對(duì)手or隊(duì)友——淺談LiFi之于WiFi的關(guān)系

趙浩強(qiáng)+陳萍+徐潔潔++劉健++喻曉

摘 要： LiFi作為可見光通信發(fā)展的典型代表，日益受到人們的關(guān)注，其代替WiFi成為主要無線通信技術(shù)之一的可能性也被廣為討論。文章闡述了LiFi的概念，闡釋了LiFi的技術(shù)原理和應(yīng)用場(chǎng)景，并討論了LiFi與WiFi在未來發(fā)展的關(guān)系問題。研究表明，LiFi和WiFi技術(shù)互補(bǔ)，各具優(yōu)勢(shì)，LiFi-WiFi混合網(wǎng)絡(luò)模式將成為未來具有前景的無線通信技術(shù)發(fā)展方向之一。

關(guān)鍵詞： LiFi； WiFi； 混合網(wǎng)絡(luò)； 無線通信

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1006-8228（2017）02-27-04

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，WiFi技術(shù)已經(jīng)普遍應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ钪?。家庭、辦公室、商場(chǎng)、景區(qū)等都是WiFi典型應(yīng)用區(qū)域，可以說，人們已經(jīng)越來越離不開WiFi網(wǎng)絡(luò)。然而，目前WiFi技術(shù)所承載的電磁波頻段頻譜資源稀缺，無法滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通信要求。雖然現(xiàn)階段802.11ad等最新協(xié)議已經(jīng)著手開拓60GHz頻段等高頻電磁波段，但是根據(jù)弗里斯自由空間損耗公式，以及信號(hào)在地面?zhèn)鬏斶^程中的阻隔和遮蔽等因素，頻率越高，總體的WiFi信號(hào)衰減就越大[1]。此外，無線數(shù)據(jù)安全保密性等問題也一并為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)，為在高頻段提供穩(wěn)定、高速、安全的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種全新的解決方案。因?yàn)長(zhǎng)iFi所利用的可見光波頻率比無線電波高很多，其理論通信速率也就比傳統(tǒng)的無線通信方式高很多；又因?yàn)槠涫褂肔ED燈作為可見光發(fā)射裝置，而LED燈在人們?nèi)粘Ｉ钪袕V泛存在，所以LiFi的推廣應(yīng)用有其先天的基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)。

1 LiFi的概念

LiFi，英文名Light Fidelity，又稱光保真技術(shù)，是一種利用可見光波譜（如燈泡發(fā)出的光）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線傳輸技術(shù)，由英國(guó)愛丁堡大學(xué)電子通信學(xué)院移動(dòng)通信系主席、德國(guó)物理學(xué)家Harald Hass（哈拉爾德·哈斯）教授發(fā)明。

目前，可見光源主要采用發(fā)光二極管（LED）。通過給普通的LED燈泡加裝一個(gè)微型控制芯片，從而控制高速閃爍的LED燈泡。由于可以控制的閃爍次數(shù)每秒鐘達(dá)到數(shù)百萬次，肉眼幾乎感覺不到它的閃爍，同時(shí)也不會(huì)影響正常照明。但是光敏傳感器可以準(zhǔn)確地接收到這些變化，利用解碼芯片恢復(fù)出與發(fā)端一樣的數(shù)據(jù)信息，進(jìn)而完成無線數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。因此，加裝微型芯片的LED燈就相當(dāng)于WiFi網(wǎng)絡(luò)中的AP裝置，用戶可以通過支持LiFi技術(shù)的移動(dòng)智能終端進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信。

2 LiFi的技術(shù)原理

2.1 基本原理

LiFi利用高速光脈沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳播，通過安裝在LED燈上的微型芯片控制，根據(jù)不同速率來對(duì)電信號(hào)進(jìn)行信息調(diào)制編碼，并控制燈的亮滅（燈亮表示“1”，燈滅表示“0”），轉(zhuǎn)換成光信號(hào)發(fā)射出去。同時(shí)，在接收端，光敏傳感器接收光信號(hào)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解調(diào)解碼，還原原始數(shù)據(jù)?？梢姽馔ㄐ呕驹砣鐖D1所示[4]。

目前，LiFi技術(shù)發(fā)展仍處于初期，為實(shí)現(xiàn)真正意義上的無線網(wǎng)絡(luò)通信，LiFi研究正致力于雙向通信的實(shí)現(xiàn)與普及，部分實(shí)驗(yàn)室已取得一定進(jìn)展。

2.2 主要技術(shù)

⑴ 高速調(diào)制驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

調(diào)制帶寬是衡量LED調(diào)制能力的參數(shù)，關(guān)系到LED在無線光通信中的數(shù)據(jù)傳輸速度大小。其定義是在保證調(diào)制度不變的情況下，當(dāng)LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時(shí)（-3dB）所對(duì)應(yīng)的頻率。從微觀結(jié)構(gòu)分析，影響白光LED高速調(diào)制有兩個(gè)因素：載流子壽命和結(jié)電容。通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)電路，LED可以用于高速通信系統(tǒng)。由于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，可見光通信系統(tǒng)大多設(shè)計(jì)成光強(qiáng)度調(diào)制/直接探測(cè)系統(tǒng)[3]。

⑵ 調(diào)制技術(shù)

適用于LiFi技術(shù)的調(diào)制方法包括單載波調(diào)制（SCM）、多載波調(diào)制（MCM）、LiFi專用調(diào)制等。其中，單載波調(diào)制又包括開關(guān)鍵控（OOK）調(diào)制、脈沖相位調(diào)制（PPM）和脈沖幅度調(diào)制（PAM）；多載波調(diào)制包括正交頻分復(fù)用（OFDM）及其衍生調(diào)制方式，如直流偏置光正交頻分復(fù)用（DCO-OFDM）、非對(duì)稱限幅正交頻分復(fù)用（ACO-OFDM）等；LiFi專用調(diào)制包括色移鍵控（CSK）、顏色強(qiáng)度調(diào)制（CIM）等，其主要根據(jù)LED所含不同顏色光源進(jìn)行調(diào)制[1]。

⑶ 編碼技術(shù)

與移動(dòng)通信以及WiFi信號(hào)傳輸一樣，LiFi信號(hào)在可見光傳輸過程中也同樣需要采用編碼技術(shù)，以提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，并最終提升數(shù)據(jù)傳輸效率。常用的信道編碼方式包括RS碼、卷積碼、Turbo碼、mBnB碼等，也可以通過編碼級(jí)聯(lián)的方式，對(duì)信道編解碼進(jìn)一步糾錯(cuò)，以降低誤碼率，提高編碼增益。

⑷ 多用戶接入技術(shù)

多用戶接入技術(shù)是衡量網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量以及評(píng)價(jià)用戶體驗(yàn)的重要因素，不同于傳統(tǒng)的時(shí)分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、頻分多址（FDMA）以及正交頻分多址（OFDMA）等接入技術(shù)，Harald Hass教授提出了一種以非正交多址（NOMA）結(jié)合空分多址（SDMA）技術(shù)應(yīng)用于LiFi網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)表明，這種多用戶接入方式在傳統(tǒng)接入技術(shù)的基礎(chǔ)上提升了用戶數(shù)據(jù)吞吐率，提高了用戶間抗干擾能力[1]。

3 LiFi的應(yīng)用場(chǎng)景

近幾年，由于LiFi概念的橫空出世，以及其在實(shí)驗(yàn)室中不斷刷新數(shù)據(jù)傳輸記錄的表現(xiàn)，引起了越來越多的研究團(tuán)隊(duì)和商業(yè)公司對(duì)其未來情景的關(guān)注和研發(fā)投入。其中，日本、歐洲、美國(guó)極為重視可見光通信的研發(fā)，已提出將該技術(shù)應(yīng)用于交通安全、水下通信探測(cè)、室內(nèi)暢速上網(wǎng)的設(shè)想，并投入了大量研究資源，目前已取得一定成果。國(guó)內(nèi)也正在加大對(duì)可見光通信技術(shù)的研究力度，復(fù)旦大學(xué)自主開發(fā)了高階調(diào)制和信道均衡算法，并實(shí)現(xiàn)了最高速率達(dá)3.25G，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150M的實(shí)驗(yàn)成果。暨南大學(xué)研制出白光LED可見光通信樣機(jī)。與此同時(shí)，在手機(jī)市場(chǎng)，iPhone等知名品牌已經(jīng)將支持LiFi技術(shù)作為未來手機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的方式之一。

由于LiFi自身利用可見光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，加之其區(qū)別于傳統(tǒng)的無線通信信號(hào)傳輸方式，其潛在的主要應(yīng)用場(chǎng)景也十分特定和明確。

⑴ 家庭、辦公室、餐廳等室內(nèi)場(chǎng)所

室內(nèi)場(chǎng)所一般都安裝有LED燈等照明光源，通過在普通LED燈泡上增加小型數(shù)據(jù)收發(fā)器就可以利用可見光源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)郵件、下載歌曲、下載電影、收發(fā)微博微信等。

⑵ 智能交通

由于夜晚沒有白天自然光的干擾，LiFi運(yùn)行效果更好。將路燈作為基站，建設(shè)一個(gè)光通信網(wǎng)絡(luò)，在交通領(lǐng)域能發(fā)揮積極的作用。車燈作為接收器可接收光信號(hào)，并通過解碼芯片和顯示芯片將光信號(hào)還原成數(shù)據(jù)信息并通過顯示屏顯示出來。用戶通過該網(wǎng)絡(luò)可查詢交通狀況，合理的選擇交通路線，緩解交通擁堵的狀況[3]。

⑶ 特殊環(huán)境

某些特殊環(huán)境，包括水下作業(yè)通信、礦山隧道通信等傳統(tǒng)無線信號(hào)無法覆蓋或是信號(hào)質(zhì)量較差，無法進(jìn)行快速、高效數(shù)據(jù)通信的場(chǎng)所，以及需要避免電磁波干擾的如飛機(jī)、醫(yī)院、核電站、軍事重地等區(qū)域，通過升級(jí)原有照明系統(tǒng)，加裝可見光通信控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)LiFi網(wǎng)絡(luò)覆蓋，將較好地解決某些特定場(chǎng)所一直以來困擾人們正常通訊的難題。

4 LiFi與WiFi的關(guān)系

4.1 優(yōu)劣勢(shì)分析

4.1.1 LiFi之于WiFi的優(yōu)勢(shì)

⑴ 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)便利。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LiFi控制芯片即可。例如公路上的路燈，家庭和辦公LED用燈，無須新建網(wǎng)線和添置熱點(diǎn)設(shè)備。

⑵ 高帶寬，高速率?？梢姽獾念l譜帶寬是目前電磁波帶寬的10000倍[5]。理論上LiFi的最高速度有望達(dá)到Tbps級(jí)別，而WiFi最高速度只有Gbps級(jí)別[4]。目前據(jù)報(bào)道，位于愛沙尼亞首都塔林的Velmenni公司，在實(shí)驗(yàn)室理想條件下LiFi測(cè)試最高速度可達(dá)224Gbps，而未來仍有更大的提升空間。

⑶ 綠色，低能耗。WiFi設(shè)備在運(yùn)行時(shí)大量能量被消耗在發(fā)熱上，出現(xiàn)發(fā)熱量大、能量轉(zhuǎn)換率低的問題，而LiFi—般采用的是LED冷光源，運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量極低。通常，為擴(kuò)大WiFi的覆蓋范圍需要建立大量的基站，這些基站在運(yùn)行時(shí)還會(huì)消耗大量的能源，同時(shí)產(chǎn)生過量的電磁輻射。LiFi技術(shù)的作用相當(dāng)于微型基站的LED燈作為光源，光源遍布范圍既廣又無電磁輻射傷害[4-5]。

⑷ 信息安全更有保障。LiFi使用的傳輸載體可見光沿直線傳播，無法穿墻傳輸信息。此外，LiFi采用沒有重疊也不會(huì)產(chǎn)生干擾的上行信道和下行信道獨(dú)立傳輸光信號(hào)，保證信息安全傳輸。避免了WiFi網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)的蹭網(wǎng)和黑客攻擊問題[4]。

⑸ 適用于特定通信場(chǎng)所。LiFi在應(yīng)用時(shí)不會(huì)和無線電波發(fā)生電磁干擾，可以應(yīng)用在飛機(jī)、軍事基地及醫(yī)院內(nèi)的重要設(shè)備間等需要考慮電磁兼容問題的場(chǎng)合。可見光通信也能解決無線電波無法傳播的水下和礦井等場(chǎng)所的通信問題。同時(shí)，LiFi兼容照明和通信，在網(wǎng)線無法遍布的偏遠(yuǎn)地區(qū)可以利用照明設(shè)備上網(wǎng)。WiFi因部署熱點(diǎn)少，在某些場(chǎng)所無線電無法傳播，且通信時(shí)容易產(chǎn)生電磁干擾等問題，無法應(yīng)用于上述區(qū)域。

4.1.2 LiFi之于WiFi的劣勢(shì)

⑴ 光線干擾問題。雖然LiFi系統(tǒng)較之WiFi省去了電磁干擾，卻不可回避不同光源對(duì)于接受設(shè)備的干擾問題，特別是在白天太陽光較強(qiáng)時(shí)，以及周圍光源較多且情況比較復(fù)雜的時(shí)候。

⑵ 光線受阻問題。由于LiFi采用的可見光是沿著直線傳輸信號(hào)，當(dāng)光線遇到墻體或是被遮擋時(shí)，LiFi信號(hào)就將被切斷，造成數(shù)據(jù)通信中斷。

⑶ 反向傳輸問題。雖然目前正在不斷深入研究LiFi網(wǎng)絡(luò)的反向傳輸，并取得了一定進(jìn)展，但統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系和最佳的解決方案仍在探索和試驗(yàn)中，雙向通信網(wǎng)絡(luò)體系有待完善[3]。

4.2 LiFi-WiFi混合網(wǎng)絡(luò)

從LiFi和WiFi技術(shù)應(yīng)用的比較分析中不難看出，雙方各有優(yōu)劣。如何建立一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，能夠擁有雙方各自的優(yōu)勢(shì)而盡量避免劣勢(shì)，成為當(dāng)下熱議的話題。通過探索和研究，Harald Hass及其研究團(tuán)隊(duì)給出了一種LiFi-WiFi混合網(wǎng)絡(luò)模式，通過優(yōu)化的負(fù)載均衡算法和用戶切換機(jī)制，提高了用戶QoS和數(shù)據(jù)傳輸速率。實(shí)驗(yàn)表明，LiFi-WiFi混合網(wǎng)絡(luò)有以下幾方面的好處[1-2]：

⑴ 切換機(jī)制，用戶使用無死角。通過引入WiFi熱點(diǎn)，將彌補(bǔ)LiFi網(wǎng)絡(luò)因光源無法覆蓋、不同光源之間的干擾，以及光源被遮蔽時(shí)的用戶無法上網(wǎng)的缺陷。切換機(jī)制包括LiFi網(wǎng)絡(luò)中不同AP之間的水平切換，也包括了LiFi和WiFi網(wǎng)絡(luò)之間的垂直切換。當(dāng)用戶從一個(gè)LiFi AP覆蓋區(qū)域走入另一個(gè)LiFi AP覆蓋區(qū)域，實(shí)行水平切換；當(dāng)用戶走出LiFi覆蓋區(qū)域，或區(qū)域內(nèi)光源切斷，以及信號(hào)干擾嚴(yán)重時(shí)，實(shí)行垂直切換。

⑵ 互不干擾，網(wǎng)絡(luò)吞吐率提高。由于LiFi使用的可見光和WiFi使用的電磁波頻段相差很遠(yuǎn)，所以兩者在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中不存在頻率干擾問題。同時(shí)，LiFi網(wǎng)絡(luò)的吞吐率可以隨著WiFi網(wǎng)絡(luò)吞吐率的提高而提高，從而實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)總吞吐率大于LiFi和WiFi單獨(dú)成網(wǎng)時(shí)吞吐率的總和，進(jìn)一步提升用戶上網(wǎng)體驗(yàn)。

⑶ 相互促進(jìn)，提升頻譜效率與無線容量。通過采用混合網(wǎng)絡(luò)模式，大量的用戶數(shù)據(jù)可以通過LiFi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而降低了WiFi網(wǎng)絡(luò)的用戶流量壓力，既節(jié)約了電磁波頻譜資源，提升了頻譜使用效率，也減少了整體網(wǎng)絡(luò)擁塞的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)束語

本文通過概念、技術(shù)原理、應(yīng)用場(chǎng)景等介紹分析，對(duì)可見光通信LiFi進(jìn)行了梳理。通過與現(xiàn)有主流的WiFi技術(shù)進(jìn)行的比較，LiFi技術(shù)既有其獨(dú)到的如網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、傳輸速率、應(yīng)用場(chǎng)景、能耗等優(yōu)勢(shì)方面，但同時(shí)也存在光線干擾、光線受阻、雙向傳輸?shù)确矫娴牧觿?shì)。通過研究表明，LiFi-WiFi混合網(wǎng)絡(luò)在解決各自局限的同時(shí)，還體現(xiàn)出了用戶體驗(yàn)額外增益?？梢灶A(yù)見，在未來的市場(chǎng)發(fā)展中，LiFi絕不應(yīng)該是現(xiàn)有WiFi技術(shù)的對(duì)手，而應(yīng)該是與WiFi攜手為用戶呈現(xiàn)更高體驗(yàn)的隊(duì)友。

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