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。

用阳光代替WiFi信号连网，沙特科学家这成果亮了

詹士 发自 凹非寺量子位 | 公众号 QbitAI

用阳光代替wifi信号 ，实现连网并传输数据，这可能么？

有人做到了。

沙特阿拉伯的研究者设计了一种智能玻璃系统。

它能把窗子当成了调制解调器（也就是家里上网用的“猫”），通过改变阳光性质实现信息传输。

手机摄像头接收光信号后，再将其转换回二进制数据。

只需功率为1瓦的太阳能电池，就能让其运行。

目前，该研究已发表在《IEEE光子学杂志》（IEEE Photonics Journal）上。

究竟如何做到的？往下看。

你，相信光么？

在以往，前人一般是改变光的强度对其进行编码。

但光在空气传播中，其强度会受气压等环境影响而不断变化，传输效率太低，且人眼对光强剧烈变化十分敏感。

这回，这些研究者转而使用光的偏振 原理。

中学就有学到，光作为一种横波，如果让其通过特定介质（偏振片），将只保留特定方向的部分光波。

通过上述原理，研究者设计出一个系统，通过改变光波偏振状况，将信息搭载到阳光中，且人眼不易察觉变化。

具体改变需要通过液晶材料实现。在不同电压下，此类材料分子排列将发生改变，继而左右该介质光的偏振情况。

但这仍不够。

为提升编码效率，研究者还参考液晶快门的时间响应函数，并考虑透光介质双折射等问题，将两个反向的液晶 (LC) 单元堆叠 在一起。

最终，整个调制系统包含3个偏振片，2个反向液晶层（一个常白、一个常黑）——

研究者将其称为双单元液晶快门(DLS) 。

此种设计的好处在于：

比起单层液晶偏振系统，它能够更快改变光波偏振，降低编码错误，同时，对于光在传播中强度随机起伏的「闪烁效应」也能减小影响。

从下图能看出，红线为常白模式对信号1的输出，蓝线为常黑模式，当两者堆叠后，信号「1」的脉冲（绿色曲线）更短，变化更迅速，在通信编码中效率更高。

以DLS为基本调制单元，研究者为替代wifi设计了一整套信息传输系统：

先让阳光照射过智能玻璃窗，窗子本身就是调制器，通过DLS改变光波偏振情况，对其进行调制编码。

搭载信息后的光波继续进入室内，再被手机等终端摄像头接收到，对其进行解调变回成二进制数据。

为了进一步提升传输速率，研究者还使用了时分复用技术（TDM）。

该技术简单说，就是在一个信道内将传输时间进行切割，按一定次序给不同设备分配传输接受时间，轮到某个设备时，该设备就开启传输，同时其他设备传输将被切断。

最后，研究团队通过建模，观察了自己搭建系统的传输表现。

目前较主流的对光调制并直接传输通信方式会采用半导体光放大器（SoA），研究者选取了两种调制模式进行对比：调制面积66平方厘米的RetroTurbo，以及调制面积14平方厘米PassiveVLC。

结果显示，同等调制面积与同等传输距离下，他们的系统均优于目前最先进的方式，最高传输速率可达16Kbps 。

能耗方面，仅需1W的太阳能电池板，就能驱动整个系统运转。

尽管目前传输信息速率有限，但团队认为该成果预示着阳光不仅仅是一种能量资源，更是一种信息资源，这将有助于我们以更低能耗进行信息传输。

关于后续研究规划，团队表示：

他们下一步希望能将传输速率提升到每秒兆比特，甚至千兆比特 ，为此将申请订购相关测试硬件。

团队介绍

最后了解下研究团队成员。

一作Sahar Ammar来自阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST)，电气和数学科学与工程 (CEMSE) 部门，主要研究方向为光通信；

二作Osama Amin，同样来自阿卜杜拉国王科技大学的电气和数学科学与工程 (CEMSE) 部门；

指导老师Basem Shihada，主要研究领域为无线、有线通信，也涉足网络安全与云计算。

参考链接：[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/9864223/authors#authors[2]https://interestingengineering.com/innovation/researchers-devise-smart-glass-windows-that-can-polarize-sunlight-for-wireless-data-transmission[3]https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/226738?returnurl=https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/226738

— 完 —

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