目前，WiFi、3G/4G蜂窩網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)技術(shù)在各個領(lǐng)域都被應(yīng)用的很好，我們每個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)的頻譜需要由政府機(jī)構(gòu) (比如美國聯(lián)邦通信委員會 (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) 往往不會那么雜亂，但它們的無線電傳播特性很差，很容易就會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)就會變慢，這就是為什么你的手機(jī)在擁擠的場合網(wǎng)絡(luò)會很慢。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，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。一個數(shù)字信息，比如一個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器轉(zhuǎn)換為電信號，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。對于雙向通信這個過程也是類似的，有時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)境探測者 (LADEE) 航天器和新墨西哥州的一個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 (一個類似于WiFi的接入點(diǎn) (AP) 的小型發(fā)射器或者一個特殊設(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)針對具有Li-Fi接收器的智能手機(jī)進(jìn)行了測試。這些系統(tǒng)傾向于用來非定向光源的相同調(diào)制信號來覆蓋真?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設(shè)備 (有點(diǎn)像升級版的MIMO)，這樣會有怎樣的效果呢？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)時器耗盡)，然后再將偏轉(zhuǎn)器移動到下一個端點(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，就可以同時為數(shù)千個端點(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)，請查看美國專利6,650,451。

如果我們想要更多的性能和容量呢？我們可以移除振動子的運(yùn)動組件，它會使整個系統(tǒng)變慢，而且可能引起可靠性的問題，并將多個發(fā)射/接收波束收發(fā)器構(gòu)建成一個緊湊的模塊。設(shè)想一個外觀類似一個高爾夫球大小的裝置，它有數(shù)百個雙向光束，每個“酒窩”都會形成一個光束。當(dāng)遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)入它們的視覺范圍內(nèi)時，這些收發(fā)器的某個子集就會被激活。若固定底面站和移動終端都有這些收發(fā)器，就可以形成網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)收發(fā)器移動時相鄰的光束會發(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。

審核編輯：郭婷