LiFi：不需要无线电的无线连接技术

作者：Charles Byers

目前，WiFi、3G/4G蜂窝网络和相关技术在各个领域都被应用的很好，我们每个人以及日益增加的物联网（IoT）设备都在采用这些技术，这也导致网络容量已经快接近极限。因此，我们需要提升基于无线电的网络容量来满足带宽的需求，这是具有挑战性的。

基于无线电网络访问带宽增长的一个关键挑战是射频频谱的可用性，它可以分为两种：

· -授权的频谱

· -未授权的频谱

授权的频谱需要由政府机构（比如美国联邦通信委员会（FCC））专门授予，被特定的无线电应用、特定的用户组使用，通常被用在特定的区域。由于需求巨大，全国范围内的射频授权的费用可能要数十亿美元。人们不断努力的将频谱从较旧的，利润较低的领域中解放出来，并将其转移到5G蜂窝网络等领域。然而，这也存在一些问题。比如，随着频谱被接管，数十亿台电视机或其他无线电设备将被淘汰。因此，授权频谱依然稀缺且昂贵。

除了授权频谱外，另一种选择就是未授权的频谱，像WiFi、蓝牙、家居自动化系统、遥控车和其他网络通常使用一组称为仪器、科学和医学（ISM）波段的频带。这些频段的使用对所有人都是免费的，但也有一些详细的规定。这种使用并不是唯一的，任何人都可以在ISM波段上传输通信。随着设备的日益增加，任何一台设备可用的带宽都可能发生显著的变化。在ISM频段中也会有更多的干扰，例如来自共享频带的微波炉，而频率较高的频带（比如10GHz以上）往往不会那么杂乱，但它们的无线电传播特性很差，很容易就会被墙壁或树叶所阻挡。

无论使用的频谱是否授权的，网络的最大容量取决于频率、带宽、信噪比（SNR）、调制技术、天线设计、协议以及编码方式。一旦超过最大容量，网络就会变慢，这就是为什么你的手机在拥挤的场合网络会很慢。在这些情况下太多的人通过固定的无线网络容量发送了太多的数据，多输入多输出（MIMO）等定向天线技术有助于从不同的角度重用相邻的无线电频谱，但也存在严重的局限性。在频率远远超出FCC或ISM波段范围时，我们需要做的是获得大量的带宽和有效的调制技术，这驱使光束通信技术的出现。

可见光无线通信（又称“光保真技术”，英文名Light Fidelity（简称Li-Fi））是近年来兴起的一种用于无线通信的可见光通信技术。Li-Fi和相关形式的自由空间光通信使用调制光束，以非常高的网络容量承载数字数据，在此过程中不使用任何射频频谱。一个数字信息，比如一个IP数据包是用标准协议和用于调制的光源（比如可见光、紫外线、红外线、激光或led等）编码的。发出的光经过光学系统处理，将其传递给接收器，然后穿过一段距离的空间到达远程设备上接收光的光学系统。光通过快速光电探测器转换为电信号，经过放大、解调再转换为原始信息，供远程设备上的处理器使用。对于双向通信这个过程也是类似的，有时使用不同波长的光来避免干扰，原型系统的容量已经超过了100Gbps。2013年美国国家航空航天局（NASA）为月球轨道上的月球大气和尘埃环境探测者（LADEE）航天器和新墨西哥州的一个地面站之间的激光通信创造了一项距离记录，速度为622Mbps，传输距离超过38.5万公里。

来自爱丁堡大学的哈拉尔德·哈斯（Harald Haas）是研究Li-Fi技术的先驱，并就这一课题发表了一系列优秀的TED演讲和论文，同时他也是一家领先的商业产品供应商pureLiFi的联合创始人。关于自由空间光通信目前已经有很多种标准了，其中最重要的标准是IEEE 802.15.7。这些系统的工作原理通常是通过调制安装在天花板的光源（一个类似于WiFi的接入点（AP）的小型发射器或者一个特殊设计的光源）向自由空间发送数据流，并通过远程设备上的光学接口接收数据流，已经针对具有Li-Fi接收器的智能手机进行了测试。这些系统倾向于用来非定向光源的相同调制信号来覆盖真个房间，房间内的所有接收设备都使用介质访问控制（MAC）协议和加密技术，从而只检索它们准备共享数据流那一部分内容。

如果我们不像传统的WiFi那样向所有的设备发送相同的全向光比特模式，而是尝试将独特的光束定向到每个设备（有点像升级版的MIMO），这样会有怎样的效果呢？其中一种方法是将光束偏转器（例如一对X-Y扫描检流计）放在调制光源的前面，并使光束沿着一条路径偏转，从而可以快速顺序访问其范围内的所有有源器件。该系统能够缓冲它所能接收到的所有端点的流量，设置偏转角指向所选端点，并以数千Mbps的速度爆发式传输数据，直到缓冲区用尽（或计时器耗尽），然后再将偏转器移动到下一个端点。事实证明在激光标记或激光显示等应用中使用的光束偏转器可以做到这一点。下图显示的是一个帽子大小的设备，集成了可偏转的自由空间光网络通信技术。如果将这样的设备挂在礼堂的天花板上或安装在水塔上，就可以同时为数千个端点提供快速、安全、不需要无线电就可以通信的数据带宽。若想了解更多这类网络通信技术，请查看美国专利6,650,451。

使用自有空间光网络技术的设备能够形成重叠的通信区域

如果我们想要更多的性能和容量呢？我们可以移除振动子的运动组件，它会使整个系统变慢，而且可能引起可靠性的问题，并将多个发射/接收波束收发器构建成一个紧凑的模块。设想一个外观类似一个高尔夫球大小的装置，它有数百个双向光束，每个“酒窝”都会形成一个光束。当远程设备进入它们的视觉范围内时，这些收发器的某个子集就会被激活。若固定底面站和移动终端都有这些收发器，就可以形成网状网络。当收发器移动时相邻的光束会发生切换，这项技术将连接大量无人机、工厂内的物联网设备等相关类似应用。美国专利9,350,448详细介绍了这种系统的操作原理，以及如何使用鱼眼透镜来构建多波束收发器的复杂光学系统。

Li-Fi和其他自由空间光学技术为高性能网络带来了希望，它们不使用稀有和昂贵的无线电频谱，并具备更高的网络容量。此外这些技术比基于无线电的网络技术更加的安全，而且不容易受到干扰。

关键点

· 无线电网络技术比如WiFi、蜂窝网络都有容量限制，而且受可用的无线电频谱制约

· 从无线电技术转向Li-Fi这样的基于光通信的技术来携带信息，网络容量、安全、抗干扰以及系统的稳定性都可以得到提高

· 使用偏转或多波束端点的定向网络可以提供更好的容量和安全性

CHARLES C.BYERS（拜尔斯先生）是工业互联网联盟的副首席技术官。他致力于研究边缘计算系统、通用平台、媒体处理系统和物联网的架构和实现。此前他是思科的首席工程师和平台架构师，也是阿尔卡特朗讯贝尔实验室的研究员。在电信网络行业的30年里他在语音交换、宽带接入、网络融合、VoIP、多媒体、视频、模块化平台、边缘计算和物联网等领域做出了重大贡献，他也是多个标准组织的领导者，包括工业互联网联盟和OpenFog联盟的首席技术官，同时也是PICMG的AdvancedTCA、AdvancedMC和MicroTCA小组委员会的创始成员。

拜尔斯先生获得了威斯康辛大学麦迪逊分校（University of Wisconsin, Madison）电子与计算机工程学士学位和电子工程硕士学位，他在业余时间则喜欢旅行、做饭、骑自行车或者在他的工作室修修补补。他还拥有80多项美国专利技术。