Li-Fi：没有无线电的无线连接

Wi-Fi、3G/4G 蜂窝网络和相关技术运行良好。每个人——以及越来越多的非人类物联网 (IoT) 设备——都在使用它们，但这正是问题所在。网络正在接近其容量的极限，增加基于无线电的网络容量以满足对带宽的爆炸式增长的需求具有挑战性。

基于无线电的接入网络中带宽增长的一个关键挑战是可用射频频谱的可用性。这个问题可以分为两种方式：

许可频谱

未经许可的频谱

许可频谱由政府机构（例如，美国联邦通信委员会 (FCC)）专门授予，供特定用户组在特定无线电应用中使用，通常用于一个国家的一个或多个特定区域。由于需求巨大，全国范围内射频频谱的选择块可能会在全国频谱拍卖中耗资数十亿美元。人们一直在努力将频谱从旧的、利润较低的用途中解放出来，并将其转移到 5G 蜂窝等领域。然而，这也有问题，比如随着频谱被接管，数十亿台电视机或其他无线电设备将被淘汰。因此，许可频谱仍然稀缺且昂贵。

许可频谱的替代方案是非许可频谱。Wi-Fi、蓝牙、家庭自动化系统、遥控车辆等网络通常使用一组称为仪器、科学和医学 (ISM) 频段的光谱切片。每个人都可以免费使用这些频段——受一些详细规则的约束——但这种使用不是排他性的。任何人都可以在 ISM 频段上传输，并且随着设备的更换，任何一台设备可用的带宽都会发生显着变化。ISM 频段中也往往存在更多干扰，例如来自共享其频谱的微波炉。较高频率的频段——比如大约 10GHz 以上——往往不那么混乱，但它们的无线电传播特性很差，很容易被墙壁或树叶阻挡。

无论使用的频谱是许可的还是未许可的；最大可用容量取决于频率、带宽、信噪比 (SNR)、调制技术、天线设计、协议和编码。一旦超过该容量，网络就会变慢。这就是为什么您的手机在拥挤的活动中速度如此之慢的原因。在这些活动中，太多人在固定无线电网络容量上发送太多数据。多输入多输出 (MIMO) 等定向天线技术通过从不同角度重用相邻区域的频谱来帮助一些人，但存在严重的局限性。我们需要做的是在远远超出 FCC 或混乱的 ISM 频段管辖范围的频率上获得大量带宽和高效调制技术，这驱使我们进行光束通信。

光保真 (Li-Fi) 已成为一种用于无线通信的可见光通信 (VLC) 技术。Li-Fi 和相关形式的自由空间光通信使用调制光束以非常高的网络容量传输数字数据，而在此过程中不使用任何射频频谱。数字消息（例如 IP 数据包）使用标准协议进行编码，并用于通过高速比特流调制光源（可见光、紫外线、红外线、激光或 LED）。发射的光由光学系统处理以将其导向接收器。然后它穿过自由空间到达远程设备处的光学系统接收一部分光的地方。光通过快速光电探测器转换为电信号，放大，解调，并转换回原始消息以供远程设备的处理器使用。对于双向通信，该过程在相反方向重复进行——有时使用不同波长的光以避免干扰。原型系统显示容量超过 100Gbps。2013 年，NASA 以 622Mbps 的速度在 385000 公里的距离上创造了月球轨道上的月球大气和尘埃环境探测器 (LADEE) 航天器与新墨西哥州地面站之间激光通信的距离记录。

爱丁堡大学的 Harald Haas 开创了 Li-Fi 的大部分工作，并就该主题发表了一些出色的 TED 演讲和论文。他还是领先的商业产品提供商 pureLiFi 的联合创始人。自由空间光通信有多项标准，最重要的标准是 IEEE 802.15.7。这些系统通常通过调制安装在天花板上的光源（类似于 Wi-Fi 接入点 (AP) 的小型发射器或改进的灯具）来工作，通过自由空间发送数据流，并在远程设备上的光学接口。包括 Li-Fi 接收器功能的智能手机已经过测试。这些系统倾向于用来自非定向光源的相同调制信号“沐浴”整个房间，

让我们看看我们是否可以做得更好。如果不是像传统 Wi-Fi 那样向所有设备发送相同的全向光比特模式，而是尝试将单独的光束引导到每个设备——有点像增强型光学 MIMO，会怎么样？一种方法是在调制光源前面放置一个光束偏转器——例如一对 XY 扫描检流计，并使光束绕路径偏转，以快速顺序访问其范围内的所有有源器件。该系统缓冲它可以看到的所有端点的流量，将偏转角设置为指向选定的端点，并以数千兆比特的速度突发数据，直到缓冲区耗尽——或计时器到期——然后再将偏转器移动到下一个端点.图 1显示了一个帽盒大小的设备，配备了这种偏转自由空间光网络技术的重叠扇区。如果将这样的设备悬挂在礼堂的天花板上或放置在水塔上，则可以同时为数千个端点提供快速、安全、无无线电频谱的带宽。如果您想了解更多此类网络的技术细节，请查看我的美国专利 6,650,451。

图 1：使用自由空间光网络技术的具有重叠扇区的设备。（来源：作者）

如果我们想要更高的性能和容量怎么办？我们可以删除电流计的移动部件，这会降低系统速度，并可能导致可靠性问题，并将多个发射/接收波束收发器构建到一个紧凑的体积中。设想一种外观类似于具有数百个双向光束的大型高尔夫球的设备，每个凹坑中都会出现一个光束。只要远程设备进入它们的视角，这些收发器的一个子集就会被激活。固定地面站和移动端点都将拥有这些收发器，从而创建一个网状网络。随着收发器的移动，将切换到相邻波束。该技术非常适合连接大群无人机、工厂中的物联网设备以及类似应用。我的美国专利 9,350,448 有更多关于这种系统操作的细节，

结论

总之，Li-Fi 和其他自由空间光学技术为高性能网络提供了很多希望。它们不使用稀缺且昂贵的无线电频谱并提供高容量。此外，这些技术比基于无线电的网络技术更安全、更不受干扰。

关键点：

Wi-Fi 和蜂窝等无线电网络技术的容量受到可用无线电频谱的限制。

通过从无线电转向 Li-Fi 等基于光的技术来传输消息、容量、安全性和干扰，可以提高免疫力。

使用偏转或多波束端点的定向光网络可以提供更好的容量和安全性。

审核编辑：汤梓红