新一代光通信技術(shù)——LiFi！一種更為安全、高速、穩(wěn)定的解決方案

隨著智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等無線設(shè)備的普及，無線上網(wǎng)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(wǎng)的技術(shù)來臨了。

目前WiFi技術(shù)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(shù)據(jù)通信要求。此外，無線數(shù)據(jù)安全問題也一并為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。

LiFi光通信技術(shù)

Li-Fi（Light Fidelity），是一種基于光（而不是電波）的無線通信技術(shù)， Li-Fi結(jié)合了光的數(shù)據(jù)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(shù)。

可見光通信是在利用 LED 照明的同時，將信號調(diào)制在 LED 光源上，以可見光波段作為載體傳輸數(shù)據(jù)。例如 LED 開表示 1，關(guān)表示 0，通過快速開關(guān)就能傳輸信息。由于 LED 的發(fā)光強(qiáng)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(yōu)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(huán)境中，自然光能到達(dá)的任何地方，就有 Li-Fi 信號。Li-Fi 技術(shù)是運用已鋪設(shè)好的設(shè)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(shè)備，使終端隨時能接入網(wǎng)絡(luò)。

Wi-Fi 是覆蓋整個建筑的完美無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，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(shù)。

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(wǎng)絡(luò)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(shù)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(jìn)制的數(shù)據(jù)就被快速編碼成燈光信號并進(jìn)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(fā)射部分主要由白光 LED 光源和相應(yīng)的信號處理單元組成。接收端主要包括能對信號光源實現(xiàn)最佳接收的光學(xué)系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(fā)送端，基帶數(shù)據(jù)通過電力線傳送到發(fā)送設(shè)備中， LED 光源發(fā)出的已調(diào)制光以很大的發(fā)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(zhuǎn)換，最后解調(diào)轉(zhuǎn)換過來的電信號并將其輸出。光接收機(jī)的主要任務(wù)是以最小的附加噪聲及失真，恢復(fù)出經(jīng)由無線光信道傳輸后光載波所攜帶的信息， 因此光接收機(jī)的輸出特性綜合反映了整個可見光通信系統(tǒng)的性能。

傳輸?shù)男盘柋患尤氲浇涣麟姡?a target="_blank">AC）打正弦波波形上并通過電力線傳送到天花板的 LED 設(shè)備上。交流載波在進(jìn)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?shù)耐ㄐ判盘?，用于調(diào)制和控制 LED 的發(fā)光強(qiáng)弱以形成調(diào)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(qiáng)的明暗或亮滅，所以并不影響照明的效果。然后，光載波進(jìn)入無線通信的信道， LED 發(fā)出的光載波被移動終端的 PD 接收，接收機(jī)對信號進(jìn)行解調(diào)等處理恢復(fù)原來發(fā)送的基帶信號。

技術(shù)發(fā)展概況

1、日本

2000年，日本慶應(yīng)大學(xué)和SONY研究所提出以LED照明燈作為通信的基站，在室內(nèi)進(jìn)行信息無線傳輸?shù)臉?gòu)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(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。2003年經(jīng)中川倡導(dǎo)建立可見光通信聯(lián)合體，NEC、SONY等研究單位及企業(yè)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(chǎn)品的樣機(jī)。

2、歐美

2009年，美國加州大學(xué)和國家實驗室共建UCLight，任務(wù)是開發(fā)基于LED照明高速通信與定位的系統(tǒng)。2010年，德國弗勞恩霍夫研究所的團(tuán)隊將通信速率提高至513Mbit/s，創(chuàng)造世界紀(jì)錄。2011年，愛丁堡大學(xué)哈拉爾德·哈斯演示帶有信號處理技術(shù)的LED燈把高清視頻傳輸給了計算機(jī)，并將可見光通信稱為“LiFi”。2013年，他的團(tuán)隊展示了首臺產(chǎn)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(xué)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(wǎng)絡(luò)（PON）融合接入中的物理層、鏈路層以及傳輸層等方面進(jìn)行探索研究。2008年，暨南大學(xué)研制出國內(nèi)首臺白光LED光通信樣機(jī)，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(shù)的研究，經(jīng)過兩年的科技攻關(guān)，在調(diào)制帶寬的拓展、實時傳輸速率和融合網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)等方面取得重要的研究成果。2012年，解放軍信息工程大學(xué)成功研發(fā)了可見光通信相關(guān)技術(shù)的點播電視業(yè)務(wù)、近場通信和新型無線廣播，并且在礦下可應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行通信和定位。2013年，復(fù)旦大學(xué)研發(fā)出3.75Gbit/s的離線數(shù)據(jù)傳輸速率，創(chuàng)造世界紀(jì)錄，成功實現(xiàn)實時速率達(dá)到150Mbit/s的可見光傳輸系統(tǒng)，2015實現(xiàn)實時速率達(dá)到450Mbit/s。

LiFi的技術(shù)優(yōu)勢

LiFi的技術(shù)優(yōu)勢主要在于

（1）建設(shè)便利。

燈泡這種設(shè)備在早百多年前被人類發(fā)明，并在這百多年來燈泡的技術(shù)越來越發(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(jù)報道，實驗室測試最高速度可達(dá)1Gbps。這對于人們對速度的要求是個可喜的數(shù)據(jù)，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(huán)境中，甚至可以說是光創(chuàng)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(zhì)。因此用光來作為無線通信的媒質(zhì)，是一種對人類發(fā)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(shù)據(jù)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(jìn)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(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。

LiFi與WiFi技術(shù)的比較

WiFi功能是所有手持設(shè)備用戶的心頭之好。數(shù)據(jù)顯示，2011年，全球4.39億家庭用戶使用WiFi，經(jīng)過WiFi認(rèn)證的產(chǎn)品發(fā)貨量超過了20億部。

不過，由于每月全球50億手機(jī)傳輸?shù)母哌_(dá)6拍字節(jié)(1拍等于10億兆)的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無線局域網(wǎng)和無線通訊網(wǎng)絡(luò)的無線電頻率所剩無幾。作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)，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(lián)網(wǎng)需求的增長，可用的射頻頻譜正越來越少。這直接導(dǎo)致越來越多的人抱怨無線信號不穩(wěn)、網(wǎng)速太慢、經(jīng)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(shù)：利用燈泡發(fā)出的光傳輸數(shù)據(jù)。他在普通燈泡中植入電子裝置，利用光線強(qiáng)度發(fā)生的微弱變化傳輸數(shù)據(jù)。這種用光波取代無線電波傳輸數(shù)據(jù)的新技術(shù)叫做LiFi(光保真)技術(shù)。將可見光用于LiFi，要調(diào)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(shù)也有著自身的局限。雅典Harokopio大學(xué)信息學(xué)講師Thomas Kamalakis推薦了Haas的技術(shù)，但也表示該技術(shù)的潛力不應(yīng)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(xué)工程學(xué)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(jī)如何使用可見光來通信？”

Haas表示，這是兩個現(xiàn)實問題，但他也有簡單的臨時解決方法?！叭绻庑盘柋蛔钃?，而你需要使用設(shè)備發(fā)送信息，你可以無縫地切換至射頻信號?！彼J(rèn)為，可見光通信并不是WiFi的競爭對手，而是一種相互補(bǔ)充的技術(shù)，這將有助于釋放頻譜空間。

LiFi的技術(shù)難點

1）光源的選擇和室內(nèi)光源的布局

室內(nèi) VLC 系統(tǒng)中，由于照明和增大發(fā)射功率、增強(qiáng)接收功率、防止陰影效應(yīng)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(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

2）上行鏈路的實現(xiàn)技術(shù)

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

3）高靈敏的光信號接收技術(shù)

可采用光分集接收技術(shù)提高 VLC 系統(tǒng)的信噪比，克服不同路徑引起的碼間干擾（ISI）、接收機(jī)位置的改變以及室內(nèi)人員走動和物體陰影效應(yīng)對通信系統(tǒng)的影響。進(jìn)行光信號檢測時，白光 LED 信號受到背景光的干擾，后續(xù)的檢測電路設(shè)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(diào)制、編碼以及解調(diào)技術(shù)

LED 兼具極快的響應(yīng)速度和較寬的調(diào)制帶寬。LED 可見光通信系統(tǒng)可針對不同要求的業(yè)務(wù)需要選擇不同的調(diào)制技術(shù)。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(fā)射納秒級的基帶脈沖，無須載波調(diào)制，實現(xiàn)簡單。最典型的無載波光信號調(diào)制方法為 IM/DD（強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測）。載波方案將納秒級的基帶脈沖調(diào)制到一個或多個頻率的光載波上進(jìn)行傳輸。

5）信道復(fù)用技術(shù)

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

LiFi的應(yīng)用與發(fā)展

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(shù)據(jù)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(fā)微博；即便是在水下，只要有燈光照射就可以上網(wǎng)。

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(jī)上、手術(shù)室里等。

可見光通信產(chǎn)業(yè)鏈長，涉及的環(huán)節(jié)多，未來將形成萬億級的市場規(guī)模。據(jù)保守估計，可見光通信技術(shù)預(yù)計2020年市場規(guī)模將超過1500億元。

其中室內(nèi)綠色通信網(wǎng)絡(luò)是未來最大的市場，是目前WIFI技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等重要的補(bǔ)充和一定范圍內(nèi)的替代，預(yù)計可以形成千億級的市場規(guī)模。

室內(nèi)精確定位系統(tǒng)作為目前室外GPS定位系統(tǒng)的補(bǔ)充，是目前室內(nèi)WIFI定位技術(shù)等的替代產(chǎn)品，預(yù)期可以形成數(shù)百億產(chǎn)值的市場規(guī)模。旅游景點講解網(wǎng)絡(luò)作為傳統(tǒng)無線電講解系統(tǒng)的替代產(chǎn)品，預(yù)期可以形成數(shù)十億產(chǎn)值的市場規(guī)模。

LIFI移動支付網(wǎng)絡(luò)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(yù)期可以形成數(shù)百億產(chǎn)值的市場規(guī)模。

LIFI媒體廣告網(wǎng)絡(luò)將帶來新的傳播模式和商業(yè)模式，基于可見光通信技術(shù)的新型媒體廣告網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部LED照明燈具均可以作為這一新型隱式廣告的發(fā)布平臺，預(yù)期可形成數(shù)十億的市場規(guī)模。

無線可見光通信隨著現(xiàn)在數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展，憑借著其獨有的優(yōu)勢：高帶寬，高速率，綠色，低能耗，安全，在目前實驗室的測試報告下，LiFi技術(shù)十分適用于目前解決無線通信中被人們所指出的一些問題，可能成為與WiFi技術(shù)競爭的新技術(shù)。