顧雪晨 周 華

（南京信息工程大學，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)臏蚀_高效也愈發(fā)重要，Li-Fi 應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）遠大于射頻、不影響健康、對敏感區(qū)域無干擾的特點，有極大應用優(yōu)勢和廣闊發(fā)展前景。目前射頻通信仍占主導地位，Li-Fi 可能首先運用于更強調(diào)保密性、安全性的場景，未來有逐步發(fā)展至多領域進行數(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度亮滅閃爍的光線，其照明特性被巧妙地運用至工作模式，通信流程如圖1 所示。

數(shù)據(jù)由信源提供，轉為二進制后通過發(fā)端Li-Fi 熱點處、已植入可編碼微控芯片的LED 驅(qū)動器調(diào)制，對信道衰落進行預均衡處理[2]，利用快速光脈沖，傳輸?shù)礁吡炼萀ED 并轉為發(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；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入接收器部分；利用VLC 技術轉發(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MIMO 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)模轉換器將二進制信息轉換為原始信息，最終將數(shù)據(jù)解調(diào)解碼、恢復為原始發(fā)送形式，安全傳輸至接收設備。

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，通過合理使用高速LED 和多路復用技術實現(xiàn)高速率傳輸?；谝陨狭鞒蹋邮赵O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、多用戶接入技術等方面成果也正不斷推動Li-Fi 雙向通信的研究進程。

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)絡費用昂貴，蜂窩網(wǎng)絡與設備發(fā)熱量大，冷卻基站消耗多數(shù)能量，傳輸電波能量轉化率僅為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)較多時傳輸速率大大降低，造成網(wǎng)絡擁堵。

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險，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)控設備或飛行器等載具的導航系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，限制了Wi-Fi 適用區(qū)域。

基于Li-Fi 技術工作流程，其引入有利于打破上述四方面僵局，進一步明確對比其與Wi-Fi 通信技術特點如表1 所示[3]。

表1 Li-Fi 與Wi-Fi 的對比

對于VLC 而言，Li-Fi 可進行高密度無線傳輸，相較于Wi-Fi 對應存在以下優(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)有基礎設施融合[2]，空間重復利用率高，便利到只需植入微控芯片，無需使用能量密集設備；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1Gbit/s～3.5Gbit/s，而Wi-Fi 最快標準802.11ac 上限僅為1 Gbit/s。

3.4.3 上、下行信道獨立運行，在有障礙阻擋、光不能透過的區(qū)域不容易被截取，可實現(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)院或飛機等特定通信場所上設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，可以進行無輻射傷害的數(shù)據(jù)傳輸。

4 Li-Fi 技術應用

基于可見光傳輸數(shù)據(jù)的原理及優(yōu)勢，將可見光網(wǎng)絡需求分為替代與輔助Wi-Fi 兩類：前者適用于復雜電磁環(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 上下行鏈路擔任全部傳輸工作；后者于Wi-Fi 頻譜資源緊張時分流負載使用，Li-Fi 可借助其它通信方式完成上行鏈路傳輸任務[1]。以辦公學習、敏感區(qū)域、交通管理、定位救援、服務推送、水下作業(yè)、調(diào)控家居7 類為例闡述Li-Fi 技術主要應用領域如下[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查閱、收發(fā)郵件、下載資料、即時通訊等工作；教育機構可用Li-Fi 在大型教室同步獲取教學資源，進行屏幕演示動畫、音視頻在線學習、課件共享等。

4.2 敏感區(qū)域用Li-Fi 訪問互聯(lián)網(wǎng)和控制設備，醫(yī)療環(huán)境下監(jiān)視醫(yī)療器械，輔助手術、執(zhí)行必要的計算機程序；飛機上提供基于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)絡連接數(shù)據(jù)系統(tǒng)，監(jiān)控各項指標。

4.3 組建基于LED 的VLC 通信網(wǎng)絡，利用交通信號燈實現(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)移動用戶定位精準性；發(fā)生災難時利用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)絡與光明。

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

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

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

5 發(fā)展研判

作為擴展頻段、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，Li-Fi 發(fā)展面臨許多亟待解決的問題與挑戰(zhàn)，但實驗室數(shù)據(jù)傳輸記錄刷新和大量研究成果進展顯示出其可觀前景，研究團隊對其未來情景的關注也在不斷提升,VLC業(yè)已成為學術組織研究的熱點。

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、菲涅爾透鏡加藍光濾膜向集成方面演進等策略分別克服[2]。目前Li-Fi 傳輸距離有限、上行通信鏈路設計困難、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)制技術降低，如基于PC-LED 的Li-Fi 系統(tǒng)，在濾除響應速度相對低的熒光成分后可提高整體性能、擴展調(diào)制帶寬、緩解多徑效應[4]?；贚i-Fi 光源應具備功耗低、輻射范圍廣、響應靈敏度高、照明亮度高和調(diào)制性能好等方面需求，應研發(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，才能在市場中增加更多的用戶，更快推動Li-Fi 商業(yè)化進程。

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Wi-Fi?，F(xiàn)已有基于VLC 的信號燈演示系統(tǒng)可實現(xiàn)燈-車與車-車間通信；其它應用方案如國內(nèi)誤差較小、泊車高效的停車場自動導航系統(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 用戶增加導致傳輸信息量達無線電頻譜承載上限的可能性，Li-Fi 無需授權的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)領域?qū)崿F(xiàn)通信、定位或檢測……這為具有廣闊應用范圍與光明發(fā)展前景的無線通信技術無疑開拓了未來打破Wi-Fi 局限的新思路。