藏在燈光中的“摩爾斯密碼”：可見光通信

　　可見光，作為生命最初的色彩，在其見證下，人類慢慢從愚昧走向開化，從野蠻走向文明。然而，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，人們驚奇地發(fā)現(xiàn)，可見光不僅可以照亮世界，而且還可以在一種顛覆傳統(tǒng)觀念的新技術(shù)支持下，實現(xiàn)通聯(lián)整個世界的夢想。這種利用可見光來傳輸信息和數(shù)據(jù)的新技術(shù)就是可見光通信，又稱“Li-Fi”。

　　暢想未來，可見光通信網(wǎng)絡(luò)或許是這樣的：在路燈下，借助LED光源就能在線閱讀、下載電影;在飛機、高鐵、醫(yī)院等場所，只需借助座椅上的閱讀燈，你就可以上網(wǎng)，甚至能看高清視頻;在無線電波傳播受限的特殊環(huán)境中，比如水下、水面艦艇或潛艇內(nèi)部，我們也能借助定制的可見光通信設(shè)備實現(xiàn)通信暢通。可以預(yù)見，可見光通信有著廣泛的應(yīng)用前景，它的神秘面紗正在被逐漸揭開。

　　無線尖兵“青出于藍(lán)”

　　從傳播特性看，可見光通信仍屬于無線通信的一種，只不過信息的傳輸載體不是傳統(tǒng)的無線電波(頻率范圍3赫茲～3000吉赫茲)，而是頻率高達(dá)384～769太赫茲的可見光波。它是一種利用可見光波譜作為載體來傳輸數(shù)據(jù)的全新無線傳輸技術(shù)，通過給LED燈泡裝上微芯片，可控制其每秒數(shù)百萬次閃爍，其中燈亮代表“1”，燈滅代表“0”，二進制的數(shù)據(jù)被快速編碼成燈光信號并進行有效傳輸。

　　而燈光下的手機、平板電腦等各類終端設(shè)備，通過集成特制的光敏傳感器，就能讀懂蘊藏在燈光中的“摩爾斯密碼”，從而達(dá)成高速信息傳輸?shù)哪康摹Ｓ纱丝磥?，與無線電波通信這位“老大哥”相比，可見光通信在基本原理上雖無特別不同，卻有著“青出于藍(lán)”的特殊優(yōu)勢。

　　傳輸帶寬更大。當(dāng)前，傳統(tǒng)的無線電波通信正面臨“頻譜短缺”的窘境，10～60吉赫茲的可用頻譜，搶占優(yōu)先使用權(quán)的趨勢更加明顯。而可見光通信頻譜寬度比現(xiàn)有無線電波可用帶寬高4個數(shù)量級，完全不用擔(dān)心頻譜不夠用的問題。

　　組網(wǎng)運用更活。傳統(tǒng)的無線電波通信組網(wǎng)比較復(fù)雜，既需要安裝大量輻射射頻信號的信息基礎(chǔ)設(shè)施和終端設(shè)備，又極易產(chǎn)生電磁兼容和相互干擾問題。而可見光通信無需建立基站，也無需頻段許可授權(quán)，只需在LED燈泡中加裝芯片，便可使其具有“通信基站”“無線路由器”“GPS衛(wèi)星導(dǎo)航”等功能，從而實現(xiàn)有燈光的地方就有網(wǎng)絡(luò)信號，真正實現(xiàn)“末端直通”“泛在互聯(lián)”。這對于機艙內(nèi)部、水面艦艇、潛艇、地下坑道等電波傳播受限的環(huán)境，可極大彌補電磁覆蓋的不足，并有效避免電磁兼容和相互干擾問題。

　　保密性能更好。由于可見光通信必須在LED光源開啟時才能傳輸，燈光關(guān)閉時通信功能便會失效，因此只需加裝遮光設(shè)備使光線透不出去，就能形成封閉式通信網(wǎng)絡(luò)，其安全等級較其他無線傳輸技術(shù)更高。此外，由于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之中，并同時侵入兩個信道才能完成一次真正意義上的攻擊，要想在光線傳播線路之外進行信號竊取和干擾非常困難。

　　國際競爭日趨激烈

　　日本最先啟動了可見光通信的相關(guān)研究。早在2000年，中川研究室就提出利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)試驗。2014年，日本TAKAYA公司研發(fā)的汽車間可見光通信系統(tǒng)，速率達(dá)到每秒10兆比特;同年5月，日本東洋電機研發(fā)的水下可見光高速通信裝置，峰值突破每秒50兆比特。

　　歐洲各國也不甘落后，其在可見光通信方面的工作，主要由歐洲的20多家大學(xué)、科研單位和企業(yè)組成的OMEGA計劃來推進。2015年11月，愛沙尼亞Velmenni公司演示了一種原型燈泡，在實驗室條件下其峰值數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到每秒224吉比特。

　　美國作為世界頭號科技強國，正力圖謀求全球可見光通信技術(shù)及市場的主導(dǎo)權(quán)。以谷歌為代表的科技巨擘，以及波士頓大學(xué)ERC中心、加州大學(xué)UC-Light中心、賓州州立大學(xué)COWA中心等科研機構(gòu)，正加緊開展可見光通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議及相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)工作，并啟動了搶占相關(guān)市場的機制及策略研究。

　　可見光通信的愿景雖然美好，但仍需突破一系列技術(shù)瓶頸，才有望大規(guī)模推廣應(yīng)用。比如，如何將可見光帶寬潛力轉(zhuǎn)化為寬帶能力，目前囿于白光LED有限的調(diào)制帶寬，亟待進一步的技術(shù)突破。又比如，無論LED燈的信號控制還是信號接收后的實時處理，都需要專用的集成芯片，目前這方面研究還很薄弱。再比如，可見光信號的波長很短，在傳播介質(zhì)中極易迅速衰減，直接導(dǎo)致其通信距離受限，要實現(xiàn)遠(yuǎn)距離高速傳輸難度不小。

　　對此，世界各國紛紛開展可見光通信的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，力爭在這塊蛋糕的切分上搶占先機。

　　未來戰(zhàn)場大有可為

　　未來戰(zhàn)場上，要滿足與日俱增的軍事領(lǐng)域無線通信需求可不容易：傳輸容量大、組網(wǎng)靈活、電磁兼容性好、保密要求高……使得傳統(tǒng)的無線電波通信面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。而可見光通信所具有的特殊優(yōu)勢，使其不僅可與無線電波通信綜合運用、相得益彰，更有望在通信以外領(lǐng)域大展身手。

　　“上天”“入地”“下?！钡耐ㄐ拍苁帧Ｔ陲w機、地下坑道、水面艦艇、潛艇等特殊場所內(nèi)部通信中，為防止射頻信號干擾，往往對無線電設(shè)備使用提出嚴(yán)格限制。1982年英阿馬島戰(zhàn)爭中，英“謝菲爾德”號就是因為艦載無線通信系統(tǒng)與艦載預(yù)警雷達(dá)之間難以兼容共用，從而使艦載雷達(dá)不能及時開機并發(fā)現(xiàn)來襲的“飛魚”導(dǎo)彈，直接導(dǎo)致了艦毀人亡的災(zāi)難性后果。而有了可見光通信之后，只需在上述特殊場所加裝中央控制器和一系列LED光源，就能在達(dá)成通信的同時有效規(guī)避電磁干擾，從而為作戰(zhàn)平臺內(nèi)部實現(xiàn)快速通信、對潛通信、水下特種作戰(zhàn)通信等提供高效安全的通信手段。

　　高精度導(dǎo)航定位的“專家”?？梢姽馔ㄐ胖醒肟刂破魇峭ㄟ^將導(dǎo)航信息傳送給LED信息節(jié)點，再以可見光為載體傳到光照范圍之內(nèi)的武器平臺終端，該終端使用內(nèi)嵌的光敏探測器就可以獲取最及時的動態(tài)戰(zhàn)場環(huán)境、最優(yōu)路線和坐標(biāo)位置等導(dǎo)航定位信息。有關(guān)研究表明，綜合采取戰(zhàn)場LED信息節(jié)點網(wǎng)絡(luò)科學(xué)布局、算法設(shè)計和信號處理優(yōu)化等措施，就能使可見光導(dǎo)航定位精度達(dá)到厘米級。

　　目標(biāo)識別與戰(zhàn)場防誤傷的利器。通過為己方各類武器平臺加裝LED燈光識別設(shè)備，平臺與平臺、平臺與LED信息節(jié)點之間就能依托特定的信號編碼開展實時通信與身份識別，武器平臺通過對接收的LED燈光信號閃爍規(guī)律進行識讀，就能有效判定此信號的敵我屬性，從而及時作出有效應(yīng)對措施，最大程度確保自身安全。