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藏在灯光中的“摩尔斯密码”:可见光通信

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-03-12 09:43   来源:解放军报  浏览次数:1331
  可见光,作为生命最初的色彩,在其见证下,人类慢慢从愚昧走向开化,从野蛮走向文明。然而,随着科学技术的进步,人们惊奇地发现,可见光不仅可以照亮世界,而且还可以在一种颠覆传统观念的新技术支持下,实现通联整个世界的梦想。这种利用可见光来传输信息和数据的新技术就是可见光通信,又称“Li-Fi”。
 
  畅想未来,可见光通信网络或许是这样的:在路灯下,借助LED光源就能在线阅读、下载电影;在飞机、高铁、医院等场所,只需借助座椅上的阅读灯,你就可以上网,甚至能看高清视频;在无线电波传播受限的特殊环境中,比如水下、水面舰艇或潜艇内部,我们也能借助定制的可见光通信设备实现通信畅通。可以预见,可见光通信有着广泛的应用前景,它的神秘面纱正在被逐渐揭开。
 
  无线尖兵“青出于蓝”
 
  从传播特性看,可见光通信仍属于无线通信的一种,只不过信息的传输载体不是传统的无线电波(频率范围3赫兹~3000吉赫兹),而是频率高达384~769太赫兹的可见光波。它是一种利用可见光波谱作为载体来传输数据的全新无线传输技术,通过给LED灯泡装上微芯片,可控制其每秒数百万次闪烁,其中灯亮代表“1”,灯灭代表“0”,二进制的数据被快速编码成灯光信号并进行有效传输。
 
  而灯光下的手机、平板电脑等各类终端设备,通过集成特制的光敏传感器,就能读懂蕴藏在灯光中的“摩尔斯密码”,从而达成高速信息传输的目的。由此看来,与无线电波通信这位“老大哥”相比,可见光通信在基本原理上虽无特别不同,却有着“青出于蓝”的特殊优势。
 
  传输带宽更大。当前,传统的无线电波通信正面临“频谱短缺”的窘境,10~60吉赫兹的可用频谱,抢占优先使用权的趋势更加明显。而可见光通信频谱宽度比现有无线电波可用带宽高4个数量级,完全不用担心频谱不够用的问题。
 
  组网运用更活。传统的无线电波通信组网比较复杂,既需要安装大量辐射射频信号的信息基础设施和终端设备,又极易产生电磁兼容和相互干扰问题。而可见光通信无需建立基站,也无需频段许可授权,只需在LED灯泡中加装芯片,便可使其具有“通信基站”“无线路由器”“GPS卫星导航”等功能,从而实现有灯光的地方就有网络信号,真正实现“末端直通”“泛在互联”。这对于机舱内部、水面舰艇、潜艇、地下坑道等电波传播受限的环境,可极大弥补电磁覆盖的不足,并有效避免电磁兼容和相互干扰问题。
 
  保密性能更好。由于可见光通信必须在LED光源开启时才能传输,灯光关闭时通信功能便会失效,因此只需加装遮光设备使光线透不出去,就能形成封闭式通信网络,其安全等级较其他无线传输技术更高。此外,由于可见光只能沿直线传播,且其上行和下行信道是独立运行的,黑客必须处在同一个房间之中,并同时侵入两个信道才能完成一次真正意义上的攻击,要想在光线传播线路之外进行信号窃取和干扰非常困难。
 
  国际竞争日趋激烈
 
  日本最先启动了可见光通信的相关研究。早在2000年,中川研究室就提出利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的室内通信系统试验。2014年,日本TAKAYA公司研发的汽车间可见光通信系统,速率达到每秒10兆比特;同年5月,日本东洋电机研发的水下可见光高速通信装置,峰值突破每秒50兆比特。
 
  欧洲各国也不甘落后,其在可见光通信方面的工作,主要由欧洲的20多家大学、科研单位和企业组成的OMEGA计划来推进。2015年11月,爱沙尼亚Velmenni公司演示了一种原型灯泡,在实验室条件下其峰值数据传输速率达到每秒224吉比特。
 
  美国作为世界头号科技强国,正力图谋求全球可见光通信技术及市场的主导权。以谷歌为代表的科技巨擘,以及波士顿大学ERC中心、加州大学UC-Light中心、宾州州立大学COWA中心等科研机构,正加紧开展可见光通信标准协议及相关系统的研发工作,并启动了抢占相关市场的机制及策略研究。
 
  可见光通信的愿景虽然美好,但仍需突破一系列技术瓶颈,才有望大规模推广应用。比如,如何将可见光带宽潜力转化为宽带能力,目前囿于白光LED有限的调制带宽,亟待进一步的技术突破。又比如,无论LED灯的信号控制还是信号接收后的实时处理,都需要专用的集成芯片,目前这方面研究还很薄弱。再比如,可见光信号的波长很短,在传播介质中极易迅速衰减,直接导致其通信距离受限,要实现远距离高速传输难度不小。
 
  对此,世界各国纷纷开展可见光通信的关键技术攻关,力争在这块蛋糕的切分上抢占先机。
 
  未来战场大有可为
 
  未来战场上,要满足与日俱增的军事领域无线通信需求可不容易:传输容量大、组网灵活、电磁兼容性好、保密要求高……使得传统的无线电波通信面临严峻挑战。而可见光通信所具有的特殊优势,使其不仅可与无线电波通信综合运用、相得益彰,更有望在通信以外领域大展身手。
 
  “上天”“入地”“下海”的通信能手。在飞机、地下坑道、水面舰艇、潜艇等特殊场所内部通信中,为防止射频信号干扰,往往对无线电设备使用提出严格限制。1982年英阿马岛战争中,英“谢菲尔德”号就是因为舰载无线通信系统与舰载预警雷达之间难以兼容共用,从而使舰载雷达不能及时开机并发现来袭的“飞鱼”导弹,直接导致了舰毁人亡的灾难性后果。而有了可见光通信之后,只需在上述特殊场所加装中央控制器和一系列LED光源,就能在达成通信的同时有效规避电磁干扰,从而为作战平台内部实现快速通信、对潜通信、水下特种作战通信等提供高效安全的通信手段。
 
  高精度导航定位的“专家”。可见光通信中央控制器是通过将导航信息传送给LED信息节点,再以可见光为载体传到光照范围之内的武器平台终端,该终端使用内嵌的光敏探测器就可以获取最及时的动态战场环境、最优路线和坐标位置等导航定位信息。有关研究表明,综合采取战场LED信息节点网络科学布局、算法设计和信号处理优化等措施,就能使可见光导航定位精度达到厘米级。
 
  目标识别与战场防误伤的利器。通过为己方各类武器平台加装LED灯光识别设备,平台与平台、平台与LED信息节点之间就能依托特定的信号编码开展实时通信与身份识别,武器平台通过对接收的LED灯光信号闪烁规律进行识读,就能有效判定此信号的敌我属性,从而及时作出有效应对措施,最大程度确保自身安全。
 
  (来源:解放军报 作者:周正 陈枫)
 
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