Li-Fi, 连接世界与你的那盏灯


文/迟 楠 胡昉辰 施剑阳

生活中,你是否遇到过以下这些问题?使用Wi-Fi下载高清视频时,总觉得速度太慢;自家的无线网络总是不明被“蹭”;怀孕的时候想上网却总是怕被辐射笼罩。如果你正在因此而困扰,或许一种名为可见光无线通信(Light Fidelity,Li-Fi)的技术,会在未来的某一天帮你解决这些难题。Li-Fi是节能环保的LED灯与便捷的无线技术碰撞后的产物,该技术把可见光作为信息的载体,让“灯光上网”这个概念得以实现,并逐渐在更广阔的领域大显身手,给人们的生活带来不一样的体验。
那Li-Fi技术是如何实现的呢?我们都知道,最简单的信息传递不外乎“0”和“1”的二进制数据。当我们给LED灯泡装上微芯片后,便可控制其闪烁,亮了就表示“1”,灭了就表示“0”,甚至我们可以使其闪烁频率达到每秒数百万次。由于闪烁的频率太快,人眼根本无法察觉,可光敏传感器却可以接收到这些变化。这样一来,二进制的数据就被快速编码为灯光信号并进行有效传输。灯光下的电子设备通过一套特制的接收装置,就能读懂灯光里的“莫尔斯码”,不断进行高速传输。

Li-Fi的历史回顾
早在2000年,日本研究者就提出并仿真了利用LED照明灯作为通信基站,进行信息无线传输的室内通信系统。随后在2003年,日本成立了可见光通信联合体,在室内定位、图像传感器方面取得了巨大成果。2008年,欧盟设立了家庭吉比特接入计划,集成可见光通信、无线通信和电力通信,构建家庭局域宽带通信网络。同年美国国家科学基金会大力发展智能照明系统,其中就包括可见光传输和定位系统,并计划运用在沃尔玛超市中。
2011年,日本实现了用可见光以100兆比特每秒的速度在室内传输最远2米的距离,效果良好。2012年,英国工程和物理科学研究委员会启动了一个历时4年、耗资500万英镑的项目“超并行可见光通信”,研究可见光通信的空间分集传输,将有望大幅度提升Li-Fi的传输速率。值得一提的是,2016年,英国爱丁堡大学的哈斯教授创立的公司推出了名为LiFi-X的外接式传输Li-Fi产品,其上下行速率都达到了40兆比特每秒,并且产品接收器对非直接光源的接收也很敏感,这意味着Li-Fi的商业化迈出了重要的一步。
在国内,Li-Fi技术也在快速发展,近年来科技部、上海市科委、广东科技厅等政府部门大力支持可见光通信的研发工作。2013年,科技部启动了国内第一个可见光通信相关的“863”计划和“973”计划项目的研究工作。2016年,在科技部委托中国科学技术发展战略研究院开展的“第五次国家技术预测”中,提出了未来10年人们有望借助灯光上网的大胆预测。
在大力发展Li-Fi的浪潮中,复旦大学迟楠教授团队一直站在世界前列,在高速通信和核心器件上都取得了卓越的成就。在高速通信方面,该团队在2013年就研发出了可见光离线数据传输速率为3.75吉比特每秒的先进系统,一举打破当时的世界纪录。2018年,该团队又创造了国际单颗LED可见光通信系统最高速率10.7吉比特每秒的佳绩,在室外实验中,传输100米最高传输速率达到了1.74吉比特每秒。在核心器件上,该团队制备了国际首例可见光通信专用3×3 PIN集成阵列和基于表面等离子的高速LED,芯片带宽提升6倍以上。为了让Li-Fi早日芯片化,迟楠教授团队承担了2017科技部重点研发计划“高速可见光通信技术研究及芯片化设计”,项目正在稳步向前推进。Li-Fi如此快速的发展,也让我们对Li-Fi美好的未来充满了希望。

Li-Fi——打开水下通信大门的金钥匙
海洋面积广阔,约占地球表面的71%,可是人们对它的了解还不到2%。甚至有人笑称,人类对月球表面的陨石坑可能了解得更多一些。所以,探索海洋是未来发展的必然方向,其中,水下高速无线通信就是一个重要课题。
就现有的技术而言,水下声呐通信速度太慢,水下射频通信传输距离太短,而水下可见光无线通信技术恰恰就是解决这个问题的理想钥匙。可见光频段中的蓝绿光波段具有独特的物理特性,用蓝绿光携带信息在水中传输时,不仅传输速率快,而且传输损耗小。实验证明,Li-Fi在水中传输时可以轻松达到吉比特每秒的高速率,在一定条件下传输距离可以达到百米以上。
如此便捷实用的水下可见光通信在各个领域都有用武之地。在养殖业,可以用于制作水下浑浊度测量仪,利用Li-Fi进行浑浊度信息的传递,这样就实现了养殖过程的实时监控;在工业界,Li-Fi可用于核反应堆监控的水下通信,可以实现基站和水下机器人的高速远距离通信,让核反应堆的维修、监控更加可靠便捷;在生活中,特制的Li-Fi手环可以用来实时有效地记录游泳者的拍水频率、拍水速度等信息,为游泳者提高游泳技术提供数据指导。迟楠教授团队近几年也开始了水下可见光通信的研究,制作的通信样机已经运用在了核电站等地方,并且取得了很不错的效果。相信在未来,当对海洋的探索不断深入时,Li-Fi会成为人类打开水下通信世界的又一把金钥匙。

不断完善,未来可期
虽然Li-Fi有着得天独厚的物理优势和光明的发展前景,但是现阶段仍旧有许多瓶颈限制其快速发展。第一便是目前市场上的LED灯具,其生产初衷在于实现照明,并未考虑其通信功能,所以通信带宽相当有限,严重影响可见光通信的速率;第二是Li-Fi的产业链绵长,涉及了照明、通信和电力等多个产业,想要拥有完善的产业链结构,还需要一系列的产业化发展;第三,也是最重要的一点就是Li-Fi如今并没有“杀手”级的应用领域,缺少一个无法替代的应用场景,市场需求并不强烈。因此,在清晰认识到这些瓶颈之后,我们更应该保持谨慎乐观的态度,积极探索,让Li-Fi焕发更加蓬勃的生命力。
现阶段全世界的研究者也在不断地完善着Li-Fi,希望能够尽快突破这些瓶颈,让Li-Fi技术大放异彩。2016年,日本成功研制了高速的InGaN(氮化铟镓)材料;2017年,中国台湾研制出了高速硅基材料。这些材料都使LED灯具拥有了更高带宽,也使Li-Fi的探测器变得更加灵敏实用,极大提高了可见光通信的速率。2015年,英国成功研制出了可见光通信的高性能专用芯片,并且在探索将一种无源光网络与可见光系统相结合,为Li-Fi的产业化、大规模组网提供了一定条件。
以往太多经验告诉我们,任何新兴技术的发展都不是一帆风顺的,需要不同领域的不断合作,协同发展,只要我们保持乐观谨慎的态度,相信在多方面的共同努力下,能够促进产学研的立体式发展,共同推进Li-Fi技术的成熟与进步。
【本文作者迟楠为复旦大学通信科学与工程系教授。项目资助:科技部重点研发计划“高速可见光通信技术研究及芯片化设计”(2017YFB0403603)】

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