Wi-Fi、3G/4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)技術(shù)運(yùn)行良好。每個(gè)人——以及越來越多的非人類物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 設(shè)備——都在使用它們，但這正是問題所在。網(wǎng)絡(luò)正在接近其容量的極限，增加基于無線電的網(wǎng)絡(luò)容量以滿足對(duì)帶寬的爆炸式增長的需求具有挑戰(zhàn)性。

基于無線電的接入網(wǎng)絡(luò)中帶寬增長的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是可用射頻頻譜的可用性。這個(gè)問題可以分為兩種方式：

許可頻譜

未經(jīng)許可的頻譜

許可頻譜由政府機(jī)構(gòu)（例如，美國聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC)）專門授予，供特定用戶組在特定無線電應(yīng)用中使用，通常用于一個(gè)國家的一個(gè)或多個(gè)特定區(qū)域。由于需求巨大，全國范圍內(nèi)射頻頻譜的選擇塊可能會(huì)在全國頻譜拍賣中耗資數(shù)十億美元。人們一直在努力將頻譜從舊的、利潤較低的用途中解放出來，并將其轉(zhuǎn)移到 5G 蜂窩等領(lǐng)域。然而，這也有問題，比如隨著頻譜被接管，數(shù)十億臺(tái)電視機(jī)或其他無線電設(shè)備將被淘汰。因此，許可頻譜仍然稀缺且昂貴。

許可頻譜的替代方案是非許可頻譜。Wi-Fi、藍(lán)牙、家庭自動(dòng)化系統(tǒng)、遙控車輛等網(wǎng)絡(luò)通常使用一組稱為儀器、科學(xué)和醫(yī)學(xué) (ISM) 頻段的光譜切片。每個(gè)人都可以免費(fèi)使用這些頻段——受一些詳細(xì)規(guī)則的約束——但這種使用不是排他性的。任何人都可以在 ISM 頻段上傳輸，并且隨著設(shè)備的更換，任何一臺(tái)設(shè)備可用的帶寬都會(huì)發(fā)生顯著變化。ISM 頻段中也往往存在更多干擾，例如來自共享其頻譜的微波爐。較高頻率的頻段——比如大約 10GHz 以上——往往不那么混亂，但它們的無線電傳播特性很差，很容易被墻壁或樹葉阻擋。

無論使用的頻譜是許可的還是未許可的；最大可用容量取決于頻率、帶寬、信噪比 (SNR)、調(diào)制技術(shù)、天線設(shè)計(jì)、協(xié)議和編碼。一旦超過該容量，網(wǎng)絡(luò)就會(huì)變慢。這就是為什么您的手機(jī)在擁擠的活動(dòng)中速度如此之慢的原因。在這些活動(dòng)中，太多人在固定無線電網(wǎng)絡(luò)容量上發(fā)送太多數(shù)據(jù)。多輸入多輸出 (MIMO) 等定向天線技術(shù)通過從不同角度重用相鄰區(qū)域的頻譜來幫助一些人，但存在嚴(yán)重的局限性。我們需要做的是在遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出 FCC 或混亂的 ISM 頻段管轄范圍的頻率上獲得大量帶寬和高效調(diào)制技術(shù)，這驅(qū)使我們進(jìn)行光束通信。

光保真 (Li-Fi) 已成為一種用于無線通信的可見光通信 (VLC) 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)容量傳輸數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，而在此過程中不使用任何射頻頻譜。數(shù)字消息（例如 IP 數(shù)據(jù)包）使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行編碼，并用于通過高速比特流調(diào)制光源（可見光、紫外線、紅外線、激光或 LED）。發(fā)射的光由光學(xué)系統(tǒng)處理以將其導(dǎo)向接收器。然后它穿過自由空間到達(dá)遠(yuǎn)程設(shè)備處的光學(xué)系統(tǒng)接收一部分光的地方。光通過快速光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，放大，解調(diào)，并轉(zhuǎn)換回原始消息以供遠(yuǎn)程設(shè)備的處理器使用。對(duì)于雙向通信，該過程在相反方向重復(fù)進(jìn)行——有時(shí)使用不同波長的光以避免干擾。原型系統(tǒng)顯示容量超過 100Gbps。2013 年，NASA 以 622Mbps 的速度在 385000 公里的距離上創(chuàng)造了月球軌道上的月球大氣和塵埃環(huán)境探測器 (LADEE) 航天器與新墨西哥州地面站之間激光通信的距離記錄。

愛丁堡大學(xué)的 Harald Haas 開創(chuàng)了 Li-Fi 的大部分工作，并就該主題發(fā)表了一些出色的 TED 演講和論文。他還是領(lǐng)先的商業(yè)產(chǎn)品提供商 pureLiFi 的聯(lián)合創(chuàng)始人。自由空間光通信有多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，最重要的標(biāo)準(zhǔn)是 IEEE 802.15.7。這些系統(tǒng)通常通過調(diào)制安裝在天花板上的光源（類似于 Wi-Fi 接入點(diǎn) (AP) 的小型發(fā)射器或改進(jìn)的燈具）來工作，通過自由空間發(fā)送數(shù)據(jù)流，并在遠(yuǎn)程設(shè)備上的光學(xué)接口。包括 Li-Fi 接收器功能的智能手機(jī)已經(jīng)過測試。這些系統(tǒng)傾向于用來自非定向光源的相同調(diào)制信號(hào)“沐浴”整個(gè)房間，

讓我們看看我們是否可以做得更好。如果不是像傳統(tǒng) Wi-Fi 那樣向所有設(shè)備發(fā)送相同的全向光比特模式，而是嘗試將單獨(dú)的光束引導(dǎo)到每個(gè)設(shè)備——有點(diǎn)像增強(qiáng)型光學(xué) MIMO，會(huì)怎么樣？一種方法是在調(diào)制光源前面放置一個(gè)光束偏轉(zhuǎn)器——例如一對(duì) XY 掃描檢流計(jì)，并使光束繞路徑偏轉(zhuǎn)，以快速順序訪問其范圍內(nèi)的所有有源器件。該系統(tǒng)緩沖它可以看到的所有端點(diǎn)的流量，將偏轉(zhuǎn)角設(shè)置為指向選定的端點(diǎn)，并以數(shù)千兆比特的速度突發(fā)數(shù)據(jù)，直到緩沖區(qū)耗盡——或計(jì)時(shí)器到期——然后再將偏轉(zhuǎn)器移動(dòng)到下一個(gè)端點(diǎn).圖 1顯示了一個(gè)帽盒大小的設(shè)備，配備了這種偏轉(zhuǎn)自由空間光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重疊扇區(qū)。如果將這樣的設(shè)備懸掛在禮堂的天花板上或放置在水塔上，則可以同時(shí)為數(shù)千個(gè)端點(diǎn)提供快速、安全、無無線電頻譜的帶寬。如果您想了解更多此類網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)細(xì)節(jié)，請(qǐng)查看我的美國專利 6,650,451。

圖 1：使用自由空間光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的具有重疊扇區(qū)的設(shè)備。（來源：作者）

如果我們想要更高的性能和容量怎么辦？我們可以刪除電流計(jì)的移動(dòng)部件，這會(huì)降低系統(tǒng)速度，并可能導(dǎo)致可靠性問題，并將多個(gè)發(fā)射/接收波束收發(fā)器構(gòu)建到一個(gè)緊湊的體積中。設(shè)想一種外觀類似于具有數(shù)百個(gè)雙向光束的大型高爾夫球的設(shè)備，每個(gè)凹坑中都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)光束。只要遠(yuǎn)程設(shè)備進(jìn)入它們的視角，這些收發(fā)器的一個(gè)子集就會(huì)被激活。固定地面站和移動(dòng)端點(diǎn)都將擁有這些收發(fā)器，從而創(chuàng)建一個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。隨著收發(fā)器的移動(dòng)，將切換到相鄰波束。該技術(shù)非常適合連接大群無人機(jī)、工廠中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備以及類似應(yīng)用。我的美國專利 9,350,448 有更多關(guān)于這種系統(tǒng)操作的細(xì)節(jié)，

結(jié)論

總之，Li-Fi 和其他自由空間光學(xué)技術(shù)為高性能網(wǎng)絡(luò)提供了很多希望。它們不使用稀缺且昂貴的無線電頻譜并提供高容量。此外，這些技術(shù)比基于無線電的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)更安全、更不受干擾。

關(guān)鍵點(diǎn)：

Wi-Fi 和蜂窩等無線電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的容量受到可用無線電頻譜的限制。

通過從無線電轉(zhuǎn)向 Li-Fi 等基于光的技術(shù)來傳輸消息、容量、安全性和干擾，可以提高免疫力。

使用偏轉(zhuǎn)或多波束端點(diǎn)的定向光網(wǎng)絡(luò)可以提供更好的容量和安全性。

審核編輯：湯梓紅