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用光上網,LiFi為智慧城市提供新的可能

“嗨,不好意思,你擋住我的信號了。”如果有一天用LED燈發射的燈光連接無線網得以普及,這可能就會成為你生活中的口頭禪。

這種用燈光來連接無線網的技術叫做LiFi(Light Fidelity),全稱“可見光無線通信”,是可見光通信技術的一種。LiFi實際上是通過在燈具上植入一個微小的芯片,形成無線訪問接入點(類似於WiFi熱點),靠LED燈發出肉眼看不到的高速明暗閃爍的信號來傳輸信息,電子設備可以直接接入互聯網。

在LiFi時代,你可以在街頭,利用路燈下載電影;在家里,打開臺燈下載歌曲;即便是在水下,只要有燈光照射就可以上網。這聽起來很神奇,但已經有了第一個商業應用項目。

近日,法國房地產投資公司Icade在其位於巴黎拉德芳斯的智慧辦公室中率先嘗試使用飛利浦照明[現已更名為“昕諾飛(Signify)”,下稱“昕諾飛”] LiFi技術布局整個辦公室。在Icade智慧辦公室里,燈光不僅可以隨著一天之內自然光的強弱自我調節,而且還可以發射網絡信號。員工們在任意燈光下都可以連接這束燈光所發射出來的無線網信號。

LiFi解決無線頻譜緊張難題

“可見光通信技術綠色低碳、可實現近乎零耗能通信,還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點,快速構建抗幹擾、抗截獲的安全信息空間。”中國電信總師室主任傅誌仁告訴第一財經記者。

由於LiFi具有數據密度高、廉價和安全等諸多優點,一度被各國專家認為是未來移動互聯網發展的趨勢,並被認為是取代WiFi的有力競爭者。據傅誌仁介紹,LiFi在傳播速率、頻譜帶寬、安全性等方面都有優勢。

最重要的是,LiFi的出現解決了無線頻譜緊張的問題。傅誌仁說,WiFi利用的無線電頻譜資源是有限的,而LiFi利用的是光譜,其帶寬是無線電頻譜的10000倍。改變無線頻譜資源緊張的狀況也是研發LiFi的初衷。

“目前,全世界約一半的網絡傳輸量由WiFi承擔,由於上網人數還在不斷增多,這個百分比將會繼續上漲,屆時,很多專家擔心的‘頻譜危機’也會隨之而來,速度不斷減慢。” 傅誌仁告訴第一財經記者,“在未來十年內,信息的傳輸量將超出現有無線電頻譜的承載能力,LiFi不只是一種無線通信技術,更有望激活帶寬達到300THz的可見光譜頻譜資源,是破解傳統無線電頻譜資源嚴重匱乏困局的新途徑。”

使用WiFi時的網速一般可以達到54~250Mbit/s,而LiFi在理論研究上速率可以達到1~3.5Gbit/s。我國工業和信息化部也在2015年11月13日測試認證,中國可見光通信實時通信速率提高至50Gbp/s,相當於0.2秒即可完成一部高清電影的下載。

但傅誌仁告訴第一財經記者,如此高的速度是在距離極其短的情況下測得的,由於可見光信號在傳播介質中極易迅速衰減,所以一般情況下,“在小於3米的情況下,可以實現100 Mbit/s的傳輸。”

據法國Icade項目中的LiFi負責方——昕諾飛相關負責人介紹,在Icade項目中,光線信號通過連接在筆記本或平板電腦上的USB LiFi網卡捕捉,隨後USB LiFi網卡將信號通過紅外連接回傳給燈具。LiFi可實現每秒30 Mbit/s的高速寬帶連接,用戶可以在傳輸多部流媒體高清影片的同時進行視頻電話。

德國法蘭克福Light+Building展覽現場

昕諾飛中國區照明設計和應用部總經理姚夢明對第一財經記者表示,LiFi會在燈具上設置調制解調器,把燈光調制成今天可被認可的光的波動信號,再下傳到增加了LiFi網卡的電腦上,然後由網卡再把信號通過紅外回傳到燈具上,從而產生循環,進而生成雙向通信。在他看來,LiFi網卡未來一定會集成在電腦或者手機上。

LiFi除了速度快,在安全性方面也有比WiFi更好的表現。由於可見光通信必須在LED光源開啟時才能傳輸,只要光線透不出去,就能形成封閉式通信網絡,其安全等級較其他無線傳輸技術更高。“由於可見光只能沿直線傳播,且其上行和下行信道是獨立運行的,黑客必須處在同一個房間中,並同時侵入兩個信道才能完成一次真正意義上的攻擊。因此,要想在光線傳播線路之外進行信號竊取和幹擾非常困難。”傅誌仁告訴第一財經記者,“LiFi的安全性還表現在LiFi技術不依靠無線電波,不會產生電磁幹擾,沒有輻射,並且對人體無傷害。”

因此,LiFi可用於飛機、醫院等對無線電信號較為敏感的地區,還有WiFi信號無法覆蓋的地下和水下環境或偏遠地區,也適用於對安全性有較高要求的金融機構或政府部門。

傅誌仁認為,LiFi只有通過逐步示範應用,找到殺手級應用作為突破口,才能在寬帶無線應用市場找到一席之地。

LED燈的普及創造了LiFi的可能性

雖然LiFi的未來聽起來很美好,但並不是說LiFi可以完全替代WiFi,原因在於LiFi利用的是可見光。“LiFi要確保照明設備在有效範圍內,也要保證光線不被遮擋,一旦光線被遮擋,LiFi信號就會減弱甚至中斷。”傅誌仁說,“因為燈光可能被遮擋,我們以後在使用LiFi的過程中就可能會經常說‘請讓一下,你擋著我的信號了’。”

中國通信業知名觀察家項立剛告訴第一財經記者:“LiFi是靠光來傳播的,必須要讓可見光照射到這樣的一個設備上才能傳播,而且光不能繞射,一旦被遮擋信號就會變弱。另外,LED的燈光也可能會受到窗口射進來的光的影響,這都會造成LiFi的不穩定性。”

同時,LiFi技術對所使用的LED燈光有很高要求。LED燈里需要加裝用於接收信號的光探測器。“LiFi大規模應用的一個主要瓶頸就在於發射光源的LED燈。”傅誌仁說,“LED燈充分考慮閃爍和調光問題。”

光通信技術奠基人、電報發明者貝爾早在上個世紀就曾設想將可見光作為媒介實現通信。不過,由於當時燈光技術條件的限制,該技術不能得以實施。近年來LED燈具的普及讓LiFi有了可行性。因為LED燈有高調制速率,在人眼感覺不到光的閃爍的情況下,就可以把數據傳輸到5米以外。

根據國際權威機構預測,2018年可見光通信的市場將會達到約60億美元,未來的應用可能達到萬億規模。可見光通信不僅僅是具有萬億產值的戰略新興產業,更是涉及LED照明、物聯網和通信領域交叉融合的新技術。

昕諾飛全球專業照明事業部負責人Harsh Chitale表示:“如果想要實現從光源到後臺網絡的傳輸,就需要跟許多企業合作,其中包括電信基礎設施企業,昕諾飛與思科的合作就是這樣的例子。我們的光源是連接到以太網供電(PoE)網絡的,因此,我們需要通過與其他網絡電信企業合作來實現完整的解決方案。”

項立剛也對第一財經記者表示,盡管LiFi前景看好,但目前大部分產品還依舊停留在實驗室階段,產業化之路仍舊漫長。比如需要把專業的芯片集成到手機和電腦里,這樣才有可能推廣,並且需要制定統一的技術標準。

各領域合作突破科技壁壘

項立剛表示:“要實現LiFi不僅需要在LED燈里內置一個路由器,用來接收和傳遞信息,還需要在終端設備里內置一個芯片,用於接收和轉化信號,這就需要電信運營商、手機制造商的共同參與,只有這樣才能實現LiFi的商業化應用。”

由於LiFi主要的應用集中在控制、通信、定位三個方面,把通信與照明結合在一起,以更低的能耗和更低的成本,提供照明及具有安全性、可靠性的寬帶數據接入。因此,中興、華為等大型的通信公司也一直致力於這項技術的研究。

傅誌仁認為LiFi技術的第二個瓶頸是芯片的研發,“無論是LED燈的信號控制還是信號接收後的實時處理,都需要專用的集成芯片,目前這方面的研究還很薄弱。”

“LiFi技術涉及通信、照明、電力等許多行業領域,涉及產業鏈綿長。目前LiFi的產業鏈尚未成型,缺少協同。產業鏈以研究機構為主導,LED廠商積極參與,但產業鏈缺少終端廠商、芯片廠商的支持。現階段研究機構和企業研發出的LiFi系統多為原型機,使用自行設計的電路進行信號處理,設備體積龐大。通信設備的小型化和低能耗需要設計專用集成電路來實現。如果大規模普及LiFi技術,將通信網絡接入每個燈泡,工程量巨大,必須通過一系列的產業化發展。”傅誌仁告訴第一財經記者。

如今,可見光通信已成為美國、日本和歐洲等國家在國際通信研究領域的必爭之地。

在美國,以谷歌為代表的科技巨擘,以及波士頓大學ERC中心、加州大學UC-Light中心、賓州州立大學COWA中心等科研機構,正加緊開展可見光通信標準協議及相關系統的研發工作,並啟動了搶占相關市場的機制及策略研究。歐洲各國也在加強可見光通信方面的工作,主要由歐洲的20多家大學、科研單位和企業組成的OMEGA計劃來推進。

我國從2011年開始,從國家層面部署可見光通信技術相關研究,最初由解放軍信息工程大學於宏毅研發團隊采用光學和電學相協同的處理方法,突破了可見光空間通道互幹擾高效抑制等關鍵技術,進入集成化、微型化設計與實現階段。科技部於2013年上半年啟動了中國第一個可見光通信相關國家高技術研究發展計劃(國家863計劃)和國家重點基礎研究發展計劃(國家 973 計劃)項目的研究工作。國內多個大學和科研機構都在開展可見光通信研究,例如中國科技大學教授徐正元、複旦大學教授遲楠和北京大學教授李紅濱等人帶領的團隊。

2016年2月,中國電子技術標準化研究院和全國信息技術標準化技術委員會編制發布了《可見光通信標準化白皮書》,對國內可見光通信產業化現狀進行了深入分析,並就可見光通信技術、應用、芯片、標準化等方面提出了針對性的建議和意見。

LED光源生產商成為新的行業攪局者

穩定的LED光源是LiFi技術得以實現的重要條件。因此,LiFi市場不再是傳統電信公司競爭的蛋糕,世界各大LED生產公司也加入了這場角逐,希望分得LiFi市場的一杯羹。

項立剛認為,因為LED廠商本身就是做光線的,如果能夠在光線上加載通信能力,會使燈光變得有價值。今天的科研也應該走出高校,進入企業生產,實現產品化才有意義。

從全球來看,眾多LED照明供應商紛紛加入了這場競爭。昕諾飛已把智能互聯照明作為公司的重大戰略之一,目前正在有意識地減少傳統照明在公司的占比,加大面向未來的科研投入。該公司今年3月19日在德國法蘭克福宣布利用可見光波提供寬帶互聯網連接,是首家推出加載可見光通信功能辦公燈具產品的全球性照明企業。

昕諾飛照明全球首席執行官洪岸禮(Eric Rondolat)告訴第一財經記者:“我們正在把大量創新資源投入傳感器、基於雲服務的控制平臺、智能互聯照明、室內定位技術和個性化家居照明系統等領域。2017年,我們計劃把4.8%的營業額投入研發。”

國內目前有LiFi題材的上市公司包括三安光電、中興通訊、鴻利光電、飛樂音響以及勤上光電等等。勤上光電作為國內第一家涉足LiFi光通信的LED上市公司,與清華大學、中科院等合作,以LiFi為載體實現LED燈具的遠程數據傳輸和無線傳輸功能,布局智慧照明、智慧城市等方面;三安光電也在2015年7月與上海航天電子通訊設備研究所進行合作,共同開發並推廣室內外LED智能照明通信(LiFi)產品,進軍智慧照明領域。

LiFi在智慧城市中的空間

實際上,可見光通信技術的4類應用包括局域網通信(VLAN)、定位增強信息廣播、高分辨力定位(自動定位)以及中等分辨力定位(室內導航)。LiFi上網利用的是LiFi雙向傳輸,可以說是LiFi技術應用的終極目標。但在實現這個終極目標之前,LiFi在智慧城市建設中還可以大展拳腳。

“未來的LiFi可以被用於路燈,作為智能城市應用的接入點;家用電器的指示燈可以通過天花板燈將這些設備連接到互聯網;帶有集成LED燈的可穿戴式設備可以監控健康參數並將數據發送到互聯網。”傅誌仁說。

LiFi在室內有精準定位的功能,包括協助視覺障礙人群的室內導航、進行超市人流統計以及精確位置測量等,其定位效果已達到1毫米的“零誤差”。以超市為例,顧客可以在商城或購物中心的指示牌通過手機等得到相關信息,超市可以用購物車對客戶行為進行調查以及方便客戶付款。

歐洲和日韓的LED生產商都在推進LED 可見光通信在智慧城市中的應用。昕諾飛已經在迪拜的Aswaaq和阿姆斯特丹的萬得城MediaMarkt旗艦店推出“購物導航”應用程序,依托LED室內定位系統,幫助顧客借助智能手機快速定位商品位置並提供引導服務。

在Aswaaq,單點的光通過可見光通信技術將位置信息發射出去,讓顧客能夠用手機獲取定位服務。據了解,在采取這項服務後,Aswaaq照明能耗降低了50%,也能幫助商家管理貨品陳列,並幫助顧客找到商品。

姚夢明解釋說:“可見光通信是用手機的攝像頭去捕捉燈光的波動,然後用燈光波動作為信號來捕捉到燈具在哪里,再發送信號給燈具,這是可見光編碼的技術。所以它的通信是利用燈具發出的光和手機攝像頭之間產生的關聯。”

在智能交通方面,傅誌仁表示,智能交通網意味著通過交通燈與汽車燈之間進行信息交互,它可以對汽車進行精確定位,也可為今後無人駕駛汽車奠定基礎;智能路牌可以建立在門牌與手機之間,通過手機與各個路牌指示燈得到自己精確的位置,也可以為路人盡快找到目的地以及為迷路的人找到回家的指示,特別是對一些盲人、小孩、老人提供幫助。

目前,智能交通燈已經有一些落地應用項目,比如昕諾飛就和美國鐵塔公司合作,在美國啟動了智能燈桿項目。加利福尼亞州的亨廷頓海灘作為首個試點城市,將率先部署200套智能燈桿。

智能燈桿是在一個燈桿上集成了高品質節能LED路燈和可以同時接入不同移動運營商的信號傳輸功能,可用於快速道路、街道、停車場,還可為偏遠地區增強移動信號覆蓋,提供節能效果達50%的LED照明。

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