沙特科学家智能玻璃系统，用阳光代替 WiFi 信号连网
量子位2023-04-10 13:16
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
本文来自微信公众号：量子位 （ID：QbitAI），作者：詹士
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