Harald Haas 談來自每個燈泡的無線傳輸資料

Harald Haas: Wireless data from every light bulb

如果世上每個燈泡也能同時傳輸資料呢?在TEDGlobal中,Harald Haas第一次公開展示一個確實能做到這一點的裝置。藉著來自單一LED的燈光,以快到人眼無法察覺的速度做微小改變,他可以傳輸比一座無線電塔更多的資料量-並用一種更有效率、更安全及更普及的方式來達成。

講者介紹

Harald Haas

Harald Haas是製造出同時具有通訊及照明功用的新型燈泡之幕後先鋒-這是一個利用光而非無線電波上網的裝置。

想像一下,用你的車前燈來傳輸資料...或在一架飛機上安全地瀏覽網頁,只靠視線中的光線與網路連接。Harald Haas正致力於這方面的工作。身為一位在愛丁堡大學任教的工程學教授,Haas長久以來一直致力於研究電子資料訊號的傳輸方法,設計調變技術,使現有網路能容納更多的資料量。但他最近的工作跳脫了線路和無線電波領域,而藉著明暗轉換速度比人眼所見更快的LED燈泡來傳輸資料。 他將這個系統稱為D-Light,,使用叫做OFDM(正交分頻多工)的數學技巧,使它能以非常快的速度改變LED的輸出強度,而人眼無

譯者介紹

翻譯人員洪曉慧

繁體編輯朱學恒、洪曉慧

簡體編輯朱學恒、洪曉慧

檔案後製處理洪曉慧、謝旻均


Harald Haas 談來自每個燈泡的無線傳輸資料

  • 你們知道人們在全球設置了140萬座無線電塔嗎?這些是基地台,我們也有超過50億台像這樣的設備,這是行動電話,我們每個月用這些手機傳輸超過600TB的資料,這個數字是6後面有14個零-非常大的數字。無線通訊已成為像水電一樣的公共設施,我們每天都會用到,我們將它用於日常生活、用於我們的私人生活、業務生活中,甚至有時在像這樣的場合中,因為一些合宜的理由,會有人很客氣的要求我們關上手機。正因為它的重要性,所以我決定研究跟這項科技有關的問題,因為它對我們生活來說已成為不可或缺的基礎。

    其中一個問題是容量。我們傳輸無線數據的方式是使用電磁波-特別是無線電波。無線電波是有限的,它們稀少且昂貴,我們只擁有特定範圍內的電磁波,這種限制使我們無法應付無線數據傳輸所需,及每個月所傳輸的位元數和資料量,這些資料量即將耗盡電磁光譜的容量。還有另一個問題,就是效能。這140萬座無線電塔或基地台,消耗了很多能量,請注意,大部分能量不是用來傳輸無線電波,而是用來冷卻基地台,這使得基地台的效能只有5%左右,這造成了一個大問題。還有另一個你們都知道的問題,在飛機上你必須關掉手機,在醫院裡,它會造成安全上的問題;另一個問題是安全性,這些無線電波可以穿透牆壁,可以被攔截,心懷不軌的人可以藉此利用你的網路。

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  • 因此,這是四個主要問題。但另一方面,我們擁有140億個這像這樣的東西,燈泡,即光,光屬於電磁光譜的一部分,因此,我們來看看整個電磁光譜的情形。其中有伽瑪射線,你不會想接近伽瑪射線,它可能會帶來危險;X射線,在醫院中有廣泛用途;還有紫外光,對曬黑來說很有用,但對人體來說有危險性;紅外線-基於對人眼安全的規定,你只能使用低功率的紅外線;然後是無線電波,它們的問題我剛剛提過了。中間部份屬於可見光光譜,就是所謂的光。光已存在了千百萬年,事實上,它創造了人類、創造了生命,創造了所有有生命的東西,因此,本質上它使用起來是安全的,若能利用它來進行無線通訊,不是很棒嗎?

    不僅如此,我將它與整個光譜做個比較,我將無線電磁光譜的大小跟可見光光譜做個比較,你猜結果如何?我們可使用的光譜大小是原先的10000倍以上,因此,不僅擁有如此大範圍的光譜,再將它們與我剛剛提過的數字做個比較,我們已經設置了140萬座昂貴、低效率的無線電基地台,將它乘以10000,結果是140億,140億正好是已裝設的燈泡數量,因此,我們已經有了這些基礎設施。看看天花板,目光所及之處都是燈泡,進入主要樓層,也一樣看得見這些燈泡。

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  • 我們可以利用它們進行通訊嗎?是的。我們需要做些什麼?我們需要做的一件事,就是必須換下這些低效率的白熾燈泡、螢光燈,用這種LED新科技燈泡代替。LED是一種半導體,是一種電子裝置,它有非常棒的敏銳性,我們可用非常高的速度調整它的強度,也可用非常高的速度將它關閉,這是一個我們正使用一些技術探索的基本性質,我來展示一下我們是如何進行的。我們用與可見光譜最相關的裝置來看-遙控器,大家都知道遙控器有一個紅外線LED,基本上你打開LED,然後將它關上,它會產生一個簡單、低速的資料串流,以每秒1萬或2萬位元的速度傳輸,對傳輸YouTube影片來說不是很有用。

    我們所做的是,我們開發出一種技術,使我們能進一步用燈泡來取代遙控器,使用我們的技術所傳輸的,不僅是單一的資料串流,我們以更高的速度平行傳輸千萬筆資料串流,我們所開發的技術-就是所謂的SIM OFDM,它屬於一種空間調變-這是科技上的術語,我不打算詳細說明,但這就是我們用光源來傳輸資料的方法。

    你們會說,「好吧,這很不錯-10分鐘做出一張幻燈片。」但不僅如此,我們所做的是,我們還開發了實物模型,這是我第一次在公開場合展示這個可見光實物模型裝置。這是一個普通的檯燈,我們將其裝上價值3美元的LED燈泡,並置入我們開發的信號處理技術。這裡有個小洞,光會穿過那個洞,洞中有個接收器,接收器會將我們製造出的變化微小的波動轉換成電子訊號,這些電子訊號會被轉換成高速資料串流,我們希望未來能將這個小洞整合在智慧手機中,不僅是整合一個光感測器,也許我們會在其中裝置一台相機。

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  • 那麼,當我打開光源時,會發生什麼事?正如你們所知,這是一束光源,一座檯燈,將書放在下方就可閱讀,它照亮了四周的空間,但同時,你可以看到這裡放映的這部影片,這是一部影片,一部藉由這束光源傳輸的高解析度影片,但你很有批判性,你會想,「哈,哈,哈,這是用一點聰明的把戲呈現出的理論上做法。」不過,讓我這麼做吧!

    再一次,還是不相信?正是這個光源以資料串流傳輸這部高解析度影片。如果你觀察這個光源,它依然如常的照耀著,以人類肉眼無法注意到它有何變化,你察覺不出我們施加在燈泡光波振幅中的細微變化,它可滿足燈光的照明功用,但同時也可用來傳輸資料。你可以看到,即使有來自天花板照射到接收器的燈光,它會忽略那不變的光源,因為接收器偵測的只是其中微妙的變化。你或許也會想到一個重要的問題,你會說,「好吧,我需要一直開著燈才能讓它運作這個功能嗎?」答案是肯定的,但你可以將光線轉暗到幾乎熄滅的程度,它仍然能傳輸資料-這是可行的。

    所以,我提過有四個挑戰,容量:我們現在擁有10000倍的光譜範圍,已經裝設的LED數量是目前基礎設施的10000倍,希望你們同意我的看法,這就解決容量的問題了。效能:這是藉由照明傳輸資料-重點在於照明設備,如果以能源預算來說,這個資料傳輸是免費的,這是高效能的裝置,我就不提這些LED燈泡有多節能了。如果全世界都裝設這些LED燈泡,我們就能省下數百座發電廠,這是題外話。

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  • 我還提過適用性,你們都知道醫院中有燈光,你們只需要瞭解該怎麼利用它。飛機上也有燈光,每個地方都有燈光,環顧四周,燈光無所不在,看看你的智慧手機,上面有手電筒,LED手電筒,這些都是可用於高速資料傳輸的潛在資源。

    還有安全性,你會同意我的說法,燈光不會穿透牆壁,如果我這裡有光源,如果我有需保密的資料,在這房間的另一頭沒人能隔牆讀取這些資料,只有在有光的地方才能讀取這些資料,所以,如果我不希望接收器接收這些資料,我能怎麼做?我可以把它轉開,所以資料轉向那個方向,不在這裡了,現在我們可以真正看到資料的流向。

    所以對我來說,此刻這個技術的應用範圍是超乎想像的。我們有上百名非常優秀、聰明的應用程式開發人員,你只需要瞭解,只要是有燈光的地方,就有傳輸資料的潛在方式,但我可以提出幾個例子,讓你們看看它目前所帶來的影響。這是一輛潛入海底、以遙控操作的車,它用光來照亮海底的空間,這個光源可用來傳輸無線資料,使這些裝置可以彼此通訊。

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  • 以這些石化工廠環境本身的安全性來說,你不能在其中使用無線電頻率,因為它可能使天線產生火花,但可以使用光-你可以看到,處處都有燈光。在醫院裡,可用於新型醫療設備;在街道上,可用於交通管制;汽車裝有LED頭燈、LED尾燈,汽車可藉此交換訊息,而防止意外發生;交通信號燈也可以與汽車通訊,以此類推。還有裝設在世界各地、數百萬計的路燈,每盞路燈都可以當做一個免費的存取點,事實上,我們稱之為Li-Fi,即光傳真。還有這些機艙,機艙中有數以百計的燈,每盞燈都可當作無線資料的潛在傳輸工具。所以,在長途飛行的回程中,你可以在飛機上享受最喜愛的TED影片,享受網路生活,因此我認為這是一個可能成真的願景。

    因此,我們需要做的,就是將一個小微晶片裝在每一個潛在的照明設備中,這將使兩個基本功能結合在一起:照明及無線資料傳輸。我個人認為,這個相輔相成的技術可以解決我們目前在無線通訊方面面臨的四個基本問題。在未來,我們擁有的不僅是140億個燈泡,我們擁有的或許是裝設在世界各地、140億個Li-Fi,為了一個更潔淨、更環保、甚至更光明的未來。

    謝謝。

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