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光学无线数据传输技术:WI-FI的终结者

导读: 长久以来,电子工程专家一直梦想“始终在线”的连接方式,他们希望用无线方式让处于地球任何角落的任何人始终保持连接状态。实际上,人类朝着这个目标已经迈出了一大步:全世界有超过20亿的人已经拥有了手提电话,而通过WI-FI这种无线通信协议,每天有数以百万计的手提电脑、手持设备和其他数字设备可以彼此接收和发

 长久以来,电子工程专家一直梦想“始终在线”的连接方式,他们希望用无线方式让处于地球任何角落的任何人始终保持连接状态。实际上,人类朝着这个目标已经迈出了一大步:全世界有超过20亿的人已经拥有了手提电话,而通过WI-FI这种无线通信协议,每天有数以百万计的手提电脑、手持设备和其他数字设备可以彼此接收和发送信息。
  
    越来越多的WI-FI用户感到自己对WI-FI技术开始变得越来越依赖,因为无线通信带来的方便感实在是太美妙了;更多的生产厂家开始在传统固定电子设备上加装WI-FI无线通信装置,使这些设备可以进行远程操控;与此同时,还有越来越多的人正在加入到使用WI-FI的大军中,他们逐渐把以前使用的固定线宽带连接方式更换成无线连接方式。

  随着WI-FI用户的迅猛增加,WI-FI技术的局限性也变得日趋突出。WI-FI技术使用无线电传输协议,在设计的频率范围内,无线电带宽的可用性是有限的,随着用户的增加,无线电传输速度会明显下降,基于网络的多媒体服务,例如网上冲浪和视频会议等的传输质量会大打折扣,而网络电影和电视节目的点播更是“惨不忍睹”。尽管专家正在研究更高速度、更高带宽的新型无线电系统,如研究中的WIMAX无线通讯协议,但这些也不适合建筑物内的无线宽带通讯的需要,因为这种系统在一个有限的空间内只能容纳有限的用户,同时这种系统还有一个更致命的弱点,就是系统的安全性容易受到攻击。

  为了解决无线电传输技术的瓶颈,科学家想到了另一项富有吸引力的技术,这就是光学无线传输技术。顾名思义,光学无线传输技术就是用光束(含可见光和非可见光)来传输所需的数据。光学无线传输技术并不神秘,我们通常所使用的电视遥控器就是使用光学无线传输的例子,一般电视遥控器使用非可见光进行传输。应用光学无线传输技术可以将无线数字设备与房间里的“数据坞”连接起来,而数据坞又和建筑物高速宽带数据网络连接起来,这样无线数字设备就可以实现高速网络冲浪了。和无线电传输不同,光学无线传输对多用户几乎提供了无限的带宽服务,也就是不因用户的增加而造成网络的拥堵,这对于日益增长的无线用户来说无异于是一个福音,光学无线传输技术还有一个非常棒的优点,由于光线无法穿透墙壁,因此安全性接近完美。光学传输技术特别适合大型商业场所,如工厂的车间和商业办公楼,其特点是在狭窄的空间范围内需要大量的无线连接服务。

  解剖光学传输技术

  早在上个世纪80年代,科学家就开始研究户内光学通讯技术,IBM苏黎世实验室的工程师还建造了世界上第一个工作模型,但这项研究只维持了10年左右的时间就销声匿迹了,其中最主要的原因就是因为当时的互联网刚刚处于起步阶段,而无线宽带系统当时还根本不存在,所以这项技术的研究在当时无法继续下去就不足为怪了。近年来随着网络以惊人的速度在增长,这项技术又重新开始受到人们的密切关注。

  专家们将红外线和白色发光二极管无线局域网称为“光学”系统,是因为所需的数据是通过可见光或非可见光来传输的,这种系统不同于传统的无线电局域网通过比光波更长的无线电波来传输。目前普遍应用的光学无线系统使用低密度的红外光束,这些波段比可见光线长,但比无线电波短。目前的光学系统所使用的红外光束通常人们的感官感觉不到,如果红外线的光束密度加大,我们就会感觉到红外线发出的热量。

  光学无线系统最佳的操作模式类似于电视遥控器的操作模式,需要将遥控器对准电视的接收器,也就是点对点的连接方式,然而当整个房间使用光学无线连接模式时,或者整个机场或酒吧需要无线宽带连接时,这种点对点的连接方式在实际中显然无法应用。为了让整个房间都能够实现光学无线连接,这种系统就需要将含有数据的光线充满整个房间,经过数据处理的光线能够通过各种表面进行反射,包括墙面、桌面、甚至人的脸部。这种反射可以把光线散射到屋里的各个角落,因此接收器可以不用指向任何特定位置。尽管这种系统已经开始得到应用,但这种方式所使用的接收器比较复杂,因为光线的反射和折射会对原始信号进行衰减,会产生类似“回声”的效应,接受器必须对光线信号进行反复比较,以确定信号的准确性,“回声效应”常常导致信号的损失,大大降低系统信号的传输速度。

  实用性的光学传输系统

  为了消除“回声效应”,宾夕法尼亚州立大学的科学家开发了一种新型的光学无线系统,这种光学无线系统将含有相同数字内容的铅笔粗细的光波组成矩阵,让这些“矩阵光”充满整个房间内部,就可以消除“回声效应”。这种低能量的光束,每一束都含有相同的内容,每一束都可以将数据坞与移动设备的接收器连接起来,这样的一种设计就允许用户在房间自由移动,无论在房间的哪个位置都可以和数据坞连接,当接收器失去旧的光束信号时,立刻就有新的光束信号出现,接受器还可以同时对含有相同数据信号的光束进行即时比对,以确定最佳信号束和减少数据丢失的机会。这种铅笔粗细的光束允许进行高速数据传输,速度可以达到每秒10亿比特以上,这个数字是目前DSL技术的几百倍,而且数据在传输时错误发生的概率更小,这种系统使户内无线宽带连接变得更加轻而易举。

  为了获得矩阵光,科学家创造了一种“全息过滤器”。“全息过滤器”含有多个方向的光学反射系统,当光线通过这个特殊的光线处理系统时,含有数据的光线就被“分割”成各个方向的含有相同数据的三维光束。由于房间的布局不同,矩阵光需要进行一些适当的调整,以适应不同房间的需要,有一条需要注意的是,光学无线系统的安装需要优化,使用人群比较集中的部位应当优先考虑。

  白色光无线光学系统

  基于红外线的非可见光无线光学系统在某种程度上可能被白色LED(发光二极管)光源所取代,这种白色光源有更高的带宽和其他系统不可比拟的优点。LED光源技术越来越被大多数人所接受,认为这将是取代传统照明的光源系统,与此同时,这种LED光源还可以同时提供额外的宽带功能。

  白色LED光源具有能耗低和长寿命两大优点,其光波频段和白炽灯的频段一样。专家们认为,若干年之内这些发光二极管就会被大量生产,由于成本的降低,很快就会取代传统荧光灯成为人们普遍使用的一种照明光源。但是白色LED光源还有一个功能没有被完全开发,就是当这种白色LED光源照亮房间的各个角落时,还可以同时为房间同时提供无线宽带服务,当你打开LED光源时,你同时也启动了光学无线宽带系统,通过遍布房间的光线,配备具备光学无线接收设备,你就可以在得到照明的同时享受无线冲浪的乐趣。

  和以往的光源不同,LED光源可以非常容易地被改造成可见光无线通讯传输工具,日本应庆大学的研究人员发现,LED的快速响应时间使之很容易变为一种可见光无线传输工具。宾夕法尼亚州立大学的科学家初步的实验表明:LED光源在高达100兆赫的频率上都可以应用无线传输,这种高频信号远远超过人眼的可视范围。

  白色LED光源和目前应用的WI-FI和红外线无线系统相比,具备很多优点。因为白色LED光源未来可能会成为人类的室内照明工具,附加在白色LED光源上的光学无线宽带系统在安装上更加容易。与此同时,其他光源所出现的阴影效应在LED光源上将会被最小化,这主要是因为LED光源在安装时就充分考虑了这个问题,光线的分布非常均匀,没有死角。未来大部分LED光源将会被安装在天花板上,这样信号更不容易被阻挡。和其他的光学系统不同,白色LED技术更不容易受到其他颜色的光线干扰,能够提供巨大的通讯带宽。

  需要指出的是,在室内光源关闭的情况下可能仍然需要无线数据连结,在这种情况下,尽管LED光源处于“关闭”的状态,低电流的电源供应仍会促使微弱的光子流不断从LED光源中释放出来,而这些“残存”的光束就足以驱动光学无线系统工作。当然还可以在LED光源上添加廉价的不可见光无线光学系统,以确保光源在关闭的情况下获得正常的数据连结。

  尽管白色LED无线传输系统有这样那样的优点,但目前这种系统还有一些问题需要解决。其中最重要的是解决信号的上行问题,也就是无线设备与主干网之间的联络问题,这需要增加额外的装置来解决这个问题,而不管什么方案,最终都会造成成本会有一定程度的增加。此外室外光线和其他光线的影响也是这种系统需要考虑的问题之一,而一些基本技术问题的研究例如数据的传输、加解密等也是制约光学无线系统应用的瓶颈。

  电力线宽带传输

  未来光学无线传输技术有可能得益于电力线宽带数据连结技术,电力线宽带连接技术可以将高速的数据通过中压和低压电力线直接连接到房间的电源插座上,目前已经有一些地区采用了这种数据传输技术。通过改造过的无线光学传输系统,具备无线光学数据接收设备的仪器就可以很方便地接受这些通过电力线传输的数据信号,而假如室内采用白色LED照明的话,甚至根本就不要额外的设备。

  宾夕法尼亚州立大学的科学家的研究表明:通过白色LED无线光学数据传输系统,辅助以电力线宽带传输技术,能够提供每秒10亿比特的传输速度,大大超过目前的DSL系统和电缆连接技术。研究还发现,只有特定形状和大小的物体才能影响传输的速度,而如果信号经过适当的处理,则这种速度的损失就可以大大减小。

  不管无线光学系统是采用可见光还是非可见光,室内无线宽带连接将出现一种全新的技术,这就是无线光学数据传输技术,它的出现也许会成为无线电数据宽带连接的终结者。

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