开灯就上网！秒杀WiFi的可见光通信来啦

试想一下，在一个有灯光照耀的地方，你手上的移动终端不到0.2秒就能下载（传输）完成一部高清电影（1GB），同时还能可享受打电话、上网等各种常见网络服务，那么你还会想念WiFi或4G网络吗？答案显然是不会！不过也一定有朋友会问，这么“夸张”通信技术真的存在吗？答案当然是肯定的！

近日，中国“可见光通信系统关键技术研究”获得重大突破——可见光通信的实时通信速率已经提高至50Gbps ！

那么什么是可见光通信（Visible Light Communication，VLC） 呢？其实就是利用可见光波段的光作为信息载体，无需光纤等有线信道的传输介质，在空气中直接传输光信号的通信方式。简单来说，只要头顶上有灯光照耀，理论上无论是传输数据信息、上网，还是进行语音、视频通话，亦或是调节物联网设备的开关，均可轻松实现，而且借助超高的传输速率，应用体验远超WiFi和4G网络。

可见光通信——将改变你的生活

追溯 可见光通信的历史：电话才刚刚问世！

其实可见光通信并非是最近几年才出现的新兴概念，其历史可以追溯到电话刚刚诞生的年代。1876年3月10日，亚历山大·格雷厄姆·贝尔（Alexander Graham Bell）与他的同事因试验了世界上第一台电话机而被世人所熟知，但其实他还有另一项伟大的发明成就，就是光线电话（photophone）。

可见光通信之光线电话

1880年，贝尔发现了一个有趣的玩法：通过调节光束的变化来传递语音信号，从而可以进行双方无线对话——这就是人类第一次实现无线电话，利用的正是可见光通讯。可惜当时电话尚未普及，光线电话也被认为实现难度大，实用价值不高等原因，没能得到实际推广...。

而进入21世纪，随着LED等的逐步普及，可见光通信再度兴起，并且不断取得了新的突破。那么可见光通信和LED等究竟有何关系呢？接下来我们就来讲一讲他们背后的故事！

解析可见光通信：看起来很复杂而已

为何说LED灯的普及，让可见光通信再度兴起？很简单，因为LED（发光二极管，Light Emitting Diode，LED)灯比以往的荧光灯和白炽灯可以支撑更快的开关切换速度。这样通过给普通的LED灯加装微芯片，就能使LED灯以极快的速度闪烁，从而利用LED灯发送数据。

LED等通信原理图（图片来自网络）

上面的说法可能有些难以理解，那么我们再换个简单的说法：通过微芯片来控制普通LED灯，可实现其每秒数百万次的闪烁，其中灯亮代表1，灯灭代表0，这样二进制的数据就被快速编码成灯光信号，从而进行有效的传输了。与此同时，灯光下的终端（电脑、笔记本、手机、平板、甚至是物联网设备等），通过一套特制的装置接收信号，就能实现有灯光的地方有网络，关掉灯则网络全无！

看到这里你或许会有一个疑问，LED灯那么频繁的闪烁，我们的眼睛岂不是要废了？对此用户大可放心，因为当闪烁频率达到数百万次每秒时，对人的眼睛来说，这样的闪烁是不可见的，只有光敏接收器才能探测到。所以说，无论是照明还是数据传输，用户都不会感受到任何影响。

可见光通信：速率不断提升中

高速率性是可见光通信的最大优势，也是业界普遍看好其前景的主要原因。但在2000年可见光通信刚刚兴起之时，有限的调制带宽限制了可见光通信的传输速率，起初仅有几十KB每秒，直到2010年以后，可见光通信的速率才有了质的提升——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；同年，英国众多高校的科研人员又把离线速率刷新到10Gbps。

而近日，经我国工信部测试认证，中国“可见光通信系统关键技术研究”又获得重大突破，实时通信速率提高至50Gbps，再次展现了中国在可见光领域的先发实力。

牛津大学的可见光研究实验

不过可见光通信的速度还在不断飙升，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！其原理是借助更多波长的光来实现信号的多路传输，但这也对视场有了更高的要求，理论上，60度的视场可支持6个波长，可实现224Gbps（6个信道）的传输速率，而36度的视场则可支持3个波长，也可实现112Gbps（3个信道）的传输速率。不过在速率提升的同时，传输距离也被缩短，目前仅有3米的有效距离。

虽然目前的可见光传输速率还仅仅停留在实验室阶段，但仅从理论结果来看，其已经远超当前的WiFi和4G网络，因此未来的前景值得期待。当然，可见光通信的优势可不止速率快这一点哦。不信？请接着往下看！

对比WiFi 可见光通信优势明显

“LiFi”将替代WiFi？

其实可见光通信还有另外一个名字，就是“LiFi”，因此不少人将其视为WiFi的替代者。的确，相比WiFi，除了速率优势之外，可见光通信还有很多其它优势，下面具体来说说：

1、密度高，成本低。 众所周知，想要实现WiFi覆盖，就需要部署WiFi热点（无线AP/无线路由器），而相比当前WiFi热点的部署，灯光的密度无疑要高出很多；同时利用已有的照明线路即可实现光通信，不必新建基础设施，而且LED灯的改造成本也要比部署WiFi热点低的多。

2、频谱丰富。 WiFi的无线传输需要利用了射频信号，然而无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分，随着用户对无线网络需求的持续增长，可用的射频频谱将越来越少，终有一天WiFi网络会变得拥挤不堪。相比之下，可见光频谱的宽度是射频频谱的1万倍，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。

3、无电磁辐射。 WiFi依靠的是看不见的无线电波传输，设备功率越大，局部电磁辐射越高，同时也会产生电磁干扰，这对于医院等对电磁信号敏感的机构来说始终是个难题，而选择了可见光通信，则完全没有电磁辐射和干扰的问题。

4、高保密性。 只要遮住灯光光线，信息就不可能向照明区以外的人泄漏。

“LiFi”具备诸多优势

综上所述，用可见光通信替代WiFi，的确是相当不错的选择！但是，在实际应用中，可见光通信还有这自己的不足：

1、安全性不足。 刚刚提到的高保密性，仅仅是相对而言的，如果实在用户家中或企业内部使用，确实较为安全，但如果到了公共场所，那么安全威胁可以说是无处不在。

2、传输易被打断 。由于光被阻挡，传输就会中断，因此不难想象在实际应用场景中，这种中断可能随时发生。

综合来看，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”WiFi，但在实际应用环境下，其易被阻隔的软肋也相当明显，因此可以预计，未来“LiFi”将很难替代WiFi，但可以肯定的是，“LiFi”如果与WiFi进行互补，必将打造出更美好无线新生活。

提前感受可见光通信时代的美好生活

有了可见光通信，未来我们的工作生活将会发生怎样的变化呢？下面就随笔者一起来畅想一番吧！

1、天上、地下都有用

可见光通信应用于飞机上和矿下作业

刚刚已经介绍过，可见光通信不会产生电磁干扰，因此当其应用于飞机等环境之中，乘客在飞机上使用终端设备将变得更加的自由；而对于在水下、矿下作业的工人来说，仅靠一束光，就能实现通话和数据传输，相信将会进一步提升工作效率。

2、应用于汽车领域

可见光通信应用于汽车领域

如今车联网是非常火热的话题，但真正实现车联网，还需要较长一段时间。而引入可见光通信技术，将有望加速车联网的进程，并打造更多创新应用。比如当车灯照到了路边的路牌，路牌马上可以给车辆导航仪传输附近的路况，并告知到达目的地最通畅的道路，让用户拥有更好的驾驶体验；再比如当车辆靠近时，主动提示刹车信息，或实现自动刹车等等。

3、构筑智能生活

构筑智慧生活

借助可见光通信的特性，早上我们起床打开灯，就能通过各种终端设备（电视、平板、手机等）在第一时间了解今天的天气状况、得知最新的出行信息、以及国内外重要新闻等等；而家庭成员间分享数据信息时，更可实现“秒传”。当然，这些仅是构筑智能物联生活的第一步，未来还将搭配传感器，实现更多创新体验。

可见光通信：应用前景不可估量

有调研机构预计，2018年全球可见光通信市场的规模将达60亿美元，未来更将达到万亿的规模。而可见光通信也将与WiFi、蜂窝网络（3G、4G、甚至5G）等通信技术交互融合，在物联网、智慧城市（家庭）、航空、航海、地铁、高铁、室内导航和井下作业等领域带来创新应用和价值体验。也就是说，未来借助可见光通信技术，实现的不仅仅是开灯就上网，也不仅仅是超高速的数据传输，而是不可估量的应用创新。

“光”还能传数据？看看光纤是如何来通信的

上次小编讲了《“光”究竟是个什么样东西》之后，很多同学对“光”有了兴趣，这次讲讲“光”的应用之一，也就是大家每天上网都离不开的光纤，为什么要用光纤？它又是如何工作的呢？

也许有人会说：我只用4G上网，不用光纤。其实不然，4G信号只是从基站到你的手机，基站到基站的连接全部是由光纤完成。你要是想从广州到北京给朋友发一条消息，先用4G发到广州的基站，然后通过光纤一路走到北京，再由北京的基站发送4G信号到对方的手机。即使你给广州的朋友发消息，也离不开光纤，因为4G的基站覆盖范围不大（大约1-3公里），你们很可能处于不同基站的覆盖下；而将来5G信号的基站覆盖范围可能只有100-300米，光纤的作用也愈发重要。

光能传得很远，且还很少衰减

所以为什么要用光纤来连接基站与基站呢？无线通信多方便啊，光纤还要挖了地埋进去。这就要说到通信带宽的问题了，也就是常说的“网速”。

我们日常上网可能体会不到光纤的优越性，因为4G网已经相当快了。但4G速度快的代价是覆盖范围小，因为无线信号向四面八方扩散，显然会很快地衰减，不能输送到很远的地方，换句话说，虽然我们用的4G网速很快，但一个基站只要管一块小区域内为数不多的人，所以实际提供的带宽并不大。就好比你家里的路由器，自己用还挺快，但如果来了很多客人一起抢就会变卡；在人很密集的地区，手机信号也会很差。带宽一定的情况下，用户越少，分配到每个人的“网速”也就越大。所以4G网速快的前提是每个基站所要管的人不多。

而在背后支持全国299万个4G基站的，正是深埋地下的光纤。之前的超能课堂已经讲过，无线信号的频率较低，所能提供的带宽也较小，目前最好的4G网络带宽也不过100Mbps，5G可以达到1Gbps，网线则最大可以达到10Gbps。而由于光的频段极高（比如可见光的频率为380-790THz），理论上能提供几乎是无限大的带宽，所以一根直径为8微米的普通光纤，可以轻松达到10Tbps的带宽，这是4G的十万倍、5G带宽的一万倍！

目前的最好的光纤容量已经可以达到560Tbps，这意味着一根光纤可以实现135亿人同时通话，意味着如果你有一个8TB的超大移动硬盘，通过这根光纤只需要0.1秒的时间就可以将它全部写满（事实上硬盘的写入速度这时会拖后腿）。而这还不足以真正体现光纤的优越性！因为通讯中真正衡量通信质量的不是带宽，而是距离带宽积，因为带宽并不是恒定不变的，你所要传输的距离越远，带宽往往就会越低，所以4G、5G基站都要建的很多，它们不能传的很远。而光纤的带宽几乎不随着距离的增大而衰减 ，这是使得光纤具有现实意义的真正原因。

那么光纤究竟是如何像电线一样能把光传得很远而很少衰减呢？我们日常的经验，手电筒的光会很快散开，即使是目前准直性最好的激光，也只能保持几公里的距离，更别说把光纤弯来弯去还要能传输光了！

光纤传输的原理很简单：全反射

其实光纤的原理很简单，利用的就是我们生活中最简单的折射现象 。筷子插进水中会变弯，是因为筷子反射的光线在进入空气时发生了折射，如下图，由S点发出的光线，在人眼看来就好像是在S’一样，这也是为什么看游泳池的水底好像总是很浅，跳下去才知道不是那么回事。

现在各位试想这样一个情况，如果从水中往空气射的这根光线和水面的夹角很小，会出现什么结果？

没错，按照折射的规律，当这根光线过于倾斜的时候，就没办法再折射出去了！这种现象就叫全反射 ，所有能量都被反射而不会从边界泄露（折射）出去。光纤就是这样一种结构以利用全反射来实现光的长距离传输。

水流模拟光纤实验历史上有一个很有名的实验，1870年英国物理学家丁达尔在做光的全反射原理演讲时，他做了一个简单的实验：在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮，结果使观众们大吃一惊，人们看到放光的水从水桶的小孔里流了出来。各位如果有兴趣，也可以自己做一个这样的水流模拟光纤实验。

导光的水流（来自丁达尔实验）

光纤的结构因此是超简单，理论上有“水”和“空气”就可以了，在光纤结构中，“水”就是纤芯，“空气”就是包层。

光纤纤芯的折射率高，就像水一样，而包层的折射率低，就像空气一样，当光在其中传输的时候，满足一定的角度关系，就会发生全反射现象，光就能很好地约束在光纤中而不泄露了。光纤的结构因而也非常简单，纤芯就是纯度很高的石英玻璃，包层则是一些特殊工艺涂覆在纤芯上的化学材料，既可以满足折射率全反射的光学要求，还能起到保护纤芯的作用，否则比头发丝还细好多倍的玻璃纤芯很容易折断。最外层的保护套则跟普通网线差不多。

电缆通信的中继距离只有几千米，因为长距离的电缆不可避免地会有很大的电阻导致电信号衰减；最长的微波通信（收音机）是 50 千米左右；而光纤通信系统的最长中继距离已达 300千米，正是因为光纤对光的限制保护作用，使得在很长的距离内光都很少衰减。

光通信的原理其实和所有其他通信是一样的，因为光本身是电磁波——比如在网线中我们传输的是电脉冲，而光通信就是把代表信息的电脉冲先注入到激光器中，通过电脉冲控制激光器的输出光，就把信息调制到了光（载波）上，经过光纤传输到目的地，再把光中的信息解调成电信号，就可以被我们的计算机识别了。

光纤的优势还很多

总结一下，因为用光作为信息的载体具有很高的频率，所以光纤可以提供极高的带宽；而光纤制备技术使得光能够在光纤这种媒介中传输极远的距离而很少衰减，所以光纤能够用于铺设光网络。这就是光纤成为骨干网的最重要的原因。当然光纤还有相当多的优点，随便列举一些：

1、抗电磁干扰能力强。对于通信系统而言，最主要的干扰是电磁干扰。电话线和电缆一般是不能跟高压电线平行架设的，也不能在电气铁化路附近铺设，因为电磁干扰会影响通信系统。光纤属绝缘体，不怕雷电和高压，电磁干扰不了频率比它们高得多的光信号。据专家测算，如果在美国本土中心上空 463千米处爆炸一颗原子弹，1 秒钟内即可使全美国所有的电缆通信系统失效。但光纤通信线路却照样畅通无阻，基本不受影响。

2、保密性强。只要在电缆附近 (甚至几公里以外) 设置一个特别的接收装置，就可以获取明线或电缆中传送的信息。无线电波更是在大气中传播，甚至充斥全球，很容易被人窃听。光在光纤中传输时不会跑出光纤和向外辐射电磁波，要想获取光纤中的信息，就必须破坏光纤，这样就立刻被发现了。

3、体积小重量轻。电缆每米重11千克，而同等容量的光缆每米重90克，铺设起来方便。

4、原材料成本低。电线主材：铜、铅等有色金属，预计只够使用50年左右；光纤主材：普通的石英砂(SiO2)，它在地壳的化学成分中占了一半以上，可以说是取之不尽、用之不竭。

光纤除了通信领域，还在其他很多领域都有重要应用。比如激光手术时，有时需要手术的部位在人体腔道内，这就要求激光能拐弯，就需要用到光纤了。

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