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灯泡上网这一科技幻想,为何没能真正“发光”?

紫金山科技 · 2020-07-21
2020年5G狂奔,从科研到产业,留给这项技术的机会还多吗?​

编者按:本文来自微信公众号“紫金山科技”(ID:zijinshan2013),作者:鲁透社,36氪经授权发布。

2020年5G狂奔,从科研到产业,留给这项技术的机会还多吗?

2010年5月,在中科院半导体所,几家媒体的记者第一次近距离地了解了一项被视为可以对抗Wi-Fi的神秘技术——由LED灯泡带来的光无线网,那也是他们第一次听说这个技术。 

当时,该研究所副所长提出了一种Wi-Fi无线通信的尴尬场景:例如在一个载人数量超过500人的大型飞机内,乘客们在座位上用笔记本上网、开视频会议、下载高清视频节目时,单个座位需要很高的带宽才能实现。尽管一些航空公司已推出了Wi-Fi空中上网,但速率低,带宽窄,价格昂贵,不足以支持这些需要,并且其射频信号对飞机与地面通信仍有影响,而且当飞机飞行高度低于海拔3000m时,空中Wi-Fi服务会自动停止。

那么,有没有一种更好的技术来解决这类问题呢?

该研究所给出的答案,就是把LED灯的光,变成一个无线网,让机舱内无线上网的“最后一米”,仅仅通过座位上方的LED照明灯就可以实现。

有灯的地方就能上网?在场的记者一头雾水。

面对记者们的面面相觑,该副所长介绍,这是中科院半导体所依托中科院知识创新工程重要方向项目“半导体照明信息网(S2-link)的研究”研发的“半导体照明通信技术”,是一种完全避免射频接入产生电磁干扰的通信新技术,于2009年1月首次实现了采用LED灯作为接入点的互联网接入,随后,该技术于2009年11月在上海工博会获得了展示。

记者们参观之前的2010年2月,该半导体所成功研制出了该半导体照明通信系统的第三代样机,网络带宽达到2Mbit/s,5月,即在上海世博会的“航空馆”和“沪上·生态家”又进行了展示。

一时间,这一新兴技术吸引了产学研界不少目光,甚至被带上了“PK掉Wi-Fi”的帽子。

十年来,Wi-Fi已发展到了Wi-Fi 6时代,移动通信更大步迈入了5G,而“灯泡上网”从未被停止探究,甚至在2019年底的媒体报道里,还被喻为“可能是5G请来的救兵”。

2020年5G狂奔,从科研到产业,留给这项技术的机会还多吗?

无线通信,为何要在“光”上做文章?

在2011年英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家Harald Hass一次“用LED光源担当无线传输数据”的TED演说被广泛报道后,国内媒体才发现,其实这个被定义为Li-Fi(light fidelity)的灯泡上网技术,是从2003年开始由这位教授领衔开始研发的。

通俗讲,和无线电波一样,光波也是电磁波,因此在普通的LED 灯泡上加装一个微芯片后,可以控制灯泡以每秒数百万次的频率闪烁,亮了表示1,灭了代表0,二进制的数据就被快速编码成灯光信号,人的肉眼并无法识别到这种高频变化。

这些包含二进制数据的灯光信号通过特定的光敏传感器,就可以传输到灯光下的手机、平板等设备上。

那么,Li-Fi是如何连接外部网络的?据中科院半导体研究所解释,半导体照明通信系统由接入控制器、照明LED灯和用户适配器三部分组成,通常安置在LED灯上方的接入控制器通过以太网、卫星网络(例如在飞机上)等方式连接外部网络。

被不少媒体报道后,业界纷纷探究其Li-Fi与Wi-Fi方式的具体区别。

在技术上,相对于Wi-Fi采用无线电信号进行信号传输,半导体照明通信系统下行信号采用连续的可见光传送信号,而上行采用猝发红外线传送数据,另外,在通信协议上也不尽相同,半导体照明通信系统通信协议虽然在设计时部分参考了现有互联网通信协议,但是在编码方式、调制方式等方面均有不同。

简言之,有2个优点但也有2个缺点。

优点是不会像Wi-Fi一样容易收到射频接入的电磁干扰,且最初研发出来的局域网 传输速率比Wi-Fi更高;另外,Li-Fi最受关注的一大特点是安全,在LED灯的光照射范围内才能通信,而光线照射不到的地方没有信号,所以具有高度保密性,有可能在某些保密场所得到应用。

当然,“无光就无网”这一保密性高的特点,同样是其一大缺点,不能在室外阳光下或任何不稳定的条件下使用,也不能在没有LED灯泡的情况即黑暗中工作,隔着墙更不能使用。而且,就覆盖距离来说,Li-Fi远远小于Wi-Fi。

在这样明显的劣势下,为何科研界还早早投入了研发?早在2007年12月,国际通信与电子工程师协会就成立了IEEE802.15委员会,以推进近距离通信技术标准化的工作,设立了可见光通信研究小组。并且引得日本、美国和韩国等发达国家和地区都来参与?

在科研界看来,比起其缺点,该技术的潜力和未来商用似乎更值得探究,相比传统射频无线技术,LED照明通信具有更大的带宽潜力,随着器件的改进,未来能够达到每秒几百兆到上G的接入速度。

2015年11月,爱沙尼亚一家创业公司在小型环境中部署了名为Jungru的Li-Fi技术,第一次成功完成了对Li-Fi在“现实生活中的测试”,在LED灯照射范围内,数据传输速率达到了Gbps级别。

事实上,在2013年10月,复旦大学就成功将网络信号接入1W的LED灯珠,在灯光的照射下就已实现了最高速率达到为3.25Gbps的四台电脑的联网。

不过由于通信介质空间存在反射、漫射光等各种干扰光源,导致“灯泡上网”通信误码率偏高。因此,为了保证可靠通信,科研界在改进驱动电路、接收电路、光学系统及一些纠错编码技术上也做了不少努力。

但与5G一步一个阶梯的道路不同,Li-Fi近十年来的发展,用举步维艰来形容也不为过。

风口,或许还在遥远的未知

从Hass教授的TED演讲,到国内外科研界踊跃投入研发,到陆续出现可用于实际场景的Li-Fi解决方案,“灯泡上网”在全球掀起了一阵热潮,不少LED生产厂商也开始进行可见光通信领域的研发,但长期以来却仍然停留在学术讨论阶段。

军事、水下通信、物联网、路灯、汽车通信、保密通信,都一度被列为Li-Fi的重点应用领域。

例如在军事方面,Li-Fi的覆盖范围可以限制在一个小的照明区域,在特定光线下和不能使用移动电话的区域实现(如弹药房)中对敏感信息的访问。

水下通信,是鉴于光可以在水中传播,而Wi-Fi的无线电信号会被水吸收。这可能会改变水下航行器之间的通讯方式。

而代替Wi-Fi,则Li-Fi吸引众多企业参与、最被给予厚望的一个前景。当时曾有企业代表说,当智能门锁、健康手环、摄像头跑步机等等都被串联在同一个Wi-Fi系统下,一旦单个硬件的漏洞被攻破,所带来的连环风险恐怕是很大的。

而Li-Fi的吞吐量也远远超过Wi-Fi,理论上可达到200+Gbps,被认为可以支持上亿物联设备,在汽车通信、交通信号灯等方面可大有作为

甚至在5G技术快速成熟的几年中,Li-Fi也出现在不少ICT企业的研发课题中,除了超高的吞吐量被看好,与5G需要建立大量通信基站的规模化投入不同,Li-Fi几乎不需要很高的运营成本,将城市的可见光源更替成带有传输芯片的LED就可以,这样的低成本前景显然有着巨大的吸引力。

但要想替代Wi-Fi,显然不是技术特点能决定了的。数十年来,Wi-Fi的发展已经盘根错节无所不在,到2020年,市面上支持Wi-Fi 6的路由器和手机等终端越来越多,以双频并发、500M 以上的网络带宽等特点,把家庭、企业、商家的Wi-Fi网络体验又提升了一大截。

但Li-Fi要想获得超大带宽,首先在技术稳定性上就给研发者提出了不少难题。

例如在反向传输上,Li-Fi终端设备如何反射信号给LED灯,需要专业的集成芯片来支撑,多年来尚没有突破性进展。

例如在传输距离上,要在各种场景中保证一个无死角、不间断、无遮挡的LED光源,每一个场景都需要仔细打磨,学习和适应成本较高。

即便是“有光就有网”,但现实中每个场景出现的遮挡物远比科研预想的要多得多。

再加上一直没能很好解决原型机体积庞大、不利于集成化微型化设计的问题,“有光就有网”的长板难以弥补上述各类短板,落地和商业变现的道路依旧漫长。

如文章最前面提到的,军事、机舱里等特殊场景,加上其没有频谱限制,或许是Li-Fi在5G、Wi-Fi日益成熟的无线通信舞台上,可发挥作用的小众战场。

但至少现在看来,并不是一个有能力挥舞大棒驱赶Wi-Fi的神秘大将。

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