一種新興的Li-Fi可見光無線通信技術(shù)淺析

劉正翔

(福州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 福州 350108)

0 引 言

眾所周知，無線通信技術(shù)自從莫爾斯發(fā)明電報至今，世界發(fā)生了翻天覆地的變化。傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)是利用電磁波信號可以在空間中自由傳播的特性，進(jìn)行信息交換的一種通信方式。特別是1997年6月IEEE通過802.11標(biāo)準(zhǔn)后，全球使用WiFi上網(wǎng)技術(shù)越來越普及，但WiFi熱點(diǎn)上網(wǎng)信號不穩(wěn)定，特別是接入用戶較多時，上網(wǎng)速度明顯變慢。一種新興的Li-Fi可見光通信技術(shù)開始走進(jìn)研究者的視野?！癓i-Fi”名詞最早由英國愛丁堡大學(xué)教授——拉哈爾德·哈斯在 2011年的 TED大會上提出，即將微型芯片植入到 LED燈中，利用燈光的快速閃爍來傳遞信息。2015年，由解放軍信息工程大學(xué)牽頭承擔(dān)的國家863計劃項(xiàng)目以及鄭州市重大專項(xiàng)“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”取得重大突破，經(jīng)工信部測試認(rèn)證，實(shí)時通信速率提高至50 Gbit/s，相當(dāng)于0.2 s即可完成一部高清電影的下載[2]。

可見光是電磁波譜中人眼可以感知的部分，利用發(fā)光的LED燈泡作為“熱點(diǎn)”來進(jìn)行無線通信傳輸二進(jìn)制數(shù)據(jù)，既可以滿足人們光照的需求，又可能在不久的將來解決WiFi熱點(diǎn)接入較多用戶時不穩(wěn)定的問題，成為WiFi技術(shù)的一種互補(bǔ)。更重要的是，可見光通信由于沒有電磁波的干擾，對人體是無害的，綠色健康。

1 Li-Fi技術(shù)工作原理簡介

Li-Fi技術(shù)全稱為Light Fidelity，它是利用可見光源(目前較多為LED可見光)發(fā)出的高速光脈沖作為傳輸媒介完成無線通信傳輸?shù)募夹g(shù)[1]。該技術(shù)通過在一個普通的LED燈泡內(nèi)安裝一個特定的微型控制芯片，控制LED燈泡按照特定規(guī)律進(jìn)行亮和滅。LED燈泡亮?xí)r為高電平“1”，滅時為低電平“0”。由于控制芯片的高速特性，LED燈泡的亮滅(閃爍)次數(shù)將達(dá)到每秒數(shù)百萬次的頻率，因此，Li-Fi的傳輸速率非常快。目前實(shí)驗(yàn)室條件下測試的傳輸速度可達(dá)到50 Gbit/s[2]。另一方面，人的肉眼在每秒鐘閃爍次數(shù)超過 24 次后，就無法分辨燈光的閃爍，因此，肉眼幾乎感覺不到LED燈泡的閃爍，不影響人們正常照明下的工作和休息。

如圖1所示，Li-Fi技術(shù)正是利用LED燈泡將需要傳輸?shù)男畔?，通過LED控制芯片的編碼器編碼成光信號(二進(jìn)制編碼流)發(fā)射出去，就像WiFi熱點(diǎn)，只要光照射到的地方，即可根據(jù)接收器探測到可見光光強(qiáng)的明暗變化，經(jīng)過一系列的解調(diào)過程，將光信號轉(zhuǎn)換成可使用的電信號供接收端(手機(jī)或筆記本電腦)設(shè)備使用，最終完成通信過程。

圖1 Li-Fi工作原理

2 Li-Fi技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用

(1)Li-Fi技術(shù)頻帶寬，傳輸速率快?？梢姽獾念l譜帶寬是電磁波帶寬的10 000倍，注定它具有電磁波不可比擬的優(yōu)勢。2013年 10月復(fù)旦大學(xué)的科學(xué)研究者自主研究出的高階調(diào)制和信道均衡算法，使 LED燈的傳輸速率達(dá)到最高的 3.25 Gbit/s，平均上網(wǎng)速率可達(dá) 150 Mbit/s[4]。

(2)LED光源普及，綠色健康。當(dāng)今，LED燈泡已普及，隨處可見LED燈的亮光，這將意味著只要在想上網(wǎng)的地方，裝上LED微控制器就可以實(shí)現(xiàn)Li-Fi無線通信上網(wǎng)。同時，由于可見光通信由于沒有電磁波的干擾，對人體是無輻射傷害。值得一提的是，目前在高空飛行的飛機(jī)上，仍然是禁用手機(jī)以防電磁波干擾的。有了Li-Fi技術(shù)，即可在飛機(jī)內(nèi)部照明LED燈上安裝控制器，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)內(nèi)部的無線局域網(wǎng)通信。

(3)Li-Fi技術(shù)的安全性。由于Li-Fi技術(shù)采用高速的LED燈亮滅信號來傳輸數(shù)據(jù)，光束只能沿著直線傳播。因此只要在LED燈光照射到的地方就有可能通信，但LED燈光照射不到的地方就無法通信。而且Li-Fi的信號采用的是上行信道和下行信道使用不同的光信號獨(dú)立傳輸，光信道之間沒有重疊也不會產(chǎn)生相互干擾[3]。這意味著黑客若想入侵Li-Fi通信系統(tǒng)，必須同時入侵兩個光通道才能真正意義上完成入侵。這就加大了Li-Fi通信系統(tǒng)被入侵的難度，使得系統(tǒng)更加安全。

(4)Li-Fi技術(shù)的應(yīng)用。在隧道、高速公路等基站少，無線通信信號弱的場所，通過對道路路燈加裝LED控制器來進(jìn)行Li-Fi可見光通信，使得在不增加基站數(shù)量和不影響日常照明的情況下，滿足人們上網(wǎng)需求。值得注意的是，在不久的將來，可以在交通堵塞或惡劣天氣下，通過汽車大燈與交通燈的Li-Fi可見光通信，來查詢路況情況，傳遞交通堵塞信息，引導(dǎo)汽車在更通暢的道路上通行，減輕整個城市的交通擁堵情況。

3 Li-Fi技術(shù)與WiFi技術(shù)對比

Wi-Fi無線通信技術(shù)由于可以提供熱點(diǎn)供人們上網(wǎng)，因此得到了普及。該技術(shù)是由Wi-Fi聯(lián)盟所持有。它的出現(xiàn)改善了基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)路產(chǎn)品之間的互通性。Li-Fi技術(shù)與WiFi技術(shù)類似，只是它使用的傳輸媒介不是電磁波，而是可見光。具體對比如表1所示。

4 Li-Fi技術(shù)存在的問題

Li-Fi技術(shù)的缺陷不可輕視。(1)由于Li-Fi技術(shù)采用可見光通信，光線照射到的地方即可通信(通常在3 m范圍內(nèi))，但遇到障礙物的阻擋無法穿透。這也正是WiFi技術(shù)不會被Li-Fi取代的一個重要原因。(2)LED燈泡在控制芯片編碼后發(fā)射光信號并被接收端接收，只完成了通信鏈路的一半問題。如何有效地完成從接收端到發(fā)射端的反向通信鏈路設(shè)計，是目前較為困難之處。(3)環(huán)境的干擾也將成為Li-Fi技術(shù)必須面對的一個難題。比如外界LED光照強(qiáng)度更強(qiáng)，將大大影響本地LED發(fā)射信號的可靠性。

表1 Li-Fi與Wi-Fi的對比

5 結(jié) 論

本文通過對WiFi上網(wǎng)的不穩(wěn)定性引入Li-Fi技術(shù)，通過對Li-Fi技術(shù)的工作原理簡介、優(yōu)缺點(diǎn)介紹，對可見光通信Li-Fi進(jìn)行了梳理。很明顯，該技術(shù)在傳輸速率上具有巨大優(yōu)勢，且沒有電磁干擾。而且正是由于它無法穿透障礙物的特性，也使得它大大加大黑客入侵的難度，增加了安全性。但由于它從接收端到發(fā)射端的反向通信鏈路設(shè)計，以及外界環(huán)境干擾等問題仍沒得到很好的解決，因此，Li-Fi技術(shù)還有很長的路要走。