欢迎光临Li-Fi的高速通讯世界 比Wi-Fi快100倍

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简介:
能够想象的到,无须安装无线基地台,只要利用目前家中电灯泡,并将每一个灯泡当作热点(Hot Spot)就能达到比现今Wi-Fi快100倍的高速无线通信吗?这样的梦想已经实现了,更可以迈入实用化,这样的技术被称为Li-Fi(Light Fidelity)。

在TEDGlobal中,哈洛哈斯(Harald Haas)首度发表了能够实现这一理想的实物, 借助单一个LED所发出人眼无法察觉的高频闪烁光,可以传送比目前基地台更大的数据量。

Li-Fi是可视光通讯的一种。相信第一代的公众可视光通讯应该是2700多年前的周朝,在建筑了一座一座的烽火台后,利用烽火通信的方法,向国都发出报警讯息,而天子也利用烽火,召集各路诸侯出兵卫国。时至今日,公众可视光通讯技术已经可以利用一颗小小的电灯泡来完成,和Wi-Fi同样具有高速、双向的网络移动通讯能力,由于光无法穿透墙壁,作为数据传输技术更具安全性,而且成本也比Wi-Fi便宜10倍。因此在传输方面将更为安全、以及具有极低被干扰的能力。如表一,为针对Li-Fi与Wi-Fi的比较。

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图二 : 房中的每个房间都需要一个支持Li-Fi的照明设备。



表一: Li-Fi与Wi-Fi的比较。(●:低●●:中 ●●●:高)

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将互联网带向另一个革新的境界
设立于爱沙尼亚的Velmenni,已经完成全球第一个验证了,利用电灯泡可将传输数速率提高到1Gb,这样的速度已经是Wi-Fi的100倍,如果下载一部HD影片的话,只需要数秒的时间就可以完成。Velmenni并且推论,根据在研究室中的实验,Li-Fi最快更可以达到224Gb的速度。事实上,这样的速度,经牛津大学研究人员实验室测试,传输速度是可到每秒224 Gb,快到差不多可以一秒下载18部1.5 GB 的电影,透过这样的传输速度与便利性,预计将会把Internet带向另一个革新的境界。

2013年,中国的复旦大学也实验了借助LED灯光来进行网络的数据传递。复旦大学的研究人员室将网络讯号接入一盏1W的LED灯中,在这个灯光下,成功的使4台计算机可同时上网,并且测得最高速率可达到3.25G,平均上网速率达到150M。


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图三 : 根据Li-FI联盟技术说明,Li-Fi技术使用IR传输技术,可在10米内提供最高10Gpbs的速度。


做为4G下一代的移动通讯规格,不只能应用在智能手机,并且能在PC端完全导入,而这被称为第5代移动通讯系统的研究工作,即使LTE技术尚未在全球形成完全普及应用的环境,但下一世代的通讯技术的发展与验证已经展开进行了。

期望成为第5代移动通讯系统的标准,至少要具备了几项特点,包括了:

1.最大能达到20Gbp的传输速度。也就是目前LTE的1000倍大容量传送能力。

2.同步多方连接能力。要能够具有同时连接100倍终端设备的能力。

3.超低延迟,延迟时间必须低于1毫秒。

就以Velmenni的实验与发表,目前Li-Fi的技术似乎已经快要接近第5代移动通讯系统的期望值。未来3到5年内Li-Fi可望推向家用市场,让消费者也可以透过灯泡连上网络。

千亿美元市场规模

据Grand View Research的研究报告中预估,全球可见光通讯∕无线光通讯市场,在2024年预计达到1013亿美元的规模。具有低功耗、与网络安全的特点,将带动先进通讯系统与可见光通讯的发展,预计将在无线通信的领域中占有一席之地。当然,目前这一技术发展目前还在起步中,相信只会针对一些利基型的应用提供服务,但是Grand View Research认为,在持续的研发投入下,将有助于可见光通讯∕无线光通讯扩大市场的规模,并且吸引更多的业者参与此一技术。

图四 : 2013-2024年美国VLC应用市场占有率。(Source:Grand View Research;单位:百万美元)


虽然在部分的技术层次Li-Fi具有相当的潜力性,市场也看好着此一发展趋势,不过,由于是采用光线进行通讯,因此Li-Fi也存在着先天的问题点,在普及应用之前,这些问题点还是需要被克服。

例如,在日光直射的环境下,或者是被强光瞬间或长期照射的环境下,Li-Fi的通讯能力几乎就不存在,这是因为目前所采用的光传感器,没有办法接收到来自光通讯组件所传送出来的讯号。此外,还有空间的环境也会影响Li-Fi的通讯能力,就像经常有家具搬动,以及随时出现影子干扰的起居室,被移动的部分家具互许也会将Li-Fi的讯号遮住,使得通讯出现中断的情况,因此,在Li-Fi的摆设位置上也需要被细心的考虑。

苹果将支持Li-Fi技术?

目前iPhone∕iPad的无线技术可以支持最快802.11a/b/g/n/ac Wi-Fi,并具备MIMO(Multi Input Multu Output)技术,使得Wi-Fi速度可快达866 Mbps。但是,苹果对于在进行设计的未来几代产品中,似乎不满足这样的传输速率。

根据网络的讯息,经由一位网络用户Chase Fromm所发表的一篇贴文中,提到了他在iOS 9.1的代码中,发现到在各个Capability项目中出现了“LiFiCapability”的字眼,由此可见苹果应该早已展开支持 Li-Fi 技术的开发,否则便不会在 iOS 内加入相关的讯息。


因此,业界相信苹果似乎正在为未来的iPhone进行 Li-Fi 测试。同时,苹果也申请了一项关于光调变影像传感器的专利。专利内容描述了,一个传感器可利用光学转换影像捕捉与数据捕捉模式,并无须其他额外的硬件。也就是说,将为iPhone提供能捕捉Li-Fi光讯号的专利,能够在影像拍摄及数据收发上互相切换,这也就可以想象到镜头内将具备 Li-Fi 收发装置,但由于目前Li-Fi 技术仍未普及,而且市场上亦缺乏相关的发射装置,所以一般估计要再过一到两代才会出现。

PureLiFi公布三个版本的Li-Fi系统

根据Harald Haas对于Li-Fi的原理说明,当定电流流过LED灯泡后,LED灯泡就可产生可视光的光能源。如果让电流出现强弱变化的话,光的强度也会随之变化。由于LED灯泡是半导体的制品,因此可以利用光传感器来侦测电流和光的变化,所以只要针对电流进行强弱变化,那么就可以达到超高速的调变能力。

在高速的光调变下,人的眼睛是无法判别或发现的,这就像高频无线通信下,人的眼睛也没有办法看到的意思是一样的。因此,借助这样的原理,数据量就可以利用LED灯泡来进行高速通讯。因此Li-Fi是使用400到 800 THz光源以二进制方式传递数据,在实验环境下最高可达到每秒224 Gb传输量,即使离开实验室到现实工作环境下也能实现每秒1 Gb的高速度。

而由Harald Haas所创建的PureLiFi也正积极的与Cisco、Lucibel和LiFi Network进行合作,共同开发以Li-Fi为基础的光无线传输产品。到目前为止共发表了三代的Li-Fi系统技术。

PureLiFi在2014年推出了第一代技术Li-ist,2015年推出了第二代Li-Flame,2016年推出了第三代LiFi-X。LiFi-X APs(接入点)支持PoE(以太网供电)、PLC(电力线通信)以及LED照明产品。2016年12月,PureLiFi已经将数据传输速率从原来的5Mbps提高到10Mbps,进一步提高到40Mbps,使得Li-Fi成为Wi-Fi技术的有效补充。经三代技术发展后,PureLiFi已确立其技术方向,以最新的LiFi-X产品为例,包含全双工(Full-Duplex)的收发传输模式、可支持PoE、PLC等;其中,接入点(AP)发射端对应至LED照明具有安装容易优势,网站(STA)接收端具体积小、直接与NB及个人装置等链接,达商品化应用阶段。

图六 : PureLiFi发表了第一代的小型Li-Fi系统产品-LiFi-X。



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图七 : 接收端具体积小、可直接与NB及个人装置等链接。



新加坡积极发展Li-Fi技术

PureLiFi也和新加坡媒体信息通信发展管理局(IMDA)合作,进行Wi-Fi的替代技术Li-Fi,IMDA也核准在新加坡展开Li-Fi测试。另外,IMDA公布免除与Li-Fi测试所需400THz至800THz频段的频率费用,以便鼓励和促进在新加坡进行的测试。同时,新加坡国家投资机构淡马锡控股,在2016年更对PureLiFi进行了700万英镑的B轮融资。

而新加坡科技研究局和国立大学的研究人员,合作开发了一款可选波长的光传感器,能够侦测到被包含在白光中的蓝光波段,使得在Li-Fi基础下,上网速度从5MHz提高到20MHz。在感测白光在450nm和560nm的波段,所分析出的黄光光谱中,发现到蓝光的衰减时间为1.4ns,较黄光发射的54.4ns更快许多。

这也就代表着,蓝光能以较黄光更快的速度进行开启和关闭,而宽带的光传感器最终取得讯号的最慢公分母,减缓上升和下降时间。基于这样的原理,新加坡的研究人员设计了一款具有V型凹槽纹理的表面的绿光氮化铟镓(InGaN) LED作为接收器,来提高InGaN LED主动层的峰值响应度。

图八 : 新加坡研究人员利用InGaN开发出一款具有V型凹槽纹理的LED。



印度计划应用在航空器上

长久以来乘客在搭乘飞机时要求使用无线通信,一直是航空公司、飞机制造业者,以及航空管理单位甚为头痛的问题,由于利用微波做为数据传输载体的无线通信,虽无法证实的确会影响飞行安全,但因为微波发射时功率的关系,大多航空公司都拒绝了乘客在搭乘航空器时使用无线通信产品,因此印度的 Velmenni便针对航空器环境开发了Li-Fi相关产品,计划在2017年推出。

Velmenni相信,为了保护航空电子设备免受无线信号干扰,Li-Fi技术绝对是一个安装选项。这就意味着可以在飞机机舱内建立一个以Li-Fi为基础的局域网络,除了可以为乘客提供娱乐节目之外,并让支持Li-Fi机制的手机和计算机连接上网。目前,Velmenni正与欧洲大型飞机制造厂商空中巴士进行合作,提供一架飞机机舱实体模型,让Velmenni进行安装和测试Li-Fi网络,Velmenni计划使用乘客的阅读灯来传送信号。

目前Velmenni有三个不同的产品,包括了Li-Fi传输器、INTERENT HUB和MESH HETWORKING。2015年3月Velmenni已经用该技术实现了10公尺内 1Mbps的传输速度。2015年11月,更以最快1GBps的速度发送数据。Velmenni表示,世界上很多地方还达不到1Mbps每秒的速度,在进行成果转化和商业化的时候,会考虑在不同应用范围内的限制性,例如飞机上由于数据传输的特殊性,可能在设计解决方案这方面要进行调整,而不是光考虑到速度的问题。

图九 : Velmenni计划利用航空器内的灯光来完成以Li-Fi为基础的局域网络。



三至四年 Li-Fi可望商业化

PureLiFi的首席运营官(COO)Harald Burchardt也公开的表示,"我们已经在与多家智能手机、平板计算机和笔记本电脑的潜在客户展开相关的合作,目标是开发可以用于这些设备的芯片。我们的长期目标是向设备厂商供应零组件。"

虽然如此,但是对于想购买并且应用Li-Fi技术产品的用户,可能还得耐心地等待一段时间。

目前尚不清楚PureLiFi是否会制造Li-Fi本身所需要的芯片组,或者与其伙伴合作。不过,PureLiFi正在与其他利益相关者积极合作,制定Li-Fi标准,确保各个设备的性能一致,做到像Wi-Fi标准一样。

虽然过去几年,LED不断的自我提升亮度、使用寿命与降低耗电量,使得LI-FI系统的推广将会有更大的帮助,并且成为LI-FI系统的关键组件之一。但由于这样的技术下,担任传输媒介的光线,是透过空气传播,而不是倚靠有形的光纤传输,因此如何能准确传送信息,以及避免难以预估的各种干扰,这在技术上还是有一定的困难度与局限,再加上相关搭配得组件及模块尚未成形,因此现阶段还难以完全商用化,不过有部分专家相信,Li-Fi的无线传输技术将会在未来三到四年内达到商业化的阶段,因此这一项工程还需仰赖包括光源组件、调变技术、感测技术等等各方面的能力配合,才能期待Li-Fi的普及之路是在不久的将来。 本文转自d1net(转载)
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