Lifi LED光源踢掉WiFi將引領(lǐng)可見光通信技術(shù)？ - 全文

　　近年來，隨著白光發(fā)光二極管（LED）技術(shù)的大力發(fā)展，可見光通信（Visible Light Communication，VLC）成為新一代無線通信技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一。VLC也叫LiFi（Light Fidelity），2011年，來自愛丁堡大學(xué)的德國物理學(xué)家Hardal Hass教授在TED大會(huì)上發(fā)表了一個(gè)關(guān)于LiFi技術(shù)的演講，首次將“VLC”稱為“LiFi”。

　　LiFi是一種基于光（而不是電波）的新興無線通信技術(shù)，結(jié)合了光的照明功能和數(shù)據(jù)通信功能，如圖1所示。LiFi是在不影響LED照明的同時(shí)，將信號(hào)調(diào)制在LED光源上，通過快速開關(guān)產(chǎn)生人眼無法感知的高頻閃爍信號(hào)來傳送數(shù)據(jù)。

圖1? LiFi是基于光的無線通信技術(shù)

　　LiFi的優(yōu)勢

　　相比于當(dāng)前主流的WiFi通信技術(shù)，LiFi有如下優(yōu)勢：

　　（1）容量方面，無線電波的頻譜很擁擠，而可見光的頻譜寬度（約400THz）比無線電波多10000倍；

　?。?）效率方面，無線電波基站的效率只有5%，大多數(shù)能量只是消耗在基站的冷卻上，而LiFi的數(shù)據(jù)可以并行傳輸，同時(shí)提高效率；

　?。?）實(shí)用性方面，無線電波只是在基站中獲取，不能在飛機(jī)上、手術(shù)室或者加油站使用WiFi，而全球的每個(gè)燈都可容易地接入LiFi熱點(diǎn)；

　　（4）安全性方面，無線電波很容易被侵入，而可見光不可以穿墻，甚至窗簾，提供了網(wǎng)絡(luò)的隱私安全。

　　作為兼顧照明和通信的新技術(shù)，LiFi在追求高傳輸速率的同時(shí)，不能影響照明的質(zhì)量和要求，尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具備通信光源調(diào)制性能好、發(fā)射功率大和響應(yīng)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，又要滿足照明光源高亮度、低功耗和輻射范圍廣等特點(diǎn)。
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　　LiFi光源選擇

　　1、LED

　　目前LiFi技術(shù)采用的光源大多數(shù)是白光LED，很大一部分的原因得益于LED技術(shù)的快速發(fā)展。而白光LED的實(shí)現(xiàn)方式主要有：藍(lán)色LED芯片激發(fā)黃綠色熒光粉轉(zhuǎn)換成白光（PC-LED）、紫外光或紫外LED激發(fā)三原色熒光粉產(chǎn)生白光和紅、綠、藍(lán)3種LED芯片封裝在一起混合產(chǎn)生白光（RGB-LED）?，F(xiàn)階段商用的白光LED產(chǎn)品根據(jù)光譜成分的不同，主要分為兩大類：PC-LED和RGB-LED，兩類白光LED的光譜如圖2所示。

　　
圖2 兩種白光LED光譜對(duì)比

　　LED的調(diào)制帶寬決定了通信系統(tǒng)的信道容量和傳輸速率，研究LED器件的調(diào)制特性是提升新型LiFi系統(tǒng)性能的關(guān)鍵問題之一。LED調(diào)制帶寬的定義是當(dāng)LED輸出的交流光功率下降到某一參考頻率值的50%時(shí)（-3dB）的頻率。由于PC-LED的黃色熒光粉光譜部分的光電響應(yīng)比較滯后，如圖3所示，導(dǎo)致LiFi光源的調(diào)制帶寬限制在幾個(gè)兆赫茲以內(nèi)，從而限制了整個(gè)系統(tǒng)的通信速率，即使在接收端采用藍(lán)色濾波片也未能明顯改善該光源的缺陷。

圖3 PC-LED實(shí)驗(yàn)中的歸一化頻率響應(yīng)與頻率的關(guān)系

　　因此，越來越多的LiFi研究將光源轉(zhuǎn)向RGB LED，它能提供較高的調(diào)制帶寬，在3種顏色的光波上用波分復(fù)用的方式提高信道容量，調(diào)制不同的數(shù)據(jù)并行傳輸，并在接收端通過各顏色的濾波片分別接收3種顏色，有效提高發(fā)送效率。但是RGB-LED中不同顏色的LED對(duì)于輸出光通有不同的工作溫度依賴性，為了實(shí)現(xiàn)工作溫度獨(dú)立的色點(diǎn)，需要對(duì)每個(gè)單色LED的反饋循環(huán)和驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行單獨(dú)控制，這樣對(duì)器件的制備帶來了較高的成本和復(fù)雜的調(diào)制電路。

　　LED的調(diào)制帶寬受響應(yīng)速率限制，而響應(yīng)速率又受載流子壽命的影響。除了設(shè)計(jì)調(diào)制電路，降低RC（resistance-times-capacitance）延時(shí)之外，常規(guī)提高器件調(diào)制帶寬的方法是增加電子空穴的輻射復(fù)合速率，減少載流子自發(fā)輻射壽命。常用載流子復(fù)合ABC模型如公式（1）所示。

　　式中，N表示發(fā)光有源層的載流子濃度，單位為cm-3，A表示Shockley-Read-Hall（SRH）介質(zhì)缺陷復(fù)合系數(shù)，B表示自發(fā)輻射（雙分子）系數(shù)，C表示Auger復(fù)合系數(shù)，BN2表示自發(fā)輻射速率。通過增加注入載流子濃度來減少載流子自發(fā)輻射壽命，而增加載流子濃度的方法有加大注入電流和Delta摻雜。大電流下，注入載流子濃度增加，因而激子復(fù)合幾率增加，輻射復(fù)合載流子壽命降低，電光轉(zhuǎn)換快速響應(yīng)。Delta摻雜技術(shù)也實(shí)現(xiàn)了載流子的大量注入，從而降低了載流子壽命，實(shí)現(xiàn)相同電流密度下調(diào)制帶寬的提高。

　　載流子濃度的變化會(huì)影響到LED的內(nèi)量子效率，如公式（2）所示：

　　式中，εrad是內(nèi)量子效率。如表1所示，其中A、B、C的取值選取文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)的賦值，而理論的常規(guī)賦值中Auger復(fù)合系數(shù)比實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果小了4個(gè)數(shù)量級(jí)，可能的原因是雜質(zhì)和聲子作為中間介質(zhì)參與Auger復(fù)合過程，使得C值實(shí)際中很大。另外一種可能是droop效應(yīng)是由載流子溢出等作用的結(jié)果，與 Auger輻射無關(guān)。

　　由載流子ABC模型能夠獲得測試設(shè)備很難測量的重要電光特性，如載流子濃度-內(nèi)量子效率曲線，如圖4所示。在理論值的計(jì)算上，內(nèi)量子效率漸漸趨于 100%，但是實(shí)際中LED器件的內(nèi)量子效率會(huì)出現(xiàn)上升到峰值再下降的droop效應(yīng)，并且輸出光通量與注入電流的關(guān)系也會(huì)有droop效應(yīng)。LED的調(diào)制通常發(fā)生在工作區(qū)，在飽和區(qū)進(jìn)行調(diào)制會(huì)帶來很差的信噪比，所以要控制好注入電流的范圍。

圖4 載流子與內(nèi)量子效率的關(guān)系曲線

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　　2、LD（激光二極管）

　　由于研究人員不滿足LED調(diào)制達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率，LiFi的首次提出者HardalHass教授用激光二極管替換了現(xiàn)有的LED，利用激光器的高能量與高光效，傳輸數(shù)據(jù)的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波長的光產(chǎn)生白色光，類似于RGBLED。雖然基于LED的LiFi可達(dá)到10Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以改善 WiFi中7Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率上限，但是激光傳輸數(shù)據(jù)的速率可以很容易超出100Gb/s。最新的報(bào)道顯示，美國亞利桑那州立大學(xué)電子、計(jì)算機(jī)和能源工程學(xué)院的研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制出納米級(jí)別的白光激光器，其可以更加便利地用作LiFi光源。

　　在通信方面，激光二極管相比于LED，具有更快的響應(yīng)速度、可以直接進(jìn)行調(diào)制和耦合效率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于普通的電注入式半導(dǎo)體激光器，當(dāng)注入電流超過某一值時(shí)，LD可以發(fā)射受輸入電流控制的調(diào)制光，其調(diào)制特性如圖5所示，該點(diǎn)電流稱為閾值電流，閾值電流以上部分直到飽和區(qū)都屬于LD的工作區(qū)，而調(diào)制范圍最好在線性區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，所以降低器件的閾值電流，獲得較大的調(diào)制工作區(qū)顯得很重要。

圖5 半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性

　　閾值電流密度如公式（3）所示

　　式中，Jth是閾值電流密度；e是電子元電荷；d是有源層厚度；Iinj是注入電流；N’是透明載流子濃度；αm和αi分別是鏡面損耗和光學(xué)吸收損耗；Γg0是最大的模式增益；B和C分別是輻射復(fù)合系數(shù)和Auger復(fù)合系數(shù)。

　　垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs）就具有低閾值、寬調(diào)制和高光電轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)勢，美國PrincetonOptronics公司研制出集成多個(gè)VCSELs列陣的激光照明模塊，連續(xù)輸出功率超過650W，如圖6所示。但是隨著注入電流的增加，高功率的VCSELs就會(huì)激發(fā)出多重橫模，導(dǎo)致器件用于通訊光源時(shí)誤碼率增大，所以要對(duì)高功率的VCSELs器件的出射模式進(jìn)行偏振選擇。

圖6 Princeton Optronics研制的基于高功率VCSEL陣列的激光照明模塊

　　半導(dǎo)體激光器的光輸出能夠直接調(diào)制，最常用的激光器輸出調(diào)制是控制流經(jīng)器件的電流進(jìn)行幅度調(diào)制或脈沖調(diào)制。激光二極管的調(diào)制帶寬B＜ω0，其中ω0是類共振頻率，而在閾值之上，調(diào)制帶寬可以近似寫作公式（4）

　　式中，τ是載流子壽命；τS是光子壽命；J是注入電流密度；J，是透明電流密度；σ是自發(fā)輻射因子；Γ是光限制因子，而

　　其中，c是光速，n是折射率。如果在LD的激射區(qū)域忽略自發(fā)輻射，即σ=0，從公式（4）發(fā)現(xiàn)調(diào)制帶寬和注入電流密度就是正相關(guān)的線性關(guān)系，但是實(shí)際中的半導(dǎo)體激光器有droop效應(yīng)，而且除了主模之外，邊模也有很強(qiáng)的弛豫振蕩。所以在微腔的微小體積中，自發(fā)輻射因子是較大的，普通激光器的 σ=10-5～10-4，而微腔激光器的σ可能增大到0.1以上，甚至接近于1。

　　盡管LiFi的光源可以選擇激光二極管，而且2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者之一中村修二也在預(yù)言未來激光照明可能要取代LED照明，但是當(dāng)前的主流照明新技術(shù)還是推廣性價(jià)比較高、技術(shù)相對(duì)成熟的LED，并且對(duì)于LiFi光源的特點(diǎn)，研發(fā)高亮度、高效率和高速調(diào)制的LED器件方向可以更快地推動(dòng)LiFi技術(shù)的商業(yè)化。

　　LiFi光源的顏色

　　與WiFi只是關(guān)注通信性能的提升不同，LiFi的照明系統(tǒng)必須要考慮在提升通信性能的同時(shí)保證照明的質(zhì)量。所以LiFi的光源不管是LED還是LD，都是要輸出白光，而白光的顏色質(zhì)量對(duì)于照明來說是非常重要的。

　　LED燈具顏色特征參數(shù)可以由光譜功率分布（SPD）來計(jì)算。SPD是相對(duì)于光波長的輸出強(qiáng)度分布的數(shù)學(xué)表達(dá)，可以提供關(guān)于光譜組分的詳細(xì)信息。在 LiFi系統(tǒng)中，隨著LED的驅(qū)動(dòng)電流變化，SPD會(huì)有偏差。偏差的SPD能導(dǎo)致感知的色點(diǎn)漂移并且會(huì)影響顏色的顯色特性，而LiFi中的特殊調(diào)制技術(shù)會(huì)更加容易受顏色質(zhì)量退化的影響。通過用SPD模型測量驅(qū)動(dòng)電流變化帶來的SPD偏差，從而可以評(píng)價(jià)LiFi調(diào)制的顏色質(zhì)量。

　　但是用SPD模型表征LiFi的顏色質(zhì)量有很多缺點(diǎn)：模型中需要大量的擬合參數(shù)只能通過LED測試的經(jīng)驗(yàn)獲得；SPD模型設(shè)計(jì)是建立在相對(duì)靜止的條件，不能解釋LiFi在高頻電流振蕩下的情況；很難用一個(gè)SPD模型來適用于所有的LED類型，例如不能解釋PC-LED中的熒光粉材料產(chǎn)生的額外影響。另一方面可以檢測LiFi在工作條件下的實(shí)時(shí)顏色特性，對(duì)于高亮度LED產(chǎn)品，LED的制造商需要提供不同驅(qū)動(dòng)電流和調(diào)制頻率下的顏色數(shù)據(jù)，如SPD、顏色坐標(biāo)和顯色指數(shù)（CRI）。

　　因?yàn)長iFi在傳輸數(shù)據(jù)或者空閑狀態(tài)時(shí)需要提供足夠亮度的無閃爍照明服務(wù)，所以LiFi設(shè)備需要具備閃爍去除和亮度調(diào)節(jié)的功能。在IEEE發(fā)布的IEEEPAR1789《LED照明閃爍的潛在健康影響（草案）》中采用了波動(dòng)深度對(duì)閃爍問題進(jìn)行評(píng)價(jià)。而LiFi的光源調(diào)制頻率至少是每秒數(shù)百萬次，所以LiFi光源的閃爍是屬于無風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別的。在亮度調(diào)節(jié)方面，除了OOK（開關(guān)鍵控）和VPPM（可變脈沖位置調(diào)制），還有CSK（色漂鍵控）調(diào)節(jié)。

　　2011年9月，規(guī)定了傳輸速度最高為95Mbit/s的可見光通信國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.15.7制定完成，而且標(biāo)準(zhǔn)制定委員會(huì)的首要任務(wù)是推行“照明第一、通信第二”。

　　標(biāo)準(zhǔn)中的物理層PHYⅠ和Ⅱ分別支持OOK調(diào)節(jié)與VPPM調(diào)節(jié)，而物理層PHYⅢ采用CSK調(diào)制，支持多光源帶寬。將可見光劃分為7段光帶，用3位 bit標(biāo)識(shí)不同的光帶ID號(hào)，CSK根據(jù)光帶ID號(hào)將數(shù)據(jù)調(diào)制在不同波長的光波上并行傳輸，提高光譜利用率，通過選擇顏色的ID標(biāo)識(shí)改變組合，達(dá)到亮度調(diào)節(jié)的目的。對(duì)于LED光源，物理層PHYⅢ僅工作在RGB-LED器件下，并且適合短幀發(fā)送，所以采用CSK調(diào)節(jié)的LiFi光源可以選擇RGB-LED或者RGBLD，適合用于室內(nèi)通信。
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　　LiFi系統(tǒng)的光源布局

　　LiFi以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)可以廣泛地應(yīng)用于：智能照明、車輛交通、醫(yī)院、辦公室、飛機(jī)上、國防安全、水下通信、室內(nèi)定位和危險(xiǎn)環(huán)境中（如礦井、電廠和加油站等）。尤其是室內(nèi)定位，美國的ByteLight公司和國內(nèi)的華策光通信都已經(jīng)開發(fā)出基于白光LED的室內(nèi)定位系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)LiFi的單向傳輸，用于室內(nèi)的信息推送和定位服務(wù)。

　　但是室內(nèi)LiFi系統(tǒng)面臨著許多的技術(shù)難題，比如在帶來安全性的同時(shí)如果光線被擋住了，信號(hào)就會(huì)斷掉；LiFi的雙向數(shù)據(jù)傳輸問題等。HardalHass教授也認(rèn)為LiFi不會(huì)取代WiFi，對(duì)于室內(nèi)通信，LiFi可以作為WiFi的良好補(bǔ)充，只是在某些無線電波受限的場所，LiFi有其不錯(cuò)的應(yīng)用空間。由于照明和防止陰影效應(yīng)影響等原因，需要在室內(nèi)安裝多個(gè)LED燈，因而光源的合理布局是影響照明和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素。

　　為了滿足室內(nèi)照明的要求，光源的布局不僅要使得室內(nèi)的照度和照度均勻度滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求，而且要有利于人的活動(dòng)安全和舒適。光源要選擇高光效、合適色溫、長壽命和可靠性的產(chǎn)品。室內(nèi)的照明布局需要考慮基礎(chǔ)照明、重點(diǎn)照明、裝飾照明和應(yīng)急照明的要求。

　　考慮到LiFi系統(tǒng)中不同路徑引起的碼間干擾、室內(nèi)人員走動(dòng)和物理陰影效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響，在照顧到重點(diǎn)照明部分的LiFi通信的同時(shí)，可以采用 OFDM（正交頻分復(fù)用）方案提高LiFi系統(tǒng)的整體性能和實(shí)現(xiàn)帶寬資源的有效利用。比如基于PC-LED的LiFi系統(tǒng)，采用OFDM調(diào)制技術(shù)可以通過濾除響應(yīng)速度較慢的熒光成分，拓展了調(diào)制帶寬，還可以對(duì)抗多徑效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳播和通信，但是這樣的系統(tǒng)是否滿足照明的均勻性還尚未得到證實(shí)。

　　總結(jié)

　　作為相對(duì)于WiFi的一種通信技術(shù)，LiFi也受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注和研究。本文從LiFi的光源要求出發(fā)，分別從當(dāng)前光源選擇、光源的顏色和光源布局3個(gè)方面來闡述LiFi光源的研究情況。

　　在LiFi的光源選擇上，從LED器件的載流子注入角度分析了影響LED調(diào)制特性的因素。目前來看，RGB-LED相對(duì)于PC-LED有很好的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是需要降低成本，簡化電路設(shè)計(jì)。對(duì)于激光二極管用于LiFi光源的情況，從閾值電流以上的工作區(qū)方面分析了半導(dǎo)體激光器的調(diào)制特性。

　　在LiFi的光源顏色上，分析了SPD模型和CSK調(diào)制對(duì)LiFi光源顏色質(zhì)量的影響。在LiFi光源的布局上，不僅要通過OFDM調(diào)制來降低LiFi系統(tǒng)碼間干擾，提升數(shù)據(jù)傳輸速率，而且要注意室內(nèi)照明的均勻性問題。

　　隨著高亮度、高效率和高速調(diào)制的LED器件的研發(fā)深入，基于白光LED的LiFi技術(shù)會(huì)越來越成熟，這會(huì)給LED帶來新的發(fā)展機(jī)遇，正如中村修二所說，LiFi可能會(huì)成為LED的又一殺手锏。另外隨著激光照明的研究不斷推進(jìn)，未來是否激光照明會(huì)在LiFi技術(shù)中取代LED，也非常值得人們期待。
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