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Li-Fi:通向更高速率资料通讯之途径
 

【作者: Mark Patrick】2019年04月02日 星期二

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图一 : 藉由 Li-Fi 新颖的技术途径,这种技术可能会在以前难以实现高速通讯的环境中找到更多应用案例。(source:Mouser)
图一 : 藉由 Li-Fi 新颖的技术途径,这种技术可能会在以前难以实现高速通讯的环境中找到更多应用案例。(source:Mouser)

无线电频谱是一种宝贵资源,很快就会被占满。城市地区的 Wi-Fi 使用者不久就会意识到来自附近分享器(router)的干扰会如何影响他们自己网路设备的通讯性能,对此问题的首批回应之一是简单地添加更多频段。以 Wi-Fi 为例,最初的 2.4GHz 频段仍然需要与许多其他协定(包括蓝牙)共用,除此之外,还增加了对5GHz频段的支援。然而,Wi-Fi 可以扩展的频段数量受到严重限制,因为有太多其他应用需要浏览它们自己的RF频谱。


随着时间推移,更进阶的 Wi-Fi 设备开发人员透过采用各种技术,将更多资料导入核心频谱来抵消频率限制问题。这些包括从每个无线电传输多个资料讯号的进阶调变方案到能够将传输引导到各个接收器的天线分集增强技术。其他提议包括将 Wi-Fi 推向10GHz以上的频率范围,这可以提供更高通道频宽和更高资料速率。但是,为什麽不进一步提高电磁波谱频率,并使用红外光或可见光呢?


可见光通讯已经被部署用於点对点回程应用,适合於在部署电缆不切实际的较深峡谷等场所,能够实现超过100MBITS/S的资料速率,基於可见光的资料传输也正在研究用於改进大气层之上和水下系统的连通能力。


RF在水中散射很快,难以在采用极低频载波讯号之上建立可靠的通讯,且具有非常低的资料速率。根据最新的研究,尽管水也能够强烈吸收可见光频率的红色端,但蓝绿色雷射器可以在数十米距离实现高达100 MBITS/S的资料速率。针对更远距离的应用,NASA已经开始使用调变红外镭射试验地对空通讯。622MBITS/S通道透过在不同轨道卫星通讯地面站之间切换来避免由云引起的衰减。



图二 : Li-Fi技术的开发是利用了标准灯具中的LED技术。(source:installation-international.com)
图二 : Li-Fi技术的开发是利用了标准灯具中的LED技术。(source:installation-international.com)

Li-Fi版本的可见光通讯针对更多的实际应用。尽管经过了一些调整,这项技术的开发是利用了标准灯具中的LED技术。许多商业LED灯具使用高亮度元件,在光谱的蓝色端产生可见光。黄色磷光体涂层将光的整体颜色变为白色,磷光体的作用减小了对光源施加的任何幅度调变之影响,将其频宽限制在2MHz左右。


但是,如果接收器滤除黄色分量,原则上可以实现高达1GBITS/S的资料速率。使接收器回应具有可调色能力灯具的不同元件(通常使用红色、绿色和蓝色LED的组合),可以将资料速率提高至5GBITS/S或更高。由Harald Haas教授(创建了Li-Fi一词)领导的爱丁堡大学团队实验表明,在灯具上添加镭射二极体并使它们平行传输可以实现超过100GBITS/S的传输速率。


Li-Fi与在无线电频谱10GHz以上部分运作的Wi-Fi版本有一些共同的应用属性。随着载波讯号的频率增大,RF通讯变得更具方向性。尽管使用10GHz以上通道之协定(例如5G蜂巢技术)将利用反射来改善接收性能,但通讯通道将主要仰仗於视距传输。


由於Li-Fi具有更大的方向性,它允许构建「attocell」,例如,在筒灯下运作的单个使用者具有自己的频宽。然而,Li-Fi并不仅仅是一种视觉(light-of-sight)技术,它采用了一些反射能力,从而避免了严格保持视线(line-of-sight)传输路径的需要。这主要是透过使用正交频分复用(OFDM)的编码系统来实现,该编码系统比早期Li-Fi实验中采用的简单二进位码更为复杂。


Li-Fi 的方向性在实现安全性方面具有潜在的优势。讯号除了要限制在发射器下方的光锥内,根本不会穿透实心墙。一些人提议的 60GHz Wi-Fi 传输方案,例如IEEE 802.11ax,可以利用技术可以透过墙发送讯号,该标准的工作组认为这对於家庭的整体采用非常重要。在使用Li-Fi技术进行通讯时,任何想要拦截讯号的骇客都需要靠近发射器和合法接收器,仅这一因素就显然增大了其被发现的机会。



图三 : Li-Fi的台灯可在使用者的电脑和核心网路之间提供安全的无线连接。(source:nextLiFi)
图三 : Li-Fi的台灯可在使用者的电脑和核心网路之间提供安全的无线连接。(source:nextLiFi)

IEEE 802.11bb工作组提出的应用案例是支援Li-Fi的台灯,它可在使用者的电脑和核心网路之间提供安全的无线连接。从设备到灯具的上行链路通道采用在红外区域中工作的较小发射器,这可以避免对下游讯号的干扰,并且还具有不会分散设备使用者注意力的好处。在这项技术发展的早期阶段,人们曾担心使用者是否会注意到采用Li-Fi发射器的闪烁。调变速度如此之高,除了整体光输出的颜色平衡发生可能偏移之外,效果并不明显。然而,这是灯具设计师可以补偿的因素。


在把Li-Fi技术部署在天花板灯上时,一个潜在缺点是同频(co-channel)干扰,在这里光锥交汇,因此接收器不会从任何一个发射器获得清晰的讯号。基於OFDM的编码方案除了能使光线从墙壁和其他妨碍通讯的物体反射之外,还有助於克服该问题。IEEE 802.11bb 工作组提出了一种协定,至少能够提供10Mbits / s 的资料速率,并可上升到5Gbits/s 的峰值,这比广泛采用的基於5GHz 载波的IEEE 802.11n Wi-Fi 快十倍。更近期和目前更昂贵的IEEE 802.11ac版Wi-Fi 缩小了这一差距,它可以提供1.73Gbits/s 的速度。


Wi-Fi有??与Li-Fi的峰值资料速率相匹敌,此竞争来源於采用大约60GHz载波频率的IEEE 802.11ax和802.11ay版本Wi-Fi。这些标准改善了首次尝试构建60GHz Wi-Fi(IEEE 802.11ad)所遭受的距离较短之问题,一些测试表明IEEE 802.11ay的最大距离已经可达300米,使其适用于办公网路。但是,它的使用模式与Li-Fi不同。一个关键的区别是,IEEE 802.11ax是由单个分享器将为多个使用者提供服务,而 Li-Fi 宣导者希??充分利用 attocell 概念,其中回程网路能够为同一房间内的多个使用者提供 Gbit/s 级速率服务。


IEEE 802.11ay与大多数其他协定之间的另一个区别是它可以执行用於补偿障碍物的演算法,并提供相应的附加服务。分享器可以映射房间,检测人员之存在,甚至可以确定手势。在 Li-Fi 环境中,这些功能更有可能在另外的相机帮助下实现。



图四 : 在飞机中,透过采用合适的支援 Li-Fi 技术的LED替换每个座位上的传统灯光,Li-Fi 可以为每个人提供高资料速率。(source:Airline Passenger Experience Association)
图四 : 在飞机中,透过采用合适的支援 Li-Fi 技术的LED替换每个座位上的传统灯光,Li-Fi 可以为每个人提供高资料速率。(source:Airline Passenger Experience Association)

虽然 Li-Fi 需要在传统的家庭和办公室部署中与新型的 Wi-Fi 技术一决高下,但在某些环境中,基於光的通讯具有一些明显的优势。例如,在飞机中,用於向乘客提供多媒体服务的电缆重量是构建更省油飞机的主要障碍。透过采用合适的支援 Li-Fi 技术的LED替换每个座位上的传统灯光,Li-Fi 可以为每个人提供高资料速率。而对於其中包含RF干扰的通讯,例如医院的手术室,Li-Fi 技术能够提供更高频宽。对於工业系统来说,Li-Fi 可能是一种更安全的技术,特别是针对那些具备高爆炸风险的系统。例如,处理精细粉末和挥发性化学品的工厂不能容易地采用高频RF通讯,而且电气资料电缆也需要严格的保护措施。


藉由 Li-Fi 新颖的技术途径,这种技术可能会在以前难以实现高速通讯的环境中找到更多应用案例。但是,对於大多数资料容量和便利性是最大考量因素的情况,Li-Fi 和Wi-Fi之间的选择可能会归结为具体应用之特定要求。


(本文作者 Mark Patrick 任职於贸泽电子)


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