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如果穿越回古代，你最受不了的是什么？想必大部分人都會(huì)說：“沒有WiFi！”對(duì)于現(xiàn)代人來說，不能快速傳遞信息的生活簡直無法想象
不過，很多影視劇也告訴我們：在沒有WiFi的時(shí)候，還是有很多快速傳遞信息方式的，比如燈。
古裝片《長安十二時(shí)辰》中，長安城的望樓使用了12個(gè)方格傳遞信息，每個(gè)方格可以用燈點(diǎn)亮或者熄滅，一共有多達(dá)212種排列組合，表示各種不同的信息，或者可以說傳遞12個(gè)比特的信息。
而在韓國電影《寄生蟲》中，因犯下命案而躲在地下室的基宇父親，通過不斷用頭撞地下室的墻，控制地上客廳里一盞感應(yīng)燈的閃爍，以莫爾斯碼向親人寫信。每次控制燈亮的時(shí)間稍長一些（橫表示），或者每次控制燈亮的時(shí)間稍短一些（點(diǎn)表示），通過幾個(gè)不同點(diǎn)或者橫組合表示不同的信息。
沒有WiFi，《長安十二時(shí)辰》和《寄生蟲》中展示的通信方式也足夠“高端”，只需要一盞或幾盞“神燈”，不需要布設(shè)光纖，也不需要發(fā)送無線電波，人眼就直接作為天線接收信號(hào)。
這種方法是真的靠譜么？
古人真的在用這些方法通信嗎？
在沒有手機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)候，兩部影片中人工原始發(fā)信息的方式是不是真的可以使用呢？事實(shí)上，這也是近年來很多研究者在嘗試的“可見光通信”，也被稱為LiFi（Light Fidelity）。但是很多時(shí)候，它們并不那么靠譜，實(shí)際可行性也不高。
拿《長安十二時(shí)辰》來說，根據(jù)歷史記載，唐朝時(shí)并沒有人真的發(fā)明或使用過這套“望樓格子”系統(tǒng)。在古代很長一段時(shí)間，真正被廣泛使用的是野外的烽火臺(tái)。
烽火臺(tái)之間傳遞信息的時(shí)候，一般不會(huì)利用多盞燈進(jìn)行編碼，而是使用烽火狼煙的濃烈程度表示不同的信號(hào)。《墨子·號(hào)令篇》中記載“望見寇舉一棰，入境舉二棰，押廓舉三棰，入廓舉四棰，狎城舉五棰“，一棰表示一堆柴草，五棰就表示五堆柴草。
而烽火臺(tái)傳遞信息也未必一定要用烽火。在宋代時(shí)火藥和火炮已經(jīng)被發(fā)明，“掛旗+放炮”這種“視聽多媒體”的信息傳遞方式效果就更好。
比如賊從東面來，就掛青色旗并響一聲炮；賊從南面來，就掛紅色旗并響兩聲炮；賊從西面來，就掛白色旗并響三聲炮；賊從西面來，就掛白色旗并響三聲炮；賊從北面來，就掛淺黑色旗并響四聲炮[1]。
在中國之外，近代法國也有一套單靠“眼睛看“的千里傳遞信息的系統(tǒng)。
每個(gè)”烽火臺(tái)“上不再使用煙火，而是架著一根巨大的橫梁和兩個(gè)懸臂，稱為Chappe Telegraph，通過橫梁和懸臂轉(zhuǎn)動(dòng)不同的角度，”擺不同的pose“來表示不同的信息，下一個(gè)架子的工作人員會(huì)像《寄生蟲》中的基宇一樣拿著望遠(yuǎn)鏡觀看上一個(gè)架子的姿勢(shì)，一個(gè)接一個(gè)傳遞，可以把信息從首都巴黎一路傳送到法國的邊境小鎮(zhèn)。
歷史上的可見光通信存在什么問題？
望樓格子，社長家客廳的感應(yīng)燈，烽火臺(tái)和法國巨型支架擁有一個(gè)共同的缺陷：只要距離一遠(yuǎn)或者遇上遮擋，就啥也看不清了，高倍望遠(yuǎn)鏡也可能無濟(jì)于事。
在幾公里之外，明亮也會(huì)變得很黯淡，龐然大物也會(huì)變得模糊不清，如果再趕上霧霾天氣，就更雪上加霜了，用它們來作為遠(yuǎn)距離的通信手段并不是最理想的選擇，現(xiàn)代的光纖通信和無線通信才更具優(yōu)勢(shì)。
其實(shí)在平時(shí)生活中，與《長安十二時(shí)辰》的望樓格子最類似的通信方式當(dāng)屬車票上的二維碼或者手機(jī)App上的QR碼了，一個(gè)格子就相當(dāng)于二維碼中的一個(gè)黑色或白色方塊，大多數(shù)時(shí)候手機(jī)攝像頭距離二維碼都很近，掃碼過程也可以看作一種很短距離的可視信息傳遞。
望樓格子這類裝置另一個(gè)麻煩在于效率不高，需要人工去翻譯信息，把每盞燈點(diǎn)亮或熄滅，另一個(gè)望樓上接收者看到之后，還要再解碼恢復(fù)成信息，這必然消耗不少時(shí)間。
傳遞完一組12個(gè)方格的信息，要想再傳遞下一組的12個(gè)比特，不得不等一等。而對(duì)于烽火臺(tái)，點(diǎn)燃幾堆柴草，等待濃煙升起，顯然也不是分分鐘的事情。據(jù)記載，西漢衛(wèi)青和霍去病全線出征匈奴時(shí)，簡單的號(hào)令也是要花一晝夜的時(shí)間才能從甘肅的烽火臺(tái)接力傳遞到遼東的烽火臺(tái)。
而用Chappe Telegraph表示一個(gè)信號(hào)顯然比燒柴草快不少，但是操縱這樣巨大的機(jī)械裝置，一分鐘能擺上兩三個(gè)pose估計(jì)已經(jīng)是上限。所以，古代的各種可見光通信裝置往往只能花費(fèi)比較大的代價(jià)，以比較低的效率傳遞一些簡單信息，“難成大器”。
現(xiàn)代的LiFi有何突破？
不過，隨著科技的發(fā)展，LiFi也許真的會(huì)走入我們的生活。
在21世紀(jì)，我們有了兩件神器，一是LED燈作為信號(hào)發(fā)射器，可以以極快的頻率閃動(dòng)，二是光電探測器作為信號(hào)接收器，閃的再快的LED信號(hào)都能接收到，外加計(jì)算機(jī)的快速處理，它們每秒可以傳輸?shù)谋忍財(cái)?shù)最快已經(jīng)能達(dá)到10G（1010）比特，是《長安十二時(shí)辰》和《寄生蟲》中人工操作效率的無數(shù)倍，這相當(dāng)于幾秒鐘之內(nèi)，就可以輕松把一整部電影從一盞LED的燈光之中下載到自己的手機(jī)或筆記本電腦里。
現(xiàn)代LiFi的原理其實(shí)正是“望樓格子”、“以頭亮燈”與烽火臺(tái)的結(jié)合體。我們既可以讓LED燈在一秒內(nèi)不同時(shí)刻有時(shí)高亮度，有時(shí)低亮度，像望樓格子的某一盞燈時(shí)亮?xí)r暗的方式傳遞信息（OOK調(diào)制），也可以像《寄生蟲》里那樣通過控制LED燈長短不同的高亮度脈沖傳遞信息（PPM調(diào)制），還可以像古代烽火臺(tái)掛不同顏色旗那樣，利用不同顏色LED燈光（意味著光的波長不同）同時(shí)傳遞信息（OFDM和CSK調(diào)制）。
讓我們想象一下用上LiFi的場景：
在飛機(jī)上或者會(huì)議室里，用LED燈提供上網(wǎng)服務(wù)自然是LiFi最直接的應(yīng)用了。
利用LiFi進(jìn)行室內(nèi)定位。憑借GPS和手機(jī)基站，在戶外定位輕而易舉，然而在大型購物中心之類的室內(nèi)場景中，由于GPS的失靈和無線通信基站數(shù)量的有限，手機(jī)地圖會(huì)經(jīng)常和你一樣迷路。不過有了LiFi后，我們可以在室內(nèi)場所密集安裝一些可以發(fā)送信號(hào)的LED燈，手機(jī)攝像頭就直接可以用作LiFi接收器，幫助你實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的定位與導(dǎo)航。
此外，LiFi可以使得汽車之間通過車燈互相傳遞信息，防止碰撞事故，交通燈和路燈也可以默默地向公路上的車輛傳遞悄悄話，發(fā)送路況信息，而水下機(jī)器人之間也可以用光線來互相交流。
LiFI的優(yōu)勢(shì)與面臨的挑戰(zhàn)
目前LED燈本身已經(jīng)被廣泛用于室內(nèi)外的照明，很多LiFi的設(shè)想都是“照明+通信“兩不誤。傳遞信息并不影響LED燈本身的照明功能，或者說LiFi是一種”免費(fèi)搭便車”的設(shè)計(jì)，“反正燈也是開著的，為何不用來同時(shí)傳遞些信息呢？不用白不用”。
此外，與現(xiàn)在的WiFi相比，LiFi還代表著更高的速度與安全性。可見光波段的帶寬先天就比無線射頻波段要寬，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸來說，相當(dāng)于一個(gè)是高速公路，一個(gè)是鄉(xiāng)間小道，LiFi理論上能達(dá)到的下載速度比WiFi和手機(jī)流量要快很多。
在安全方面，如果在房間里安裝一個(gè)無線路由器或者手機(jī)基站，與你一墻（甚至幾墻）之隔的他人也能蹭你的網(wǎng)，或者利用某些手段獲取你的個(gè)人信息。而可見光相比于無線射頻信號(hào)更加“老實(shí)”，只要門窗遮蔽得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)，隔壁老王就什么也接收不到，安全隱私這一項(xiàng)上LiFi加分。
不過可見光傳輸距離短，不容易翻墻越戶這一點(diǎn)也是個(gè)雙刃劍，注定了LiFi難以完全取代WiFi，更適合作為WiFi的“互補(bǔ)搭檔”。如上所說，古代的烽火臺(tái)之類可見光通信系統(tǒng)難有大作為，其實(shí)也是因?yàn)檫@一點(diǎn)。
現(xiàn)在的LiFi技術(shù)設(shè)計(jì)者也都有“自知之明”，通常會(huì)把一個(gè)房間這樣的短距離作為LiFi主要用武之地。但即使在室內(nèi)，如果有人不小心把燈光擋住，信號(hào)也就會(huì)中斷。相比之下，一個(gè)大漢站在無線路由器前，WiFi無線信號(hào)還是能輕而易舉通過衍射和繞射避開障礙，不受多少影響。
LiFi覆蓋范圍小的缺點(diǎn)還意味著要安裝很多盞燈，覆蓋每個(gè)角落，才能保證穩(wěn)定通信。另外，LiFi還有一個(gè)不足之處在于，雖說利用手機(jī)或電腦上的探測器從一盞LED燈下載數(shù)據(jù)不難，但是反方向的上傳數(shù)據(jù)卻比較難實(shí)現(xiàn)。
由此可見，LiFi技術(shù)既充滿誘人的前景，也面臨難以回避的挑戰(zhàn)。不過這不妨礙研究者為LiFi量體裁衣推出了各種應(yīng)用產(chǎn)品，未來用燈光傳遞信息將有越來越多的機(jī)會(huì)成為日常的生活體驗(yàn)。
期待在生活中與LiFi早日相見~
參考文獻(xiàn)：
[1]https://www.takefoto.cn/viewnews-1624293.html
[2]Pathak, P.H., Feng, X., Hu, P. and Mohapatra, P., 2015. Visible light communication, networking, and sensing: A survey, potential and challenges. IEEE communications surveys & tutorials, 17(4), pp.2047-2077.
[3]Jovicic, A., Li, J. and Richardson, T., 2013. Visible light communication: opportunities, challenges and the path to market. IEEE Communications Magazine, 51(12), pp.26-32.
[4]Yamazato, T., 2020, March. Visible Light Communications for Automotive Intelligence. In 2020 Optical Fiber Communications Conference and Exhibition (OFC) (pp. 1-3). IEEE.
[5]Uysal, M., 2019, March. Visible light communications: from theory to industrial standardization. In Optical Fiber Communication Conference (pp. Th3I-4). Optical Society of America.
[6]Khan, L.U., 2017. Visible light communication: Applications, architecture, standardization and research challenges. Digital Communications and Networks, 3(2), pp.78-88.
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