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Li-Fi:通向更高速率資料通訊之途徑
 

【作者: Mark Patrick】   2019年04月02日 星期二

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圖一 : 藉由 Li-Fi 新穎的技術途徑,這種技術可能會在以前難以實現高速通訊的環境中找到更多應用案例。(source:Mouser)
圖一 : 藉由 Li-Fi 新穎的技術途徑,這種技術可能會在以前難以實現高速通訊的環境中找到更多應用案例。(source:Mouser)

無線電頻譜是一種寶貴資源,很快就會被占滿。城市地區的 Wi-Fi 使用者不久就會意識到來自附近分享器(router)的干擾會如何影響他們自己網路設備的通訊性能,對此問題的首批回應之一是簡單地添加更多頻段。以 Wi-Fi 為例,最初的 2.4GHz 頻段仍然需要與許多其他協定(包括藍牙)共用,除此之外,還增加了對5GHz頻段的支援。然而,Wi-Fi 可以擴展的頻段數量受到嚴重限制,因為有太多其他應用需要瀏覽它們自己的RF頻譜。


隨著時間推移,更進階的 Wi-Fi 設備開發人員透過採用各種技術,將更多資料導入核心頻譜來抵消頻率限制問題。這些包括從每個無線電傳輸多個資料訊號的進階調變方案到能夠將傳輸引導到各個接收器的天線分集增強技術。其他提議包括將 Wi-Fi 推向10GHz以上的頻率範圍,這可以提供更高通道頻寬和更高資料速率。但是,為什麼不進一步提高電磁波譜頻率,並使用紅外光或可見光呢?


可見光通訊已經被部署用於點對點回程應用,適合於在部署電纜不切實際的較深峽谷等場所,能夠實現超過100MBITS/S的資料速率,基於可見光的資料傳輸也正在研究用於改進大氣層之上和水下系統的連通能力。


RF在水中散射很快,難以在採用極低頻載波訊號之上建立可靠的通訊,且具有非常低的資料速率。根據最新的研究,儘管水也能夠強烈吸收可見光頻率的紅色端,但藍綠色雷射器可以在數十米距離實現高達100 MBITS/S的資料速率。針對更遠距離的應用,NASA已經開始使用調變紅外鐳射試驗地對空通訊。622MBITS/S通道透過在不同軌道衛星通訊地面站之間切換來避免由雲引起的衰減。



圖二 : Li-Fi技術的開發是利用了標準燈具中的LED技術。(source:installation-international.com)
圖二 : Li-Fi技術的開發是利用了標準燈具中的LED技術。(source:installation-international.com)

Li-Fi版本的可見光通訊針對更多的實際應用。儘管經過了一些調整,這項技術的開發是利用了標準燈具中的LED技術。許多商業LED燈具使用高亮度元件,在光譜的藍色端產生可見光。黃色磷光體塗層將光的整體顏色變為白色,磷光體的作用減小了對光源施加的任何幅度調變之影響,將其頻寬限制在2MHz左右。


但是,如果接收器濾除黃色分量,原則上可以實現高達1GBITS/S的資料速率。使接收器回應具有可調色能力燈具的不同元件(通常使用紅色、綠色和藍色LED的組合),可以將資料速率提高至5GBITS/S或更高。由Harald Haas教授(創建了Li-Fi一詞)領導的愛丁堡大學團隊實驗表明,在燈具上添加鐳射二極體並使它們平行傳輸可以實現超過100GBITS/S的傳輸速率。


Li-Fi與在無線電頻譜10GHz以上部分運作的Wi-Fi版本有一些共同的應用屬性。隨著載波訊號的頻率增大,RF通訊變得更具方向性。儘管使用10GHz以上通道之協定(例如5G蜂巢技術)將利用反射來改善接收性能,但通訊通道將主要仰仗於視距傳輸。


由於Li-Fi具有更大的方向性,它允許構建「attocell」,例如,在筒燈下運作的單個使用者具有自己的頻寬。然而,Li-Fi並不僅僅是一種視覺(light-of-sight)技術,它採用了一些反射能力,從而避免了嚴格保持視線(line-of-sight)傳輸路徑的需要。這主要是透過使用正交頻分複用(OFDM)的編碼系統來實現,該編碼系統比早期Li-Fi實驗中採用的簡單二進位碼更為複雜。


Li-Fi 的方向性在實現安全性方面具有潛在的優勢。訊號除了要限制在發射器下方的光錐內,根本不會穿透實心牆。一些人提議的 60GHz Wi-Fi 傳輸方案,例如IEEE 802.11ax,可以利用技術可以透過牆發送訊號,該標準的工作組認為這對於家庭的整體採用非常重要。在使用Li-Fi技術進行通訊時,任何想要攔截訊號的駭客都需要靠近發射器和合法接收器,僅這一因素就顯然增大了其被發現的機會。



圖三 : Li-Fi的檯燈可在使用者的電腦和核心網路之間提供安全的無線連接。(source:nextLiFi)
圖三 : Li-Fi的檯燈可在使用者的電腦和核心網路之間提供安全的無線連接。(source:nextLiFi)

IEEE 802.11bb工作組提出的應用案例是支援Li-Fi的檯燈,它可在使用者的電腦和核心網路之間提供安全的無線連接。從設備到燈具的上行鏈路通道採用在紅外區域中工作的較小發射器,這可以避免對下游訊號的干擾,並且還具有不會分散設備使用者注意力的好處。在這項技術發展的早期階段,人們曾擔心使用者是否會注意到採用Li-Fi發射器的閃爍。調變速度如此之高,除了整體光輸出的顏色平衡發生可能偏移之外,效果並不明顯。然而,這是燈具設計師可以補償的因素。


在把Li-Fi技術部署在天花板燈上時,一個潛在缺點是同頻(co-channel)干擾,在這裡光錐交匯,因此接收器不會從任何一個發射器獲得清晰的訊號。基於OFDM的編碼方案除了能使光線從牆壁和其他妨礙通訊的物體反射之外,還有助於克服該問題。IEEE 802.11bb 工作組提出了一種協定,至少能夠提供10Mbits / s 的資料速率,並可上升到5Gbits/s 的峰值,這比廣泛採用的基於5GHz 載波的IEEE 802.11n Wi-Fi 快十倍。更近期和目前更昂貴的IEEE 802.11ac版Wi-Fi 縮小了這一差距,它可以提供1.73Gbits/s 的速度。


Wi-Fi有望與Li-Fi的峰值資料速率相匹敵,此競爭來源於採用大約60GHz載波頻率的IEEE 802.11ax和802.11ay版本Wi-Fi。這些標準改善了首次嘗試構建60GHz Wi-Fi(IEEE 802.11ad)所遭受的距離較短之問題,一些測試表明IEEE 802.11ay的最大距離已經可達300米,使其適用于辦公網路。但是,它的使用模式與Li-Fi不同。一個關鍵的區別是,IEEE 802.11ax是由單個分享器將為多個使用者提供服務,而 Li-Fi 宣導者希望充分利用 attocell 概念,其中回程網路能夠為同一房間內的多個使用者提供 Gbit/s 級速率服務。


IEEE 802.11ay與大多數其他協定之間的另一個區別是它可以執行用於補償障礙物的演算法,並提供相應的附加服務。分享器可以映射房間,檢測人員之存在,甚至可以確定手勢。在 Li-Fi 環境中,這些功能更有可能在另外的相機幫助下實現。



圖四 : 在飛機中,透過採用合適的支援 Li-Fi 技術的LED替換每個座位上的傳統燈光,Li-Fi 可以為每個人提供高資料速率。(source:Airline Passenger Experience Association)
圖四 : 在飛機中,透過採用合適的支援 Li-Fi 技術的LED替換每個座位上的傳統燈光,Li-Fi 可以為每個人提供高資料速率。(source:Airline Passenger Experience Association)

雖然 Li-Fi 需要在傳統的家庭和辦公室部署中與新型的 Wi-Fi 技術一決高下,但在某些環境中,基於光的通訊具有一些明顯的優勢。例如,在飛機中,用於向乘客提供多媒體服務的電纜重量是構建更省油飛機的主要障礙。透過採用合適的支援 Li-Fi 技術的LED替換每個座位上的傳統燈光,Li-Fi 可以為每個人提供高資料速率。而對於其中包含RF干擾的通訊,例如醫院的手術室,Li-Fi 技術能夠提供更高頻寬。對於工業系統來說,Li-Fi 可能是一種更安全的技術,特別是針對那些具備高爆炸風險的系統。例如,處理精細粉末和揮發性化學品的工廠不能容易地採用高頻RF通訊,而且電氣資料電纜也需要嚴格的保護措施。


藉由 Li-Fi 新穎的技術途徑,這種技術可能會在以前難以實現高速通訊的環境中找到更多應用案例。但是,對於大多數資料容量和便利性是最大考量因素的情況,Li-Fi 和Wi-Fi之間的選擇可能會歸結為具體應用之特定要求。


(本文作者 Mark Patrick 任職於貿澤電子)


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