用燈泡上網(wǎng)是異想天開(kāi)？——揭開(kāi)Li-Fi技術(shù)真相

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展，WiFi技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用在日常生活中。然而，目前WiFi技術(shù)所承載的電磁波頻段頻譜資源稀缺，無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信要求。此外，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)安全問(wèn)題也一并為WiFi技術(shù)的發(fā)展提出了挑戰(zhàn)。新一代光通信技術(shù)——LiFi的出現(xiàn)，可以為數(shù)據(jù)傳輸提供了一種更為安全、高速、穩(wěn)定的解決方案。

Li-Fi，是英文 Light Fidelity 的縮寫(xiě)，類(lèi)似于Wi-Fi 。Li-Fi 使用電磁波譜的可見(jiàn)光部分，進(jìn)行信息傳輸。它是一種雙向、高速、完全網(wǎng)絡(luò)化的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，同時(shí)它也是一種可見(jiàn)光通信的形式，屬于無(wú)線(xiàn)光通信的一部分。無(wú)線(xiàn)光通信包括紅外和紫外通信，也包括可見(jiàn)光通信。然而，Li-FI是一種獨(dú)特的形式，因?yàn)樗瓤梢杂糜谡彰鳎部梢酝瑫r(shí)用于通信。

Li-Fi 技術(shù)，通過(guò)對(duì)于光線(xiàn)強(qiáng)度的調(diào)制(例如LED燈發(fā)出閃爍的光線(xiàn))來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。這種光的閃爍頻率極高，肉眼是無(wú)法察覺(jué)的。只有光敏探測(cè)器才能檢測(cè)到這種光線(xiàn)變化，然后將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的形式。

Li-Fi 的工作原理

當(dāng)LED燈泡上有恒定的電流通過(guò)時(shí)，燈泡就會(huì)激發(fā)出連續(xù)的光子流，然后我們就會(huì)觀(guān)察到可見(jiàn)光。如果電流緩慢變化，輸出的光線(xiàn)就會(huì)忽明忽暗。

因?yàn)長(zhǎng)ED燈泡是半導(dǎo)體設(shè)備，電流以及輸出的光線(xiàn)，可以通過(guò)極高速的方式進(jìn)行調(diào)制。然后，光電探測(cè)器會(huì)檢測(cè)到這種信號(hào)，轉(zhuǎn)化為電流的形式。這種光電調(diào)制是人眼無(wú)法察覺(jué)到的。

LED燈具利用信號(hào)處理技術(shù)，將數(shù)據(jù)嵌入到光束中，并且以超高的速度發(fā)給光電探測(cè)器，然后這種微小的光線(xiàn)變化會(huì)被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再轉(zhuǎn)回?cái)?shù)據(jù)流的形式，發(fā)送給計(jì)算機(jī)或者移動(dòng)設(shè)備。

無(wú)線(xiàn)射頻通信需要射頻電路、天線(xiàn)和復(fù)雜的接收器。然而 Li-Fi 要簡(jiǎn)單的多，它使用的直接調(diào)制方法，和低成本紅外通信設(shè)備使用的方法類(lèi)似。紅外通信，為了不損傷眼睛，所以功率受限。然而，LED燈泡可以具有高亮度，能夠達(dá)到很高的數(shù)據(jù)傳輸率。

Li-Fi技術(shù)的來(lái)歷

2012年12月，哈斯和他在英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)最新發(fā)明了一種專(zhuān)利技術(shù)，利用閃爍的燈光來(lái)傳輸數(shù)字信息。通過(guò)給普通的LED燈泡加裝微芯片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用燈泡發(fā)送數(shù)據(jù)。而燈泡的閃爍頻率達(dá)到每秒數(shù)百萬(wàn)次。通過(guò)這種方式，LED燈泡可以快速傳輸二進(jìn)制編碼。但對(duì)裸眼來(lái)說(shuō)，這樣的閃爍是不可見(jiàn)的，只有光敏接收器才能探測(cè)。這類(lèi)似于通過(guò)火炬發(fā)送莫爾斯碼，但速度更快，并使用了計(jì)算機(jī)能理解的字母表。使用標(biāo)準(zhǔn)的LED照明燈，哈斯與他的同事戈登·波維創(chuàng)建的研究小組已經(jīng)達(dá)到了兩米距離的130兆比特每秒的傳輸速度。隨著白熾燈、熒光燈逐漸退出市場(chǎng)并被LED取代，未來(lái)任何有光的地方都可以成為潛在的LiFi數(shù)據(jù)傳輸源。

Li-Fi系統(tǒng)的組成

從上圖中，我們看到：可見(jiàn)光通信系統(tǒng)由路由器(集 線(xiàn)器)、LED光源、接收器和信息終端(含適配器)等 組成。

可見(jiàn)光路由器是可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)中的核心組成部分，可以接受來(lái)自信息終端用戶(hù)的信息，同時(shí)分時(shí)段的將接收到的信息通過(guò)主光源以廣播的方式發(fā)送出去。

發(fā)射部分主要包括將信號(hào)源信號(hào)轉(zhuǎn)換成便于光信道傳輸 的電信號(hào)的輸入和處理電路、將電信號(hào)變化調(diào)制成光載 波強(qiáng)度變化的LED可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)調(diào)制電路。白光LED光源 發(fā)出的已調(diào)制光以很大的發(fā)射角在空間中朝各個(gè)方向傳 播。由于室內(nèi)不受強(qiáng)背景光和天氣的影響，光傳播基本 上不存在損耗，但是由于LED光源個(gè)數(shù)較多，且具有較 大的表面積，因而在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間存在若干條不 同的光路徑，不同的光路徑到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間不同，將 引起所謂的碼間干擾(ISI)。由于白光LED光源發(fā)出的是 可見(jiàn)光，且發(fā)散角較大。對(duì)人眼睛基本無(wú)害、無(wú)電磁波 傷害等優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)射端可以具有較大的發(fā)射功率，使得系統(tǒng)的可靠性大大提高。

接收部分主要包括能對(duì)信號(hào)光源實(shí)現(xiàn)最佳接收 的光學(xué)系統(tǒng)、將光信號(hào)還原成電信號(hào)的光電探測(cè)器和前 置放大電路、將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被終端識(shí)別的信號(hào)處理 和輸出電路。室內(nèi)的光信號(hào)被光電檢測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ，然后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大和處理，恢復(fù)成與發(fā)端一樣的 信號(hào)。該系統(tǒng)的上行鏈路與下行鏈路的組成除了使用的 光源不同外，其它基本一樣。上行鏈路采用的光源仍然 由白光LED組成，只不過(guò)發(fā)射面積較小，且具有較小的 發(fā)射角，天花板上安裝的光電檢測(cè)器接收來(lái)自用戶(hù)的光 信號(hào)。若將上述基本結(jié)構(gòu)在通信雙方對(duì)稱(chēng)配置，就可以得到一個(gè)可以雙向同時(shí)工作的全雙工LC系統(tǒng)，由該系統(tǒng) 組成的網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為可見(jiàn)光網(wǎng)絡(luò)。

可見(jiàn)光通信適配器包括下行鏈路的白光LED光源和上行 鏈路的光電接收器，具有發(fā)射和接受功能，且負(fù)責(zé)將終 端用戶(hù)的信息調(diào)制成光信號(hào)，并接收來(lái)自下行鏈路的光信號(hào)。

天花板上安裝的光電檢測(cè)器可以接收來(lái)自用戶(hù)的光信號(hào)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)送入可見(jiàn)光通信路由器。

電信號(hào)經(jīng)過(guò)可見(jiàn)光通信路由器的簡(jiǎn)單處理后，調(diào)制到白 光LED光源上變成光信號(hào)，以廣播的方式發(fā)射出去。在 接收端，終端的可見(jiàn)光適配器將接受的信息解調(diào)出來(lái)并 送入終端用戶(hù)，即實(shí)現(xiàn)了局域網(wǎng)內(nèi)的無(wú)線(xiàn)通信。

LiFi的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

建設(shè)便利

燈泡這種設(shè)備在早百多年前被人類(lèi)發(fā)明，并在這百多年來(lái)燈泡的技術(shù)越來(lái)越發(fā)達(dá)。人們可以利用已經(jīng)鋪設(shè)好的電燈設(shè)備電路，在需要接入網(wǎng)絡(luò)的地方植入一個(gè)芯片即可。例如高速公路上的路燈，人們?cè)诟咚傩旭偟能?chē)上能輕易的接收到路燈傳來(lái)的信號(hào)。

高帶寬，高速率

可見(jiàn)光的頻譜帶寬是目前電磁波帶寬的10000倍。目前據(jù)報(bào)道，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試最高速度可達(dá)1Gbps。這對(duì)于人們對(duì)速度的是個(gè)可喜的數(shù)據(jù)，人們可以隨時(shí)隨地的享受高速帶來(lái)的體驗(yàn)。

綠色，低能耗

人們無(wú)時(shí)無(wú)刻都處在“光”這環(huán)境中，甚至可以說(shuō)是光創(chuàng)造了人類(lèi)，可見(jiàn)光對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)是綠色的，無(wú)輻射傷害的一種物質(zhì)。因此用光來(lái)作為無(wú)線(xiàn)通信的媒質(zhì)，是一種對(duì)人類(lèi)發(fā)展更健康，更可取的方向。同時(shí)用光來(lái)通信能減低能耗，因?yàn)椴恍枰牖灸菢犹峁╊~外的能耗。就算是在白天，只要把作為“熱點(diǎn)”的燈的亮度降低人眼所覺(jué)察不到的程度即可，在夜晚的時(shí)候可以作為數(shù)據(jù)傳輸和照明的作用。

安全

對(duì)于電磁波來(lái)說(shuō)，其可以穿透物體進(jìn)行傳播，從安全角度上看，這可能會(huì)被截取而泄露信息。但對(duì)于LiFi來(lái)說(shuō)，可見(jiàn)光只能延直線(xiàn)傳播，不會(huì)穿透墻體的物體。數(shù)據(jù)只往人們所設(shè)定的方向傳播，只有利于信息的安全性。

原料豐富

目前的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)傳輸設(shè)備存在很多局限性，它們稀有、昂貴、但效率不高，比如手機(jī)，全球數(shù)百萬(wàn)個(gè)基站幫助其增強(qiáng)信號(hào)，但大部分能量卻消耗在冷卻上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的燈泡卻取之不盡。

尤其在國(guó)內(nèi)LED光源正在大規(guī)模取代傳統(tǒng)白熾燈。只要在任何不起眼的LED燈泡中增加一個(gè)微芯片，便可讓燈泡變成無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)射器。

LiFi的局限性

環(huán)境干擾

環(huán)境光源有時(shí)候會(huì)工作在同樣的光譜頻段,這時(shí)候如果環(huán)境光源比較強(qiáng),很有可能LIFI會(huì)無(wú)法正常通信,信/干燥比(SINR)太差。

解決方式：對(duì)于環(huán)境干擾問(wèn)題,LIFI系統(tǒng)中使自行研制的窄帶濾鏡,可以一定程度上避免背景光的干擾;對(duì)于室內(nèi)的電磁干擾,噪聲主要在1MHz已下,他們?cè)谙到y(tǒng)中也避開(kāi)了這個(gè)頻段.要實(shí)現(xiàn)高速的傳輸速度,還需要在空間內(nèi)布置更多用了的中繼站,以保證傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

反向通信

從LED燈泡發(fā)射信號(hào)到手機(jī)上的光電二極管只解決了問(wèn)題的一半,如何從手機(jī)發(fā)信號(hào)回去才能保證通信鏈路暢通(當(dāng)然可以用無(wú)線(xiàn)電歐諾更新作為補(bǔ)充，不過(guò)這讓這個(gè)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化變得很難)。

解決方式：而針對(duì)數(shù)據(jù)上行,可采用了兩套系統(tǒng),分別是可見(jiàn)光上行和紅外上行。所謂可見(jiàn)光上行,即需要在電子設(shè)備上安裝一個(gè)燈泡,而紅外上行雖然肉眼看不見(jiàn),但是速率卻較低。

單向傳輸更適合可見(jiàn)光通信,可見(jiàn)光通信并不適合做信息的雙向傳輸,如果反向信號(hào)上網(wǎng)的化,每個(gè)燈必須接上網(wǎng)線(xiàn)。如果信號(hào)回傳,接收設(shè)備也要安裝燈泡,而且還要對(duì)的很準(zhǔn),否則速度上不來(lái),我們有很多地方其實(shí)是不需要信息回傳的,例如電視、收音機(jī)、交通燈等等,只需要做到信息從信息源下載。

Li-Fi系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

信道編碼技術(shù)

mBnB分組編碼技術(shù)是一種適用于 LED數(shù)字傳輸 。通常來(lái)說(shuō)，分組碼是指將原始信 息碼字按 m比特為單位進(jìn)行分組，根據(jù)一定規(guī)則用另外 每組為 n比特的碼字來(lái)表示，然后這些新的分組以 NRZ 碼或 RZ碼的格式來(lái)傳輸。常用的信道編碼有1B2B(曼 徹斯特碼)、3B4B、5B6B、6B8B等。

mBnB碼的優(yōu)點(diǎn)有：①功率譜形狀較好;②連0連1個(gè)數(shù) 有限，沒(méi)有基線(xiàn)漂移問(wèn)題;③提供可靠的誤碼監(jiān)測(cè)和字同步手段。

實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)過(guò) 6B8B 編碼后，光信號(hào)在通 信距離 r=0.5 ～ 2.5m 范圍內(nèi)受 LED 的個(gè)數(shù)、電阻及串 口模塊分頻的影響不大。利用 6B8B編碼技術(shù)，可以保 證本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)耐瑫r(shí)，使信號(hào)傳輸距離超過(guò) 2.5m。而且，可以通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)采用高低兩種不同碼表的方法來(lái)克服 mBnB碼譯碼時(shí)會(huì)造成誤碼增值的缺點(diǎn)。

光碼分多址(OCDMA)技術(shù)

采用光碼分多址技術(shù)來(lái)區(qū)分不同用戶(hù)的信息。在可見(jiàn)光無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)中所有的終端用戶(hù)都共用相同的主光源，因 此不同的用戶(hù)信號(hào)必須具有不同的特征，這樣適配器接 收時(shí)才能將不同用戶(hù)信號(hào)分割開(kāi)。OCDMA給每一個(gè)用 戶(hù)分配一個(gè)單獨(dú)的地址碼，數(shù)字信號(hào)在各自的地址碼上 進(jìn)行編碼，在接收機(jī)上通過(guò)相應(yīng)的序列進(jìn)行解碼。采 OCDMA技術(shù)還能大大提高了系統(tǒng)的抗噪聲能力 ,可以把 信號(hào)從噪聲很強(qiáng)的環(huán)境中檢測(cè)出來(lái)。

分集接收技術(shù)

分集接受技術(shù)的提出是為了提高VLC系統(tǒng)的信噪比,克服高速通信中碼間干擾的影響.分集接收的思想就是在接收機(jī)處的不同方向上安裝多個(gè)光電探測(cè)器,對(duì)多個(gè)探測(cè)器接收到的信號(hào)進(jìn)行比較,選取信噪比最大的信號(hào)進(jìn)行通信。

在分集接收系統(tǒng)中,兩個(gè)關(guān)鍵的工作是信號(hào)的選取方式和光電探測(cè)器的布局。

在信號(hào)的選取上,對(duì)于低速率的白光LED通信系統(tǒng),直接將多個(gè)探測(cè)器接收到的信號(hào)通過(guò)一個(gè)加法器進(jìn)行簡(jiǎn)單相加,然后將相加后的信號(hào)送進(jìn)接收機(jī)進(jìn)行濾波解調(diào)和解碼等處理,大大提高了信噪比;當(dāng)通信系統(tǒng)的傳輸速率高于100MB/S時(shí),由于碼間串?dāng)_的影響,不能將信號(hào)直接相加,必須設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的控制電路對(duì)信道進(jìn)行自動(dòng)判決和選擇。

Li-Fi 可以有的應(yīng)用

LED(發(fā)光二極管)在在照明方面的使用量急劇增長(zhǎng)，為L(zhǎng)i-Fi 技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇。

Li-Fi 特別適用于很多流行的網(wǎng)絡(luò)“內(nèi)容消費(fèi)”應(yīng)用，例如影音下載、直播等等。這些應(yīng)用對(duì)于下行帶寬的要求很高，但對(duì)于上行帶寬要求很小。Li-Fi 可以使得大部分網(wǎng)絡(luò)流量，從現(xiàn)有無(wú)線(xiàn)射頻網(wǎng)絡(luò)中分流出來(lái)，從而也拓展了蜂窩網(wǎng)和Wi-Fi 的容量。以下列舉 Li-Fi 的一些相關(guān)應(yīng)用：

RF 頻譜救助：蜂窩網(wǎng)絡(luò)的一部分流量可以分流入Li-Fi 網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于下行鏈路特別有效，這也往往是瓶頸發(fā)生的地方。

智能照明：任何私有或者共有的照明設(shè)備包括街燈，都可以用于提供Li-Fi 熱點(diǎn)，同樣的通信和傳感器設(shè)施，也可以用于監(jiān)視和控制照明和數(shù)據(jù)。

移動(dòng)連接性：筆記本、智能手機(jī)、平板電腦和其他移動(dòng)設(shè)備，可以直接使用Li-Fi 互聯(lián)。短程連接具有很高的數(shù)據(jù)率和安全性。

危險(xiǎn)環(huán)境：相對(duì)于來(lái)自危險(xiǎn)環(huán)境(例如礦山和石油化工廠(chǎng))的無(wú)線(xiàn)電電磁干擾，Li-Fi 是一個(gè)安全的選擇。

醫(yī)院和醫(yī)療保健：Li-Fi 不產(chǎn)生電磁干擾，所以也不會(huì)干擾醫(yī)療設(shè)備，或者被核磁共振掃描儀干擾。

航空：因?yàn)轱w機(jī)上已經(jīng)部署有LED設(shè)備，所以 Li-Fi 可以減少重量和布線(xiàn)，增加航空客艙座位布局的靈活性，也可以讓乘客的移動(dòng)設(shè)備和機(jī)上娛樂(lè)(IFE)系統(tǒng)相互連接。

水下通信：因?yàn)樗梢晕丈漕l信號(hào)，所以水下無(wú)法使用無(wú)線(xiàn)電通信。而聲波的帶寬極低，容易干擾海洋生物。Li-Fi 是短距離水下通信的一個(gè)良好解決方案。

車(chē)輛和交通：頭燈和尾燈、街燈都是LED的，包括交通標(biāo)志也在向LED燈轉(zhuǎn)變。所以，Li-Fi，有望用于車(chē)車(chē)通信、車(chē)和道路之間通信、道路安全和交通管理。

回避射頻：一些人對(duì)于射頻過(guò)敏，Li-Fi 是一個(gè)很好的替代解決方案。

地理位置服務(wù)(LBS)：高精度地理位置信息服務(wù)，例如廣告和導(dǎo)航，讓接收者可以及時(shí)收到和地理位置相關(guān)的信息。

玩具：許多玩具具有LED燈，它們可以用于互動(dòng)玩具之間極端低成本的通信。

LiFi會(huì)替代WiFi嗎?

LIFI借助可見(jiàn)光譜發(fā)出高速的光脈沖來(lái)傳輸無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)，而WIFI的傳輸載體則是電磁波。兩者都是數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖侄危m然存在一定的“競(jìng)爭(zhēng)”，但更多的還是“合作”關(guān)系。由于LiFi使用的可見(jiàn)光和WiFi使用的電磁波頻段相差很遠(yuǎn)，所以?xún)烧咴谕粋€(gè)網(wǎng)絡(luò)中不存在頻率干擾問(wèn)題。

利用LiFi—WiFi混合網(wǎng)絡(luò)模式，可以為數(shù)據(jù)傳輸帶去更多的便利。通過(guò)引入WiFi熱點(diǎn)，將彌補(bǔ)LiFi網(wǎng)絡(luò)因光源無(wú)法覆蓋、不同光源之間的干擾，以及光源被遮蔽時(shí)的用戶(hù)無(wú)法上網(wǎng)的缺陷。而且通過(guò)采用混合網(wǎng)絡(luò)模式，大量的用戶(hù)數(shù)據(jù)可以通過(guò)LiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而降低了WiFi網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)流量壓力，既節(jié)約了電磁波頻譜資源，提升了頻譜使用效率，也減少了整體網(wǎng)絡(luò)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)。

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