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目前，WiFi、3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò )和相關(guān)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都被應用的很好，我們每個(gè)人以及日益增加的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設備都在采用這些技術(shù)，這也導致網(wǎng)絡(luò )容量已經(jīng)快接近極限。因此，我們需要提升基于無(wú)線(xiàn)電的網(wǎng)絡(luò )容量來(lái)滿(mǎn)足帶寬的需求，這是具有挑戰性的。 基于無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)帶寬增長(cháng)的一個(gè)關(guān)鍵挑戰是射頻頻譜的可用性，它可以分為兩種： -授權的頻譜 -未授權的頻譜 授權的頻譜需要由政府機構（比如美國聯(lián)邦通信委員會(huì )（FCC））專(zhuān)門(mén)授予，被特定的無(wú)線(xiàn)電應用、特定的用戶(hù)組使用，通常被用在特定的區域。由于需求巨大，全國范圍內的射頻授權的費用可能要數十億美元。人們不斷努力的將頻譜從較舊的，利潤較低的領(lǐng)域中解放出來(lái)，并將其轉移到5G蜂窩網(wǎng)絡(luò )等領(lǐng)域。然而，這也存在一些問(wèn)題。比如，隨著(zhù)頻譜被接管，數十億臺電視機或其他無(wú)線(xiàn)電設備將被淘汰。因此，授權頻譜依然稀缺且昂貴。 除了授權頻譜外，另一種選擇就是未授權的頻譜，像WiFi、藍牙、家居自動(dòng)化系統、遙控車(chē)和其他網(wǎng)絡(luò )通常使用一組稱(chēng)為儀器、科學(xué)和醫學(xué)（ISM）波段的頻帶。這些頻段的使用對所有人都是免費的，但也有一些詳細的規定。這種使用并不是唯一的，任何人都可以在ISM波段上傳輸通信。隨著(zhù)設備的日益增加，任何一臺設備可用的帶寬都可能發(fā)生顯著(zhù)的變化。在ISM頻段中也會(huì )有更多的干擾，例如來(lái)自共享頻帶的微波爐，而頻率較高的頻帶（比如10GHz以上）往往不會(huì )那么雜亂，但它們的無(wú)線(xiàn)電傳播特性很差，很容易就會(huì )被墻壁或樹(shù)葉所阻擋。 無(wú)論使用的頻譜是否授權的，網(wǎng)絡(luò )的最大容量取決于頻率、帶寬、信噪比（SNR）、調制技術(shù)、天線(xiàn)設計、協(xié)議以及編碼方式。一旦超過(guò)最大容量，網(wǎng)絡(luò )就會(huì )變慢，這就是為什么你的手機在擁擠的場(chǎng)合網(wǎng)絡(luò )會(huì )很慢。在這些情況下太多的人通過(guò)固定的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )容量發(fā)送了太多的數據，多輸入多輸出（MIMO）等定向天線(xiàn)技術(shù)有助于從不同的角度重用相鄰的無(wú)線(xiàn)電頻譜，但也存在嚴重的局限性。在頻率遠遠超出FCC或ISM波段范圍時(shí)，我們需要做的是獲得大量的帶寬和有效的調制技術(shù)，這驅使光束通信技術(shù)的出現。 可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)通信（又稱(chēng)“光保真技術(shù)”，英文名Light Fidelity（簡(jiǎn)稱(chēng)Li-Fi））是近年來(lái)興起的一種用于無(wú)線(xiàn)通信的可見(jiàn)光通信技術(shù)。Li-Fi和相關(guān)形式的自由空間光通信使用調制光束，以非常高的網(wǎng)絡(luò )容量承載數字數據，在此過(guò)程中不使用任何射頻頻譜。一個(gè)數字信息，比如一個(gè)IP數據包是用標準協(xié)議和用于調制的光源（比如可見(jiàn)光、紫外線(xiàn)、紅外線(xiàn)、激光或led等）編碼的。發(fā)出的光經(jīng)過(guò)光學(xué)系統處理，將其傳遞給接收器，然后穿過(guò)一段距離的空間到達遠程設備上接收光的光學(xué)系統。光通過(guò)快速光電探測器轉換為電信號，經(jīng)過(guò)放大、解調再轉換為原始信息，供遠程設備上的處理器使用。對于雙向通信這個(gè)過(guò)程也是類(lèi)似的，有時(shí)使用不同波長(cháng)的光來(lái)避免干擾，原型系統的容量已經(jīng)超過(guò)了100Gbps。2013年美國國家航空航天局（NASA）為月球軌道上的月球大氣和塵埃環(huán)境探測者（LADEE）航天器和新墨西哥州的一個(gè)地面站之間的激光通信創(chuàng )造了一項距離記錄，速度為622Mbps，傳輸距離超過(guò)38.5萬(wàn)公里。 來(lái)自愛(ài)丁堡大學(xué)的哈拉爾德·哈斯（Harald Haas）是研究Li-Fi技術(shù)的先驅?zhuān)⒕瓦@一課題發(fā)表了一系列優(yōu)秀的TED演講和論文，同時(shí)他也是一家領(lǐng)先的商業(yè)產(chǎn)品供應商pureLiFi的聯(lián)合創(chuàng )始人。關(guān)于自由空間光通信目前已經(jīng)有很多種標準了，其中最重要的標準是IEEE 802.15.7。這些系統的工作原理通常是通過(guò)調制安裝在天花板的光源（一個(gè)類(lèi)似于WiFi的接入點(diǎn)（AP）的小型發(fā)射器或者一個(gè)特殊設計的光源）向自由空間發(fā)送數據流，并通過(guò)遠程設備上的光學(xué)接口接收數據流，已經(jīng)針對具有Li-Fi接收器的智能手機進(jìn)行了測試。這些系統傾向于用來(lái)非定向光源的相同調制信號來(lái)覆蓋真個(gè)房間，房間內的所有接收設備都使用介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制（MAC）協(xié)議和加密技術(shù)，從而只檢索它們準備共享數據流那一部分內容。 如果我們不像傳統的WiFi那樣向所有的設備發(fā)送相同的全向光比特模式，而是嘗試將獨特的光束定向到每個(gè)設備（有點(diǎn)像升級版的MIMO），這樣會(huì )有怎樣的效果呢？其中一種方法是將光束偏轉器（例如一對X-Y掃描檢流計）放在調制光源的前面，并使光束沿著(zhù)一條路徑偏轉，從而可以快速順序訪(fǎng)問(wèn)其范圍內的所有有源器件。該系統能夠緩沖它所能接收到的所有端點(diǎn)的流量，設置偏轉角指向所選端點(diǎn)，并以數千Mbps的速度爆發(fā)式傳輸數據，直到緩沖區用盡（或計時(shí)器耗盡），然后再將偏轉器移動(dòng)到下一個(gè)端點(diǎn)。事實(shí)證明在激光標記或激光顯示等應用中使用的光束偏轉器可以做到這一點(diǎn)。下圖顯示的是一個(gè)帽子大小的設備，集成了可偏轉的自由空間光網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)。如果將這樣的設備掛在禮堂的天花板上或安裝在水塔上，就可以同時(shí)為數千個(gè)端點(diǎn)提供快速、安全、不需要無(wú)線(xiàn)電就可以通信的數據帶寬。若想了解更多這類(lèi)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，請查看美國專(zhuān)利6,650,451。 
使用自有空間光網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的設備能夠形成重疊的通信區域 如果我們想要更多的性能和容量呢？我們可以移除振動(dòng)子的運動(dòng)組件，它會(huì )使整個(gè)系統變慢，而且可能引起可靠性的問(wèn)題，并將多個(gè)發(fā)射/接收波束收發(fā)器構建成一個(gè)緊湊的模塊。設想一個(gè)外觀(guān)類(lèi)似一個(gè)高爾夫球大小的裝置，它有數百個(gè)雙向光束，每個(gè)“酒窩”都會(huì )形成一個(gè)光束。當遠程設備進(jìn)入它們的視覺(jué)范圍內時(shí)，這些收發(fā)器的某個(gè)子集就會(huì )被激活。若固定底面站和移動(dòng)終端都有這些收發(fā)器，就可以形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )。當收發(fā)器移動(dòng)時(shí)相鄰的光束會(huì )發(fā)生切換，這項技術(shù)將連接大量無(wú)人機、工廠(chǎng)內的物聯(lián)網(wǎng)設備等相關(guān)類(lèi)似應用。美國專(zhuān)利9,350,448詳細介紹了這種系統的操作原理，以及如何使用魚(yú)眼透鏡來(lái)構建多波束收發(fā)器的復雜光學(xué)系統。 總結 Li-Fi和其他自由空間光學(xué)技術(shù)為高性能網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)了希望，它們不使用稀有和昂貴的無(wú)線(xiàn)電頻譜，并具備更高的網(wǎng)絡(luò )容量。此外這些技術(shù)比基于無(wú)線(xiàn)電的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)更加的安全，而且不容易受到干擾。 關(guān)鍵點(diǎn) 無(wú)線(xiàn)電網(wǎng)絡(luò )技術(shù)比如WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò )都有容量限制，而且受可用的無(wú)線(xiàn)電頻譜制約 從無(wú)線(xiàn)電技術(shù)轉向Li-Fi這樣的基于光通信的技術(shù)來(lái)攜帶信息，網(wǎng)絡(luò )容量、安全、抗干擾以及系統的穩定性都可以得到提高 使用偏轉或多波束端點(diǎn)的定向網(wǎng)絡(luò )可以提供更好的容量和安全性 文章來(lái)源：貿澤電子 作者簡(jiǎn)介：CHARLES C.BYERS（拜爾斯先生）是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的副首席技術(shù)官。他致力于研究邊緣計算系統、通用平臺、媒體處理系統和物聯(lián)網(wǎng)的架構和實(shí)現。此前他是思科的首席工程師和平臺架構師，也是阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗室的研究員。在電信網(wǎng)絡(luò )行業(yè)的30年里他在語(yǔ)音交換、寬帶接入、網(wǎng)絡(luò )融合、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺、邊緣計算和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域做出了重大貢獻，他也是多個(gè)標準組織的領(lǐng)導者，包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟和OpenFog聯(lián)盟的首席技術(shù)官，同時(shí)也是PICMG的AdvancedTCA、AdvancedMC和MicroTCA小組委員會(huì )的創(chuàng )始成員。 拜爾斯先生獲得了威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校（University of Wisconsin, Madison）電子與計算機工程學(xué)士學(xué)位和電子工程碩士學(xué)位，他在業(yè)余時(shí)間則喜歡旅行、做飯、騎自行車(chē)或者在他的工作室修修補補。他還擁有80多項美國專(zhuān)利技術(shù)。 |
