看復(fù)旦大學(xué)如何“燈光上網(wǎng)”

2013年上海工博會(huì)，最吸引眼球的莫過(guò)于復(fù)旦大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院帶來(lái)的“燈光上網(wǎng)”通訊技術(shù)。研究人員只需將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的LED燈泡，燈光下的4臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M。

“燈光上網(wǎng)”利用閃爍的燈光來(lái)傳輸數(shù)字信息，這個(gè)過(guò)程被稱(chēng)為可見(jiàn)光通信，人們常把它通俗地稱(chēng)為“l(fā)ifi（燈光上網(wǎng)）”，以示區(qū)別目前wiFi（無(wú)線(xiàn)寬帶）為代表的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。據(jù)南京郵電大學(xué)可見(jiàn)光通信實(shí)驗(yàn)室主任王永進(jìn)教授介紹，lifi（燈光上網(wǎng)）技術(shù)日本做得最早，德國(guó)物理學(xué)家哈拉爾德·哈斯則是在這個(gè)領(lǐng)域做得最好。

讀懂燈光里的“密碼”

一直以來(lái)，在一個(gè)人的頭頂上畫(huà)一個(gè)閃亮的燈泡，被用來(lái)象征一個(gè)發(fā)明家的靈光乍現(xiàn)，但是德國(guó)物理學(xué)家哈拉爾德·哈斯由燈泡本身“點(diǎn)亮”了奇思妙想：依賴(lài)一盞小小的燈，將看不見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，變成“看得見(jiàn)”的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。

lifi最大的優(yōu)勢(shì)是照明通信一體，有燈光的地方，就有網(wǎng)絡(luò)信號(hào)。關(guān)掉燈，網(wǎng)絡(luò)全無(wú)。光和無(wú)線(xiàn)電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳播網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的基本原理是一致的。研究中，給普通的LED燈泡裝上微芯片，可以控制它每秒數(shù)百萬(wàn)次閃爍，亮了表示1，滅了代表0。由于頻率太快，人眼根本覺(jué)察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化。就這樣，二進(jìn)制的數(shù)據(jù)被快速編碼成燈光信號(hào)并進(jìn)行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過(guò)一套特制的接收裝置，讀懂燈光里的“密碼”。

現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)使用無(wú)線(xiàn)電波傳輸信號(hào)，讓我們擺脫了網(wǎng)線(xiàn)的束縛，但是無(wú)線(xiàn)電波會(huì)向四周傳播，輕則被人盜用上網(wǎng)，重則泄露個(gè)人隱私或商業(yè)機(jī)密，給我們帶來(lái)了安全隱患。無(wú)線(xiàn)光網(wǎng)技術(shù)是提供室內(nèi)無(wú)線(xiàn)寬帶的一個(gè)極具吸引力的替代方案。它們不僅能提供更高速的寬帶網(wǎng)絡(luò)接入，而且無(wú)法穿墻而過(guò)，讓我們?cè)谙硎軣o(wú)線(xiàn)多媒體網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同時(shí)，不必再擔(dān)心隔墻有耳了。

無(wú)線(xiàn)光局域網(wǎng)不是用無(wú)線(xiàn)電波，而是用經(jīng)過(guò)編碼的白色光束或紅外光束來(lái)傳送數(shù)據(jù)——電視機(jī)的遙控器就是用不可見(jiàn)的紅外光發(fā)送控制信號(hào)的。無(wú)線(xiàn)光網(wǎng)系統(tǒng)可以把無(wú)線(xiàn)數(shù)碼設(shè)備連接到房間內(nèi)的數(shù)據(jù)端口上，而端口則連在接入整棟住宅或大樓的高速寬帶網(wǎng)絡(luò)上。這種目前正在迅速發(fā)展的新技術(shù)擁有幾大優(yōu)勢(shì)：光束所覆蓋的服務(wù)區(qū)域不受干擾，可以為多位用戶(hù)提供幾乎無(wú)限的帶寬；光波與無(wú)線(xiàn)電波不同，無(wú)法穿透墻壁，這就保證了通信幾乎百分之百的安全；光無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)特別適合面積較大且有多位寬帶用戶(hù)近距離工作的辦公場(chǎng)所。傳送數(shù)據(jù)的是光波（或者說(shuō)光子），而不是波長(zhǎng)較長(zhǎng)的無(wú)線(xiàn)電波和微波。現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)光網(wǎng)系統(tǒng)使用的是低強(qiáng)度的紅外線(xiàn)，這些“光”的波長(zhǎng)略長(zhǎng)于可見(jiàn)光，但遠(yuǎn)小于無(wú)線(xiàn)電波的波長(zhǎng)。

要在整個(gè)辦公場(chǎng)所，或者機(jī)場(chǎng)餐廳之類(lèi)的公共場(chǎng)所實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，這種發(fā)射端對(duì)準(zhǔn)接收端才能工作的系統(tǒng)就非常不切實(shí)際了。為了實(shí)現(xiàn)室內(nèi)信號(hào)的完全覆蓋，無(wú)線(xiàn)光網(wǎng)絡(luò)必須讓載有數(shù)據(jù)的光束散布于整個(gè)室內(nèi)空間。室內(nèi)的任何一處地方，包括墻壁、桌面、飲水機(jī)甚至人臉，都可以反射經(jīng)過(guò)編碼的紅外光束，讓紅外線(xiàn)遍布于室內(nèi)。這樣一來(lái)，不論接收設(shè)備指向哪個(gè)方向，都能接收到紅外光束。市面上的一些紅外網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品已經(jīng)使用了這種方法，不過(guò)反射的紅外光束會(huì)產(chǎn)生某種與回聲相似的效果，使信號(hào)接收設(shè)備難以確定截獲的信號(hào)是否真正準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，嚴(yán)重限制網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度。設(shè)在美國(guó)賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究小組開(kāi)發(fā)了一種新型無(wú)線(xiàn)光網(wǎng)系統(tǒng)，它使用一組鉛筆粗細(xì)的紅外光束來(lái)傳送數(shù)據(jù)。這個(gè)低強(qiáng)度紅外光束網(wǎng)可以覆蓋整個(gè)室內(nèi)空間，每一條光束都攜帶相同的信號(hào)。這套系統(tǒng)將接入室內(nèi)的上網(wǎng)端口與所有配備了紅外接收裝置的數(shù)碼設(shè)備連接起來(lái)。由于室內(nèi)到處都有攜帶著相同信號(hào)的編碼光束，用戶(hù)不管如何走動(dòng)都能與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，一旦他與先前那條光束失去聯(lián)系，馬上又能同新的光束接頭。由于接收裝置同時(shí)接收多個(gè)完全相同的數(shù)據(jù)流，糾錯(cuò)也變得相當(dāng)簡(jiǎn)單：只要比較一下從幾條光束接收到的數(shù)據(jù)，便可確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。這種光束網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳送，傳輸速度比DSL調(diào)制解調(diào)器快了上百倍，而傳輸出錯(cuò)率則幾乎為零。

智能照明

在照明領(lǐng)域，LED發(fā)光產(chǎn)品的應(yīng)用正吸引著世人的目光，LED作為一種新型的綠色光源產(chǎn)品，必然是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)，21世紀(jì)將進(jìn)入以LED為代表的新型照明時(shí)代。LED作為照明光源，具有長(zhǎng)壽命、低電壓、低功耗的特點(diǎn)，可以比普通照明燈節(jié)省60%以上的能耗，是未來(lái)照明的一種選擇，實(shí)現(xiàn)信息傳輸是其應(yīng)用的方向之一。

在辦公室內(nèi)，燈泡是必備的裝置。那么，能不能依靠燈光來(lái)傳遞數(shù)據(jù)呢？由美國(guó)政府投資1.85億美元，為期10年的“智能照明”倡議把無(wú)線(xiàn)通信能力嵌入未來(lái)的LED照明安裝之中。倡議采用可見(jiàn)光束實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)電設(shè)備與基于LED的照明設(shè)備之間的通信。隨著白熾燈和日光燈被取代，基于LED的方案也可以被用于在LED的應(yīng)用日益增多的汽車(chē)之間進(jìn)行通信。整個(gè)目標(biāo)是把通信能力構(gòu)建在所有的LED照明之中，與此同時(shí)，減輕互聯(lián)網(wǎng)的擁擠程度。

目前，“智能照明”由接入控制器、照明LED燈和用戶(hù)適配器三部分組成，其中接入控制器連接電信網(wǎng)絡(luò)，用戶(hù)適配器連接用戶(hù)計(jì)算機(jī)，接入控制器將電信網(wǎng)絡(luò)信號(hào)通過(guò)LED的燈光傳輸?shù)浇釉陔娔X上的用戶(hù)適配器；而電腦上的信息，再通過(guò)用戶(hù)適配器控制紅外光傳輸回網(wǎng)絡(luò)，達(dá)到雙向交互。作為系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，研究人員需要的接收器是采用LED制成，方法就是采用同一只LED，LED的一部分作為接收器，而另一部分作為發(fā)射器。

未來(lái)前景廣闊

未來(lái)半導(dǎo)體照明路燈采用LED聯(lián)網(wǎng)，汽車(chē)采用LED作為前燈和后燈，智能交通可以做到新的一個(gè)層面：兩輛汽車(chē)前后燈亮起可以傳遞實(shí)時(shí)路況信息，路燈也可以通報(bào)路況。在高速鐵路上，當(dāng)時(shí)速超過(guò)300千米，無(wú)線(xiàn)信號(hào)會(huì)時(shí)有時(shí)無(wú)，如果在高鐵上用LED上網(wǎng)，就可以避免這種問(wèn)題。

LED照明光無(wú)線(xiàn)通信在國(guó)外也還處在起步和摸索階段，但其應(yīng)用前景非常看好，不僅可以用于室內(nèi)無(wú)線(xiàn)接入，還可以為城市車(chē)輛的移動(dòng)導(dǎo)航及定位提供一種全新的方法。汽車(chē)照明燈基本都采用LED燈，可以組成汽車(chē)與交通控制中心、交通信號(hào)燈至汽車(chē)、汽車(chē)至汽車(chē)的通信鏈路。這也是LED可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信在智能交通系統(tǒng)的發(fā)展方向。飛機(jī)內(nèi)半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)基于非射頻接入的特性，利用飛機(jī)內(nèi)部的LED閱讀燈作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)人們?cè)陲w機(jī)內(nèi)上網(wǎng)的夢(mèng)想。目前，美國(guó)和韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都投入了人力和物力從事相關(guān)技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)工作。美國(guó)成立了由波士頓大學(xué)、倫斯勒理工學(xué)院、新墨西哥大學(xué)組成的LED智能照明中心。已經(jīng)開(kāi)發(fā)出基于LED燈的點(diǎn)到點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸演示系統(tǒng)。其他代表性研究機(jī)構(gòu)還有韓國(guó)的三星公司、英國(guó)的牛津大學(xué)、德國(guó)的西門(mén)子公司、法國(guó)電信等，他們也實(shí)現(xiàn)了基于白光LED點(diǎn)到點(diǎn)通信。

另外，人們利用手機(jī)或者計(jì)算機(jī)可以隨時(shí)隨地控制LED燈，燈光下的各種家用電器就能“各司其職”。下班回家前，主人可以利用網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制家里的LED燈指揮家電工作。回家后主人可以享受空調(diào)調(diào)節(jié)好的適宜溫度，并在音樂(lè)中享用微波爐已經(jīng)提前做好的飯菜，主人的手機(jī)就是家里所有電器的集中無(wú)線(xiàn)遙控器。LED照明光無(wú)線(xiàn)通信能逐步取代現(xiàn)在單一功能的照明系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益以及市場(chǎng)推廣前景。光學(xué)無(wú)線(xiàn)通信因?yàn)闆](méi)有射頻污染，是典型的綠色健康通信。照明、智能通信、智能控制三者的有機(jī)融合，為我們提供更加節(jié)能、環(huán)保、方便和現(xiàn)代的城市生活方式。