關(guān)于不需要無線電的無線連接技術(shù)

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(yīng)用的很好，我們每個(gè)人以及日益增加的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備都在采用這些技術(shù)，這也導(dǎo)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線電的網(wǎng)絡(luò)容量來滿足帶寬的需求，這是具有挑戰(zhàn)性的。

基于無線電網(wǎng)絡(luò)訪問帶寬增長的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是射頻頻譜的可用性，它可以分為兩種：

·?-授權(quán)的頻譜

·?-未授權(quán)的頻譜

授權(quán)的頻譜需要由政府機(jī)構(gòu)（比如美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC））專門授予，被特定的無線電應(yīng)用、特定的用戶組使用，通常被用在特定的區(qū)域。由于需求巨大，全國范圍內(nèi)的射頻授權(quán)的費(fèi)用可能要數(shù)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，并將其轉(zhuǎn)移到5G蜂窩網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。然而，這也存在一些問題。比如，隨著頻譜被接管，數(shù)十億臺(tái)電視機(jī)或其他無線電設(shè)備將被淘汰。因此，授權(quán)頻譜依然稀缺且昂貴。

除了授權(quán)頻譜外，另一種選擇就是未授權(quán)的頻譜，像WiFi、藍(lán)牙、家居自動(dòng)化系統(tǒng)、遙控車和其他網(wǎng)絡(luò)通常使用一組稱為儀器、科學(xué)和醫(yī)學(xué)（ISM）波段的頻帶。這些頻段的使用對(duì)所有人都是免費(fèi)的，但也有一些詳細(xì)的規(guī)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。隨著設(shè)備的日益增加，任何一臺(tái)設(shè)備可用的帶寬都可能發(fā)生顯著的變化。在ISM頻段中也會(huì)有更多的干擾，例如來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，但它們的無線電傳播特性很差，很容易就會(huì)被墻壁或樹葉所阻擋。

無論使用的頻譜是否授權(quán)的，網(wǎng)絡(luò)的最大容量取決于頻率、帶寬、信噪比（SNR）、調(diào)制技術(shù)、天線設(shè)計(jì)、協(xié)議以及編碼方式。一旦超過最大容量，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)變慢，這就是為什么你的手機(jī)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固定的無線網(wǎng)絡(luò)容量發(fā)送了太多的數(shù)據(jù)，多輸入多輸出（MIMO）等定向天線技術(shù)有助于從不同的角度重用相鄰的無線電頻譜，但也存在嚴(yán)重的局限性。在頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diào)制技術(shù)，這驅(qū)使光束通信技術(shù)的出現(xiàn)。

可見光無線通信（又稱“光保真技術(shù)”，英文名Light Fidelity（簡稱Li-Fi））是近年來興起的一種用于無線通信的可見光通信技術(shù)。Li-Fi和相關(guān)形式的自由空間光通信使用調(diào)制光束，以非常高的網(wǎng)絡(luò)容量承載數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，在此過程中不使用任何射頻頻譜。一個(gè)數(shù)字信息，比如一個(gè)IP數(shù)據(jù)包是用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和用于調(diào)制的光源（比如可見光、紫外線、紅外線、激光或led等）編碼的。發(fā)出的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)處理，將其傳遞給接收器，然后穿過一段距離的空間到達(dá)遠(yuǎn)程設(shè)備上接收光的光學(xué)系統(tǒng)。光通過快速光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過放大、解調(diào)再轉(zhuǎn)換為原始信息，供遠(yuǎn)程設(shè)備上的處理器使用。對(duì)于雙向通信這個(gè)過程也是類似的，有時(shí)使用不同波長的光來避免干擾，原型系統(tǒng)的容量已經(jīng)超過了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(cè)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(xiàng)距離記錄，速度為622Mbps，傳輸距離超過38.5萬公里。

來自愛丁堡大學(xué)的哈拉爾德·哈斯（Harald Haas）是研究Li-Fi技術(shù)的先驅(qū)，并就這一課題發(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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)了，其中最重要的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15.7。這些系統(tǒng)的工作原理通常是通過調(diào)制安裝在天花板的光源（一個(gè)類似于WiFi的接入點(diǎn)（AP）的小型發(fā)射器或者一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的光源）向自由空間發(fā)送數(shù)據(jù)流，并通過遠(yuǎn)程設(shè)備上的光學(xué)接口接收數(shù)據(jù)流，已經(jīng)針對(duì)具有Li-Fi接收器的智能手機(jī)進(jìn)行了測(cè)試。這些系統(tǒng)傾向于用來非定向光源的相同調(diào)制信號(hào)來覆蓋真?zhèn)€房間，房間內(nèi)的所有接收設(shè)備都使用介質(zhì)訪問控制（MAC）協(xié)議和加密技術(shù)，從而只檢索它們準(zhǔn)備共享數(shù)據(jù)流那一部分內(nèi)容。

如果我們不像傳統(tǒng)的WiFi那樣向所有的設(shè)備發(fā)送相同的全向光比特模式，而是嘗試將獨(dú)特的光束定向到每個(gè)設(shè)備（有點(diǎn)像升級(jí)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(zhuǎn)器（例如一對(duì)X-Y掃描檢流計(jì)）放在調(diào)制光源的前面，并使光束沿著一條路徑偏轉(zhuǎn)，從而可以快速順序訪問其范圍內(nèi)的所有有源器件。該系統(tǒng)能夠緩沖它所能接收到的所有端點(diǎn)的流量，設(shè)置偏轉(zhuǎn)角指向所選端點(diǎn)，并以數(shù)千Mbps的速度爆發(fā)式傳輸數(shù)據(jù)，直到緩沖區(qū)用盡（或計(jì)時(shí)器耗盡），然后再將偏轉(zhuǎn)器移動(dòng)到下一個(gè)端點(diǎn)。事實(shí)證明在激光標(biāo)記或激光顯示等應(yīng)用中使用的光束偏轉(zhuǎn)器可以做到這一點(diǎn)。下圖顯示的是一個(gè)帽子大小的設(shè)備，集成了可偏轉(zhuǎn)的自由空間光網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。如果將這樣的設(shè)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(shù)千個(gè)端點(diǎn)提供快速、安全、不需要無線電就可以通信的數(shù)據(jù)帶寬。若想了解更多這類網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，請(qǐng)查看美國專利6,650,451。

使用自有空間光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的設(shè)備能夠形成重疊的通信區(qū)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(yùn)動(dòng)組件，它會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)變慢，而且可能引起可靠性的問題，并將多個(gè)發(fā)射/接收波束收發(fā)器構(gòu)建成一個(gè)緊湊的模塊。設(shè)想一個(gè)外觀類似一個(gè)高爾夫球大小的裝置，它有數(shù)百個(gè)雙向光束，每個(gè)“酒窩”都會(huì)形成一個(gè)光束。當(dāng)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)入它們的視覺范圍內(nèi)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(dāng)收發(fā)器移動(dòng)時(shí)相鄰的光束會(huì)發(fā)生切換，這項(xiàng)技術(shù)將連接大量無人機(jī)、工廠內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備等相關(guān)類似應(yīng)用。美國專利9,350,448詳細(xì)介紹了這種系統(tǒng)的操作原理，以及如何使用魚眼透鏡來構(gòu)建多波束收發(fā)器的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)。

總結(jié)

Li-Fi和其他自由空間光學(xué)技術(shù)為高性能網(wǎng)絡(luò)帶來了希望，它們不使用稀有和昂貴的無線電頻譜，并具備更高的網(wǎng)絡(luò)容量。此外這些技術(shù)比基于無線電的網(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)

·?無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)比如WiFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)都有容量限制，而且受可用的無線電頻譜制約

·?從無線電技術(shù)轉(zhuǎn)向Li-Fi這樣的基于光通信的技術(shù)來攜帶信息，網(wǎng)絡(luò)容量、安全、抗干擾以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性都可以得到提高

·?使用偏轉(zhuǎn)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

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(jì)算系統(tǒng)、通用平臺(tái)、媒體處理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)。此前他是思科的首席工程師和平臺(tái)架構(gòu)師，也是阿爾卡特朗訊貝爾實(shí)驗(yàn)室的研究員。在電信網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的30年里他在語音交換、寬帶接入、網(wǎng)絡(luò)融合、VoIP、多媒體、視頻、模塊化平臺(tái)、邊緣計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域做出了重大貢獻(xiàn)，他也是多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織的領(lǐng)導(dǎo)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(jì)算機(jī)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、騎自行車或者在他的工作室修修補(bǔ)補(bǔ)。他還擁有80多項(xiàng)美國專利技術(shù)。