歡迎光臨Li-Fi的高速通訊世界 比Wi-Fi快100倍

圖一 : Harald Haas發表了利用LED燈泡所完成的Li-Fi。

能夠想象的到，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倍的高速無線通信嗎？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， 藉助單一個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。

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、雙向的網路移動通訊能力，由於光無法穿透牆壁，作為數據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持Li-Fi的照明設備。

表一: Li-Fi與Wi-Fi的比較。(●：低●●：中 ●●●：高)

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，的復旦大學也實驗了藉助LED燈光來進行網路的數據傳遞。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台計算機可同時上網，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。

做為4G下一代的移動通訊規格，不只能應用在智能手機，並且能在PC端完全導入，而這被稱為第5代移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代移動通訊系統的標準，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代移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。

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，預計將在無線通信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）

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組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，就像經常有傢具搬動，以及隨時出現影子干擾的起居室，被移動的部分傢具互許也會將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慮。

目前iPhone∕iPad的無線技術可以支持最快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持 Li-Fi 技術的開發，否則便不會在 iOS 內加入相關的訊息。

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，能夠在影像拍攝及數據收發上互相切換，這也就可以想象到鏡頭內將具備 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。

根據Harald Haas對於Li-Fi的原理說明，當定電流流過LED燈泡后，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，藉助這樣的原理，數據量就可以利用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數據，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）支持PoE（乙太網供電）、PLC（電力線通信）以及LED照明產品。2016年12月，PureLiFi已經將數據傳輸速率從原來的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。經三代技術發展后，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、可支持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及個人裝置等鏈接，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。

圖七 : 接收端具體積小、可直接與NB及個人裝置等鏈接。

PureLiFi也和新加坡媒體信息通信發展管理局（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主動層的峰值響應度。

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。

長久以來乘客在搭乘飛機時要求使用無線通信，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，由於利用微波做為數據傳輸載體的無線通信，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信產品，因此印度的 Velmenni便針對航空器環境開發了Li-Fi相關產品，計劃在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為基礎的區域網絡，除了可以為乘客提供娛樂節目之外，並讓支持Li-Fi機制的手機和計算機連接上網。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計劃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的傳輸速度。2015年11月，更以最快1GBps的速度發送數據。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，例如飛機上由於數據傳輸的特殊性，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計劃利用航空器內的燈光來完成以Li-Fi為基礎的區域網絡。

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能手機、平板計算機和筆記本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元。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本身所需要的晶元組，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幫助，並且成為LI-FI系統的關鍵組件之一。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信息，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局限，再加上相關搭配得組件及模塊尚未成形，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組件、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。