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【两栋山.解毒丸】用可见光通信取代WiFi上网靠谱吗?

 

 

  【两栋山.解毒丸】是一个专门解读科学绯闻的专栏,不是为了“黑”科技,而是为了还科学一个真面目。
  本来,科学是一件及其严肃的事情,来不得半点虚情假意,但是扛不住来不及严谨的媒体和自媒体们断章取义、夸大其词,于是,隔三差五的,互联网就会被一两件惊世骇俗的科技成果刷屏,可是刷了这么些年,科学似乎还是老样子。

  不实报道伤害的不仅仅是观众的感情,科学一样很受伤。当实验室特定理想环境下付出巨大代价得出的实验结果被渲染为放之四海而无敌的法宝之后,科研人员将不得不面对公众和领导高得离谱的预期。而泡沫一旦破裂,学术不端、弄虚作假的屎盆子只会扣到科研人员的脑袋上,没有人记得起那些吹泡泡的始作俑者。

  当然这世上也从来不缺自吹自擂的科学家,不过这事不劳我们操心,互联网时代,自吹比他吹更容易露出破绽,群众不仅眼睛雪亮,而且有的是时间和耐心。

  本期节目由运营商网络维护与优化群策划制作,操刀手是非著名物理学家炸药博士,他将用朴素的语言,解毒可见光通信的前世今生。


 

  这些天,媒体上铺天盖地报道的科学事件是中国“可见光通信系统关键技术研究”获得重大突破、实时通信速率提高至50Gbps。那么什么是可见光通信技术?可见光通信技术能实现点灯上网、秒杀一切无线上网技术的观点真的靠谱吗?

  可见光通信技术(Visible Light Communication,VLC)是指利用可见光波段的光作为信息载体,不使用光纤等有线信道的传输介质,而在空气中直接传输光信号的通信方式。从基本原理上来讲,可见光通信不是什么新东西,早在两千年我国劳动人民就已经开始使用可见光通信技术,最典型的案例是烽火台,白天烧狼粪,夜间点柴草,利用火与烟传递信息。在古代没有电话、无线电通讯设备的情况下,这种传递军情信息的方法十分有效和及时,节点间信息传输时延与光速相同,主要的时间开销发生在点火准备阶段。

  随着现代航海技术和照明技术发展,人们又发明了信号灯通信技术,主要用于舰艇间、舰艇与海岸信号台间的近距离通信。信号灯前面用一灯叶(百叶窗)遮住灯光,使用时通过控制灯叶的开合时间来显示灯光照射的有无和长短,用莫尔斯符号表示字母、数字和勤务符号,通信距离白天为3~5海里、夜间为10~12海里。

  媒体所报道的可见光通信技术出现在2000年,日本庆应大学的Tanaka等人和SONY计算机科学研究所的Haruyama就提出了利用LED灯作为通信基站进行信息传输的室内通信系统初步构想。在2008年10月的东京国际电子展上,日本太阳诱电公司向全世界首次现场展出了白光LED的通信系统,当时,它的最大传输距离仅为20cm。

  2009年,牛津大学的Brien等人利用均衡技术实现了100 Mbit/s的通信速率;次年,他们展出了室内可见光通信演示系统,利用16个白光LED通信,完成了4路高清视频实时广播。到了2011年,爱丁堡大学哈拉尔德•哈斯教授演示了带有信号处理技术的LED灯泡如何将高清视频传输到电脑上,并将可见光通信命名为LiFi(Light Fidelity)。

  2015年,英国多所高校的研究者们将LiFi的通信速率刷新到高达20Gb/s。近些天,国内媒体上开始铺天盖地报道中国科学家在“可见光通信系统关键技术研究”获得重大突破,实时通信速率提高至50Gbps。看来,可见光通信实现点灯上网指日可待,这一天真的会在一夜之间到来吗?

  我们提到通信速率,不得不提著名的香农公式(Shannon’s equation):在被高斯白噪声干扰的信道中,传送的最大信息速率C由下述公式确定:

  C=B*log₂(1+S/N) (bit/s)

  B是码元速率的极限值(由奈奎斯特指出B=2H,H为信道带宽,单位Baud);S是信号功率(瓦),N是噪声功率(瓦)。

  因此,信道带宽限制了比特率的增加,信道容量还取决于系统信噪比以及编码技术种类。

  从发射端来看,可见光波长范围为380μm到780μm,可见光发射机拥有400THz的通信带宽。但是,目前市面上使用的LED灯珠都是使用蓝光LED激发红绿荧光粉产生白光进行照明,LED灯不是为通信而设计, LED灯珠带宽很窄,约20~30MHz,而且有很强的非线性效应。普通照明LED的最大传输速率均在100Mbps左右。相对于目前的WiFi和LTE通信而言,这种可见光通信技术并无优势可言。

  直到最近,人们开发出氮化镓GaN的LED即μLED,这种蓝光LED拥有超过400 MHz通信带宽。人们在实验室中在短距离中使用开关键控(OOK)和正交频分复用技术可以将通信速率提高到1 Gbps和 3 Gbps。相对于即将商用的802.11ad的7Gbps和LTE-A的1Gbps已经没有多少优势可言。

  为了进一步提高通信速率,可见光通信技术使用了光MIMO技术,即将多个LED灯珠组成LED二维阵列,实现多入多出收发技术。由于光的直线性非常好,已经无法像无线通信中MIMO技术实现空间分集和空间复用技术,更像是一个二维阵列通道技术。如果实现更高速率通信,可见光通信技术必须使用更大的MIMO阵列。


光MIMO

  从接收端来讲,目前手机终端以及摄像器材的CMOS或CCD摄像头主要是为了摄影准备,通常接收25帧/秒画面,不可能直接用来实现可见光通信。另外,这些探测器也不是专为可见光波段设计,蓝光不是最敏感频段。目前实验室实现的可见光通信系统多使用雪崩光电二极管(APD),现代雪崩光电二极管增益-带宽积已达几百GHz。因此,要实现点灯上网,手机终端的接收器也需要做很大改造。


CMOS

雪崩光电二极管

  另外,还有一个技术细节是这些实验室的可见光通信技术均是在厘米级别的短距离实现的。这是由于可见光通信使用频谱是自然光,因此自然环境中日光、照明甚至人或物体扰动,都会导致可见光通信信道条件恶化,可见光的干扰要大大高于其他无线通信系统。随着通信距离的增加,这种信道干扰就会越强烈,根据香农公式的推论,可见光通信系统最大传输速率将会极具恶化,可见光通信系统目前最适合于进行短距离通信。

  另外,可见光通信系统端到端目视传输的信噪比明显要优于漫散传输条件,因此可见光通信系统要想获得更好的上网体验,必须找到合适的目视传输位置,不能随意改变上网位置或者上网姿态。这种网络体验明显与其他无线通信方式有很大差距。

  同样,由于自然环境中的日光或者灯光污染,数据的双向传输仍然是一大难题。灯光照射在电脑上容易,但在电脑或手机上安装LED灯回传数据却非易事,因此还没有很好的上行传输方法。

  目前,可见光通信的LED芯片一般都是瓦级(W),而一般无线通信终端发射功率多在毫瓦级(mW),可见光通信系统的功耗明显要大于现有的多数无线通信系统。

  此外,可见光通信尚无专用芯片组支持,收发系统体积比较大,所以在材料、器件、封装、模块等方面都需要做一系列研究。

  综上所述,可见光通信系统目前与其他无线通信技术相比在通信速率上尚无明显优势,由于上行发射缺位、易受日光与照明干扰、不能使用现有通用的发射和接收器件、无专用通信芯片组支持等劣势的影响,目前还看不出取代WiFi、LTE-A等无线通信手段的可能性,要实现点灯上网还有很长的路要走。

  因此,要冷静客观看待可见光通信技术,给科研人员更多的时间和耐心。

【转自力博睿生】