點亮一盞燈，電子設備就能連接入互聯網。近日，復旦大學計算機科學技術學院實現了利用屋內可見光傳輸網絡信號的國際前沿通訊技術。在實驗室內，研究人員將網絡信號接入一盞1W的LED燈珠，燈光下的4臺電腦即可上網，最高速率可達3.25G，平均上網速率達到150M。
究竟什么是Li-Fi？Li-Fi(Light Fidelity)是一種全新的無線數據傳輸技術，屬于可見光通訊(Visible Light Communications，縮寫為VLC)的范疇。光和無線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網絡信號的基本原理是一致的。研究者給普通的LED燈泡裝上微芯片，通過微芯片控制LED燈泡的明滅變化，同時將二進制數據編碼成光信號：燈亮表示1，燈滅表示0。由于頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化并解調出來。就這樣，二進制的數據就被快速編碼成燈光信號并進行了有效的傳輸。 LED作為半導體器件，這種高速的亮滅即開關的通斷能力是它的特性，而白熾燈因為在亮滅的變化過程中非常容易被損壞，且亮滅變化動作太慢，因而不具備這種通信功能。
作為無線數據傳輸的最主要技術，WiFi利用了射頻信號。然而，無線電波在整個電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對無線互聯網需求的增長，可用的射頻頻譜正越來越少。由于可見光頻段的可用頻譜范圍極寬，資源非常充足，所以科學家在設計Li-Fi無線網絡時，可以將通訊的信道寬度設得更大，并行的信道數目也可以設得更多，這樣一來數據的傳輸速度就能達到極大的提升。因此各國研究團隊都將提高傳輸速率作為科研工作中重要的一部分，最高傳輸速率幾乎每個月都有刷新。據暨南大學理工學院的陳長纓教授介紹，為了提高信息傳輸速度，許多研究團隊都會將白光LED換成三基色或是五基色的光源，削弱了燈具照明的性能。
“紅綠藍三個顏色確實能夠混合出各種顏色的光，但是作為照明用的燈卻只能顯示這三種顏色，因此燈必須是連續光譜，而顯色性好的燈一定是全光譜的，不是幾個分離波長就可以了。”除此之外，陳教授介紹另一種提高傳輸速度的方法是在調制方面做努力，“我們知道燈光能夠進行0和1信息的傳輸，閃一次是一個比特，就是一位信息，但是現在現在一些研究團隊為了提高信息傳輸率使用了十分復雜的調制方式。”但是陳長纓教授認為根據信息論，會導致信息傳輸錯誤率的提高，因此在需要同時滿足信息準確性和信息量的條件下，通信的距離就會受到限制。“可見光通信，如果為了拼速度而將LED燈作為照明這一主要功能特質犧牲了的話，那么很可能會誤入歧途。”
雖然Li-Fi技術在實驗室已經實現，但是仍然面臨著不少的問題。
首先需要解決的便是光的傳輸問題。在通訊上，當電磁波的頻率越低時，其抗干擾能力和穿透能力越強，允許的最大傳輸距離也就越大。對于可見光來說，由于其頻率是Wi-Fi、蜂窩網絡所用電磁波的幾十萬倍，其抗干擾能力、穿透能力與這兩者相比也就大幅降低，只要在收發兩點之間用東西擋住這些光線，信息傳輸就會立刻中止，更加不用說是穿墻而過了。哈斯認為目前有簡單的臨時解決方法。“如果光信號被阻擋，而用戶需要使用設備發送信息，即可以無縫地切換至射頻信號。”但是陳長纓教授認為，這樣的切換可以說是多此一舉，他認為燈光通信這一點恰恰是其優點，由于可以有效地控制通信范圍，是唯一能與其他手段競爭的優點。要揚長避短，才能在商業上有所應用。
另外，Li-Fi依賴于可見光進行數據傳輸，必須有光才能實現通信目的，有質疑提出，如果是在白天使用Li-Fi難道也需要開燈嗎？更有網友驚呼：“睡前躺在床上刷微博難道還得開著燈？”當Li-Fi工作環境中不止其自身一個光源的時候，環境光源如果和它工作在同樣的光譜頻段，且環境光源比較強的時候，Li-Fi很可能就將無法正常通信。因此復旦大學的科研人員在系統中使用了自行研制的窄帶濾鏡，可以一定程度上避免背景光的干擾；對于室內的電磁干擾，噪聲主要在1MHz以下，他們在系統應用中也避開了這個頻段。因此要實現高速的傳輸速度，還需要在空間內布置更多的中繼站，以保證傳輸的穩定性。
Li-Fi技術另一問題則是反向通信。通信并不是單向的，只有有接收并且有反饋，才能稱之為通信，上網不僅要做到數據的下載，還需要數據的上傳。目前各國研究團隊的技術都能夠做到利用Li-Fi實現上網數據的下載，但是如何才能進行數據的回傳與反饋，并且保證通信鏈路暢通呢？復旦大學遲楠教授介紹，針對數據上行，采用了兩套系統，分別是可見光上行和紅外上行。所謂可見光上行，即需要在電子設備上安裝一個燈泡，而紅外上行雖然肉眼看不見，但是速率卻較低。陳長纓教授更是直言不諱，認為可將光通信想要實現上網功能是“此路不通”，“可見光通信并不適合做信息的雙向傳輸，如果反向信號上網的話，每個燈必須接上網線。如果信號回傳，接收設備也要安裝燈泡，而且還要對得很準，否則速度上不來。”陳長纓教授認為單向傳輸更適合可見光通信，“我們又很多地方其實是不需要信息回傳的，例如電視、收音機、交通燈等等，只需要做到信息從信息源下載。例如航班信息下載，廣告信息下載等。”
Li-Fi技術最核心也最實際的問題，是芯片問題。在復旦實驗室，研究人員實驗所采用的設備有兩個筆記本大小。想要縮小設備，就必須將芯片縮小，需要有資金支持芯片技術的研發。復旦團隊追求信息傳輸的速度、信息量和準確性，因此一個燈的功率無法滿足要求，需要非常強的光作為保證。所以他們將燈光聚焦在一點之后再用透鏡收集起來，有業內人士認為，這已經“不是燈，而是光路了”，因此也如遲楠教授所說，路還很長。
當談到可見光通信的未來時，陳長纓教授表示，現在已經有商業范例，例如韓國超市內的定位系統，但是依舊停留在宣傳模型的階段。“現在可見光通信這個小白兔正在等烏龜，這個烏龜不是企圖去上互聯網，去取代wifi，而是等它獨有的應用。如果能夠找到發揮可見光通信的特點——單向、中速、可控區域這三點加在一起的應用，就能真正讓可見光通信發揮它的巨大作用。”
LED燈是可見光通信中的重要環節，如何讓其從實驗室走向千家萬戶是目前最主要的問題。而可見光通信對于LED燈的要求，究竟是以照明為主，還是以通信為主，仍舊是業界爭論不休的問題。但不可否認的是，任何一項新技術的完善都不是一蹴而就，唯有在質疑中突破瓶頸，才能實現質的飛躍。
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