使用窄紅外光束的室內光學無線通信系統的一個例子
光纖等基於光學的技術極大地影響了有線通信時代。現在，他們似乎也將徹底改變無線通信，並通過使用可操控的、狹窄的紅外光束，以節能和安全的方式向用户設備發送大量數據，解決傳統的基於無線電的方法的關鍵問題。埃因霍温理工大學的研究人員正在開發紅外無線通信的新方法，這可能會永遠改變我們獲取數據的方式。
現代世界正迅速成為一個無線、紅外的世界!到目前為止，大多數的無線通信，無論是室內還是室外，都是以無線電為基礎的。儘管信號調製技術可以將更多的數據壓縮到有限的無線電頻譜中，而空間多路複用技術可以在不需要更多頻譜的情況下將多個數據信號組合成一個信號，但我們正努力滿足指數級增長的數據需求。
解決方案可能是光無線通信，它使用寬光譜範圍的光波長，從幾百納米到幾微米，包括可見光和紅外輻射。光子集成研究所的Ton Koonen和研究人員正在設計的原型系統，其容量是目前共享WiFi系統的2000多倍。他們在皇家學會《哲學學報A》的主題期刊“光無線通信”上發表了他們的研究成果，該期刊是世界上現存最古老的科學期刊。艾薩克·牛頓的第一篇論文《關於光和顏色的新理論》於1672年發表在同一份雜誌上。
可操縱的
窄光束光無線通信具有許多優點;它們易於定向，比無線電波更節能，具有更低的延遲級別(在發出開始數據傳輸的命令後開始數據傳輸之前的延遲)，為每個用户提供更大的容量，併為用户提供更大的數據和通信隱私。
值得注意的是，波長超過1400納米的紅外無線通信對眼睛是安全的，因為這些波長的光線被眼睛內的晶狀體和玻璃液體的混合物吸收，因此無法到達眼睛的視網膜。因此，眼睛安全條例允許在自由空間的紅外光束比可見光光束攜帶更多的能量，這對數據傳輸是個好兆頭。
對於室內無線通信，攜帶數據的紅外信號易於操縱。這意味着單個梁可以精確地指向一個設備通過一個非共享的通信鏈接,如提供128個獨立的信號攜帶112 Gbit s - 1 /信號,如Koonen的實驗室所示。相比之下,共享無線系統可以提供最多7 Gbit的s - 1,超過三個數量級低於可操縱的紅外系統。
能源效率
在他們的室內紅外無線系統中，光束由中央通信控制器(CCC)發出的光纖傳輸。當光束到達一個房間時，它們會通過基於天花板的鉛筆輻射天線(PRA)傳輸到預定的設備上。然而，紅外無線通信的一個缺點是，它要求PRA和接收設備之間有一個清晰的視線(LoS)，否則光束無法到達設備。因此，在沒有LoS的情況下，採用多個PRAs從不同方向傳輸信號。
在轉向過程中的能源效率是確保使用被動方法來引導紅外光束。這種方法不需要外部動力，可以提供更快的轉向速度，更容易擴大。其中一種方法是結合波長衍射函數來調整光的波長。光柵被設計成在某一特定方向衍射某一波長，其中波長的數目和相關的光束受到激光二極管發射器的調諧範圍的限制。
接收信號，定位設備和實際演示
該PRAs可以傳輸該紅外信號，但也需要一個光接收器，以檢測該信號在裝置。Koonen和他的團隊已經開發了一種基於集成光學技術的光接收器。接收器使用光柵捕獲入射光束，然後將信號沿波導發送，最後進入高速光電二極管。
當然，如果波束控制系統不能正確定位用户設備的位置，它將是無效的。因此，在發送信號之前，系統需要收集設備的位置信息。為了實現這一點，該團隊在設備的光接收器周圍放置了四個可見光led，並在天花板上放置了一個攝像頭。每個設備都有一個獨特的led閃爍序列，攝像機會記錄下來，然後用樹莓派模塊進行分析。小組考慮的另一種方法是用搜索光束掃描用户區域，並在PRA處監測反射光。
為了證明他們的系統的可行性，Koonen和他的團隊建立了一個由PRAs、定位探測器、光學接收器和中央通訊控制器(CCC)組成的實驗室。利用這個系統，他們演示了兩個高清視頻從一對顯示器到另一對顯示器的實時傳輸。視頻數據集以10gbit s-1流攜帶。命令式地，信號傳輸以非常低的延遲發生。為了考慮設備位置的任何變化，研究人員包括一個微電子機械系統(MEMS)光交叉連接(OXC)，以保持PRA與設備的通信
在Ton Koonen的實驗室演示紅外無線通信系統。
一個混合系統:無線電和紅外線
雖然紅外無線通信有很多優勢，但它不會完全取代基於無線電的無線通信，因為光通信需要視線。據設想，光無線將支持基於無線電的網絡，並提供必要的基礎設施來處理與物聯網設備有關的低速間歇數據包。考慮到我們使用設備的方式，對更大的下游產能的需求大於上游產能。由波束控制的下游無線通信和基於無線電的上游設備組成的混合系統將允許用户利用兩種技術的優點。
這種方法的應用可能包括需要即時高容量服務的無線設置、需要高度安全和私人通信的情況，或對電磁干擾有嚴重異議的情況。就室內情況而言，這種方法可以用於住宅、醫院、辦公樓、會議室、博物館、機場候機室、飛機、火車或公共汽車、展廳或購物中心。
雖然紅外無線通信可能成為在不久的將來，它不是告別無線電通信的時候。相反，像庫寧和埃因霍温理工大學的團隊這樣的創新，可能預示着紅外無線通信和基於無線電的技術聯合起來，以滿足我們日益增長的在線數據處理需求的未來。然後，我們就可以通過無線網絡真正擁抱這個世界了。