用陽光代替WiFi信號連網，沙特科學家這成果亮了_風聞

　　詹士 發自 凹非寺

　　量子位 | 公眾號 QbitAI

　　用陽光代替wifi信號，實現連網並傳輸數據，這可能麼？

　　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。

　　它能把窗子當成了調制解調器（也就是家裏上網用的“貓”），通過改變陽光性質實現信息傳輸。

　　手機攝像頭接收光信號後，再將其轉換回二進制數據。

　　只需功率為1瓦的太陽能電池，就能讓其運行。

　　目前，該研究已發表在《IEEE光子學雜誌》（IEEE Photonics Journal）上。

　　究竟如何做到的？往下看。

　　你，相信光麼？

　　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（偏振片），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，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。在不同電壓下，此類材料分子排列將發生改變，繼而左右該介質光的偏振情況。

　　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，並考慮透光介質雙折射等問題，將兩個反向的液晶 (LC) 單元堆疊在一起。

　　最終，整個調製系統包含3個偏振片，2個反向液晶層（一個常白、一個常黑）——

　　研究者將其稱為雙單元液晶快門(DLS)。

　　此種設計的好處在於：

　　比起單層液晶偏振系統，它能夠更快改變光波偏振，降低編碼錯誤，同時，對於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，當兩者堆疊後，信號「1」的脈衝（綠色曲線）更短，變化更迅速，在通信編碼中效率更高。

　　以DLS為基本調製單元，研究者為替代wifi設計了一整套信息傳輸系統：

　　先讓陽光照射過智能玻璃窗，窗子本身就是調製器，通過DLS改變光波偏振情況，對其進行調製編碼。

　　搭載信息後的光波繼續進入室內，再被手機等終端攝像頭接收到，對其進行解調變回成二進制數據。

　　為了進一步提升傳輸速率，研究者還使用了時分複用技術（TDM）。

　　該技術簡單説，就是在一個信道內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，該設備就開啓傳輸，同時其他設備傳輸將被切斷。

　　最後，研究團隊通過建模，觀察了自己搭建系統的傳輸表現。

　　目前較主流的對光調製並直接傳輸通信方式會採用半導體光放大器（SoA），研究者選取了兩種調製模式進行對比：調製面積66平方釐米的RetroTurbo，以及調製面積14平方釐米PassiveVLC。

　　結果顯示，同等調製面積與同等傳輸距離下，他們的系統均優於目前最先進的方式，最高傳輸速率可達16Kbps。

　　能耗方面，僅需1W的太陽能電池板，就能驅動整個系統運轉。

　　儘管目前傳輸信息速率有限，但團隊認為該成果預示着陽光不僅僅是一種能量資源，更是一種信息資源，這將有助於我們以更低能耗進行信息傳輸。

　　關於後續研究規劃，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

　　最後瞭解下研究團隊成員。

　　一作Sahar Ammar來自阿卜杜拉國王科技大學 (KAUST)，電氣和數學科學與工程 (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學科學與工程 (CEMSE) 部門；

　　指導老師Basem Shihada，主要研究領域為無線、有線通信，也涉足網絡安全與雲計算。

　　參考鏈接：

　　[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