一種新興的Li-Fi可見光無線通信技術淺析

劉正翔

(福州職業技術學院，福建 福州 350108)

0 引 言

眾所周知，無線通信技術自從莫爾斯發明電報至今，世界發生了翻天覆地的變化。傳統的無線通信技術是利用電磁波信號可以在空間中自由傳播的特性，進行信息交換的一種通信方式。特別是1997年6月IEEE通過802.11標準后，全球使用WiFi上網技術越來越普及，但WiFi熱點上網信號不穩定，特別是接入用戶較多時，上網速度明顯變慢。一種新興的Li-Fi可見光通信技術開始走進研究者的視野。“Li-Fi”名詞最早由英國愛丁堡大學教授——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牽頭承擔的國家863計劃項目以及鄭州市重大專項“可見光通信系統關鍵技術研究與應用”取得重大突破，經工信部測試認證，實時通信速率提高至50 Gbit/s，相當于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，利用發光的LED燈泡作為“熱點”來進行無線通信傳輸二進制數據，既可以滿足人們光照的需求，又可能在不久的將來解決WiFi熱點接入較多用戶時不穩定的問題，成為WiFi技術的一種互補。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技術工作原理簡介

Li-Fi技術全稱為Light Fidelity，它是利用可見光源(目前較多為LED可見光)發出的高速光脈沖作為傳輸媒介完成無線通信傳輸的技術[1]。該技術通過在一個普通的LED燈泡內安裝一個特定的微型控制芯片，控制LED燈泡按照特定規律進行亮和滅。LED燈泡亮時為高電平“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)次數將達到每秒數百萬次的頻率，因此，Li-Fi的傳輸速率非常快。目前實驗室條件下測試的傳輸速度可達到50 Gbit/s[2]。另一方面，人的肉眼在每秒鐘閃爍次數超過 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技術正是利用LED燈泡將需要傳輸的信息，通過LED控制芯片的編碼器編碼成光信號(二進制編碼流)發射出去，就像WiFi熱點，只要光照射到的地方，即可根據接收器探測到可見光光強的明暗變化，經過一系列的解調過程，將光信號轉換成可使用的電信號供接收端(手機或筆記本電腦)設備使用，最終完成通信過程。

圖1 Li-Fi工作原理

2 Li-Fi技術的優勢及應用

(1)Li-Fi技術頻帶寬，傳輸速率快。可見光的頻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勢。2013年 10月復旦大學的科學研究者自主研究出的高階調制和信道均衡算法，使 LED燈的傳輸速率達到最高的 3.25 Gbit/s，平均上網速率可達 150 Mbit/s[4]。

(2)LED光源普及，綠色健康。當今，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的地方，裝上LED微控制器就可以實現Li-Fi無線通信上網。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上，仍然是禁用手機以防電磁波干擾的。有了Li-Fi技術，即可在飛機內部照明LED燈上安裝控制器，實現飛機內部的無線局域網通信。

(3)Li-Fi技術的安全性。由于Li-Fi技術采用高速的LED燈亮滅信號來傳輸數據，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立傳輸，光信道之間沒有重疊也不會產生相互干擾[3]。這意味著黑客若想入侵Li-Fi通信系統，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通信系統被入侵的難度，使得系統更加安全。

(4)Li-Fi技術的應用。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控制器來進行Li-Fi可見光通信，使得在不增加基站數量和不影響日常照明的情況下，滿足人們上網需求。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技術與WiFi技術對比

Wi-Fi無線通信技術由于可以提供熱點供人們上網，因此得到了普及。該技術是由Wi-Fi聯盟所持有。它的出現改善了基于IEEE 802.11標準的無線網路產品之間的互通性。Li-Fi技術與WiFi技術類似，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技術存在的問題

Li-Fi技術的缺陷不可輕視。(1)由于Li-Fi技術采用可見光通信，光線照射到的地方即可通信(通常在3 m范圍內)，但遇到障礙物的阻擋無法穿透。這也正是WiFi技術不會被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射端的反向通信鏈路設計，是目前較為困難之處。(3)環境的干擾也將成為Li-Fi技術必須面對的一個難題。比如外界LED光照強度更強，將大大影響本地LED發射信號的可靠性。

表1 Li-Fi與Wi-Fi的對比

5 結 論

本文通過對WiFi上網的不穩定性引入Li-Fi技術，通過對Li-Fi技術的工作原理簡介、優缺點介紹，對可見光通信Li-Fi進行了梳理。很明顯，該技術在傳輸速率上具有巨大優勢，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射端的反向通信鏈路設計，以及外界環境干擾等問題仍沒得到很好的解決，因此，Li-Fi技術還有很長的路要走。