作者：焦述铭（深圳大学）
文章来源于科学大院公众号（ID：kexuedayuan）
——
如果穿越回古代，你最受不了的是什么？想必大部分人都会说：“没有WiFi！”对于现代人来说，不能快速传递信息的生活简直无法想象。
不过，很多影视剧也告诉我们：在没有WiFi的时候，还是有很多快速传递信息方式的，比如灯。
古装片《长安十二时辰》中，长安城的望楼使用了12个方格传递信息，每个方格可以用灯点亮或者熄灭，一共有多达212种排列组合，表示各种不同的信息，或者可以说传递12个比特的信息。
（图片来源：新浪微博@北斗北工作室）
而在韩国电影《寄生虫》中，因犯下命案而躲在地下室的基宇父亲，通过不断用头撞地下室的墙，控制地上客厅里一盏感应灯的闪烁，以莫尔斯码向亲人写信。每次控制灯亮的时间稍长一些（横表示），或者每次控制灯亮的时间稍短一些（点表示），通过几个不同点或者横组合表示不同的信息。
（图片来源：《寄生虫》电影截图）
没有WiFi，《长安十二时辰》和《寄生虫》中展示的通信方式也足够“高端”，只需要一盏或几盏“神灯”，不需要布设光纤，也不需要发送无线电波，人眼就直接作为天线接收信号。
这种方法是真的靠谱么？
古人真的在用这些方法通信吗？
在没有手机和互联网的时候，两部影片中人工原始发信息的方式是不是真的可以使用呢？事实上，这也是近年来很多研究者在尝试的“可见光通信”，也被称为LiFi（Light Fidelity）。但是很多时候，它们并不那么靠谱，实际可行性也不高。
拿《长安十二时辰》来说，根据历史记载，唐朝时并没有人真的发明或使用过这套“望楼格子”系统。在古代很长一段时间，真正被广泛使用的是野外的烽火台。烽火台之间传递信息的时候，一般不会利用多盏灯进行编码，而是使用烽火狼烟的浓烈程度表示不同的信号。《墨子·号令篇》中记载“望见寇举一棰，入境举二棰，押廓举三棰，入廓举四棰，狎城举五棰“，一棰表示一堆柴草，五棰就表示五堆柴草。
而烽火台传递信息也未必一定要用烽火。在宋代时火药和火炮已经被发明，“挂旗+放炮”这种“视听多媒体”的信息传递方式效果就更好。比如贼从东面来，就挂青色旗并响一声炮；贼从南面来，就挂红色旗并响两声炮；贼从西面来，就挂白色旗并响三声炮；贼从北面来，就挂浅黑色旗并响四声炮[1]。
在中国之外，近代法国也有一套单靠“眼睛看“的千里传递信息的系统。每个”烽火台“上不再使用烟火，而是架着一根巨大的横梁和两个悬臂，称为Chappe Telegraph，通过横梁和悬臂转动不同的角度，”摆不同的pose“来表示不同的信息，下一个架子的工作人员会像《寄生虫》中的基宇一样拿着望远镜观看上一个架子的姿势，一个接一个传递，可以把信息从首都巴黎一路传送到法国的边境小镇。
（图片来源：John Farey, Jr.）
历史上的可见光通信存在什么问题？
望楼格子，社长家客厅的感应灯，烽火台和法国巨型支架拥有一个共同的缺陷：只要距离一远或者遇上遮挡，就啥也看不清了，高倍望远镜也可能无济于事。在几公里之外，明亮灯光也会变得很黯淡，庞然大物也会变得模糊不清，如果再赶上雾霾天气，就更雪上加霜了，用它们来作为远距离的通信手段并不是最理想的选择，现代的光纤通信和无线通信才更具优势。
其实在平时生活中，与《长安十二时辰》的望楼格子最类似的通信方式当属车票上的二维码或者手机App上的QR码了，一个格子就相当于二维码中的一个黑色或白色方块，大多数时候手机摄像头距离二维码都很近，扫码过程也可以看作一种很短距离的可视信息传递。
望楼格子这类装置另一个麻烦在于效率不高，需要人工去翻译信息，把每盏灯点亮或熄灭，另一个望楼上接收者看到之后，还要再解码恢复成信息，这必然消耗不少时间。传递完一组12个方格的信息，要想再传递下一组的12个比特，不得不等一等。而对于烽火台，点燃几堆柴草，等待浓烟升起，显然也不是分分钟的事情。据记载，西汉卫青和霍去病全线出征匈奴时，简单的号令也是要花一昼夜的时间才能从甘肃的烽火台接力传递到辽东的烽火台。而用Chappe Telegraph表示一个信号显然比烧柴草快不少，但是操纵这样巨大的机械装置，一分钟能摆上两三个pose估计已经是上限。所以，古代的各种可见光通信装置往往只能花费比较大的代价，以比较低的效率传递一些简单信息，“难成大器”。
现代的LiFi有何突破？
不过，随着科技的发展，LiFi也许真的会走入我们的生活。
在21世纪，我们有了两件神器，一是LED灯作为信号发射器，可以以极快的频率闪动，二是光电探测器作为信号接收器，闪的再快的LED信号都能接收到，外加计算机的快速处理，它们每秒可以传输的比特数最快已经能达到10G（1010）比特，是《长安十二时辰》和《寄生虫》中人工操作效率的无数倍，这相当于几秒钟之内，就可以轻松把一整部电影从一盏LED的灯光之中下载到自己的手机或笔记本电脑里。
现代LiFi的原理其实正是“望楼格子”、“以头亮灯”与烽火台的结合体。我们既可以让LED灯在一秒内不同时刻有时高亮度，有时低亮度，像望楼格子的某一盏灯时亮时暗的方式传递信息（OOK调制），也可以像《寄生虫》里那样通过控制LED灯长短不同的高亮度脉冲传递信息（PPM调制），还可以像古代烽火台挂不同颜色旗那样，利用不同颜色LED灯光（意味着光的波长不同）同时传递信息（OFDM和CSK调制）。
让我们想象一下用上LiFi的场景：
在飞机上或者会议室里，用LED灯提供上网服务自然是LiFi最直接的应用了。
利用LiFi进行室内定位。凭借GPS和手机基站，在户外定位轻而易举，然而在大型购物中心之类的室内场景中，由于GPS的失灵和无线通信基站数量的有限，手机地图会经常和你一样迷路。不过有了LiFi后，我们可以在室内场所密集安装一些可以发送信号的LED灯，手机摄像头就直接可以用作LiFi接收器，帮助你实现室内的定位与导航。
此外，LiFi可以使得汽车之间通过车灯互相传递信息，防止碰撞事故，交通灯和路灯也可以默默地向公路上的车辆传递悄悄话，发送路况信息，而水下机器人之间也可以用光线来互相交流。
LiFI的优势与面临的挑战
目前LED灯本身已经被广泛用于室内外的照明，很多LiFi的设想都是“照明+通信“两不误。传递信息并不影响LED灯本身的照明功能，或者说LiFi是一种”免费搭便车”的设计，“反正灯也是开着的，为何不用来同时传递些信息呢？不用白不用”。
（图片来源：https://www.fibre-systems.com/sites/default/files/content/news-story/lead-image/Fraunhofer-Lifi-web[1].jpg）
此外，与现在的WiFi相比，LiFi还代表着更高的速度与安全性。可见光波段的带宽先天就比无线射频波段要宽，对数据传输来说，相当于一个是高速公路，一个是乡间小道，LiFi理论上能达到的下载速度比WiFi和手机流量要快很多。在安全方面，如果在房间里安装一个无线路由器或者手机基站，与你一墙（甚至几墙）之隔的他人也能蹭你的网，或者利用某些手段获取你的个人信息。而可见光相比于无线射频信号更加“老实”，只要门窗遮蔽得严严实实，隔壁老王就什么也接收不到，安全隐私这一项上LiFi加分。
不过可见光传输距离短，不容易翻墙越户这一点也是个双刃剑，注定了LiFi难以完全取代WiFi，更适合作为WiFi的“互补搭档”。如上所说，古代的烽火台之类可见光通信系统难有大作为，其实也是因为这一点。现在的LiFi技术设计者也都有“自知之明”，通常会把一个房间这样的短距离作为LiFi主要用武之地。但即使在室内，如果有人不小心把灯光挡住，信号也就会中断。相比之下，一个大汉站在无线路由器前，WiFi无线信号还是能轻而易举通过衍射和绕射避开障碍，不受多少影响。
LiFi覆盖范围小的缺点还意味着要安装很多盏灯，覆盖每个角落，才能保证稳定通信。另外，LiFi还有一个不足之处在于，虽说利用手机或电脑上的探测器从一盏LED灯下载数据不难，但是反方向的上传数据却比较难实现。
由此可见，LiFi技术既充满诱人的前景，也面临难以回避的挑战。不过这不妨碍研究者为LiFi量体裁衣推出了各种应用产品，未来用灯光传递信息将有越来越多的机会成为日常的生活体验。
期待在生活中与LiFi早日相见~
参考文献：
[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.
扫码下载APP
科普中国APP
科普中国
科普中国
京公网安备11010202008423号