Li-Fi可見(jiàn)光通信系統(tǒng)組成工作原理

隨著智能手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等無(wú)線設(shè)備的普及，無(wú)線上網(wǎng)越來(lái)越成為人們的“第一需要”，如今，一種無(wú)需wifi信號(hào)，點(diǎn)一盞led燈就能上網(wǎng)的技術(shù)來(lái)臨了。

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。

LiFi光通信技術(shù)

Li-Fi（Light Fidelity），是一種基于光（而不是電波）的無(wú)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(jiàn)光對(duì)人體是無(wú)害的，而且在照明中廣泛使用，所以 Li-Fi 也被稱(chēng)為可見(jiàn)光通信（Visible Light Communication, VLC），可見(jiàn)光通信是一項(xiàng)基于白光 LED 的新興無(wú)線光通信技術(shù)。

可見(jiàn)光通信是在利用 LED 照明的同時(shí)，將信號(hào)調(diào)制在 LED 光源上，以可見(jiàn)光波段作為載體傳輸數(shù)據(jù)。例如 LED 開(kāi)表示 1，關(guān)表示 0，通過(guò)快速開(kāi)關(guān)就能傳輸信息。由于 LED 的發(fā)光強(qiáng)度，人眼不會(huì)注意到光的快速變化。Li-Fi 與光纖通信擁有同樣的優(yōu)點(diǎn)，高帶寬，高速率，不同的是 Li-Fi 是使光傳播在我們周?chē)沫h(huán)境中，自然光能到達(dá)的任何地方，就有 Li-Fi 信號(hào)。Li-Fi 技術(shù)是運(yùn)用已鋪設(shè)好的設(shè)備（無(wú)處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個(gè)微小的芯片，就能變成了類(lèi)似于 AP（Wi-Fi 熱點(diǎn)）的設(shè)備，使終端隨時(shí)能接入網(wǎng)絡(luò)。?

Wi-Fi 是覆蓋整個(gè)建筑的完美無(wú)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(wú)線電波一樣，都屬于電磁波的一種，傳輸網(wǎng)絡(luò)信號(hào)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(wàn)次的閃爍，由于頻率太快，人眼根本覺(jué)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(hào)并進(jìn)行了有效的傳輸。燈光下的電腦，通過(guò)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(hào)處理單元組成。接收端主要包括能對(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（PD）和前置放大電路，以及將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被終端識(shí)別的信號(hào)處理和輸出電路。

其基本原理為：在發(fā)送端，基帶數(shù)據(jù)通過(guò)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(gè)方向傳播。而在接收端，利用 PD 接收光信號(hào)，完成光/電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，最后解調(diào)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)的電信號(hào)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(wú)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(gè)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的性能。?

傳輸?shù)男盘?hào)被加入到交流電（AC）打正弦波波形上并通過(guò)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(guò)電路整流成直流電之后，用于 LED 的照明。另一路通過(guò)帶通濾波器（BPF），分離出傳輸?shù)耐ㄐ判盘?hào)，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(hào)。由于?傳輸信號(hào)的頻率足夠高，人眼不會(huì)感覺(jué)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(wú)線通信的信道， LED 發(fā)出的光載波被移動(dòng)終端的 PD 接收，接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)等處理恢復(fù)原來(lái)發(fā)送的基帶信號(hào)。

LiFi的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

LiFi的技術(shù)優(yōu)勢(shì)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(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)。

（2）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)速度的要求是個(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)。

可見(jiàn)光的頻寬是無(wú)線電的10000倍

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（3）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。

（4）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。

LiFi與WiFi技術(shù)的比較?

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

不過(guò)，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(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線電頻率所剩無(wú)幾。作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)，WiFi利用了射頻信號(hào)。然而，無(wú)線電波在整個(gè)電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶(hù)對(duì)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)需求的增長(zhǎng)，可用的射頻頻譜正越來(lái)越少。這直接導(dǎo)致越來(lái)越多的人抱怨無(wú)線信號(hào)不穩(wěn)、網(wǎng)速太慢、經(jīng)常掉線等。就沒(méi)有東西能搞定這個(gè)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(gè)明顯的問(wèn)題是，可見(jiàn)光無(wú)法穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號(hào)將被切斷?！?/p>

英國(guó)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(wèn)題在于，我們的手機(jī)如何使用可見(jiàn)光來(lái)通信？”

Haas表示，這是兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，但他也有簡(jiǎn)單的臨時(shí)解決方法?！叭绻庑盘?hào)被阻擋，而你需要使用設(shè)備發(fā)送信息，你可以無(wú)縫地切換至射頻信號(hào)?！彼J(rèn)為，可見(jiàn)光通信并不是WiFi的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)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(diǎn)?

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(gè) 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(shí)現(xiàn)技術(shù)

室內(nèi) LED 可見(jiàn)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(jiàn)光通信系統(tǒng)中，上行通信和下行通信是同時(shí)進(jìn)行的。下行信號(hào)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(lái)完成接收光、發(fā)射光分離，以實(shí)現(xiàn)雙工通信。

3）高靈敏的光信號(hào)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(dòng)和物體陰影效應(yīng)對(duì)通信系統(tǒng)的影響。進(jìn)行光信號(hào)檢測(cè)時(shí)，白光 LED 信號(hào)受到背景光的干擾，后續(xù)的檢測(cè)電路設(shè)計(jì)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(jiàn)光通信系統(tǒng)可針對(duì)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(wú)載波方案或載波方案。無(wú)載波方案直接發(fā)射納秒級(jí)的基帶脈沖，無(wú)須載波調(diào)制，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。最典型的無(wú)載波光信號(hào)調(diào)制方法為 IM/DD（強(qiáng)度調(diào)制-直接檢測(cè)）。載波方案將納秒級(jí)的基帶脈沖調(diào)制到一個(gè)或多個(gè)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(gè)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(shí)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(dòng)態(tài)分配帶寬資源，從而實(shí)現(xiàn)光信號(hào)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(jiàn)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(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。

想象一下這樣的場(chǎng)景：在街頭，利用路燈就可以下載電影；在家里，打開(kāi)臺(tái)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(gè)巨大的好處是在任何對(duì)無(wú)線電敏感的場(chǎng)合都可以使用，比如飛機(jī)上、手術(shù)室里等。

可見(jiàn)光通信產(chǎn)業(yè)鏈長(zhǎng)，涉及的環(huán)節(jié)多，未來(lái)將形成萬(wàn)億級(jí)的市場(chǎng)規(guī)模。據(jù)保守估計(jì)，可見(jiàn)光通信技術(shù)預(yù)計(jì)2020年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)1500億元。

其中室內(nèi)綠色通信網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)最大的市場(chǎng)，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(jì)可以形成千億級(jí)的市場(chǎng)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(chǎng)規(guī)模。旅游景點(diǎn)講解網(wǎng)絡(luò)作為傳統(tǒng)無(wú)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(chǎng)規(guī)模。

LIFI移動(dòng)支付網(wǎng)絡(luò)基于可見(jiàn)光通信的移動(dòng)支付方式無(wú)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(chǎng)規(guī)模。

LIFI媒體廣告網(wǎng)絡(luò)將帶來(lái)新的傳播模式和商業(yè)模式，基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的新型媒體廣告網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)全新的開(kāi)拓型市場(chǎng)，電視屏幕、室外大型LED屏幕、交通信號(hào)燈、路燈乃至大型商場(chǎng)、超市、寫(xiě)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(tái)，預(yù)期可形成數(shù)十億的市場(chǎng)規(guī)模。

無(wú)線可見(jiàn)光通信隨著現(xiàn)在數(shù)字技術(shù)得迅速發(fā)展，憑借著其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)：高帶寬，高速率，綠色，低能耗，安全，在目前實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試報(bào)告下，LiFi技術(shù)十分適用于目前解決無(wú)線通信中被人們所指出的一些問(wèn)題，可能成為與WiFi技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)的新技術(shù)。?

審核編輯：黃飛

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