“LiFi”,让灯泡变成无线路由

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近些年来，WiFi逐渐变成了像水、电一样的基本生活必需品，无线通信几乎渗透到人们生活的每个角落。不过也有人抱怨无线信号不稳定、上网速度慢、WiFi热点太少。

不久前，复旦大学计算机科学技术学院在实验室，成功完成了一种利用室内可见光传输网络信号的国际前沿通讯技术。通过这一技术，无需WiFi信号，点一盏LED灯就能上网。研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可上网，最高速率可达3.25Gb/s，平均上网速率达到150Mb/s，堪称世界最快的“灯光上网”。

“灯光上网”技术为何物

“灯光上网”，即以LED照明灯发出的光充当网络信号的传输技术。LED光学网络通过可见光来传输网络信号，可以直接利用路灯、室内照明及公共照明等已有的能耗输出工具来完成双重任务。这种灯光上网的特点是低辐射、低能耗、低碳环保。人们亲切地把这种可见光通信称为“lifi”。

对很多普通大众来说，可能觉得这是一项新鲜技术，而对许多科技迷来说，这项技术并不陌生。从事通信专业研究的人员表示，这个技术早有人研究，只是在通信专业里面并没有LiFi这个说法，技术人员为了帮助大家理解，才参照大众熟知的WiFi“造”出了这样一个新名词，这个技术专业的说法称为VLC，即可见光通信。此前由于一些暂时无法解决的技术弊端比如没有投射和绕射功能，可见光通信技术研究进程一度陷入停滞。但随着信号处理技术的提升，它的速率和可靠性在不断增强，优点也越来越突出。到上世纪90年代末，可见光通信又被重新提出，国内通信界也从2006年开始对它进行研究，而它真正被大众所熟知则是在2011年。

LiFi是怎样“炼”成的

2011年，德国物理学家哈拉尔德・哈斯教授在英国爱丁堡大学TED全球公开课上，向科技迷们展现了一个神奇的发明：他身旁放了一个LED台灯，台灯下30厘米左右处有一个小小的设备，当他把灯打开，灯光照向这个设备时，他身后的大显示屏上播放起花朵盛开的视频。此时或许你并没有意识到有多么神奇。而当哈斯教授将手挡在台灯与接收器之间时，身后正在播放的视频戛然停止；当他把手拿开时，视频又开始播放起来。这个时候，在场的所有人都起立鼓掌。这就是可见光通信，哈斯教授用灯泡“点亮”了奇思妙想：依赖一盏小小的灯，将看不见的网络信号，变成“看得见”的网络信号。该项技术也被当年的《时代周刊》评为2011年全球50大发明之一。

如今，这种让人难以想象的神奇网络技术正从复旦大学的实验室中一步步向我们走来。在复旦大学这套灯光上网的设备中，核心部件是两个“黑匣子”和一台笔记本电脑。两个“黑匣子”上分别安装了一个滤镜和一组LED 灯芯。在电脑上输入相关程序，然后点开网站的在线视频，视频很顺畅地播放起来。而一旦用手遮挡住一组LED灯芯，画面则会出现马赛克，视频被卡住了。把手拿开，视频又继续播放。这套设备还能实现能够“一拖四”，只需点亮一盏小灯，4台电脑即可同时上网、互传网络信号。

原来，可见光实现上网的关键：两个“黑匣子”，它们一个是发射装置，一个是接收装置。发射装置和接收装置，都由电学和光学部分组成。发射装置的电学元件有LED驱动电路、电信号处理；光学元件则有LED芯片，发射光学天线等。其作用之一就是给LED灯芯装上编码调制驱动电路，控制它每秒闪烁百万次，使灯芯快速传播二进制编码。当然，仅靠LED灯自身的闪烁频率还不够。由于现有的LED灯芯片主要用于照明而非通信，如果用于灯光上网则速度非常慢。但是，经过科研人员不懈的努力和改进之后，复旦大学的研发团队终于实现灯光上网离线最高单向传输速率达到3.7Gb/s，这个速率打破世界纪录的3.4Gb/s，并且该团队研发的实时传输速率已经达到150Mb/s，可以满足基本的日常运作需求。

LiFi技术的新优势

去年开始，上海市科委已在全市高校和科研院所布局这一国际前沿的无线通信技术，由复旦大学承担的可见光通信关键技术研究与应用取得重要进展。承担这一课题的研究人员迟楠教授指出，光和无线电波一样，都属于电磁波的一种，传播网络信号的基本原理是一致的。给普通的LED灯泡装上微芯片，可以控制它每秒数百万次闪烁，亮了表示1，灭了代表0。由于频率太快，人眼根本觉察不到，光敏传感器却可以接收到这些变化。就这样，二进制的数据被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。灯光下的电脑，通过一套特制的接收装置，读懂灯光里的“摩斯密码”。

迟楠教授介绍道：“VLC优势我总结有三点，一是速度快，VLC频谱是400T-800THz，无线通信在2-5GHz左右，VLC有高速潜力。二是不穿墙，所以安全。三是无辐射，对人体健康有优势。”

“有灯光的地方，就有网络信号。关掉灯，网络全无。”与现有WiFi相比，未来的可见光通信安全又经济。WiFi依赖看不见的无线电波传输，设备功率越来越大，局部电磁辐射势必增强；无线信号穿墙而过，网络信息不安全。这些安全隐患，在可见光通信中“一扫而光”。而且，光谱比无线电频谱大10000倍，意味着更大的带宽和更高的速度，网络设置又几乎不需要任何新的基础设施。

而且无线传输技术稀有、昂贵且效率不高，比如手机，全球数百万个基站帮助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，实用效率只有5%。相比之下，全世界使用的灯泡却取之不尽，尤其在世界范围内，白炽灯、荧光灯逐渐退出市场并被LED取代。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片，便可让灯泡变成无线网络发射器。如此一来，未来任何有光的地方都可以成为潜在的LiFi数据传输源：在街头，利用路灯就可以下载歌曲电影；在家里，打开台灯就可以上网看视频；在餐厅，坐在有灯光的地方就可以发微博上微信；即便是在水下，只要有灯光照射就可以上网。而且LiFi另一个巨大的好处是在任何对无线电敏感的场合都可以使用，比如飞机上、手术室里。

LiFi应用于生活还需时日

目前，改进智能手机上的LED，如摄像头、屏幕、闪光灯等，是LiFi走向大众消费市场的最快路径。哈斯教授与波维创建了一家VLC公司，并研发出一款智能手机应用，该应用使一对iPhone实现了低速率的数据传输。在拉斯维加斯举行的2012年消费电子展览会（CES）上，卡西欧了两部使用可见光进行数据传输的智能手机。三星、西门子等电子巨头没有错过这场盛宴。三星在2010年就开始利用搭载LED背光的LCD平面显示器试验可见光通信，西门子在2010年通过白色LED可见光通信，实现了最高500Mb/s的通信速度。鉴于LiFi巨大的市场前景，卡西欧、三星甚至与NEC、松下电气、夏普、东芝与NTT等企业一道成立了可见光通信联盟……

当然，作为一种尚在实验室的全新网络技术和产品，LiFi技术的未来潜力也不应被过分高估。“因为，目前从灯光通信控制到芯片设计制造等一系列关键技术产品，都是研究人员‘动手做’，要真正像WiFi那样走进千家万户，需要通过一系列的产业化发展，还有很长的路要走。”迟楠教授认为，Lifi技术本身也有其局限性。

对于可见光通信用的LED灯，目前的调制带宽有限，只有约3-50MHz，主要用于照明，要是用于通讯，必须开发出更高调制带宽的LED光源。由于LED通讯具有照明与通讯双重功能，因此在光源的优化布局、广角、干扰上也有很多问题需要解决。

除此之外，可见光通信技术还有许多需要改进的地方。比如使用时必须开灯、终端也有个灯泡，绕射不灵活；可见光无法穿透物体，如果接收器被阻挡，信号将被切断等等。“VLC技术还需要很多严谨的科学研究，样机的实现还只是开始。VLC没有专用芯片组，发射接收系统都非常庞大，这些都是我们需要做工作的地方。”

因此，可见光通信并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充的技术，有助于释放频谱空间。其未来，能否产生杀手锏式的应用，还得依赖人们无限的想象力。