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用灯泡上网?速度100Gbps?万众期待的Li-Fi,真的有这么牛吗?

2018-10-07
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我们现在的无线通信,都是基于电磁波。



使用电磁波进行通信,必须要占用电磁波频谱资源。



虽然频谱资源看不见、摸不着,但是它是非常宝贵的。


根据频谱资源的频率(波长),电磁波主要分为电波和光波。一直以来,我们主要是使用“电波”进行无线通信,用电波的频谱资源。



电波的频谱资源东分一点,西分一点,已经没剩下多少了。



电波不够用,人们自然会想,那是不是可以用光波呢?



光波频率资源丰富,频段宽阔,可以利用的资源相对要丰富很多。


利用光波进行无线通信的技术,通常就称为“光通信”


注意了,我们平时经常所说的光通信,更多的是指光纤通信。实际上,光纤通信属于有线通信。


光纤


但是没办法,名字已经被大家叫习惯了,再抢回来也难了……


于是,为了和光纤通信进行区分,我们的“真·光通信”又被叫做“可见光通信”(Visible Light Communication,VLC)。


可见光通信,有属于自己的标准——IEEE 802.15.7 VLC


它的准确定义是:利用可见光波段的光作为信息载体,在空气中直接传输光信号的通信方式。


这几年到处都很火的“Li-Fi”,就是“可见光通信”技术中的一种。



2011年,德国物理学家哈拉尔德·哈斯(Harald Haas)和他在英国爱丁堡大学的团队发明了一种专利技术,利用闪烁的灯光来传输数字信息,这就是Li-Fi。


Li-Fi,光保真技术(Light Fidelity)。是不是觉得这个名字和Wi-Fi很像?之所以这么命名,就是因为它的应用场景和Wi-Fi很像,而且当时人们觉得它很可能会取代Wi-Fi。


哈斯和他的Li-Fi


Li-Fi的工作原理并不复杂:给普通的LED灯泡装上微芯片,可以控制它每秒数百万次闪烁,亮了表示1,灭了代表0。由于频率太快,人眼根本觉察不到,但是光敏传感器却可以接收到这些变化。就这样,二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。灯光下的电脑或手机,通过一套特制的接收装置,就能读懂灯光里的“莫尔斯密码”,就能通讯了。


可见光通信工作原理


大家要注意哟,哈斯只能算是Li-Fi的发明人,他并不是可见光通信的发明人。


可见光通信早在2000年左右就提出来了,发源地是日本。


让我们来看看可见光通信的发展历程:


2000年,日本研究者提出并仿真了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统。此时的光通信,传输速率仅有几十KB每秒。

2003年,日本成立了VLCC可见光通信联盟,迅速成为国际组织。

2008年,实现了可见光通信最远传输距离2000米,传输速率为1022bit/s

2010年,利用LED交通信号灯作为发射机的可见光通信技术,传输速率是4800kb/s,距离300米。

2010年,德国弗劳恩霍夫研究所的团队将通信速率提高至513Mbps,创造世界纪录。

2013年,复旦大学研发出3.75Gbps离线数据传输的速率,创造世界纪录。

2013年,英国科研人员又把离线速率刷新到10Gbps

2015年,中国把实时通信速率提高至50Gbps


据国外媒体报道,牛津大学的研究人员已完成100Gbps可见光通信试验,并命名为“超并行可见光通信”,甚至预测该通信系统的最高速率能达到3Tbps


牛津大学的可见光通信研究


其实,可见光通信之所以能诞生和快速发展,就是因为LED技术的爆发。


LED自从诞生以来,以每十年亮度提高20倍,价钱降低100倍的速度发展,技术日趋成熟,功能不断完善。


正因为如此,可见光通信也就搭上了这趟顺风车,跟着火了起来。


除了速率之外,可见光通信还有很多其它方面的优势。


据统计,2020年支持Wi-Fi无线连接的设备将达17亿台,但随着设备的进一步增加,2025年基于传统RF(射频)技术的Wi-Fi网络可能无法满足设备连接需求。


蜂窝通信方面,只我们中国,移动通信基站有差不多600万个,大部分能量都用于冷却,效率只有5%


LED光源就不一样了,目前全球LED灯泡就有大约400亿个。只需给这些LED灯泡加一个微芯片,就能改造成信号发射器,形成的通信网络规模是非常惊人的。这样做的成本也比部署Wi-Fi热点低得多,也不必新建基础设施。



而且,前面也说了,无线电波的频谱资源日趋紧张,网络已经变得拥挤不堪。可见光频谱的宽度达到射频频谱的1万倍,意味着能带来更高的带宽,可以使用的资源也非常丰富。使用光通信,完全不用担心频谱不够用的问题,同时还能缓解全球无线频谱资源短缺的现状。




此外,可见光对于人类来说是绿色的、无辐射伤害的一种物质。


因此,用光来作为无线通信的媒质,是一种对人类发展更健康,更可取的方向。同时用光来通信能降低能耗,因为不需要像基站那样提供额外的能耗,更加环保。



如果算上安全的话,也是一个优点,可见光通信,把光线一挡,就泄露不出去了……


但是,可见光通信的缺点其实也非常多。


首先,大家应该已经想到了,像Li-Fi这样的东东,你下行速率还好说,上行怎么办呢?手机上也装个电灯泡?


然后,环境光源干扰。在封闭的室内用用是没问题,到了室外,光源杂乱,这个受影响就很大。


再有,就是距离,可见光通信的速率看上去很高,但是实验室里面都是短距离理想环境下测试。你不可能拿着手机挨着灯泡上网,你稍微离远点,速率就下降得厉害。而且,如果你背对着光源,挡住了光,就没信号了……


总而言之,可见光通信确实在理论传输速率、部署、成本、零电磁辐射等方面“秒杀”传统射频通信。但是因为它本质上的缺陷,指望它短时间内替换掉Wi-Fi或移动通信基站,肯定是不可能的。


所以,对于可见光通信以及Li-Fi,我们还是再多一点耐心吧!




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