Wi-Fi、3G/4G 蜂窩網絡和相關技術運行良好。每個人——以及越來越多的非人類物聯網 (IoT) 設備——都在使用它們，但這正是問題所在。網絡正在接近其容量的極限，增加基于無線電的網絡容量以滿足對帶寬的爆炸式增長的需求具有挑戰性。

基于無線電的接入網絡中帶寬增長的一個關鍵挑戰是可用射頻頻譜的可用性。這個問題可以分為兩種方式：

許可頻譜

未經許可的頻譜

許可頻譜由政府機構（例如，美國聯邦通信委員會 (FCC)）專門授予，供特定用戶組在特定無線電應用中使用，通常用于一個國家的一個或多個特定區域。由于需求巨大，全國范圍內射頻頻譜的選擇塊可能會在全國頻譜拍賣中耗資數十億美元。人們一直在努力將頻譜從舊的、利潤較低的用途中解放出來，并將其轉移到 5G 蜂窩等領域。然而，這也有問題，比如隨著頻譜被接管，數十億臺電視機或其他無線電設備將被淘汰。因此，許可頻譜仍然稀缺且昂貴。

許可頻譜的替代方案是非許可頻譜。Wi-Fi、藍牙、家庭自動化系統、遙控車輛等網絡通常使用一組稱為儀器、科學和醫學 (ISM) 頻段的光譜切片。每個人都可以免費使用這些頻段——受一些詳細規則的約束——但這種使用不是排他性的。任何人都可以在 ISM 頻段上傳輸，并且隨著設備的更換，任何一臺設備可用的帶寬都會發生顯著變化。ISM 頻段中也往往存在更多干擾，例如來自共享其頻譜的微波爐。較高頻率的頻段——比如大約 10GHz 以上——往往不那么混亂，但它們的無線電傳播特性很差，很容易被墻壁或樹葉阻擋。

無論使用的頻譜是許可的還是未許可的；最大可用容量取決于頻率、帶寬、信噪比 (SNR)、調制技術、天線設計、協議和編碼。一旦超過該容量，網絡就會變慢。這就是為什么您的手機在擁擠的活動中速度如此之慢的原因。在這些活動中，太多人在固定無線電網絡容量上發送太多數據。多輸入多輸出 (MIMO) 等定向天線技術通過從不同角度重用相鄰區域的頻譜來幫助一些人，但存在嚴重的局限性。我們需要做的是在遠遠超出 FCC 或混亂的 ISM 頻段管轄范圍的頻率上獲得大量帶寬和高效調制技術，這驅使我們進行光束通信。

光保真 (Li-Fi) 已成為一種用于無線通信的可見光通信 (VLC) 技術。Li-Fi 和相關形式的自由空間光通信使用調制光束以非常高的網絡容量傳輸數字數據，而在此過程中不使用任何射頻頻譜。數字消息（例如 IP 數據包）使用標準協議進行編碼，并用于通過高速比特流調制光源（可見光、紫外線、紅外線、激光或 LED）。發射的光由光學系統處理以將其導向接收器。然后它穿過自由空間到達遠程設備處的光學系統接收一部分光的地方。光通過快速光電探測器轉換為電信號，放大，解調，并轉換回原始消息以供遠程設備的處理器使用。對于雙向通信，該過程在相反方向重復進行——有時使用不同波長的光以避免干擾。原型系統顯示容量超過 100Gbps。2013 年，NASA 以 622Mbps 的速度在 385000 公里的距離上創造了月球軌道上的月球大氣和塵埃環境探測器 (LADEE) 航天器與新墨西哥州地面站之間激光通信的距離記錄。

愛丁堡大學的 Harald Haas 開創了 Li-Fi 的大部分工作，并就該主題發表了一些出色的 TED 演講和論文。他還是領先的商業產品提供商 pureLiFi 的聯合創始人。自由空間光通信有多項標準，最重要的標準是 IEEE 802.15.7。這些系統通常通過調制安裝在天花板上的光源（類似于 Wi-Fi 接入點 (AP) 的小型發射器或改進的燈具）來工作，通過自由空間發送數據流，并在遠程設備上的光學接口。包括 Li-Fi 接收器功能的智能手機已經過測試。這些系統傾向于用來自非定向光源的相同調制信號“沐浴”整個房間，

讓我們看看我們是否可以做得更好。如果不是像傳統 Wi-Fi 那樣向所有設備發送相同的全向光比特模式，而是嘗試將單獨的光束引導到每個設備——有點像增強型光學 MIMO，會怎么樣？一種方法是在調制光源前面放置一個光束偏轉器——例如一對 XY 掃描檢流計，并使光束繞路徑偏轉，以快速順序訪問其范圍內的所有有源器件。該系統緩沖它可以看到的所有端點的流量，將偏轉角設置為指向選定的端點，并以數千兆比特的速度突發數據，直到緩沖區耗盡——或計時器到期——然后再將偏轉器移動到下一個端點.圖 1顯示了一個帽盒大小的設備，配備了這種偏轉自由空間光網絡技術的重疊扇區。如果將這樣的設備懸掛在禮堂的天花板上或放置在水塔上，則可以同時為數千個端點提供快速、安全、無無線電頻譜的帶寬。如果您想了解更多此類網絡的技術細節，請查看我的美國專利 6,650,451。

圖 1：使用自由空間光網絡技術的具有重疊扇區的設備。（來源：作者）

如果我們想要更高的性能和容量怎么辦？我們可以刪除電流計的移動部件，這會降低系統速度，并可能導致可靠性問題，并將多個發射/接收波束收發器構建到一個緊湊的體積中。設想一種外觀類似于具有數百個雙向光束的大型高爾夫球的設備，每個凹坑中都會出現一個光束。只要遠程設備進入它們的視角，這些收發器的一個子集就會被激活。固定地面站和移動端點都將擁有這些收發器，從而創建一個網狀網絡。隨著收發器的移動，將切換到相鄰波束。該技術非常適合連接大群無人機、工廠中的物聯網設備以及類似應用。我的美國專利 9,350,448 有更多關于這種系統操作的細節，

結論

總之，Li-Fi 和其他自由空間光學技術為高性能網絡提供了很多希望。它們不使用稀缺且昂貴的無線電頻譜并提供高容量。此外，這些技術比基于無線電的網絡技術更安全、更不受干擾。

關鍵點：

Wi-Fi 和蜂窩等無線電網絡技術的容量受到可用無線電頻譜的限制。

通過從無線電轉向 Li-Fi 等基于光的技術來傳輸消息、容量、安全性和干擾，可以提高免疫力。

使用偏轉或多波束端點的定向光網絡可以提供更好的容量和安全性。

審核編輯：湯梓紅