Li-Fi光通信技术详解

随着智能手机、笔记本电脑、平板电脑等无线设备的普及，无线上网越来越成为人们的“第一需要”，如今，一种无需wifi信号，点一盏led灯就能上网的技术来临了。

目前WiFi技术所承载的电磁波频段频谱资源稀缺，无法满足日益增长的数据通信要求。此外，无线数据安全问题也一并为WiFi技术的发展提出了挑战。新一代光通信技术——LiFi的出现，可以为数据传输提供了一种更为安全、高速、稳定的解决方案。

LiFi光通信技术

Li-Fi（Light Fidelity），是一种基于光（而不是电波）的无线通信技术， Li-Fi结合了光的数据通信功能和照明功能。

由于在光谱中可见光对人体是无害的，而且在照明中广泛使用，所以 Li-Fi 也被称为可见光通信（Visible Light Communication, VLC），可见光通信是一项基于白光 LED 的新兴无线光通信技术。

可见光通信是在利用 LED 照明的同时，将信号调制在 LED 光源上，以可见光波段作为载体传输数据。例如 LED 开表示 1，关表示 0，通过快速开关就能传输信息。由于 LED 的发光强度，人眼不会注意到光的快速变化。Li-Fi 与光纤通信拥有同样的优点，高带宽，高速率，不同的是 Li-Fi 是使光传播在我们周围的环境中，自然光能到达的任何地方，就有 Li-Fi 信号。Li-Fi 技术是运用已铺设好的设备（无处不在的灯泡），只要在灯泡上植入一个微小的芯片，就能变成了类似于 AP（Wi-Fi 热点）的设备，使终端随时能接入网络。

Wi-Fi 是覆盖整个建筑的完美无线数据传输技术，但是 Li-Fi 可以提供更高效率、更大带宽、更安全和高速获取的通信技术。

Li-Fi 工作原理

光和无线电波一样，都属于电磁波的一种，传输网络信号的基本原理也是一致的。研究中，给普通的 LED 灯泡装上微芯片，可以控制它每秒数百万次的闪烁，由于频率太快，人眼根本觉察不到，光敏传感器却可以接收到这些变化。就这样，二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。灯光下的电脑，通过一套特制的接收装置，读懂灯光里的“莫尔斯密码”。

发射部分主要由白光 LED 光源和相应的信号处理单元组成。接收端主要包括能对信号光源实现最佳接收的光学系统，将光信号还原成电信号的光电探测器（PD）和前置放大电路，以及将电信号转换成可被终端识别的信号处理和输出电路。

其基本原理为：在发送端，基带数据通过电力线传送到发送设备中， LED 光源发出的已调制光以很大的发散角朝各个方向传播。而在接收端，利用 PD 接收光信号，完成光/电信号的转换，最后解调转换过来的电信号并将其输出。光接收机的主要任务是以最小的附加噪声及失真，恢复出经由无线光信道传输后光载波所携带的信息， 因此光接收机的输出特性综合反映了整个可见光通信系统的性能。

传输的信号被加入到交流电（AC）打正弦波波形上并通过电力线传送到天花板的 LED 设备上。交流载波在进入 LED 前被分成两路，一路通过电路整流成直流电之后，用于 LED 的照明。另一路通过带通滤波器（BPF），分离出传输的通信信号，用于调制和控制 LED 的发光强弱以形成调制后的光载波信号。由于 传输信号的频率足够高，人眼不会感觉到 LED 光强的明暗或亮灭，所以并不影响照明的效果。然后，光载波进入无线通信的信道， LED 发出的光载波被移动终端的 PD 接收，接收机对信号进行解调等处理恢复原来发送的基带信号。

技术发展概况 

1、日本

2000年，日本庆应大学和SONY研究所提出以LED照明灯作为通信的基站，在室内进行信息无线传输的构想。Tanaka与Komine等人于2002年正式提出电力线的载波通信与LED可见光通信融合的数据传输系统。2003年经中川倡导建立可见光通信联合体，NEC、SONY等研究单位及企业共同参与。在2008年东京国际电子展上，太阳诱电株式会社首次展出LED光通信产品的样机。

2、欧美

2009年，美国加州大学和国家实验室共建UCLight，任务是开发基于LED照明高速通信与定位的系统。2010年，德国弗劳恩霍夫研究所的团队将通信速率提高至513Mbit/s，创造世界纪录。2011年，爱丁堡大学哈拉尔德·哈斯演示带有信号处理技术的LED灯把高清视频传输给了计算机，并将可见光通信称为“LiFi”。2013年，他的团队展示了首台产品，演示直播伦敦市长的讲话。同年，英国众多高校的科研人员把离线速率刷新到10Gbit/s。

3、中国

2006年，北京大学提出基于广角镜头的超宽视角可见光信号接收方案，并在可见光通信和无源光网络（PON）融合接入中的物理层、链路层以及传输层等方面进行探索研究。2008年，暨南大学研制出国内首台白光LED光通信样机，传输距离在2.5m以上。2011年，国家863计划部署了可见光通信技术的研究，经过两年的科技攻关，在调制带宽的拓展、实时传输速率和融合网络的架构等方面取得重要的研究成果。2012年，解放军信息工程大学成功研发了可见光通信相关技术的点播电视业务、近场通信和新型无线广播，并且在矿下可应用此技术进行通信和定位。2013年，复旦大学研发出3.75Gbit/s的离线数据传输速率，创造世界纪录，成功实现实时速率达到150Mbit/s的可见光传输系统，2015实现实时速率达到450Mbit/s。

LiFi的技术优势

LiFi的技术优势主要在于

（1）建设便利。

灯泡这种设备在早百多年前被人类发明，并在这百多年来灯泡的技术越来越发达。人们可以利用已经铺设好的电灯设备电路，在需要接入网络的地方植入一个芯片即可。例如高速公路上的路灯，人们在高速行驶的车上能轻易的接收到路灯传来的信号。

（2）高带宽，高速率。

可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍。目前据报道，实验室测试最高速度可达1Gbps。这对于人们对速度的要求是个可喜的数据，人们可以随时随地的享受高速带来的体验。

可见光的频宽是无线电的10000倍

 

（3）绿色，低能耗。

人们无时无刻都处在“光”这环境中，甚至可以说是光创造了人类，可见光对于人类来说是绿色的，无辐射伤害的一种物质。因此用光来作为无线通信的媒质，是一种对人类发展更健康，更可取的方向。同时用光来通信能减低能耗，因为不需要想基站那样提供额外的能耗。就算是在白天，只要把作为“热点”的灯的亮度降低人眼所觉察不到的程度即可，在夜晚的时候可以作为数据传输和照明的作用。

（4）安全。

对于电磁波来说，其可以穿透物体进行传播，从安全角度上看，这可能会被截取而泄露信息。但对于LiFi来说，可见光只能延直线传播，不会穿透墙体的物体。数据只往人们所设定的方向传播，只有利于信息的安全性。

LiFi与WiFi技术的比较 

WiFi功能是所有手持设备用户的心头之好。数据显示，2011年，全球4.39亿家庭用户使用WiFi，经过WiFi认证的产品发货量超过了20亿部。

不过，由于每月全球50亿手机传输的高达6拍字节(1拍等于10亿兆)的数据，导致无线局域网和无线通讯网络的无线电频率所剩无几。作为无线数据传输的最主要技术，WiFi利用了射频信号。然而，无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分。而随着用户对无线互联网需求的增长，可用的射频频谱正越来越少。这直接导致越来越多的人抱怨无线信号不稳、网速太慢、经常掉线等。就没有东西能搞定这个难题吗？
　　

HeraldHaas教授终于找到了替代技术：利用灯泡发出的光传输数据。他在普通灯泡中植入电子装置，利用光线强度发生的微弱变化传输数据。这种用光波取代无线电波传输数据的新技术叫做LiFi(光保真)技术。将可见光用于LiFi，要调制其输出以使其携带信息，就像WiFi路由器一样。

不过这一技术也有着自身的局限。雅典Harokopio大学信息学讲师Thomas Kamalakis推荐了Haas的技术，但也表示该技术的潜力不应被高估。他表示：“一个明显的问题是，可见光无法穿透物体，因此如果接收器被阻挡，那么信号将被切断。”

英国华威大学工程学院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“问题在于，我们的手机如何使用可见光来通信？”

Haas表示，这是两个现实问题，但他也有简单的临时解决方法。“如果光信号被阻挡，而你需要使用设备发送信息，你可以无缝地切换至射频信号。”他认为，可见光通信并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充的技术，这将有助于释放频谱空间。

LiFi的技术难点 

1）光源的选择和室内光源的布局

室内 VLC 系统中，由于照明和增大发射功率、增强接收功率、防止阴影效应影响等原因需要安装多个 LED 灯或 LED 阵列， 因而光源的合理布局上影响照明和系统性能的关键因素。

2）上行链路的实现技术

室内 LED 可见光双工系统分为上行信道和下行信道。在基于 LED 的室内双工可见光通信系统中，上行通信和下行通信是同时进行的。下行信号由天花板上的 LED 灯发出，由于照明的需要，光必须散射发出；而上行链路由上行终端的LED 发出，不需要提供照明的需求，因此可以采用准直式的光线，直接瞄准上方的上行接收端。目前已经提出利用偏振分光和并行方式来完成接收光、发射光分离，以实现双工通信。

3）高灵敏的光信号接收技术

可采用光分集接收技术提高 VLC 系统的信噪比，克服不同路径引起的码间干扰（ISI）、接收机位置的改变以及室内人员走动和物体阴影效应对通信系统的影响。进行光信号检测时，白光 LED 信号受到背景光的干扰，后续的检测电路设计要考虑自身的电路噪声和前端的背景光噪声的影响。

4）高性能调制、编码以及解调技术

LED 兼具极快的响应速度和较宽的调制带宽。LED 可见光通信系统可针对不同要求的业务需要选择不同的调制技术。目前，可选择的方案有无载波方案或载波方案。无载波方案直接发射纳秒级的基带脉冲，无须载波调制，实现简单。最典型的无载波光信号调制方法为 IM/DD（强度调制-直接检测）。载波方案将纳秒级的基带脉冲调制到一个或多个频率的光载波上进行传输。

5）信道复用技术

为了使多个终端能共享一条高速信道， 须采用信道复用技术。在光通信领域，主要有波分多址技术（WDMA）、时分多址技术（TDMA）及光码分多址技术（OCDMA）。OCDMA 是指光域内的一种扩频技术，可以动态分配带宽资源，从而实现光信号的直接复用与交换。OCDMA 的保密性好，抗干扰能力强，是具有广阔前景的多址技术。在 LED 可见光通信中可采用非相干 OCDMA 系统。

LiFi的应用与发展

随着白炽灯、荧光灯逐渐退出市场并被LED取代，未来任何有光的地方都可以成为潜在的LiFi数据传输源。

想象一下这样的场景：在街头，利用路灯就可以下载电影；在家里，打开台灯就可以下载歌曲；在餐厅，坐在有灯光的地方就可以发微博；即便是在水下，只要有灯光照射就可以上网。

LiFi另一个巨大的好处是在任何对无线电敏感的场合都可以使用，比如飞机上、手术室里等。

可见光通信产业链长，涉及的环节多，未来将形成万亿级的市场规模。据保守估计，可见光通信技术预计2020年市场规模将超过1500亿元。

其中室内绿色通信网络是未来最大的市场，是目前WIFI技术、蓝牙技术等重要的补充和一定范围内的替代，预计可以形成千亿级的市场规模。

室内精确定位系统作为目前室外GPS定位系统的补充，是目前室内WIFI定位技术等的替代产品，预期可以形成数百亿产值的市场规模。旅游景点讲解网络作为传统无线电讲解系统的替代产品，预期可以形成数十亿产值的市场规模。

LIFI移动支付网络基于可见光通信的移动支付方式无疑提供了更为安全的支付方式预期可以形成数百亿产值的市场规模。

LIFI媒体广告网络将带来新的传播模式和商业模式，基于可见光通信技术的新型媒体广告网络作为一个全新的开拓型市场，电视屏幕、室外大型LED屏幕、交通信号灯、路灯乃至大型商场、超市、写字楼以及家庭内部LED照明灯具均可以作为这一新型隐式广告的发布平台，预期可形成数十亿的市场规模。

无线可见光通信随着现在数字技术的迅速发展，凭借着其独有的优势：高带宽，高速率，绿色，低能耗，安全，在目前实验室的测试报告下，LiFi技术十分适用于目前解决无线通信中被人们所指出的一些问题，可能成为与WiFi技术竞争的新技术。

审核编辑：黄飞