用阳光代替wifi信号,实现连网并传输数据,这可能么?

有人做到了。



沙特阿拉伯的研究者设计了一种智能玻璃系统。

它能把窗子当成了调制解调器(也就是家里上网用的“猫”),通过改变阳光性质实现信息传输。

手机摄像头接收光信号后,再将其转换回二进制数据。

只需功率为1瓦的太阳能电池,就能让其运行。



目前,该研究已发表在《IEEE光子学杂志》(IEEE Photonics Journal)上。



究竟如何做到的?往下看。

你,相信光么?

在以往,前人一般是改变光的强度对其进行编码。

但光在空气传播中,其强度会受气压等环境影响而不断变化,传输效率太低,且人眼对光强剧烈变化十分敏感。

这回,这些研究者转而使用光的偏振原理。

中学就有学到,光作为一种横波,如果让其通过特定介质(偏振片),将只保留特定方向的部分光波。



通过上述原理,研究者设计出一个系统,通过改变光波偏振状况,将信息搭载到阳光中,且人眼不易察觉变化。

具体改变需要通过液晶材料实现。在不同电压下,此类材料分子排列将发生改变,继而左右该介质光的偏振情况。



但这仍不够。

为提升编码效率,研究者还参考液晶快门的时间响应函数,并考虑透光介质双折射等问题,将两个反向的液晶 (LC) 单元堆叠在一起。

最终,整个调制系统包含3个偏振片,2个反向液晶层(一个常白、一个常黑)——

研究者将其称为双单元液晶快门(DLS)。



此种设计的好处在于:

比起单层液晶偏振系统,它能够更快改变光波偏振,降低编码错误,同时,对于光在传播中强度随机起伏的「闪烁效应」也能减小影响。

从下图能看出,红线为常白模式对信号1的输出,蓝线为常黑模式,当两者堆叠后,信号「1」的脉冲(绿色曲线)更短,变化更迅速,在通信编码中效率更高。



以DLS为基本调制单元,研究者为替代wifi设计了一整套信息传输系统:

先让阳光照射过智能玻璃窗,窗子本身就是调制器,通过DLS改变光波偏振情况,对其进行调制编码。

搭载信息后的光波继续进入室内,再被手机等终端摄像头接收到,对其进行解调变回成二进制数据。



为了进一步提升传输速率,研究者还使用了时分复用技术(TDM)。

该技术简单说,就是在一个信道内将传输时间进行切割,按一定次序给不同设备分配传输接受时间,轮到某个设备时,该设备就开启传输,同时其他设备传输将被切断。



最后,研究团队通过建模,观察了自己搭建系统的传输表现。

目前较主流的对光调制并直接传输通信方式会采用半导体光放大器(SoA),研究者选取了两种调制模式进行对比:调制面积66平方厘米的RetroTurbo,以及调制面积14平方厘米PassiveVLC。

结果显示,同等调制面积与同等传输距离下,他们的系统均优于目前最先进的方式,最高传输速率可达16Kbps。



能耗方面,仅需1W的太阳能电池板,就能驱动整个系统运转。



尽管目前传输信息速率有限,但团队认为该成果预示着阳光不仅仅是一种能量资源,更是一种信息资源,这将有助于我们以更低能耗进行信息传输。

关于后续研究规划,团队表示:

他们下一步希望能将传输速率提升到每秒兆比特,甚至千兆比特,为此将申请订购相关测试硬件。

团队介绍

最后了解下研究团队成员。

一作Sahar Ammar来自阿卜杜拉国王科技大学 (KAUST),电气和数学科学与工程 (CEMSE) 部门,主要研究方向为光通信;

二作Osama Amin,同样来自阿卜杜拉国王科技大学的电气和数学科学与工程 (CEMSE) 部门;

指导老师Basem Shihada,主要研究领域为无线、有线通信,也涉足网络安全与云计算。



参考链接:
[1]https://ieeexplore.ieee.org/document/9864223/authors#authors
[2]https://interestingengineering.com/innovation/researchers-devise-smart-glass-windows-that-can-polarize-sunlight-for-wireless-data-transmission
[3]https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/226738?returnurl=https://www.alphagalileo.org/en-gb/Item-Display/ItemId/226738