有光就有網，Li-Fi光通信技術

傳感器技術編輯整理

隨著智能手機、筆記本電腦、平板電腦等無線設備的普及，無線上網越來越成為人們的“第一需要”，如今，一種無需wifi信號，點一盞led燈就能上網的技術來臨了。

目前WiFi技術所承載的電磁波頻段頻譜資源稀缺，無法滿足日益增長的數據通信要求。此外，無線數據安全問題也一并為WiFi技術的發展提出了挑戰。新一代光通信技術——LiFi的出現，可以為數據傳輸提供了一種更為安全、高速、穩定的解決方案。

Li-Fi（Light Fidelity），是一種基于光（而不是電波）的無線通信技術， Li-Fi結合了光的數據通信功能和照明功能。

由于在光譜中可見光對人體是無害的，而且在照明中廣泛使用，所以 Li-Fi 也被稱為可見光通信（Visible Light Communication, VLC），可見光通信是一項基于白光 LED 的新興無線光通信技術。

可見光通信是在利用 LED 照明的同時，將信號調制在 LED 光源上，以可見光波段作為載體傳輸數據。例如 LED 開表示 1，關表示 0，通過快速開關就能傳輸信息。由于 LED 的發光強度，人眼不會注意到光的快速變化。Li-Fi 與光纖通信擁有同樣的優點，高帶寬，高速率，不同的是 Li-Fi 是使光傳播在我們周圍的環境中，自然光能到達的任何地方，就有 Li-Fi 信號。Li-Fi 技術是運用已鋪設好的設備（無處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個微小的芯片，就能變成了類似于 AP（Wi-Fi 熱點）的設備，使終端隨時能接入網絡。

Wi-Fi 是覆蓋整個建筑的完美無線數據傳輸技術，但是 Li-Fi 可以提供更高效率、更大帶寬、更安全和高速獲取的通信技術。

Li-Fi 工作原理

光和無線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳輸網絡信號的基本原理也是一致的。研究中，給普通的 LED 燈泡裝上微芯片，可以控制它每秒數百萬次的閃爍，由于頻率太快，人眼根本覺察不到，光敏傳感器卻可以接收到這些變化。就這樣，二進制的數據就被快速編碼成燈光信號并進行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過一套特制的接收裝置，讀懂燈光里的“莫爾斯密碼”。

發射部分主要由白光 LED 光源和相應的信號處理單元組成。接收端主要包括能對信號光源實現最佳接收的光學系統，將光信號還原成電信號的光電探測器（PD）和前置放大電路，以及將電信號轉換成可被終端識別的信號處理和輸出電路。

其基本原理為：在發送端，基帶數據通過電力線傳送到發送設備中， LED 光源發出的已調制光以很大的發散角朝各個方向傳播。而在接收端，利用 PD 接收光信號，完成光/電信號的轉換，最后解調轉換過來的電信號并將其輸出。光接收機的主要任務是以最小的附加噪聲及失真，恢復出經由無線光信道傳輸后光載波所攜帶的信息， 因此光接收機的輸出特性綜合反映了整個可見光通信系統的性能。

傳輸的信號被加入到交流電（AC）打正弦波波形上并通過電力線傳送到天花板的 LED 設備上。交流載波在進入 LED 前被分成兩路，一路通過電路整流成直流電之后，用于 LED 的照明。另一路通過帶通濾波器（BPF），分離出傳輸的通信信號，用于調制和控制 LED 的發光強弱以形成調制后的光載波信號。由于 傳輸信號的頻率足夠高，人眼不會感覺到 LED 光強的明暗或亮滅，所以并不影響照明的效果。然后，光載波進入無線通信的信道， LED 發出的光載波被移動終端的 PD 接收，接收機對信號進行解調等處理恢復原來發送的基帶信號。

1、日本

2000年，日本慶應大學和SONY研究所提出以LED照明燈作為通信的基站，在室內進行信息無線傳輸的構想。Tanaka與Komine等人于2002年正式提出電力線的載波通信與LED可見光通信融合的數據傳輸系統。2003年經中川倡導建立可見光通信聯合體，NEC、SONY等研究單位及企業共同參與。在2008年東京國際電子展上，太陽誘電株式會社首次展出LED光通信產品的樣機。

2、歐美

2009年，美國加州大學和國家實驗室共建UCLight，任務是開發基于LED照明高速通信與定位的系統。2010年，德國弗勞恩霍夫研究所的團隊將通信速率提高至513Mbit/s，創造世界紀錄。2011年，愛丁堡大學哈拉爾德·哈斯演示帶有信號處理技術的LED燈把高清視頻傳輸給了計算機，并將可見光通信稱為“LiFi”。2013年，他的團隊展示了首臺產品，演示直播倫敦市長的講話。同年，英國眾多高校的科研人員把離線速率刷新到10Gbit/s。

3、中國

2006年，北京大學提出基于廣角鏡頭的超寬視角可見光信號接收方案，并在可見光通信和無源光網絡（PON）融合接入中的物理層、鏈路層以及傳輸層等方面進行探索研究。2008年，暨南大學研制出國內首臺白光LED光通信樣機，傳輸距離在2.5m以上。2011年，國家863計劃部署了可見光通信技術的研究，經過兩年的科技攻關，在調制帶寬的拓展、實時傳輸速率和融合網絡的架構等方面取得重要的研究成果。2012年，解放軍信息工程大學成功研發了可見光通信相關技術的點播電視業務、近場通信和新型無線廣播，并且在礦下可應用此技術進行通信和定位。2013年，復旦大學研發出3.75Gbit/s的離線數據傳輸速率，創造世界紀錄，成功實現實時速率達到150Mbit/s的可見光傳輸系統，2015實現實時速率達到450Mbit/s。

LiFi的技術優勢主要在于

（1）建設便利。

燈泡這種設備在早百多年前被人類發明，并在這百多年來燈泡的技術越來越發達。人們可以利用已經鋪設好的電燈設備電路，在需要接入網絡的地方植入一個芯片即可。例如高速公路上的路燈，人們在高速行駛的車上能輕易的接收到路燈傳來的信號。

路燈

（2）高帶寬，高速率。

可見光的頻譜帶寬是目前電磁波帶寬的10000倍。目前據報道，實驗室測試最高速度可達1Gbps。這對于人們對速度的要求是個可喜的數據，人們可以隨時隨地的享受高速帶來的體驗。

可見光的頻寬是無線電的10000倍

（3）綠色，低能耗。

人們無時無刻都處在“光”這環境中，甚至可以說是光創造了人類，可見光對于人類來說是綠色的，無輻射傷害的一種物質。因此用光來作為無線通信的媒質，是一種對人類發展更健康，更可取的方向。同時用光來通信能減低能耗，因為不需要想基站那樣提供額外的能耗。就算是在白天，只要把作為“熱點”的燈的亮度降低人眼所覺察不到的程度即可，在夜晚的時候可以作為數據傳輸和照明的作用。

（4）安全。

對于電磁波來說，其可以穿透物體進行傳播，從安全角度上看，這可能會被截取而泄露信息。但對于LiFi來說，可見光只能延直線傳播，不會穿透墻體的物體。數據只往人們所設定的方向傳播，只有利于信息的安全性。

WiFi功能是所有手持設備用戶的心頭之好。數據顯示，2011年，全球4.39億家庭用戶使用WiFi，經過WiFi認證的產品發貨量超過了20億部。

不過，由于每月全球50億手機傳輸的高達6拍字節(1拍等于10億兆)的數據，導致無線局域網和無線通訊網絡的無線電頻率所剩無幾。作為無線數據傳輸的最主要技術，WiFi利用了射頻信號。然而，無線電波在整個電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對無線互聯網需求的增長，可用的射頻頻譜正越來越少。這直接導致越來越多的人抱怨無線信號不穩、網速太慢、經常掉線等。就沒有東西能搞定這個難題嗎？
　　

HeraldHaas教授終于找到了替代技術：利用燈泡發出的光傳輸數據。他在普通燈泡中植入電子裝置，利用光線強度發生的微弱變化傳輸數據。這種用光波取代無線電波傳輸數據的新技術叫做LiFi(光保真)技術。將可見光用于LiFi，要調制其輸出以使其攜帶信息，就像WiFi路由器一樣。

不過這一技術也有著自身的局限。雅典Harokopio大學信息學講師Thomas Kamalakis推薦了Haas的技術，但也表示該技術的潛力不應被高估。他表示：“一個明顯的問題是，可見光無法穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號將被切斷。”

英國華威大學工程學院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“問題在于，我們的手機如何使用可見光來通信？”

Haas表示，這是兩個現實問題，但他也有簡單的臨時解決方法。“如果光信號被阻擋，而你需要使用設備發送信息，你可以無縫地切換至射頻信號。”他認為，可見光通信并不是WiFi的競爭對手，而是一種相互補充的技術，這將有助于釋放頻譜空間。

1）光源的選擇和室內光源的布局

室內 VLC 系統中，由于照明和增大發射功率、增強接收功率、防止陰影效應影響等原因需要安裝多個 LED 燈或 LED 陣列， 因而光源的合理布局上影響照明和系統性能的關鍵因素。

2）上行鏈路的實現技術

室內 LED 可見光雙工系統分為上行信道和下行信道。在基于 LED 的室內雙工可見光通信系統中，上行通信和下行通信是同時進行的。下行信號由天花板上的 LED 燈發出，由于照明的需要，光必須散射發出；而上行鏈路由上行終端的LED 發出，不需要提供照明的需求，因此可以采用準直式的光線，直接瞄準上方的上行接收端。目前已經提出利用偏振分光和并行方式來完成接收光、發射光分離，以實現雙工通信。

3）高靈敏的光信號接收技術

可采用光分集接收技術提高 VLC 系統的信噪比，克服不同路徑引起的碼間干擾（ISI）、接收機位置的改變以及室內人員走動和物體陰影效應對通信系統的影響。進行光信號檢測時，白光 LED 信號受到背景光的干擾，后續的檢測電路設計要考慮自身的電路噪聲和前端的背景光噪聲的影響。

4）高性能調制、編碼以及解調技術

LED 兼具極快的響應速度和較寬的調制帶寬。LED 可見光通信系統可針對不同要求的業務需要選擇不同的調制技術。目前，可選擇的方案有無載波方案或載波方案。無載波方案直接發射納秒級的基帶脈沖，無須載波調制，實現簡單。最典型的無載波光信號調制方法為 IM/DD（強度調制-直接檢測）。載波方案將納秒級的基帶脈沖調制到一個或多個頻率的光載波上進行傳輸。

5）信道復用技術

為了使多個終端能共享一條高速信道， 須采用信道復用技術。在光通信領域，主要有波分多址技術（WDMA）、時分多址技術（TDMA）及光碼分多址技術（OCDMA）。OCDMA 是指光域內的一種擴頻技術，可以動態分配帶寬資源，從而實現光信號的直接復用與交換。OCDMA 的保密性好，抗干擾能力強，是具有廣闊前景的多址技術。在 LED 可見光通信中可采用非相干 OCDMA 系統。

隨著白熾燈、熒光燈逐漸退出市場并被LED取代，未來任何有光的地方都可以成為潛在的LiFi數據傳輸源。

想象一下這樣的場景：在街頭，利用路燈就可以下載電影；在家里，打開臺燈就可以下載歌曲；在餐廳，坐在有燈光的地方就可以發微博；即便是在水下，只要有燈光照射就可以上網。

LiFi另一個巨大的好處是在任何對無線電敏感的場合都可以使用，比如飛機上、手術室里等。

可見光通信產業鏈長，涉及的環節多，未來將形成萬億級的市場規模。據保守估計，可見光通信技術預計2020年市場規模將超過1500億元。

其中室內綠色通信網絡是未來最大的市場，是目前WIFI技術、藍牙技術等重要的補充和一定范圍內的替代，預計可以形成千億級的市場規模。

室內精確定位系統作為目前室外GPS定位系統的補充，是目前室內WIFI定位技術等的替代產品，預期可以形成數百億產值的市場規模。旅游景點講解網絡作為傳統無線電講解系統的替代產品，預期可以形成數十億產值的市場規模。

LIFI移動支付網絡基于可見光通信的移動支付方式無疑提供了更為安全的支付方式預期可以形成數百億產值的市場規模。

LIFI媒體廣告網絡將帶來新的傳播模式和商業模式，基于可見光通信技術的新型媒體廣告網絡作為一個全新的開拓型市場，電視屏幕、室外大型LED屏幕、交通信號燈、路燈乃至大型商場、超市、寫字樓以及家庭內部LED照明燈具均可以作為這一新型隱式廣告的發布平臺，預期可形成數十億的市場規模。