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用陽光代替 wifi 信號,實現(xiàn)連網(wǎng)并傳輸數(shù)據(jù),這可能么?
有人做到了。
沙特阿拉伯的研究者設計了一種智能玻璃系統(tǒng)。
它能把窗子當成了調(diào)制解調(diào)器,通過改變陽光性質(zhì)實現(xiàn)信息傳輸。
手機攝像頭接收光信號后,再將其轉(zhuǎn)換回二進制數(shù)據(jù)。
只需功率為 1 瓦的太陽能電池,就能讓其運行。
目前,該研究已發(fā)表在《IEEE 光子學雜志》上。
究竟如何做到的?往下看。
你,相信光么?
在以往,前人一般是改變光的強度對其進行編碼。
但光在空氣傳播中,其強度會受氣壓等環(huán)境影響而不斷變化,傳輸效率太低,且人眼對光強劇烈變化十分敏感。
這回,這些研究者轉(zhuǎn)而使用光的偏振原理。
中學就有學到,光作為一種橫波,如果讓其通過特定介質(zhì),將只保留特定方向的部分光波。
通過上述原理,研究者設計出一個系統(tǒng),通過改變光波偏振狀況,將信息搭載到陽光中,且人眼不易察覺變化。
具體改變需要通過液晶材料實現(xiàn)。在不同電壓下,此類材料分子排列將發(fā)生改變,繼而左右該介質(zhì)光的偏振情況。
但這仍不夠。
為提升編碼效率,研究者還參考液晶快門的時間響應函數(shù),并考慮透光介質(zhì)雙折射等問題,將兩個反向的液晶 單元堆疊在一起。
最終,整個調(diào)制系統(tǒng)包含 3 個偏振片,2 個反向液晶層——
研究者將其稱為雙單元液晶快門 。
此種設計的好處在于:
比起單層液晶偏振系統(tǒng),它能夠更快改變光波偏振,降低編碼錯誤,同時,對于光在傳播中強度隨機起伏的「閃爍效應」也能減小影響。
從下圖能看出,紅線為常白模式對信號 1 的輸出,藍線為常黑模式,當兩者堆疊后,信號「1」的脈沖更短,變化更迅速,在通信編碼中效率更高。
以 DLS 為基本調(diào)制單元,研究者為替代 wifi 設計了一整套信息傳輸系統(tǒng):
先讓陽光照射過智能玻璃窗,窗子本身就是調(diào)制器,通過 DLS 改變光波偏振情況,對其進行調(diào)制編碼。
搭載信息后的光波繼續(xù)進入室內(nèi),再被手機等終端攝像頭接收到,對其進行解調(diào)變回成二進制數(shù)據(jù)。
為了進一步提升傳輸速率,研究者還使用了時分復用技術。
該技術簡單說,就是在一個信道內(nèi)將傳輸時間進行切割,按一定次序給不同設備分配傳輸接受時間,輪到某個設備時,該設備就開啟傳輸,同時其他設備傳輸將被切斷。
最后,研究團隊通過建模,觀察了自己搭建系統(tǒng)的傳輸表現(xiàn)。
目前較主流的對光調(diào)制并直接傳輸通信方式會采用半導體光放大器,研究者選取了兩種調(diào)制模式進行對比:調(diào)制面積 66 平方厘米的 RetroTurbo,以及調(diào)制面積 14 平方厘米 PassiveVLC。
結(jié)果顯示,同等調(diào)制面積與同等傳輸距離下,他們的系統(tǒng)均優(yōu)于目前最先進的方式,最高傳輸速率可達 16Kbps。
能耗方面,僅需 1W 的太陽能電池板,就能驅(qū)動整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)。
盡管目前傳輸信息速率有限,但團隊認為該成果預示著陽光不僅僅是一種能量資源,更是一種信息資源,這將有助于我們以更低能耗進行信息傳輸。
關于后續(xù)研究規(guī)劃,團隊表示:
他們下一步希望能將傳輸速率提升到每秒兆比特,甚至千兆比特,為此將申請訂購相關測試硬件。
團隊介紹
最后了解下研究團隊成員。
一作 Sahar Ammar 來自阿卜杜拉國王科技大學 ,電氣和數(shù)學科學與工程 (CEMSE) 部門,主要研究方向為光通信;
二作 Osama Amin,同樣來自阿卜杜拉國王科技大學的電氣和數(shù)學科學與工程 部門;
指導老師 Basem Shihada,主要研究領域為無線、有線通信,也涉足網(wǎng)絡安全與云計算。
參考鏈接:
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