Li- Fi 應(yīng)用優(yōu)勢

顧雪晨 周 華

（南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京210044）

1 概述

隨著無線通信的使用呈指數(shù)增長，數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確高效也愈發(fā)重要，Li-Fi 應(yīng)Wi-Fi 面臨的容量、效率等問題產(chǎn)生，以可見光而非射頻波傳輸數(shù)據(jù)，故稱可見光通信（VLC），其以400THz至800THz 間的可見光為媒介、以光載波通信照明、以快速脈沖無線傳輸。

這種照明與通信深度耦合[1]的無線傳輸方式利用可見光帶寬（300THz）遠(yuǎn)大于射頻、不影響健康、對敏感區(qū)域無干擾的特點(diǎn)，有極大應(yīng)用優(yōu)勢和廣闊發(fā)展前景。目前射頻通信仍占主導(dǎo)地位，Li-Fi 可能首先運(yùn)用于更強(qiáng)調(diào)保密性、安全性的場景，未來有逐步發(fā)展至多領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o限可能。

2 工作模式

Li-Fi 對光源施加恒定電流，輸出人眼難辨的高強(qiáng)度亮滅閃爍的光線，其照明特性被巧妙地運(yùn)用至工作模式，通信流程如圖1 所示。

數(shù)據(jù)由信源提供，轉(zhuǎn)為二進(jìn)制后通過發(fā)端Li-Fi 熱點(diǎn)處、已植入可編碼微控芯片的LED 驅(qū)動器調(diào)制，對信道衰落進(jìn)行預(yù)均衡處理[2]，利用快速光脈沖，傳輸?shù)礁吡炼萀ED 并轉(zhuǎn)為發(fā)射信號，在LED 前部附加透鏡、減少光束發(fā)射角，可增大傳輸距離、提高接收光強(qiáng)；隨即在穩(wěn)定的室內(nèi)信道或易受環(huán)境影響的室外信道中傳輸，以主要直射、少部分散射及漫射方式進(jìn)入接收器部分；利用VLC 技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)、為增大信噪比經(jīng)聚光鏡由光電探測器捕獲數(shù)據(jù)，如高速可見光系統(tǒng)中常用的PIN、APD 或低速M(fèi)IMO 系統(tǒng)常用的圖像傳感器，提供給雙級放大器以解調(diào)載波和數(shù)據(jù)信號，通過均衡算法消除噪聲影響、降低系統(tǒng)損傷，利用數(shù)模轉(zhuǎn)換器將二進(jìn)制信息轉(zhuǎn)換為原始信息，最終將數(shù)據(jù)解調(diào)解碼、恢復(fù)為原始發(fā)送形式，安全傳輸至接收設(shè)備。

圖1 工作模式流程

在通信系統(tǒng)中，通信源使用高亮度白色LED，用數(shù)據(jù)信號調(diào)制光照，以硅光電二極管得到可見波長區(qū)域的良好響應(yīng)，通過合理使用高速LED 和多路復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速率傳輸。基于以上流程，接收設(shè)備若要從光源接收信號，需將光電二極管陣列用于具備多通道通信或多光源感知功能的圖像傳感器，編碼、多用戶接入技術(shù)等方面成果也正不斷推動Li-Fi 雙向通信的研究進(jìn)程。

3 Wi-Fi 局限與Li-Fi 優(yōu)勢

Wi-Fi 為目前主流通信模式，大部分室內(nèi)無線覆蓋效果較理想，但其技術(shù)使用的無線電波在效率、容量、安全性、可用性方面存在一些局限：

3.1 部署網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用昂貴，蜂窩網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備發(fā)熱量大，冷卻基站消耗多數(shù)能量，傳輸電波能量轉(zhuǎn)化率僅為5%。

3.2 隨著4G、5G 等快速發(fā)展，可用頻譜帶寬日漸緊張；用戶數(shù)較多時(shí)傳輸速率大大降低，造成網(wǎng)絡(luò)擁堵。

3.3 以共用信道傳輸信息，易被“蹭網(wǎng)”；對障礙物的衍射穿透特性等也存在較大風(fēng)險(xiǎn)，可能會被非法分子惡意截取重要數(shù)據(jù)，造成安全隱患；電磁波本身對人體和環(huán)境也有一定影響。

3.4 無線電波輻射會對醫(yī)療等精密儀器的監(jiān)控設(shè)備或飛行器等載具的導(dǎo)航系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，限制了Wi-Fi 適用區(qū)域。

基于Li-Fi 技術(shù)工作流程，其引入有利于打破上述四方面僵局，進(jìn)一步明確對比其與Wi-Fi 通信技術(shù)特點(diǎn)如表1 所示[3]。

表1 Li-Fi 與Wi-Fi 的對比

對于VLC 而言，Li-Fi 可進(jìn)行高密度無線傳輸，相較于Wi-Fi 對應(yīng)存在以下優(yōu)勢：

3.4.1 數(shù)據(jù)通過極低發(fā)熱量、高能效的穩(wěn)定照明設(shè)備傳輸，節(jié)省50 倍能源，提升至少10 倍數(shù)據(jù)傳輸效率[1]。

3.4.2 易與現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施融合[2]，空間重復(fù)利用率高，便利到只需植入微控芯片，無需使用能量密集設(shè)備；帶寬是無線電頻譜10000 倍，能容納更多信道并行傳輸，通訊速度達(dá)1Gbit/s～3.5Gbit/s，而Wi-Fi 最快標(biāo)準(zhǔn)802.11ac 上限僅為1 Gbit/s。

3.4.3 上、下行信道獨(dú)立運(yùn)行，在有障礙阻擋、光不能透過的區(qū)域不容易被截取，可實(shí)現(xiàn)傳輸過程保密性。

3.4.4 頻段不會受到低頻電磁干擾[1]，將醫(yī)院或飛機(jī)等特定通信場所上設(shè)置的燈光換為加裝芯片的LED 光源就具備了Li-Fi 發(fā)射端的條件，可以進(jìn)行無輻射傷害的數(shù)據(jù)傳輸。

4 Li-Fi 技術(shù)應(yīng)用

基于可見光傳輸數(shù)據(jù)的原理及優(yōu)勢，將可見光網(wǎng)絡(luò)需求分為替代與輔助Wi-Fi 兩類：前者適用于復(fù)雜電磁環(huán)境、注重信息傳遞安全保密和無Wi-Fi 而具備Li-Fi 使用條件地區(qū)，由Li-Fi 上下行鏈路擔(dān)任全部傳輸工作；后者于Wi-Fi 頻譜資源緊張時(shí)分流負(fù)載使用，Li-Fi 可借助其它通信方式完成上行鏈路傳輸任務(wù)[1]。以辦公學(xué)習(xí)、敏感區(qū)域、交通管理、定位救援、服務(wù)推送、水下作業(yè)、調(diào)控家居7 類為例闡述Li-Fi 技術(shù)主要應(yīng)用領(lǐng)域如下[3]。

4.1 辦公環(huán)境下滿足照明需求，提供更大帶寬、更高速率，更高效迅速地完成文獻(xiàn)查閱、收發(fā)郵件、下載資料、即時(shí)通訊等工作；教育機(jī)構(gòu)可用Li-Fi 在大型教室同步獲取教學(xué)資源，進(jìn)行屏幕演示動畫、音視頻在線學(xué)習(xí)、課件共享等。

4.2 敏感區(qū)域用Li-Fi 訪問互聯(lián)網(wǎng)和控制設(shè)備，醫(yī)療環(huán)境下監(jiān)視醫(yī)療器械，輔助手術(shù)、執(zhí)行必要的計(jì)算機(jī)程序；飛機(jī)上提供基于LED 的高速訪問途徑；節(jié)省發(fā)電廠成本，提供安全快速的網(wǎng)絡(luò)連接數(shù)據(jù)系統(tǒng)，監(jiān)控各項(xiàng)指標(biāo)。

4.3 組建基于LED 的VLC 通信網(wǎng)絡(luò)，利用交通信號燈實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)的智能交通高安全性、高可靠性管理，幫助用戶查詢交通狀況、合理選擇路線、緩解擁堵，提醒車主保持車距、控制車速。

4.4 通過照明設(shè)施傳遞用戶的位置信息：提高傳統(tǒng)衛(wèi)星對室內(nèi)移動用戶定位精準(zhǔn)性；發(fā)生災(zāi)難時(shí)利用Li-Fi 監(jiān)測定位被困者位置，減小傷亡與救援難度，或?qū)ED 連接到街道上，替代極大受限的Wi-Fi 帶來網(wǎng)絡(luò)與光明。

4.5 將機(jī)場、綜合體等場所的LED 陣列組合屏幕顯示信息調(diào)制，自動推送服務(wù)至適用人群的智能終端。

4.6 用水下工作機(jī)器的探照燈光代替電纜，減小機(jī)器束縛，可實(shí)時(shí)傳輸含更高信息量的視頻信號。

4.7 對家居進(jìn)行Li-Fi 的設(shè)備更新，將家用頂燈替換為Li-Fi 熱點(diǎn)，在光照范圍內(nèi)傳輸信號，執(zhí)行開關(guān)、調(diào)控等命令。

5 發(fā)展研判

作為擴(kuò)展頻段、環(huán)保節(jié)能、支持移動、兼顧可見光源照明與高速無線通信的新技術(shù)，Li-Fi 發(fā)展面臨許多亟待解決的問題與挑戰(zhàn)，但實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)傳輸記錄刷新和大量研究成果進(jìn)展顯示出其可觀前景，研究團(tuán)隊(duì)對其未來情景的關(guān)注也在不斷提升,VLC業(yè)已成為學(xué)術(shù)組織研究的熱點(diǎn)。

針對LED 探測器靈敏度低、單芯片探測效率低、高頻部分帶寬較窄、收發(fā)天線需透鏡組導(dǎo)致體積龐大等方面的制約，可利用基于摻AlGaAs 材料的探測器、LED 與探測器陣列、表面等離子體LED、菲涅爾透鏡加藍(lán)光濾膜向集成方面演進(jìn)等策略分別克服[2]。目前Li-Fi 傳輸距離有限、上行通信鏈路設(shè)計(jì)困難、環(huán)境光源干擾、光線受阻無法穿墻等不足大多也能依靠RF 信號、電力線或以太網(wǎng)線等進(jìn)行互聯(lián)解決[1]。

此外，通信中人員走動、碼間干擾和物理陰影影響可由OFDM 調(diào)制技術(shù)降低，如基于PC-LED 的Li-Fi 系統(tǒng)，在濾除響應(yīng)速度相對低的熒光成分后可提高整體性能、擴(kuò)展調(diào)制帶寬、緩解多徑效應(yīng)[4]。基于Li-Fi 光源應(yīng)具備功耗低、輻射范圍廣、響應(yīng)靈敏度高、照明亮度高和調(diào)制性能好等方面需求，應(yīng)研發(fā)亮度、效率與調(diào)制特性兼顧的LED 器件, 增大新型Li-Fi 系統(tǒng)信道容量，提高傳輸速率和用戶體驗(yàn)，才能在市場中增加更多的用戶，更快推動Li-Fi 商業(yè)化進(jìn)程。

因目前Wi-Fi 普及且較成熟，Li-Fi 有望在短期內(nèi)輔助與互補(bǔ)Wi-Fi。現(xiàn)已有基于VLC 的信號燈演示系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)燈-車與車-車間通信；其它應(yīng)用方案如國內(nèi)誤差較小、泊車高效的停車場自動導(dǎo)航系統(tǒng)[5]及日本在超市環(huán)境下室內(nèi)定位等[1]。替代Wi-Fi 或需經(jīng)歷長期過程，考慮到未來Wi-Fi 用戶增加導(dǎo)致傳輸信息量達(dá)無線電頻譜承載上限的可能性，Li-Fi 無需授權(quán)的300 THz 空白可用頻譜帶寬資源，固態(tài)照明在世界范圍內(nèi)的普及致使VLC 光源隨處可見[2]，基于其安全有組織性可優(yōu)先在航空、水下等專業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)通信、定位或檢測……這為具有廣闊應(yīng)用范圍與光明發(fā)展前景的無線通信技術(shù)無疑開拓了未來打破Wi-Fi 局限的新思路。