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歡迎光臨Li-Fi的高速通訊世界
比Wi-Fi快100倍

【作者: 盧傑瑞】   2017年06月14日 星期三

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能夠想像的到,無須安裝無線基地台,只要利用目前家中電燈泡,並將每一個燈泡當作熱點(Hot Spot)就能達到比現今Wi-Fi快100倍的高速無線通訊嗎?這樣的夢想已經實現了,更可以邁入實用化,這樣的技術被稱為Li-Fi(Light Fidelity)。


在TEDGlobal中,哈洛哈斯(Harald Haas)首度發表了能夠實現這一理想的實物, 藉由單一個LED所發出人眼無法察覺的高頻閃爍光,可以傳送比目前基地台更大的數據量。



圖一 : Harald Haas發表了利用LED燈泡所完成的Li-Fi。
圖一 : Harald Haas發表了利用LED燈泡所完成的Li-Fi。

Li-Fi是可視光通訊的一種。相信第一代的公眾可視光通訊應該是2700多年前的周朝,在建築了一座一座的烽火台後,利用烽火通信的方法,向國都發出報警訊息,而天子也利用烽火,召集各路諸侯出兵衛國。時至今日,公眾可視光通訊技術已經可以利用一顆小小的電燈泡來完成,和Wi-Fi同樣具有高速、雙向的網路行動通訊能力,由於光無法穿透牆壁,作為資料傳輸技術更具安全性,而且成本也比Wi-Fi便宜10倍。因此在傳輸方面將更為安全、以及具有極低被干擾的能力。如表一,為針對Li-Fi與Wi-Fi的比較。



圖二 : 房中的每個房間都需要一個支援Li-Fi的照明設備。
圖二 : 房中的每個房間都需要一個支援Li-Fi的照明設備。
表一: Li-Fi與Wi-Fi的比較。(●:低●●:中 ●●●:高)

Parameter

Li-Fi

Wi-Fi

Speed

●●●

●●●

Range

●●

Data Densty

●●●

Security

●●●

●●

Power Available

●●

●●

Reliability

●●●

Transmit/Receive Power

●●●

●●

Ecological Impact

●●

Device-to-Device Connectivity

●●●

●●●

Obstacle Interference

●●●

Bill of Materials

●●●

●●

Market Maturity

●●●


將Internet帶向另一個革新的境界

設立於愛沙尼亞的Velmenni,已經完成全球第一個驗證了,利用電燈泡可將傳輸數速率提高到1Gb,這樣的速度已經是Wi-Fi的100倍,如果下載一部HD影片的話,只需要數秒的時間就可以完成。Velmenni並且推論,根據在研究室中的實驗,Li-Fi最快更可以達到224Gb的速度。事實上,這樣的速度,經牛津大學研究人員實驗室測試,傳輸速度是可到每秒224 Gb,快到差不多可以一秒下載18部1.5 GB 的電影,透過這樣的傳輸速度與便利性,預計將會把Internet帶向另一個革新的境界。


2013年,中國的復旦大學也實驗了藉由LED燈光來進行網路的資料傳遞。復旦大學的研究人員室將網路訊號接入一盞1W的LED燈中,在這個燈光下,成功的使4台電腦可同時上網,並且測得最高速率可達到3.25G,平均上網速率達到150M。



圖三 : 根據Li-FI聯盟技術說明,Li-Fi技術使用IR傳輸技術,可在10米內提供最高10Gpbs的速度。
圖三 : 根據Li-FI聯盟技術說明,Li-Fi技術使用IR傳輸技術,可在10米內提供最高10Gpbs的速度。

做為4G下一代的行動通訊規格,不只能應用在智慧型手機,並且能在PC端完全導入,而這被稱為第5代行動通訊系統的研究工作,即使LTE技術尚未在全球形成完全普及應用的環境,但下一世代的通訊技術的發展與驗證已經展開進行了。


期望成為第5代行動通訊系統的標準,至少要具備了幾項特點,包括了:


1.最大能達到20Gbp的傳輸速度。也就是目前LTE的1000倍大容量傳送能力。


2.同步多方連接能力。要能夠具有同時連接100倍終端設備的能力。


3.超低延遲,延遲時間必須低於1毫秒。


就以Velmenni的實驗與發表,目前Li-Fi的技術似乎已經快要接近第5代行動通訊系統的期望值。未來3到5年內Li-Fi可望推向家用市場,讓消費者也可以透過燈泡連上網路。


千億美元市場規模

據Grand View Research的研究報告中預估,全球可見光通訊∕無線光通訊市場,在2024年預計達到1013億美元的規模。具有低功耗、與網路安全的特點,將帶動先進通訊系統與可見光通訊的發展,預計將在無線通訊的領域中佔有一席之地。當然,目前這一技術發展目前還在起步中,相信只會針對一些利基型的應用提供服務,但是Grand View Research認為,在持續的研發投入下,將有助於可見光通訊∕無線光通訊擴大市場的規模,並且吸引更多的業者參與此一技術。



圖四 : 2013-2024年美國VLC應用市場佔有率。(Source:Grand View Research;單位:百萬美元)
圖四 : 2013-2024年美國VLC應用市場佔有率。(Source:Grand View Research;單位:百萬美元)

雖然在部分的技術層次Li-Fi具有相當的潛力性,市場也看好著此一發展趨勢,不過,由於是採用光線進行通訊,因此Li-Fi也存在著先天的問題點,在普及應用之前,這些問題點還是需要被克服。


例如,在日光直射的環境下,或者是被強光瞬間或長期照射的環境下,Li-Fi的通訊能力幾乎就不存在,這是因為目前所採用的光感測器,沒有辦法接收到來自光通訊元件所傳送出來的訊號。此外,還有空間的環境也會影響Li-Fi的通訊能力,就像經常有家具搬動,以及隨時出現影子干擾的起居室,被移動的部分家具互許也會將Li-Fi的訊號遮住,使得通訊出現中斷的情況,因此,在Li-Fi的擺設位置上也需要被細心的考量。


蘋果將支援Li-Fi技術?

目前iPhone∕iPad的無線技術可以支援最快802.11a/b/g/n/ac Wi-Fi,並具備MIMO(Multi Input Multu Output)技術,使得Wi-Fi速度可快達866 Mbps。但是,蘋果對於在進行設計的未來幾代產品中,似乎不滿足這樣的傳輸速率。


根據網路的訊息,經由一位網路用戶Chase Fromm所發表的一篇貼文中,提到了他在iOS 9.1的代碼中,發現到在各個Capability項目中出現了「LiFiCapability」的字眼,由此可見蘋果應該早已展開支援 Li-Fi 技術的開發,否則便不會在 iOS 內加入相關的訊息。



圖五 : 一位Twitter在貼文中提出iOS 9.1的代碼中,發現「LiFiCapability」的字眼。(Source:Apple insider)
圖五 : 一位Twitter在貼文中提出iOS 9.1的代碼中,發現「LiFiCapability」的字眼。(Source:Apple insider)

因此,業界相信蘋果似乎正在為未來的iPhone進行 Li-Fi 測試。同時,蘋果也申請了一項關於光調變影像感測器的專利。專利內容描述了,一個感測器可利用光學轉換影像捕捉與數據捕捉模式,並無須其他額外的硬體。也就是說,將為iPhone提供能捕捉Li-Fi光訊號的專利,能夠在影像拍攝及資料收發上互相切換,這也就可以想像到鏡頭內將具備 Li-Fi 收發裝置,但由於目前Li-Fi 技術仍未普及,而且市場上亦缺乏相關的發射裝置,所以一般估計要再過一到兩代才會出現。


PureLiFi公佈三個版本的Li-Fi系統

根據Harald Haas對於Li-Fi的原理說明,當定電流流過LED燈泡後,LED燈泡就可產生可視光的光能源。如果讓電流出現強弱變化的話,光的強度也會隨之變化。由於LED燈泡是半導體的製品,因此可以利用光感測器來偵測電流和光的變化,所以只要針對電流進行強弱變化,那麼就可以達到超高速的調變能力。


在高速的光調變下,人的眼睛是無法判別或發現的,這就像高頻無線通信下,人的眼睛也沒有辦法看到的意思是一樣的。因此,藉由這樣的原理,資料量就可以利用LED燈泡來進行高速通訊。因此Li-Fi是使用400到 800 THz光源以二進位方式傳遞資料,在實驗環境下最高可達到每秒224 Gb傳輸量,即使離開實驗室到現實工作環境下也能實現每秒1 Gb的高速度。


而由Harald Haas所創建的PureLiFi也正積極的與Cisco、Lucibel和LiFi Network進行合作,共同開發以Li-Fi為基礎的光無線傳輸產品。到目前為止共發表了三代的Li-Fi系統技術。


PureLiFi在2014年推出了第一代技術Li-ist,2015年推出了第二代Li-Flame,2016年推出了第三代LiFi-X。LiFi-X APs(接入點)支援PoE(乙太網供電)、PLC(電力線通信)以及LED照明產品。2016年12月,PureLiFi已經將資料傳輸速率從原來的5Mbps提高到10Mbps,進一步提高到40Mbps,使得Li-Fi成為Wi-Fi技術的有效補充。經三代技術發展後,PureLiFi已確立其技術方向,以最新的LiFi-X產品為例,包含全雙工(Full-Duplex)的收發傳輸模式、可支援PoE、PLC等;其中,接入點(AP)發射端對應至LED照明具有安裝容易優勢,網站(STA)接收端具體積小、直接與NB及個人裝置等連結,達商品化應用階段。



圖六 : PureLiFi發表了第一代的小型Li-Fi系統產品-LiFi-X。
圖六 : PureLiFi發表了第一代的小型Li-Fi系統產品-LiFi-X。

圖七 : 接收端具體積小、可直接與NB及個人裝置等連結。
圖七 : 接收端具體積小、可直接與NB及個人裝置等連結。

新加坡積極發展Li-Fi技術

PureLiFi也和新加坡媒體資訊通信發展管理局(IMDA)合作,進行Wi-Fi的替代技術Li-Fi,IMDA也核准在新加坡展開Li-Fi測試。另外,IMDA公布免除與Li-Fi測試所需400THz至800THz頻段的頻率費用,以便鼓勵和促進在新加坡進行的測試。同時,新加坡國家投資機構淡馬錫控股,在2016年更對PureLiFi進行了700萬英鎊的B輪融資。


而新加坡科技研究局和國立大學的研究人員,合作開發了一款可選波長的光感測器,能夠偵測到被包含在白光中的藍光波段,使得在Li-Fi基礎下,上網速度從5MHz提高到20MHz。在感測白光在450nm和560nm的波段,所分析出的黃光光譜中,發現到藍光的衰減時間為1.4ns,較黃光發射的54.4ns更快許多。


這也就代表著,藍光能以較黃光更快的速度進行開啟和關閉,而寬頻的光感測器最終取得訊號的最慢公分母,減緩上升和下降時間。基於這樣的原理,新加坡的研究人員設計了一款具有V型凹槽紋理的表面的綠光氮化銦鎵(InGaN) LED作為接收器,來提高InGaN LED主動層的峰值回應度。



圖八 : 新加坡研究人員利用InGaN開發出一款具有V型凹槽紋理的LED。
圖八 : 新加坡研究人員利用InGaN開發出一款具有V型凹槽紋理的LED。

印度計畫應用在航空器上

長久以來乘客在搭乘飛機時要求使用無線通訊,一直是航空公司、飛機製造業者,以及航空管理單位甚為頭痛的問題,由於利用微波做為資料傳輸載體的無線通訊,雖無法證實的確會影響飛行安全,但因為微波發射時功率的關係,大多航空公司都拒絕了乘客在搭乘航空器時使用無線通訊產品,因此印度的 Velmenni便針對航空器環境開發了Li-Fi相關產品,計畫在2017年推出。


Velmenni相信,為了保護航空電子設備免受無線信號干擾,Li-Fi技術絕對是一個安裝選項。這就意味著可以在飛機機艙內建立一個以Li-Fi為基礎的區域網路,除了可以為乘客提供娛樂節目之外,並讓支援Li-Fi機制的手機和電腦連接上網。目前,Velmenni正與歐洲大型飛機製造廠商空中巴士進行合作,提供一架飛機機艙實體模型,讓Velmenni進行安裝和測試Li-Fi網路,Velmenni計畫使用乘客的閱讀燈來傳送信號。


目前Velmenni有三個不同的產品,包括了Li-Fi傳輸器、INTERENT HUB和MESH HETWORKING。2015年3月Velmenni已經用該技術實現了10公尺內 1Mbps的傳送速率。2015年11月,更以最快1GBps的速度發送資料。Velmenni表示,世界上很多地方還達不到1Mbps每秒的速度,在進行成果轉化和商業化的時候,會考慮在不同應用範圍內的限制性,例如飛機上由於資料傳輸的特殊性,可能在設計解決方案這方面要進行調整,而不是光考慮到速度的問題。



圖九 : Velmenni計畫利用航空器內的燈光來完成以Li-Fi為基礎的區域網路。
圖九 : Velmenni計畫利用航空器內的燈光來完成以Li-Fi為基礎的區域網路。

三至四年 Li-Fi可望商業化

PureLiFi的首席運營官(COO)Harald Burchardt也公開的表示,「我們已經在與多家智慧型手機、平板電腦和筆記型電腦的潛在客戶展開相關的合作,目標是開發可以用於這些設備的晶片。我們的長期目標是向設備廠商供應零組件。」


雖然如此,但是對於想購買並且應用Li-Fi技術產品的用戶,可能還得耐心地等待一段時間。


目前尚不清楚PureLiFi是否會製造Li-Fi本身所需要的晶片組,或者與其夥伴合作。不過,PureLiFi正在與其他利益相關者積極合作,制定Li-Fi標準,確保各個設備的性能一致,做到像Wi-Fi標準一樣。


雖然過去幾年,LED不斷的自我提升亮度、使用壽命與降低耗電量,使得LI-FI系統的推廣將會有更大的助益,並且成為LI-FI系統的關鍵元件之一。但由於這樣的技術下,擔任傳輸媒介的光線,是透過空氣傳播,而不是倚靠有形的光纖傳輸,因此如何能準確傳送資訊,以及避免難以預估的各種干擾,這在技術上還是有一定的困難度與侷限,再加上相關搭配得元件及模組尚未成形,因此現階段還難以完全商用化,不過有部分專家相信,Li-Fi的無線傳輸技術將會在未來三到四年內達到商業化的階段,因此這一項工程還需仰賴包括光源元件、調變技術、感測技術等等各方面的能力配合,才能期待Li-Fi的普及之路是在不久的將來。


**刊頭圖(Source:olenium)


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