領域。然而，這也存在一些問題。比如，隨著頻譜被接管，數(shù)十億臺電視機或其他無線電設備將被淘汰。因此，授權頻譜依然稀缺且昂貴。

除了授權頻譜外，另一種選擇就是未授權的頻譜，像WiFi、藍牙、家居自動化系統(tǒng)、遙控車和其他網(wǎng)絡通常使用一組稱為儀器、科學和醫(yī)學 (ISM) 波段的頻帶。這些頻段的使用對所有人都是免費的，但也有一些詳細的規(guī)定。這種使用并不是唯一的，任何人都可以在ISM波段上傳輸通信。隨著設備的日益增加，任何一臺設備可用的帶寬都可能發(fā)生顯著的變化。在ISM頻段中也會有更多的干擾，例如來自共享頻帶的微波爐，而頻率較高的頻帶 (比如10GHz以上) 往往不會那么雜亂，但它們的無線電傳播特性很差，很容易就會被墻壁或樹葉所阻擋。

無論使用的頻譜是否授權的，網(wǎng)絡的最大容量取決于頻率、帶寬、信噪比 (SNR)、調制技術、天線設計、協(xié)議以及編碼方式。一旦超過最大容量，網(wǎng)絡就會變慢，這就是為什么你的手機在擁擠的場合網(wǎng)絡會很慢。在這些情況下太多的人通過固定的無線網(wǎng)絡容量發(fā)送了太多的數(shù)據(jù)，多輸入多輸出 (MIMO) 等定向天線技術有助于從不同的角度重用相鄰的無線電頻譜，但也存在嚴重的局限性。在頻率遠遠超出FCC或ISM波段范圍時，我們需要做的是獲得大量的帶寬和有效的調制技術，這驅使光束通信技術的出現(xiàn)。

可見光無線通信 (又稱“光保真技術”，英文名Light Fidelity (簡稱Li-Fi)) 是近年來興起的一種用于無線通信的可見光通信技術。Li-Fi和相關形式的自由空間光通信使用調制光束，以非常高的網(wǎng)絡容量承載數(shù)字數(shù)據(jù)，在此過程中不使用任何射頻頻譜。一個數(shù)字信息，比如一個IP數(shù)據(jù)包是用標準協(xié)議和用于調制的光源 (比如可見光、紫外線、紅外線、激光或led等) 編碼的。發(fā)出的光經過光學系統(tǒng)處理，將其傳遞給接收器，然后穿過一段距離的空間到達遠程設備上接收光的光學系統(tǒng)。光通過快速光電探測器轉換為電信號，經過放大、解調再轉換為原始信息，供遠程設備上的處理器使用。對于雙向通信這個過程也是類似的，有時使用不同波長的光來避免干擾，原型系統(tǒng)的容量已經超過了100Gbps。2013年美國國家航空航天局 (NASA) 為月球軌道上的月球大氣和塵埃環(huán)境探測者 (LADEE) 航天器和新墨西哥州的一個地面站之間的激光通信創(chuàng)造了一項距離記錄，速度為622Mbps，傳輸距離超過38.5萬公里。

來自愛丁堡大學的哈拉爾德·哈斯 (Harald Haas) 是研究Li-Fi技術的先驅，并就這一課題發(fā)表了一系列優(yōu)秀的TED演講和論文，同時他也是一家領先的商業(yè)產品供應商pureLiFi的聯(lián)合創(chuàng)始人。關于自由空間光通信目前已經有很多種標準了，其中最重要的標準是IEEE 802.15.7。這些系統(tǒng)的工作原理通常是通過調制安裝在天花板的光源 (一個類似于WiFi的接入點 (AP) 的小型發(fā)射器或者一個特殊設計的光源) 向自由空間發(fā)送數(shù)據(jù)流，并通過遠程設備上的光學接口接收數(shù)據(jù)流，已經針對具有Li-Fi接收器的智能手機進行了測試。這些系統(tǒng)傾向于用來非定向光源的相同調制信號來覆蓋真?zhèn)€房間，房間內的所有接收設備都使用介質訪問控制 (MAC) 協(xié)議和加密技術，從而只檢索它們準備共享數(shù)據(jù)流那一部分內容。

如果我們不像傳統(tǒng)的WiFi那樣向所有的設備發(fā)送相同的全向光比特模式，而是嘗試將獨特的光束定向到每個設備 (有點像升級版的MIMO)，這樣會有怎樣的效果呢？其中一種方法是將光束偏轉器 (例如一對X-Y掃描檢流計) 放在調制光源的前面，并使光束沿著一條路徑偏轉，從而可以快速順序訪問其范圍內的所有有源器件。該系統(tǒng)能夠緩沖它所能接收到的所有端點的流量，設置偏轉角指向所選端點，并以數(shù)千Mbps的速度爆發(fā)式傳輸數(shù)據(jù)，直到緩沖區(qū)用盡 (或計時器耗盡)，然后再將偏轉器移動到下一個端點。事實證明在激光標記或激光顯示等應用中使用的光束偏轉器可以做到這一點。下圖顯示的是一個帽子大小的設備，集成了可偏轉的自由空間光網(wǎng)絡通信技術。如果將這樣的設備掛在禮堂的天花板上或安裝在水塔上，就可以同時為數(shù)千個端點提供快速、安全、不需要無線電就可以通信的數(shù)據(jù)帶寬。若想了解更多這類網(wǎng)絡通信技術，請查看美國專利6,650,451。

如果我們想要更多的性能和容量呢？我們可以移除振動子的運動組件，它會使整個系統(tǒng)變慢，而且可能引起可靠性的問題，并將多個發(fā)射/接收波束收發(fā)器構建成一個緊湊的模塊。設想一個外觀類似一個高爾夫球大小的裝置，它有數(shù)百個雙向光束，每個“酒窩”都會形成一個光束。當遠程設備進入它們的視覺范圍內時，這些收發(fā)器的某個子集就會被激活。若固定底面站和移動終端都有這些收發(fā)器，就可以形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡。當收發(fā)器移動時相鄰的光束會發(fā)生切換，這項技術將連接大量無人機、工廠內的物聯(lián)網(wǎng)設備等相關類似應用。美國專利9,350,448詳細介紹了這種系統(tǒng)的操作原理，以及如何使用魚眼透鏡來構建多波束收發(fā)器的復雜光學系統(tǒng)。

總結

Li-Fi和其他自由空間光學技術為高性能網(wǎng)絡帶來了希望，它們不使用稀有和昂貴的無線電頻譜，并具備更高的網(wǎng)絡容量。此外這些技術比基于無線電的網(wǎng)絡技術更加的安全，而且不容易受到干擾。

審核編輯：郭婷