基于LiFi 技術的復合光通信系統的設計研究

李若冰

（內蒙古工業大學 信息工程學院，內蒙古 呼和浩特 010080）

0 引 言

近年來，隨著無線通信技術的飛速發展，ZigBee、藍牙、WiFi 等短距離無線通信技術得到了廣泛應用。隨著物聯網、多媒體、人工智能、智能家居、大數據、互聯網經濟的發展，現有無線通信技術存在的速度慢、卡頓、安全性差等問題凸顯，發展高速、寬頻、低時延無線通信技術的需求日益迫切。

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標準的無線通信技術，IEEE 802.15.4 標準的物理層有兩個頻段，分別是2.4 GHz（全球頻段，16 個信道）和868（歐洲頻段，1 個信道）/915 MHz（美國頻段，10 個信道）頻帶。2.4 GHz 通信速率達250 Kb/s，915 MHz 和868 MHz 的通信速率分別為40 Kb/s 和20 Kb/s[1]。

藍牙是基于IEEE 802.15 標準的無線通信技術，選用2.4 GHz 的ISM 波段，以時分方式進行全雙工通信，采用跳頻和短分組技術減少干擾和信號的衰減，傳輸速率為24 Mb/s[2]。

WiFi 又稱無線高保真技術，2.4 GHz 有14 個信道，帶寬為20 MHz，可以擴展為40 MHz；5 GHz 有201 個信道，頻帶寬度為40 MHz、80 MHz、160 MHz，傳輸速率最高可以提升至9.6 Gb/s[3-4]。

無線通信技術表見表1 所列。

表1 無線通信技術表

綜上分析可知，與ZigBee、藍牙等無線通信方式相比，WiFi 擁有更高的頻寬和更快的傳輸速率。自IEEE 802.11 標準推出以來，WiFi 技術發展迅速，逐漸成為主要的短距離無線通信方式。本文將以WiFi 作為構建復合無線通信系統的通信技術之一。

1 LiFi 的優勢和局限性

可見光通信又稱光保真技術（Light Fidelity, LiFi）。LiFi使用專用微芯片調制信號，控制LED 通斷，發射可見光信號，再通過光敏傳感器接收信號，利用解碼芯片復原、發射同樣的信號。LED 通斷頻率可達每秒數百萬次，理論傳輸速率高達3 Tb/s，IEEE 802.11ax 定義WiFi 最大傳輸速率為9.6 Gb/s，LiFi 的傳輸速率遠高于WiFi。LiFi 采用可見光波通信，可見光的頻譜為430 ～770 THz，是射頻電磁波頻寬的10 000 倍以上，相比頻譜有限的ISM 電磁波，頻譜資源更豐富。WiFi、ZigBee 和藍牙的通信頻率均為2.4 GHz，相互之間存在干擾，而LiFi 為光波通信，不會和電磁波發生干擾，能在需要兼顧電磁兼容的場合使用。因此，LiFi 是一項極富發展前景的無線通信技術，能滿足高速、寬頻、低時延的無線通信要求[1-5]。

相比無線電磁波通信，可見光通信存在較大的局限性。可見光通信具有單向性，光信號的發射和接收均為單向，沒有形成反向通信；光信號在傳輸過程中，遇到障礙物體會被遮擋；在強光環境下或多個可見LED 光源的情況下，存在較大干擾，影響信號傳輸過程的正常進行[6]。

2 LiFi 發展狀況研究

由于可見光通信為單向通信，對LiFi 技術的研究多限于單向通信方面的應用，如空間定位[6-11]、導航[12]、智能交通[13-14]、水下通信[15]等方面，主要利用LiFi 的優勢，在系統設計、定位方法、通信算法、編碼技術等方面取得了進展，涉及雙向通信的研究較少，未能解決單向通信的問題。

可見光通信的瓶頸還包括光信號遇障礙物被屏蔽、易受強光干擾等。自LiFi 概念提出以來，針對可見光通信的瓶頸做了很多研究，如LED 光源研制、光源布置、光通信元件研發、系統小型化、高頻驅動系統設計、調制技術、編碼技術、通信算法、多用戶接入技術等方面[16-21]，這些研究有助于改善光通信系統的傳輸速率、傳輸功率、接收能力、糾錯和抗干擾能力，但未能從根本上解決光信號遇障礙物被屏蔽、易受強光干擾的問題。

需要強調的是，可見光通信概念自提出以來，經過多年的研究，未能獲得發明者預期的進展，發展勢頭甚微，甚至有被淘汰的可能，根本原因在于LiFi 技術存在的局限，而這些局限是物理學基本規律客觀作用的結果。因此，在未能解決LiFi 技術存在的瓶頸問題前，不能把LiFi 作為一種獨立的無線通信方式，應把LiFi 作為其它無線通信方式的補充[6,22-23]。

2011 年，LiFi 技術的發明者哈羅德·哈斯在TED 大會展示了LiFi 的技術概念和應用前景，描述了一個由幾十億支LED燈泡充當無線熱點的未來世界。在回答如何克服單向通信問題時，哈斯指出，LiFi 技術需要與其它無線網絡結合，形成互補。哈斯研究團隊提出一種LiFi-WiFi 混合網絡模式，設想通過優化的負載均衡算法和用戶切換機制解決單向通信問題[23]。

綜上分析，本文提出了基于LiFi 技術的復合光通信系統的設計思路，研究將LiFi 嵌入WiFi 無線通信網絡，構建完整、高速的無線光通信系統的設計方法。

3 復合系統工作原理

3.1 復合系統組成

復合無線通信系統由下傳通道和上傳通道組成，下傳通道和上傳通道對稱，每條通道由LiFi 和WiFi 通道并列組成。發射光通信模塊、LiFi 發射模塊、LiFi 接收模塊和接收光通信模塊組成主通信通道；發射光通信模塊、WiFi 發射模塊、WiFi 接收模塊和接收光通信模塊組成輔助通信通道。發射光通信模塊負責LiFi 和WiFi 信號的編制，LiFi 發射模塊完成光通信設備的識別碼、測速碼的生成和復合光信號的發射，WiFi 發射模塊完成識別碼的生成和信號發射；LiFi 接收模塊負責復合光信號的接收、識別光信號的發射裝置和檢測光信號的接收速率，WiFi 接收模塊負責信號的接收、發射裝置的識別和信號強度的檢測，接收光通信模塊完成LiFi 和WiFi信號的解碼和復原。

圖1 中，實線代表各部件通過實際線路連接；虛線表示各部件通過無線方式連接。

圖1 復合光通信系統基本結構

3.2 復合系統種類

根據使用場景的不同，可以組成以下具有實際意義的復合光通信系統，本文討論第一類復合光通信系統。復合光通信系統組合表見表2 所列。

表2 復合光通信系統組合表

3.3 復合系統編碼

復合系統傳輸的光信號由識別碼、測速碼、傳輸信號組成。系統對每一臺LiFi 設備進行編號，用于識別發出信號的LiFi 裝置，識別碼即為設備編號；通常情況下，信號的接收速率隨系統的工作狀態變化，測速碼提供一組信號做為檢測系統信號接收速率的依據。工作時，光通信模塊將要傳輸的信號編碼形成適合發射的光信號，LiFi 發射模塊每隔一定的時間間隔在要傳輸的光信號前加上識別碼和測速碼，組成復合LiFi 光信號。復合LiFi 光信號圖示如圖2 所示。

圖2 復合LiFi 光信號圖示

復合系統傳輸的WiFi 信號由識別碼和傳輸信號組成。系統對每一臺LiFi 設備進行編號，用于識別發出信號的WiFi 裝置，識別碼即為設備編號。工作時，光通信模塊將要傳輸的信號編碼，形成適合發射的信號，WiFi 發射模塊每隔一定的時間間隔在要傳輸的信號前加上識別碼，組成復合LiFi 信號。復合WiFi 信號圖示如圖3 所示。

圖3 復合WiFi 信號圖示

3.4 復合系統指標

3.4.1 光通信指標

可見光通信與LiFi 接收模塊接收信號的速率有關。遇障礙物體和處于強光環境下，光信號的接收速率會發生變化，使通信過程受到影響。反映信號強度的指標有信噪比（SNR）、平均功率等，但這些指標不能直觀反映光信號接收數量的變化，因此本系統采用信號接收速率Q作為反映光信號強度的指標。

LiFi 接收模塊內置有測試裝置，用于檢測接收到的測速碼的數量。設LiFi 發射模塊發射的測速碼的長度為Ms，傳輸速率為Qs，檢測到的測速碼的數量為M，檢測時間為t。

信號接收速率Q為：

式中：Q反映系統接收光信號的實際能力；M/Ms反映在發射和接收過程中光信號損失的情況。設復合系統要求的最小接收速率為Qmin，則光通信工作條件為：

LiFi 識別碼若未檢測到，系統視Q＜Qmin。由于終端性能不同，接收信號的能力存在差異，最小接收速率Qmin也會不同。

3.4.2 WiFi 通信指標

選擇信噪比（SNR）作為反映WiFi 信號強弱的指標，WiFi 的工作條件為：

3.5 復合系統最優選擇

3.5.1 LiFi 最優選擇

LiFi 接收裝置周圍可能有多個LiFi 發射裝置，因與接收裝置距離不同，障礙物體遮擋和強光干擾情況不同，每個LiFi 發射裝置信號被接收的速率會不同。LiFi 接收模塊每隔一定時間間隔檢測周圍的LiFi 信號，選擇信號接收速率最大的發射裝置通信。

3.5.2 WiFi 最優選擇

WiFi 接收模塊每隔一定的時間間隔就會檢測周圍的WiFi 信號，在LiFi 信號接收速率Q＜Qmin的情況下，選擇信噪比最大的WiFi 發射模塊通信。

3.6 復合系統工作原理

復合光通信系統有兩種通信方式，LiFi 為主通信方式，WiFi 為輔助通信方式，兩種通信方式依據LiFi 信號接收速率的變化交替工作。若接收速率Q＞Qmin，系統采用LiFi 方式傳輸信號；若接收速率Q＜Qmin，系統采用WiFi 方式傳輸信號。

LiFi 接收模塊內置信號接收速率檢測裝置，每隔一定的時間間隔就會檢測周圍LiFi 信號的接收速率。系統處于LiFi通信狀態下，若信號接收速率Q＞Qmin，選擇信號接收速率最高的LiFi 發射模塊通信，維持LiFi 傳輸方式；若接收速率Q＜Qmin，LiFi 接收模塊向光通信模塊發出請求，采用WiFi通信方式工作，選擇信號強度最大的WiFi 發射模塊通信，維持通信的連續性。

系統處于WiFi 通信狀態下，LiFi 接收模塊每隔一定的時間間隔檢測周圍LiFi 信號的接收速率。若信號接收速率Q＜Qmin，選擇信噪比最大的WiFi 發射模塊通信，維持WiFi傳輸方式；若信號接收速率Q＞Qmin，LiFi 接收模塊將向光通信模塊發出請求，采用LiFi 通信方式工作，選擇信號接收速率最高的LiFi 發射模塊通信。復合光通信系統邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 復合光通信系統邏輯框圖

4 實驗驗證

4.1 Q ≥Qmin 情況的通信驗證

設系統光信號發射速率為128 Mb/s，信號接收速率Qmin為54 Mb/s，實際接收速率Q為55 Mb/s，驗證光通信系統是否有效。實驗結果如圖5 所示。

實驗表明，在實際接收速率Q＞54 Mb/s 的情況下，系統采用LiFi 通信方式傳輸信號，符合設計要求。

4.2 Q＜Qmin 情況的通信驗證

設系統光信號傳輸速率為128 Mb/s，信號接收速率Qmin為54 Mb/s，實際接收速率Q為53 Mb/s，驗證光通信系統是否有效。實驗結果如圖6 所示。

圖6 Q＜Qmin 情況下的WiFi 信號傳輸

實驗表明，在實際接收速率Q＜54 Mb/s 的情況下，系統采用WiFi 通信方式傳輸信號，符合設計要求。

5 結 語

光通信技術具有高速、頻寬、頻譜資源豐富、安全性高、抗干擾等優勢，具有廣闊的應用前景。基于LiFi 技術的復合無線光通信系統既可以發揮光通信傳輸速度快的優勢，又可以解決光通信技術自身單向傳輸、易受障礙物體和強光干擾的問題，是一種行之有效、具有實際意義的設計方法。