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看复旦大学如何“灯光上网”

工作自查报告 时间:2021-07-29 10:25:56

2013年上海工博会,最吸引眼球的莫过于复旦大学计算机科学技术学院带来的“灯光上网”通讯技术。研究人员只需将网络信号接入一盏1W的LED灯泡,灯光下的4台电脑即可上网,最高速率可达3.25G,平均上网速率达到150M。

“灯光上网”利用闪烁的灯光来传输数字信息,这个过程被称为可见光通信,人们常把它通俗地称为“lifi(灯光上网)”,以示区别目前wiFi(无线宽带)为代表的无线网络传输技术。据南京邮电大学可见光通信实验室主任王永进教授介绍,lifi(灯光上网)技术日本做得最早,德国物理学家哈拉尔德·哈斯则是在这个领域做得最好。

读懂灯光里的“密码”

一直以来,在一个人的头顶上画一个闪亮的灯泡,被用来象征一个发明家的灵光乍现,但是德国物理学家哈拉尔德·哈斯由灯泡本身“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。

lifi最大的优势是照明通信一体,有灯光的地方,就有网络信号。关掉灯,网络全无。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。研究中,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“密码”。

现有的无线网络使用无线电波传输信号,让我们摆脱了网线的束缚,但是无线电波会向四周传播,轻则被人盗用上网,重则泄露个人隐私或商业机密,给我们带来了安全隐患。无线光网技术是提供室内无线宽带的一个极具吸引力的替代方案。它们不仅能提供更高速的宽带网络接入,而且无法穿墙而过,让我们在享受无线多媒体网络服务的同时,不必再担心隔墙有耳了。

无线光局域网不是用无线电波,而是用经过编码的白色光束或红外光束来传送数据——电视机的遥控器就是用不可见的红外光发送控制信号的。无线光网系统可以把无线数码设备连接到房间内的数据端口上,而端口则连在接入整栋住宅或大楼的高速宽带网络上。这种目前正在迅速发展的新技术拥有几大优势:光束所覆盖的服务区域不受干扰,可以为多位用户提供几乎无限的带宽;光波与无线电波不同,无法穿透墙壁,这就保证了通信几乎百分之百的安全;光无线系统特别适合面积较大且有多位宽带用户近距离工作的办公场所。传送数据的是光波(或者说光子),而不是波长较长的无线电波和微波。现有的无线光网系统使用的是低强度的红外线,这些“光”的波长略长于可见光,但远小于无线电波的波长。

要在整个办公场所,或者机场餐厅之类的公共场所实现互联互通,这种发射端对准接收端才能工作的系统就非常不切实际了。为了实现室内信号的完全覆盖,无线光网络必须让载有数据的光束散布于整个室内空间。室内的任何一处地方,包括墙壁、桌面、饮水机甚至人脸,都可以反射经过编码的红外光束,让红外线遍布于室内。这样一来,不论接收设备指向哪个方向,都能接收到红外光束。市面上的一些红外网络产品已经使用了这种方法,不过反射的红外光束会产生某种与回声相似的效果,使信号接收设备难以确定截获的信号是否真正准确的数据,从而导致数据丢失,严重限制网络的数据传输速度。设在美国宾夕法尼亚州立大学的研究小组开发了一种新型无线光网系统,它使用一组铅笔粗细的红外光束来传送数据。这个低强度红外光束网可以覆盖整个室内空间,每一条光束都携带相同的信号。这套系统将接入室内的上网端口与所有配备了红外接收装置的数码设备连接起来。由于室内到处都有携带着相同信号的编码光束,用户不管如何走动都能与网络保持联系,一旦他与先前那条光束失去联系,马上又能同新的光束接头。由于接收装置同时接收多个完全相同的数据流,纠错也变得相当简单:只要比较一下从几条光束接收到的数据,便可确保数据的准确性。这种光束网可以实现高速数据传送,传输速度比DSL调制解调器快了上百倍,而传输出错率则几乎为零。

智能照明

在照明领域,LED发光产品的应用正吸引着世人的目光,LED作为一种新型的绿色光源产品,必然是未来发展的趋势,21世纪将进入以LED为代表的新型照明时代。LED作为照明光源,具有长寿命、低电压、低功耗的特点,可以比普通照明灯节省60%以上的能耗,是未来照明的一种选择,实现信息传输是其应用的方向之一。

在办公室内,灯泡是必备的装置。那么,能不能依靠灯光来传递数据呢?由美国政府投资1.85亿美元,为期10年的“智能照明”倡议把无线通信能力嵌入未来的LED照明安装之中。倡议采用可见光束实现无线电设备与基于LED的照明设备之间的通信。随着白炽灯和日光灯被取代,基于LED的方案也可以被用于在LED的应用日益增多的汽车之间进行通信。整个目标是把通信能力构建在所有的LED照明之中,与此同时,减轻互联网的拥挤程度。

目前,“智能照明”由接入控制器、照明LED灯和用户适配器三部分组成,其中接入控制器连接电信网络,用户适配器连接用户计算机,接入控制器将电信网络信号通过LED的灯光传输到接在电脑上的用户适配器;而电脑上的信息,再通过用户适配器控制红外光传输回网络,达到双向交互。作为系统的一个组成部分,研究人员需要的接收器是采用LED制成,方法就是采用同一只LED,LED的一部分作为接收器,而另一部分作为发射器。

未来前景广阔

未来半导体照明路灯采用LED联网,汽车采用LED作为前灯和后灯,智能交通可以做到新的一个层面:两辆汽车前后灯亮起可以传递实时路况信息,路灯也可以通报路况。在高速铁路上,当时速超过300千米,无线信号会时有时无,如果在高铁上用LED上网,就可以避免这种问题。

LED照明光无线通信在国外也还处在起步和摸索阶段,但其应用前景非常看好,不仅可以用于室内无线接入,还可以为城市车辆的移动导航及定位提供一种全新的方法。汽车照明灯基本都采用LED灯,可以组成汽车与交通控制中心、交通信号灯至汽车、汽车至汽车的通信链路。这也是LED可见光无线通信在智能交通系统的发展方向。飞机内半导体照明信息网基于非射频接入的特性,利用飞机内部的LED阅读灯作为网络接入点,可实现人们在飞机内上网的梦想。目前,美国和韩国等发达国家都投入了人力和物力从事相关技术的研究与开发工作。美国成立了由波士顿大学、伦斯勒理工学院、新墨西哥大学组成的LED智能照明中心。已经开发出基于LED灯的点到点数据传输演示系统。其他代表性研究机构还有韩国的三星公司、英国的牛津大学、德国的西门子公司、法国电信等,他们也实现了基于白光LED点到点通信。

另外,人们利用手机或者计算机可以随时随地控制LED灯,灯光下的各种家用电器就能“各司其职”。下班回家前,主人可以利用网络远程控制家里的LED灯指挥家电工作。回家后主人可以享受空调调节好的适宜温度,并在音乐中享用微波炉已经提前做好的饭菜,主人的手机就是家里所有电器的集中无线遥控器。LED照明光无线通信能逐步取代现在单一功能的照明系统和网络接入系统,具有很好的经济和社会效益以及市场推广前景。光学无线通信因为没有射频污染,是典型的绿色健康通信。照明、智能通信、智能控制三者的有机融合,为我们提供更加节能、环保、方便和现代的城市生活方式。

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