让我们有Li-Fi:管理无线电频率以上的高速互联网

无线电频率通信有一个问题:它正在耗尽头部空间。传统上，在将数据从一个用户传递给另一个用户时，它最有价值的特性是你不必将设备对准正确的方向。移动用户可以随心所欲地移动，只要他们在范围内，他们仍然可以接收到来自基站的信号。但这是以增加干扰为代价的，当多个用户想要使用相同的射频频谱部分时。

研究人员已经提出了越来越复杂的方法来编码数据，以便最大限度地利用每个可用的射频波段，但他们已经违反了理论极限。为了解决这个问题，蜂窝通信的设计者决定减小每个蜂窝的大小，从而减少占用可用带宽的干扰量，尽管这样做的成本更高:需要的基站数量呈螺旋式上升。

另一种通过电波获取更多数据的方法是提高频率。电信运营商计划利用毫米波传输，这种传输信号的方向性更强:需要有源天线来引导它们，这样可以减少相互干扰。与传统的sub-3GHz频段相比，这些频段还能容纳更多的数据。虽然军方抢占了毫米波区域的最佳频段，但在10GHz到100GHz之间还有更多可用频段。但是，如果进一步提高频率范围，进入红外线和可见光范围，甚至可以获得更高的数据速率，而且您不必要求任何人使用它。

利用光的想法并不是什么新鲜事，尽管不是爱丁堡大学的哈拉尔德·哈斯教授在2011年提出的数据速率，当时他创造了Li-Fi这个名字，以向仍然占主导地位的Wi-Fi射频网络标准致敬。哈斯提到了亚历山大·格雷厄姆·贝尔(Alexander Graham Bell)在电话出现之前的一项发明——光电话机，它利用镜子将说话人的声音振动编码到光线上。贝尔成功地证明了它可以在长达一公里的距离上工作。

除了有限的数据速率外，Li-Fi与电视遥控器非常相似，电视遥控器是我们今天最普遍的数字光通信的例子。像遥控器一样，Li-Fi不需要不间断的视线——从墙上反射的光线仍然可以工作，尽管这可能会导致接收器接收到的信号出现更多错误。因此，Li-Fi系统需要在纠错和速度之间进行权衡。如果他们没有直接的视线，并且遭受来自其他光源的闪光，这些光源会撞击探测器，有效数据速率将会下降。

可见光或红外无线链路也被用于跨越宽阔河流和分散在校园内的高层建筑之间的高速通信。负责Wi-Fi标准的IEEE 802.11无线网络标准委员会已经决定将这种无线回程作为今年夏天早些时候启动的Li-Fi标准化工作的一个用例。

夫琅和费的海因里希赫兹研究所(HHI)与日本电信公司Sangikyo共同开发了一种利用基于光的通信的系统。他们设计的系统能够在不铺设电缆的情况下支持跨车间或通过地铁进行通信，峰值数据速率为750Mbit/s，以在速度和健壮性之间取得平衡。

与Wi-Fi一样，IEEE 802.11bb工作组将家庭和办公室的大量市场作为其主要重点。它提出了一种系统，至少支持10Mbit/s的数据速率，但通过类似于最新射频调制解调器中使用的高级编码方案，可以扩展到5Gbit/s的峰值:几乎比当前Wi-Fi的最大速率快10倍。在许多情况下，Li-Fi将与Wi-Fi一起运行，不仅是一个速度更快的通道，而且是一个更安全的通道。返回信道也将是基于光的，但使用一个较小的发射器在红外区域工作，这样它就不会干扰下游信号或分散用户的注意力。

Fraunhofer HHI的地铁、接入和内部系统组负责人沃尔克•荣尼克尔(Volker Jungnickel)表示:“标准化是将(Li-Fi)技术推广到更大范围所需的先决条件。然而，在Wi-Fi和3GPP等成功标准的背后，通常还有一个大众市场和生态系统。因此，除了标准化之外，我们还必须建立Li-Fi市场和生态系统。”

尽管哈斯在照明行业看到了一个愿意合作的伙伴，但为大众市场的Li-Fi寻找应用可能比看起来要困难得多。该行业面临着市场萎缩的局面，因为基于led的灯具的更新率远低于每套灯具的价格差异。可以兼作数据路由器的灯泡可以潜在地提高产品的价值。核心照明技术几乎不需要改变。led对灯泡电路板上的电子控制器接收到的电流变化做出非常迅速的反应。所需要的只是一个更复杂的控制器，以平衡光的产生和数据编码的需求。但还有其他障碍。

一个早期的问题是闪烁。在实践中，光强度的变化是如此的小而快，人眼似乎没有注意到它们。然而，PISEO的总经理兼高级研究和创新顾问Joël Thomé指出，通过调制光线来发送数据往往会略微改变照明的色彩平衡。

一个更大的问题是如何从灯具中获取数据。很少有家庭安装了以太网电缆，而且插座和插头一样高。房主需要将以太网电缆连接到天花板上才能连接到Li-Fi灯泡。他们是愿意承担成本和不便，还是坚持使用Wi-Fi?Thomé表示，Li-Fi需要显示出比现有射频通信系统更强大的优势，才能部署在家庭中:“对于家庭来说，Wi-Fi目前做得非常好。为什么我们要增加额外电缆的负担?人们可能会想到局域网连接和灯泡之间的无线通信。但是，与Wi-Fi相比，它的竞争优势是什么?

Thomé补充道:“目前，我们真的没有看到任何好的理由证明Li-Fi应该大规模地融入消费照明市场，特别是在短期内。”

办公环境可能为Li-Fi提供了更肥沃的土壤。照明供应商已经开始将建筑维护作为一种帮助他们维持业务的方式。照明供应商可以通过灯座提供一套服务，而不是销售灯和维护。许多照明专家已经开始研究将蓝牙集成到他们的产品中，这样照明网格就可以作为物联网传感器的馈线网络。它们利用蓝牙5.0版中的网状网络来避免新的布线。

网状网络允许蓝牙消息从一个节点跳到另一个节点，直到它们到达目的地，可能跨越整个建筑物。因此，它不需要新的布线。但建筑业主可能会选择利用以太网电缆传输电力和数据的能力。以太网供电(PoE)标准是作为一种向网络设备提供电力的方式而开发的，这样它们就不需要单独的电源连接。大多数办公室已经在靠近照明电网的地方安装了电缆，可以支持PoE，并将数据传输到启用li - fi的灯泡。

蓝牙在其他方面与潜在的Li-Fi服务重叠。例如，射频标准有信标的概念:一种提供位置服务的设备，例如能够告诉范围内的设备它们的位置以及对它们可用的服务。Li-Fi的支持者也想这样做。

法国专家Luciom在2016年被飞利浦收购，提出了Li-Fi标签，在灯上印上一个相对低速的代码，作为室内指南和资产跟踪器。飞利浦为法国连锁超市家乐福(Carrefour)发现的首批基于光的通信应用之一是在试验中。智能手机的摄像头从头顶的灯具中采集到的代码将告诉应用程序用户在商店中的位置，并提供一张地图，让他们在哪里可以找到打折商品或想买的东西。

尽管在未来，办公室和零售行业可能会为Li-Fi提供一个相当大的市场，但近期的应用可能会在更专业的市场。Thomé网站指出，医疗保健和航空业可能成为目标。

去年，空中客车公司表示，它正在试验Li-Fi，因为它提供了一种将高速数据传输到每个乘客座位的方式，而无需安装大量会增加飞机重量的电缆。由于每位乘客的座位上方都有自己的灯，客机可能是最适合Li-Fi通信的环境之一。

在医院里，阻碍Wi-Fi或蓝牙广泛部署的一个大问题是电磁干扰会影响更敏感的仪器。石油钻井平台和处理细粉和挥发性化学物质的工业工厂的爆炸敏感环境同样不能使用高频射频通信，也要求数据电缆周围的严格保护。基于光的信息要安全得多。IEEE 802.11bb工作组探索的用例之一是与进入天然气管道的机器人通信——同样，因为爆炸风险较低。

夫琅和费HHI近期更关注工业应用，而不是消费者。Jungnickel说，很难预测Li-Fi会在哪里成功。“我们只是认为，从零市场一步到位，进入面向消费者应用的大众市场，这个最初的想法太高了。这从一开始就要求低成本、低功耗和高产量。这就是为什么我们正在寻找其他用例，并在工业领域找到了它们。我们最大的挑战是找到真正的客户，并与他们合作，将技术引入真正的市场。”

在研究无线回程技术的同时，Fraunhofer HHI还在德国政府支持的一个名为Owicells的项目中，将红外Li-Fi发射器和探测器安装到宝马汽车公司慕尼黑工厂的一个制造单元中。当一个机器人进行它的日常活动——焊接和测试部件——并在5 x 5平方米的电池周围移动时，它与散布在周围的红外发射器和探测器阵列交换数据。该团队使用了多个发射器和接收器来提高100Mbit/s链路的可靠性，大部分数据都是在机器人焊接部件时从机器人发送到电池的。

夫琅和费研究小组发现，焊接设备发出的明亮闪光不会影响接收，他们认为这是因为与传输每组数据符号所需的时间相比，闪光时间较短。多个发射器的使用有助于避免机器人手臂移动时通信中断，有时会挡住到最近探测器的视线。

这项技术正在向前发展，很可能会扩展到可见光谱，在许多情况下会使用红外，因为它的干扰较小。然而，使用标准LED灯配件的能力将避免像射频那样对能源进行严格预算，因为大部分电力将用于照明。“最后，”Thomé说，“根据未来出现的驱动程序，人们可能会有不同的Li-Fi部署场景。

他补充说:“这项技术是可行的，对于Li-Fi的广泛采用来说不是问题。”但他指出，Li-Fi需要克服的挑战是现有的标准和相对于无线技术的竞争优势。但是，从长远来看，Li-Fi可能会成为一种必需品，因为射频已经耗尽了空间，Li-Fi和光纤必须结合在一起以跟上数据需求的步伐。