點亮一盞燈，電子設(shè)備就能連接入互聯(lián)網(wǎng)。近日，復(fù)旦大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院實現(xiàn)了利用屋內(nèi)可見光傳輸網(wǎng)絡(luò)信號的國際前沿通訊技術(shù)。在實驗室內(nèi)，研究人員將網(wǎng)絡(luò)信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M。
究竟什么是Li-Fi？Li-Fi(Light Fidelity)是一種全新的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，屬于可見光通訊(Visible Light Communications，縮寫為VLC)的范疇。光和無線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡(luò)信號的基本原理是一致的。研究者給普通的LED燈泡裝上微芯片，通過微芯片控制LED燈泡的明滅變化，同時將二進(jìn)制數(shù)據(jù)編碼成光信號：燈亮表示1，燈滅表示0。由于頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化并解調(diào)出來。就這樣，二進(jìn)制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號并進(jìn)行了有效的傳輸。 LED作為半導(dǎo)體器件，這種高速的亮滅即開關(guān)的通斷能力是它的特性，而白熾燈因為在亮滅的變化過程中非常容易被損壞，且亮滅變化動作太慢，因而不具備這種通信功能。
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。然而，無線電波在整個電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對無線互聯(lián)網(wǎng)需求的增長，可用的射頻頻譜正越來越少。由于可見光頻段的可用頻譜范圍極寬，資源非常充足，所以科學(xué)家在設(shè)計Li-Fi無線網(wǎng)絡(luò)時，可以將通訊的信道寬度設(shè)得更大，并行的信道數(shù)目也可以設(shè)得更多，這樣一來數(shù)據(jù)的傳輸速度就能達(dá)到極大的提升。因此各國研究團隊都將提高傳輸速率作為科研工作中重要的一部分，最高傳輸速率幾乎每個月都有刷新。據(jù)暨南大學(xué)理工學(xué)院的陳長纓教授介紹，為了提高信息傳輸速度，許多研究團隊都會將白光LED換成三基色或是五基色的光源，削弱了燈具照明的性能。
“紅綠藍(lán)三個顏色確實能夠混合出各種顏色的光，但是作為照明用的燈卻只能顯示這三種顏色，因此燈必須是連續(xù)光譜，而顯色性好的燈一定是全光譜的，不是幾個分離波長就可以了。”除此之外，陳教授介紹另一種提高傳輸速度的方法是在調(diào)制方面做努力，“我們知道燈光能夠進(jìn)行0和1信息的傳輸，閃一次是一個比特，就是一位信息，但是現(xiàn)在現(xiàn)在一些研究團隊為了提高信息傳輸率使用了十分復(fù)雜的調(diào)制方式。”但是陳長纓教授認(rèn)為根據(jù)信息論，會導(dǎo)致信息傳輸錯誤率的提高，因此在需要同時滿足信息準(zhǔn)確性和信息量的條件下，通信的距離就會受到限制。“可見光通信，如果為了拼速度而將LED燈作為照明這一主要功能特質(zhì)犧牲了的話，那么很可能會誤入歧途。”
雖然Li-Fi技術(shù)在實驗室已經(jīng)實現(xiàn)，但是仍然面臨著不少的問題。
首先需要解決的便是光的傳輸問題。在通訊上，當(dāng)電磁波的頻率越低時，其抗干擾能力和穿透能力越強，允許的最大傳輸距離也就越大。對于可見光來說，由于其頻率是Wi-Fi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)所用電磁波的幾十萬倍，其抗干擾能力、穿透能力與這兩者相比也就大幅降低，只要在收發(fā)兩點之間用東西擋住這些光線，信息傳輸就會立刻中止，更加不用說是穿墻而過了。哈斯認(rèn)為目前有簡單的臨時解決方法。“如果光信號被阻擋，而用戶需要使用設(shè)備發(fā)送信息，即可以無縫地切換至射頻信號。”但是陳長纓教授認(rèn)為，這樣的切換可以說是多此一舉，他認(rèn)為燈光通信這一點恰恰是其優(yōu)點，由于可以有效地控制通信范圍，是唯一能與其他手段競爭的優(yōu)點。要揚長避短，才能在商業(yè)上有所應(yīng)用。
另外，Li-Fi依賴于可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，必須有光才能實現(xiàn)通信目的，有質(zhì)疑提出，如果是在白天使用Li-Fi難道也需要開燈嗎？更有網(wǎng)友驚呼：“睡前躺在床上刷微博難道還得開著燈？”當(dāng)Li-Fi工作環(huán)境中不止其自身一個光源的時候，環(huán)境光源如果和它工作在同樣的光譜頻段，且環(huán)境光源比較強的時候，Li-Fi很可能就將無法正常通信。因此復(fù)旦大學(xué)的科研人員在系統(tǒng)中使用了自行研制的窄帶濾鏡，可以一定程度上避免背景光的干擾；對于室內(nèi)的電磁干擾，噪聲主要在1MHz以下，他們在系統(tǒng)應(yīng)用中也避開了這個頻段。因此要實現(xiàn)高速的傳輸速度，還需要在空間內(nèi)布置更多的中繼站，以保證傳輸?shù)姆�(wěn)定性。
Li-Fi技術(shù)另一問題則是反向通信。通信并不是單向的，只有有接收并且有反饋，才能稱之為通信，上網(wǎng)不僅要做到數(shù)據(jù)的下載，還需要數(shù)據(jù)的上傳。目前各國研究團隊的技術(shù)都能夠做到利用Li-Fi實現(xiàn)上網(wǎng)數(shù)據(jù)的下載，但是如何才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的回傳與反饋，并且保證通信鏈路暢通呢？復(fù)旦大學(xué)遲楠教授介紹，針對數(shù)據(jù)上行，采用了兩套系統(tǒng)，分別是可見光上行和紅外上行。所謂可見光上行，即需要在電子設(shè)備上安裝一個燈泡，而紅外上行雖然肉眼看不見，但是速率卻較低。陳長纓教授更是直言不諱，認(rèn)為可將光通信想要實現(xiàn)上網(wǎng)功能是“此路不通”，“可見光通信并不適合做信息的雙向傳輸，如果反向信號上網(wǎng)的話，每個燈必須接上網(wǎng)線。如果信號回傳，接收設(shè)備也要安裝燈泡，而且還要對得很準(zhǔn)，否則速度上不來。”陳長纓教授認(rèn)為單向傳輸更適合可見光通信，“我們又很多地方其實是不需要信息回傳的，例如電視、收音機、交通燈等等，只需要做到信息從信息源下載。例如航班信息下載，廣告信息下載等。”
Li-Fi技術(shù)最核心也最實際的問題，是芯片問題。在復(fù)旦實驗室，研究人員實驗所采用的設(shè)備有兩個筆記本大小。想要縮小設(shè)備，就必須將芯片縮小，需要有資金支持芯片技術(shù)的研發(fā)。復(fù)旦團隊追求信息傳輸?shù)乃俣取⑿畔⒘亢蜏?zhǔn)確性，因此一個燈的功率無法滿足要求，需要非常強的光作為保證。所以他們將燈光聚焦在一點之后再用透鏡收集起來，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，這已經(jīng)“不是燈，而是光路了”，因此也如遲楠教授所說，路還很長。
當(dāng)談到可見光通信的未來時，陳長纓教授表示，現(xiàn)在已經(jīng)有商業(yè)范例，例如韓國超市內(nèi)的定位系統(tǒng)，但是依舊停留在宣傳模型的階段。“現(xiàn)在可見光通信這個小白兔正在等烏龜，這個烏龜不是企圖去上互聯(lián)網(wǎng)，去取代wifi，而是等它獨有的應(yīng)用。如果能夠找到發(fā)揮可見光通信的特點——單向、中速、可控區(qū)域這三點加在一起的應(yīng)用，就能真正讓可見光通信發(fā)揮它的巨大作用。”
LED燈是可見光通信中的重要環(huán)節(jié)，如何讓其從實驗室走向千家萬戶是目前最主要的問題。而可見光通信對于LED燈的要求，究竟是以照明為主，還是以通信為主，仍舊是業(yè)界爭論不休的問題。但不可否認(rèn)的是，任何一項新技術(shù)的完善都不是一蹴而就，唯有在質(zhì)疑中突破瓶頸，才能實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。
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