互动科普

无线光网告别隔墙有耳

撰文  穆赫辛·卡韦赫拉德（Mohsen kavehrad）

翻译  郭凯声

不论是谁，也不论他使用哪一种设备，都可以在任何时候、任何地方借助无线手段传送数据——这种全面互联理念，正是长久以来众多电子工程师梦寐以求的目标。科技已经取得了令人瞩目的进展：如今全球拥有手机的人数已经突破20亿；通过笔记本电脑、掌上电脑或其他数码设备，利用Wi-Fi技术收发讯息和文件的人也有数亿之多。（Wi-Fi即无线保真技术，是一种基于无线电波的无线局域网络技术，这些无线局域网点被称为“热点”。）

越来越多的Wi-Fi用户体验到了在室内任何地方都能上网的方便快捷。与此同时，厂商们也忙于把无线通信功能塞进通常固定不动的设备中，让消费者能够从远处使用和操控它们。这些Wi-Fi用户在摆脱了固定连接电缆束缚的同时，也越来越希望能够享受宽带上网服务（现在大部分人还不得不依赖网线来获得宽带服务）。但是现有的无线网络技术还不尽如人意：由于指定频率范围内可用的无线带宽有限，Wi-Fi网的传输速度和频道容量均感不足，从而影响了各种网络多媒体服务的无线上网速度，包括浏览网页、视频会议和电视电影点播等。即使是WiMAX这种速度更快的新型广域无线系统，也不太适用于建筑物内部的无线宽带通信，因为它们只能供狭小空间内的少数几位用户使用，更重要的是，这类系统无法保证通信的安全可靠。

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。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：聚焦光束所覆盖的通信区域（称为单元，即基本服务区域）是不受干扰的，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。

光波搭桥传数据

你或许已经听说过“最后一公里”问题，它指的是把宽带服务从全国的高速数据通信骨干网接入终端用户时遇到的困境：尽管这只是整个通信路径中的最后一小段，但费用之高却令人咋舌。与此类似，无线光网技术要对付的是“最后几公尺”的问题，也就是如何把宽带数据流从硬布线的信息骨干网终端传送到室内的无线设备上。

早在20世纪80年代初，研究人员就提出了室内无线光网络的构想，IBM公司苏黎士研究实验室的工程师设计了第一套实用的无线光网络系统。不过当时互联网问世不久，对无线宽带通信的需求尚未提上日程，这项技术在随后十来年的时间里一直无人问津。不过，随着近年来互联网令人瞠目的强劲增长，一切都改变了。

工程师们把使用红外和白光发光二极管（LED）的无线局域网称为“光”通讯系统，因为在这类系统中，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。人眼无法直接看到红外线，不过如果受到高强度红外线的照射，我们会觉得热气逼人。

直接把发射设备对准接收设备时，光学连接的效果最好——用过电视遥控器的人一定对此深有体会。但是要在整个办公场所，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（见右页文字框）。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。

红外无线更方便

为了解决回声问题，我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（而不是一条）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（参见第42页文字框）。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，传输速率可达每秒1GB，比DSL调制解调器快了上百倍，而传输出错率则几乎为零。有了这样一套系统，室内无线宽带上网就不再是令人头痛的难题了。

我们用一种所谓的“光束成型器”（beam former）把经过编码的红外信号发送出去，来创建红外光束网。光束成型器是一种特殊的全息滤镜，可以让多条光束沿着指定的方向分散开来。为了制作这种全息滤镜，我们要把一幅网格图像从两个方向照射到一块廉价的光敏塑料板上。为此，我们用一面半反射镜把含有网络图像的光束分成两条，再通过若干光束导向镜使两条光束汇合。这套装置把同一幅网格图像以不同角度照射在光敏塑料板上，产生出一幅三维立体影像。当红外无线发射装置发出的编码光束穿过全息滤镜时，就会变出许多和原始编码光束一模一样的光束，构成一个三维光束网。

红外无线局域网所采用的光束网具体布局取决于房间的格局。不同的区域可以按照需要，用不同形状的光束网来照射，比如扇形、长方形、同心环形等。以普通照明为例，像工厂和办公室这种普通场所一般需要均匀照明，而美术馆之类的地方通常就要把光线集中在绘画和雕塑作品上。同样的道理，无线光网也可以进行优化调整，使光束集中在宽带用户较多的区域，而在用户较少的地方则可以少布置一些光束。

室内红外无线接收装置配有一个“蝇眼式”全息滤镜，可以帮助收集各个数码通信设备发送的“回复”光束。这片滤镜可以将来自多个方向的信号分别引导到不同的光探测器上，还能将各光束的能量汇聚起来提高接收性能。

照明灯=无线网

上面提到的这些红外无线网络系统，未来极有可能被基于白光LED的无线局域网取代，因为白光LED能提供更大的带宽。此外，越来越多的人认为，LED技术将取代传统的照明手段，与此同时，它还能让我们享受到额外的带宽。

白光LED兼具两种传统照明灯的长处：既承袭了荧光灯耗电少、寿命长的优点，发出的光又像白炽灯一样柔和。专家预测，几年之内，白光LED就可以大规模生产；借助传统的集成电路制造工艺，它们的生产成本将大大降低，完全能够取代目前最受欢迎的节能荧光灯。然而，目前还没有多少人意识到，这种可以廉价高效地照亮房间和其他室内场所的白光LED技术，同时也能为室内所有配备了相应接收装置的数码设备提供无线宽带接入。只要打开一盏白光LED照明灯，无线设备就可以利用照亮房间的白光，接收宽带网传送的各种数据。

与现有的其他照明光源不同，LED很容易被改造成可见光无线通信发射装置。这一构想最早是日本庆应义塾大学（keio university）的一个研究小组在几年前提出的。LED的开关响应速度极快（可以把它想象为闪烁频率达到数百万赫兹的高技术信号灯），因此能够对可见光进行调制以编码无线通信。我的研究小组经过初步实验后发现，市面上已经有售的一种白光LED元件经过调制后，能够以高达1亿赫兹的频率发送信号。这种高频闪烁的速度太快，肉眼根本无法察觉。

与Wi-Fi乃至红外无线网络相比，用于室内无线通信的白光LED具有一系列的优势。由于白光LED有望成为未来的室内照明光源，因此安装一套基于白光LED的无线网络，可能比安装其他无线网络更加方便快捷。此外，室内日常物品挡住点对点信号传输路线而造成的信号衰减（即所谓的阴影效应）也可大大减轻，因为照明灯的架设位置通常会让光最大程度地照亮室内各处。天花板是个相当不错的安装位置，这将大大减小光束被挡住的可能性。与其他所有用光波来通信的系统一样，白光LED技术也不会受到其他颜色光信号的干扰，而且可以提供极高的通信带宽。

就算白光LED照明灯关闭之后，室内的用户仍然可以继续使用笔记本电脑等设备连入无线网络。因为即使一片漆黑，电源提供的微弱电流仍然能让LED发射足够多的光子，以维持无线通信。另一种方案则是，在设计白光LED照明系统时，就把能够发射不可见光线的廉价光源加入其中，让它们在照明灯关掉之后承担无线通信任务。

要想开发出白光LED无线局域网技术，研究人员还须解决目前仍然存在的若干问题。关键是要设计出无线网络中的上行信号系统，这样各种无线设备才能通过白光LED与宽带骨干网取得联系。工程师可以在无线设备上配备一个能够发出不同波长的不可见光线的发射器，将经过编码的光束发送给安装了小型光电二极管接收器的白光LED灯。当然，这套系统也可以用同一波长的可见光发送下行和上行信号，这就需要用到LED灯以极高频率闪烁的特性了。LED灯看起来像是连续发光，实际上却在高速闪烁。在每个闪烁周期的绝大多数时间里，LED都在发光，但在各个周期之间却有一段极短的熄灭时间。无线设备就可以趁LED灯短暂熄灭时，将传回的信号发送给LED灯上的接收装置。工程师们称这种方案为“分时”技术。不论最终会采用哪种方案，这些额外的装置都会增加系统总成本。

从窗外照进室内的自然光和其他人造光也可能会对无线光网造成负面影响，工程师在开发白光LED系统时，必须把这类未经仔细研究的效应考虑进去。工程师们要进行更多的模拟和实验，确定室内照明和通信之间的最佳关系，才能制定出切实可行的设计方案。研究人员还必须找到既支持照明功能，也支持通信功能，还能对可见光进行高效编码、解码、调制及分集合并的方法。

与电力线宽带的完美结合

不论是红外LED还是白光LED无线网络技术，都可以从一项大有希望的新兴技术——电力线宽带技术（broadband over power line，缩写为BoPL）中获得莫大的好处。这项技术通过连接千家万户的中低压电网来高速传送数据。美国俄亥俄州、得克萨斯州和其他一些地方电力公司已经开通了电力线宽带业务，资费与DSL上网费用相当。在欧洲和亚洲，西班牙、瑞典、挪威、荷兰、韩国和日本等国也开通了电力线宽带服务。这些国家的电网结构更适应现有的电力线宽带技术。（电力线上网在中国仍处于小规模试点阶段。）用户只须把一个小巧而便宜的适配器插入电源插座，便可利用电力线宽带架设室内无线光网了。这种适配器可以通过内嵌的红外发射装置，把数据传送给室内任何一台配备了光接收器的数码设备。而在使用白光LED灯照明的建筑物内，连适配器都不需要，就可以实现无线网络通信了。

我的研究小组证明，一套用于照明和高速无线数据通信的白光LED系统，如果与电力线宽带技术双剑合璧，就可以实现高达每秒1GB的数据传输速度，大大超过传统的DSL（每秒2MB到4MB）和有线电视电缆宽带（平均每秒50MB）。无线光网的最大传输速率仅受房间大小和形状的影响，因为这些因素会产生光程差（光程差是指，光信号沿着不同的路径传送到接收装置，抵达的时间会先后不一），导致同一信息被多次接收，如果不采取恰当的控制措施，就会产生信号畸变。不过，只要工程师设计一套合适的通信系统，就可以减轻这种畸变，将它降低到可以接受的范围，甚至还能化消极为积极，利用多次接收现象来改进宽带服务的质量。

无论是使用红外线还是可见光，家用无线数码设备很快就会通过崭新的手段，方便地接入无线宽带，在自由的网络世界中驰骋。无线光网技术已经相当完善，足以为我们建起一座桥梁，帮助数字上网服务跨越最后几公尺的障碍，深入到我们日常生活及工作的每一个角落。