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WiFi將被取代？探尋可見光通信
DQZHAN訊：WiFi將被取代？探尋可見光通信
有燈光的地方就能上網(wǎng)?這可給一刻也離不開WiFi的手機黨帶來了福音。*近，復旦大學信息科學與工程學院傳出了消息，科研人員將網(wǎng)絡信號接入一盞1W的LED燈，燈光下的4臺電腦即可上網(wǎng)，*高速率可達3.7G，平均上網(wǎng)速率能達到150M。
繼續(xù)聯(lián)想下去，是不是以后只要在任何一個LED燈泡中增加一個微芯片，就可讓無數(shù)燈泡變成無線網(wǎng)絡發(fā)射器，實現(xiàn)有燈光的地方就有網(wǎng)絡信號?“不是科幻，卻勝似科幻。”科幻作家韓松在微博上這樣感嘆。
這樣科幻的成果是怎樣實現(xiàn)的呢?其實，這是一種被稱為“可見光通信(VLC，Visible Light Communication)”的技術，*早由日本科研人員提出并展開研究，而我國也早在2008年由暨南大學教授陳長纓研制出國內首臺白光LED可見光通信樣機。
如今，國際上科研人員是在通信速率上進行比拼，復旦大學此次即是刷新了世界的可見光通信速率。要想實現(xiàn)如WiFi般流暢上網(wǎng)并實現(xiàn)商業(yè)化推廣，還有很長的一段路要走。
原理
將半導體照明技術與光通信技術相結合，利用白光LED能夠高速切換開關的特點，把信息調制到LED燈光上，實現(xiàn)“有燈光的地方就能下載信息”
2010年上海世博會，“滬上生態(tài)家”展示區(qū)里，一盞LED燈被它的***賦予了智慧：它發(fā)出的光不僅照亮了桌面，還滿載了豐富的資訊—在燈光下，不僅可以讀書、寫作，借助小巧的液晶屏幕，人們還可以通過燈光觀看電影、欣賞音樂、下載信息。
這就是國內頭個“白光LED節(jié)能燈構筑的無線通信系統(tǒng)”，由陳長纓親手做出。作為沒有任何資源可供利用的先行者，陳長纓自嘲自己是在“做老木匠的活”，燈里的LED小燈珠都是他手工一個個焊起來，成本不到100元。
這一套樣機看起來并不神秘：用一臺普通的VCD機，放上刻錄了影片的VCD碟片，就成為了發(fā)射信號源。一臺他親手焊制的白光LED燈，里面的72個小燈珠都是從電子商店里買來，成陣列分布，作為光信號發(fā)射器。VCD碟里的影片數(shù)據(jù)在這盞特殊的LED燈內部進行編碼轉換成了燈光信號。
陳長纓借用一臺便攜式DVD機顯示屏作為多媒體顯示設備。整個系統(tǒng)*關鍵的核心技術是自制的光檢測器與解調器。這兩件小小的設備能夠將蘊藏著信息的燈光接收并解密轉換還原成數(shù)碼影片信號，在DVD的顯示屏上同步播放出來。
陳長纓介紹，該項研究的原理是將半導體照明技術與光通信技術相結合，利用白光LED能夠高速切換開關的特點，把信息調制到LED燈光上，實現(xiàn)“有燈光的地方就能下載信息”。
原來，光和常用的無線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡信號的基本原理是一致的。給普通的LED燈泡裝上驅動芯片，就可以控制它每秒數(shù)百萬次閃爍，亮了表示1，滅了代表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。就這樣，二進制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號并進行了有效地傳輸。燈光下的電腦，通過一套特制的接收裝置，就能接收到燈光里附加的信息。
隨后在2011年7月份Ted大會(全球科技娛樂設計大會)上，英國愛丁堡大學工程學院教授哈拉爾德˙哈斯，向人們展示了他制造的可以用來通信的VLC燈泡。他**將VLC稱為“LiFi”。
為什么要用LED燈來進行通信?哈斯說，我們傳輸無線數(shù)據(jù)的方式是使用電磁波，特別是無線電波。但無線電頻譜在整個電磁頻譜中僅占很小的一部分，目前我們的無線電頻譜資源已所剩無幾。與此同時，人們對無線上網(wǎng)的需求越來越大。
陳長纓說：“可見光通信系統(tǒng)不需要占用無線電頻譜資源，它與無線電傳輸互為補充，可以減輕無線電通信的壓力，釋放無線電頻譜?？梢姽馔ㄐ蓬l譜是400T-800THz，比無線電頻譜大10000倍，這即意味著更大的帶寬和更高的速度。”
在哈斯看來，VLC有一個*重要的優(yōu)點，這就是幾乎不需要再新建基礎設施。而傳統(tǒng)射頻信號的發(fā)射需要能量密集的設備。他宣稱，VLC可以利用現(xiàn)有設施，“只要你擁有電燈泡，就可以獲得無線互聯(lián)網(wǎng)連接。”
研發(fā)
LED*早的用途就是通信，在其功能延伸到照明后，科學家開始不斷嘗試使它再回歸到通信上去。目前，可見光離線*高單向傳輸速率達3.7G
陳長纓介紹，LED用在通信技術上，其實是一種功能的“回歸”。
LED的中文全稱為發(fā)光二極管，是一種能發(fā)光的半導體電子元件。
由于工作電壓低、工作電流小、抗沖擊和抗震性能好、可靠性高、壽命長，尤其是可以通過調制通電電流的強弱方便地控制發(fā)光的強弱，LED*初被用來通信，在許多電子設備中用作信號顯示器，在一些光電控制設備中用作光源。
1977年，陳長纓在我國光纖通信的發(fā)源地—武漢郵電科學研究院工作，“當時一部分光纖通信系統(tǒng)就是用LED來作為信號光源的”。
如今的白光LED是1997年由日本日亞公司(Nichia Corporation)發(fā)明的。
本世紀初，科學家們提出，LED的功能從通信延伸到了照明，能否再回歸到通信上去?2006年，日本國土交通省組織了電工、、中川研究所、日本航空等研究機構投入大量經(jīng)費進行可見光LED通信技術的研究。這一年，陳長纓也向廣州市科技局提出了開展“半導體照明-通信兼用系統(tǒng)”的科研項目申請，并獲得了批準。陳長纓帶領他的團隊在一片空白的情況下展開了研究。
2008年10月在國際有名的三大電子展之一的東京國際電子展，日本太陽誘電公司向全世界**現(xiàn)場展出了一個白光LED的通信系統(tǒng)，不過，它的*大傳輸距離僅20cm。
兩個月之后，陳長纓團隊的白光LED通信樣機也通過了廣州市科技局的項目驗收，他的樣機的傳輸距離已大于2.5米。次年11月該套樣機亮相深圳高交會并現(xiàn)場表演。2010年5月受上海世博會主辦方的特別邀請，這套樣機作為中國**的白光LED照明-通信兼用系統(tǒng)亮相世界博覽會并現(xiàn)場長期演示直至展會結束。
繼日本、中國之后，美德等國家陸續(xù)開展相關研究。2008年10月，美國投入了1.85億美元的國家基金，資助一項名為“智能照明”的美國國家科學基金計劃，為期10年，主題就是探索把無線通信能力嵌入未來的LED照明安裝之中。
陳長纓介紹，目前在可見光通信研究領域里實際上存在有兩個不同的研究流派，一派主張將通信作為LED燈光的附加功能，為LED裝置創(chuàng)造出各種**的應用領域;另一派主張用可見光通信技術替代已經(jīng)相當普及的無線網(wǎng)絡通信，這決定了必須花大力氣解決白光LED開關速率不夠高的難題。

今年年初，復旦大學遲楠的課題組剛剛發(fā)表了可見光傳輸速率在1.5G的科研成果，這一速度很快就被國際學界同行刷新。就在前幾天，遲楠課題組宣布在實驗室創(chuàng)造了新的傳輸速度世界紀錄：離線*高單向傳輸速率達到3.7G，實時系統(tǒng)平均上網(wǎng)速率達到150M。
未來
可見光通信技術可以實現(xiàn)信息的高速下載，但說到“上網(wǎng)”還言之過早。LiFi不是WiFi的競爭對手，它們是相輔相成的技術
“今天我們用WiFi，明天我們用LiFi。”在一張圖解中，美國研究者提出了對這項技術的美好設想：在一盞盞燈光底下，人們就可以享受到高速上網(wǎng)。
對此，陳長纓并不樂觀。他認為，可見光通信技術可以實現(xiàn)信息的高速下載，但說到“上網(wǎng)”還言之過早，“白光LED通信上網(wǎng)*大的技術問題是難以建立反向信道。”
上網(wǎng)是要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的下行和上行，既要下載信息，也要能上傳信息。但是，難道還要在電腦和手機上再裝一個LED燈往回照嗎?
目前，復旦大學課題組一共做出了10臺樣機可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳，從已展示的樣機上看，確實是“再裝一個LED燈往回照”。“數(shù)據(jù)上傳的方案，我們歸納有3種，一種是雙向可見光通信，這要求筆記本有LED燈。其次是下行可見光，上行紅外。還有就是半光模式，下行可見光，上行采用無線的方式。”遲楠介紹。
但陳長纓認為，各種數(shù)據(jù)上傳方案無疑增加了這套系統(tǒng)的復雜程度。
哈斯也認為，LiFi不是WiFi的競爭對手，它們是相輔相成的技術，可以實現(xiàn)一些無線電波傳輸所不能實現(xiàn)的功能。
“只要是有燈光的地方，就有傳輸資料的潛在方式。”哈斯舉例來說明這項技術的無限前景：在海底，無線電通信會受到阻隔，但光線會暢通無阻。潛入海底的遙控車，用光來照亮海底的空間，這個光源就可以用來傳輸資料，使得在海底的裝置之間實現(xiàn)彼此通信。
目前不能在石化工廠里使用無線電頻率，它可能使天線產(chǎn)生火花，但使用光進行通信是**的。在醫(yī)院里，可用于新型醫(yī)療設備，不用擔心設備間的無線電干擾。在飛機上，也可以通過機艙里的燈光下載影片觀看。
陳長纓認為：“相比‘上網(wǎng)’，我覺得更恰當?shù)挠猛臼?lsquo;下載’，每秒數(shù)MB的信息通過普通的電線就可以傳輸。”
據(jù)他介紹，這項技術可以用在智能交通系統(tǒng)上。新款的汽車都裝有LED頭燈、尾燈，汽車可借此交換信息，防止意外發(fā)生;LED交通信號燈也可以與汽車通信，進行交通管制;當前面的車突然剎車時，后面的車收到剎車燈信息就會立即自動減速剎車。
陳長纓指出，可見光通信與無線、紅外等其他通信方式相比，**不可替代的優(yōu)點是，它的通信區(qū)域可通過人眼直觀地確定，從而加以劃分和控制，每一盞燈光底下就是其獨有的通信區(qū)域。
陳長纓還補充，可見光通信只要拉上遮光窗簾，外界就接收不到燈光里的信息，保密性勝過無線通信，因此可以承擔**、國家**等方面的特殊用途。
“LED燈光通信技術上早已實現(xiàn)，如何應用才是需要全民貢獻智慧的地方。”陳長纓說。

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