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迎接「光世代」,Li-Fi 讓你有光就能上網

李柏昱
・2015/11/30 ・2133字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 580 ・九年級

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此時此刻閱讀這篇網路文章的你,可能正在使用咖啡店的無線網路,或是偷用隔壁鄰居忘記設密碼的熱點,相信過去也經常為了龜速的網速,或者競爭有限的頻寬而感到十足不耐。

現在有越來越多的電子產品需要網際網路,網路塞車的現象將越趨明顯。為解決此一問題,愛丁堡大學哈洛德海斯(Harald Haas)教授想到,為什麼不用光線來傳輸資料呢?

光線如何變成高速網路線?

你大概沒想過 LED 燈除了節省電力,還能擔當起網路信號發射器的角色。只要在日常使用的 LED 燈中內置一顆微型晶片調整燈光,加上目前 LED 燈的普及,便可創造全新的上網途徑-「Li-Fi(Light-Fidelit)」,也被稱為「可見光通訊(Visible Light Communication, VLC)」。

Li-Fi 光通訊利用 LED 燈泡做為訊號的發射器,並裝設光電二極體(photodiode)作為接收器,當燈泡亮起即代表 1,熄滅代表 0,藉由光線編碼並傳輸資訊。由於燈泡閃爍速度極快,人類肉眼並無法察覺其變化。

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利用光線來通訊的 Li-Fi,和 Wi-Fi 相比具備更大的頻寬、更快的傳輸速度,可能將為無線網路通訊技術帶來革命性的改變,解決無線網路傳輸技術當今的眾多侷限。

未來的LED燈除了照明功能,也能透過光線閃爍提供上網服務,速度比現在的Wi-fi更快。(圖片來源:Wikimedia Commons 作者:Alejosemejiagp)

德國、英國、台灣都在研究的光線傳輸能力

2012年德國柏林的研究團隊,在只有一個 LED 燈泡的情形下,達成每秒 500MB 的傳輸速度。倘若同時使用一排 LED 燈,或是使用不同顏色波段的燈泡,甚至就能傳送更大量的訊息。英國愛丁堡大學的哈洛德海斯(Harald Haas)教授說:「所有的元件跟機制都已經就定位,現在只要把他們放在一起、使之運作即可。」

台灣的研究團隊在可見光通訊領域中也佔有一席之地,如何改善現有技術、突破「傳輸速率」及「空氣中自由傳輸距離」限制,是各團隊努力的重點。國立臺北科技大學光電工程系呂海涵教授帶領的團隊,使用紅光雷射光作為光源,將技術推進到在一秒內傳輸 10 Gbps的資料,這代表一部 1.5 小時的高畫質電影只要 45 秒就能下載完成!同時,允許的資料傳輸距離也達到 17.5 公尺,突破一般白光 LED 燈 5 公尺的距離限制。

「網路光世代」,用光更加安全的上網

Li-Fi 跟 Wi-Fi 本質上都是電磁波的一種,只是波長不一樣。Li-Fi 所運用的肉眼可見光,波長介於 400 奈米至 700 奈米之間,波長較短、頻率也較高;而 Wi-Fi 所使用的微波,波長則約在1毫米至1公尺之間,容易受到無線電波干擾。Li-Fi 很可能突破因無線電波干擾造成的上網死區,例如飛機的客艙,或是醫院。只要光透得過去,甚至在水中也能有網路訊號。

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由於 Wi-Fi 是微波、可以穿透牆壁等物體,因此只要進入到特定 Wi-Fi 的範圍就可能使用或盜取資料;然而 Li-Fi 使用的可見光線並無法穿透牆壁,因此得以限制資料傳輸的範圍,加強傳輸安全。

但,只要沒了光,Li-Fi 便無用武之處。也就是說,在戶外缺乏人工照明的地方,或者白天室內日光充足沒開燈的時候,都沒有辦法使用Li-Fi。 就現階段而言,Li-Fi距離要完全打敗Wi-Fi或是普及化,仍遭遇一些困難。

直視瓶頸,Li-Fi 必須兼顧傳輸速率與距離才能真正普及

台北科技大學光電工程系專案研究助理教授李忠益指出,目前可見光通訊使用之光源分為可見光雷射和 LED 兩種。雷射的指向性高、發散角小,所以不會受到其他光線的干擾及影響;然而 LED 因具有大的發散角,故容易受到強光、光線及陽光等影響。

為解決這項問題,可以在 Li-Fi 的發射端及接收端加入一些機制,如:發射端使用特定波長來進行光訊號的傳遞,接收端可於接收光訊號前加入濾波片,將不需要或多餘的光線(波長)濾除,只讓載有訊號的光(波長)通過,減少光線或強光等干擾。

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此外,Li-Fi 若要真正打入市場,必須提供比過去的無線網路更為優異的傳輸表現,並且兼顧傳輸速率與距離。目前利用可見光雷射所建構之可見光通訊系統技術上已漸成熟,全面商用普及化不是問題。而以 LED 為光源所建構之可見光通訊系統,因 LED 先天頻率限制,要達到高傳輸速率需要更為複雜的調變方式,同時在光源發散情況下,傳輸速率越高,其傳輸距離就越短(僅剩約幾十公分),造成速率與距離無法兼具的情況,也是造成全面商用普及化的最大因素。

未來,Wi-Fi 可能與 Li-Fi 相輔相成,提供人們更便捷的網路通道。Li-Fi 已經成為光通訊研究領域相當亮眼的熱門主題,目前也有許多業者推出具有 Li-Fi 功能的電子產品,業者也預測,Li-Fi的傳輸速率將達到每秒 400Gbps。相信在不遠的未來,只要有光的地方,就能高速上網。

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所
審校:陳妤寧

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本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

延伸學習:
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李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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