全面解析Li-Fi光通信技术

 随着智能手机、笔记本电脑、平板电脑等无线设备的遍及，无线上网越来越成为人们的“第一需求”，现在，一种无需wifi信号，点一盏led灯就能上网的技能来临了。

    现在WiFi技能所承载的电磁波频段频谱资源稀缺，无法满足日益增加的数据通讯要求。此外，无线数据安全问题也一并为WiFi技能的开展提出了应战。新一代光通讯技能——LiFi的呈现，能够为数据传输供给了一种更为安全、高速、安稳的处理计划。 

    LiFi光通讯技能

    Li-Fi（Light Fidelity），是一种根据光（而不是电波）的无线通讯技能，Li-Fi结合了光的数据通讯功用和照明功用。

    因为在光谱中可见光对人体是无害的，而且在照明中广泛运用，所以Li-Fi也被称为可见光通讯（Visible Light Communication,VLC），可见光通讯是一项根据白光LED的新式无线光通讯技能。

    可见光通讯是在运用LED照明的一起，将信号调制在LED光源上，以可见光波段作为载体传输数据。例如LED开表明1，关表明0，通过快速开关就能传输信息。因为LED的发光强度，人眼不会注意到光的快速变化。

    Li-Fi与光纤通讯具有相同的长处，高带宽，高速率，不同的是Li-Fi是使光传达在咱们周围的环境中，自然光能到达的任何地方，就有Li-Fi信号。Li-Fi技能是运用已铺设好的设备（无处不在的灯泡），只需在灯泡上植入一个微小的芯片，就能变成了类似于AP（Wi-Fi热门）的设备，使终端随时能接入网络。

    Wi-Fi是掩盖整个建筑的完美无线数据传输技能，但是Li-Fi能够供给更高功率、更大带宽、更安全和高速获取的通讯技能。

    Li-Fi工作原理

    光和无线电波相同，都属于电磁波的一种，传输网络信号的基本原理也是共同的。研究中，给一般的LED灯泡装上微芯片，能够操控它每秒数百万次的闪耀，因为频率太快，人眼根本觉察不到，光敏传感器却能够接纳到这些变化。就这样，二进制的数据就被快速编码成灯火信号并进行了有用的传输。灯火下的电脑，通过一套特制的接纳设备，读懂灯火里的“莫尔斯密码”。

    发射部分首要由白光LED光源和相应的信号处理单元组成。接纳端首要包括能对信号光源完成较佳接纳的光学体系，将光信号还原成电信号的光电探测器（PD）和前置扩大电路，以及将电信号转化成可被终端识别的信号处理和输出电路。

    其基本原理为：在发送端，基带数据通过电力线传送到发送设备中，LED光源宣布的已调制光以很大的发散角朝各个方向传达。而在接纳端，运用PD接纳光信号，完结光/电信号的转化，最i后解调转化过来的电信号并将其输出。光接纳机的首要任务是以较小的附加噪声及失真，康复出经由无线光信道传输后光载波所带着的信息，因此光接纳机的输出特性归纳反映了整个可见光通讯体系的性能。

    传输的信号被加入到交流电（AC）打正弦波波形上并通过电力线传送到天花板的LED设备上。交流载波在进入LED前被分成两路，一路通过电路整流成直流电之后，用于LED的照明。另一路通过带通滤波器（BPF），别离出传输的通讯信号，用于调制和操控LED的发光强弱以构成调制后的光载波信号。

    因为传输信号的频率足够高，人眼不会感觉到LED光强的明暗或亮灭，所以并不影响照明的效果。然后，光载波进入无线通讯的信道，LED宣布的光载波被移动终端的PD接纳，接纳机对信号进行解调等处理康复原来发送的基带信号。

    LiFi的技能优势

    LiFi的技能优势首要在于

    （1）建造便当。

    灯泡这种设备在早百多年前被人类发明，并在这百多年来灯泡的技能越来越兴旺。人们能够运用现已铺设好的电灯设备电路，在需求接入网络的地方植入一个芯片即可。例如高速公路上的路灯，人们在高速行驶的车上能容易的接纳到路灯传来的信号。

    （2）高带宽，高速率。

    可见光的频谱带宽是现在电磁波带宽的10000倍。现在据报道，实验室测验最i高速度可达1Gbps。这关于人们对速度的要求是个可喜的数据，人们能够随时随地的享用高速带来的体验。

    可见光的频宽是无线电的10000倍

    （3）绿色，低能耗。

    人们无时无刻都处在“光”这环境中，甚至能够说是光发明了人类，可见光关于人类来说是绿色的，无辐射损伤的一种物质。因此用光来作为无线通讯的媒质，是一种对人类开展更健康，更可取的方向。一起用光来通讯能减低能耗，因为不需求想基站那样供给额定的能耗。就算是在白日，只需把作为“热门”的灯的亮度降低人眼所觉察不到的程度即可，在夜晚的时分能够作为数据传输和照明的效果。

    （4）安全。

    关于电磁波来说，其能够穿透物体进行传达，从安全角度上看，这可能会被截取而泄露信息。但关于LiFi来说，可见光只能沿直线传达，不会穿透墙体的物体。数据只往人们所设定的方向传达，只有利于信息的安全性。

    LiFi与WiFi技能的比较

    WiFi功用是所有手持设备用户的心头之好。数据显示，2011年，全球4.39亿家庭用户运用WiFi，通过WiFi认证的产品发货量超过了20亿部。

    不过，因为每月全球50亿手机传输的高达6拍字节(1拍等于10亿兆)的数据，导致无线局域网和无线通讯网络的无线电频率所剩无几。作为无线数据传输的首要技能，WiFi运用了射频信号。然而，无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分。而随着用户对无线互联网需求的增加，可用的射频频谱正越来越少。这直接导致越来越多的人抱怨无线信号不稳、网速太慢、经常掉线等。就没有东西能搞定这个难题吗？

    Herald Haas教授终于找到了代替技能：运用灯泡宣布的光传输数据。他在一般灯泡中植入电子设备，运用光线强度产生的微弱变化传输数据。这种用光波代替无线电波传输数据的新技能叫做LiFi(光保真)技能。将可见光用于LiFi，要调制其输出以使其带着信息，就像WiFi路由器相同。

    不过这一技能也有着本身的限制。雅典Harokopio大学信息学讲师Thomas Kamalakis推荐了Haas的技能，但也表明该技能的潜力不该被高估。他表明：“一个明显的问题是，可见光无法穿透物体，因此假如接纳器被阻挠，那么信号将被堵截。”

    英国华威大学工程学院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“问题在于，咱们的手机怎么运用可见光来通讯？”

    Haas表明，这是两个现实问题，但他也有简略的暂时处理方法。“假如光信号被阻挠，而你需求运用设备发送信息，你能够无缝地切换至射频信号。”他以为，可见光通讯并不是WiFi的竞赛对手，而是一种相互弥补的技能，这将有助于开释频谱空间。

    LiFi的技能难点

    1）光源的挑选和室内光源的布局

    室内VLC体系中，因为照明和增大发射功率、增强接纳功率、避免暗影效应影响等原因需求装置多个LED灯或LED阵列，因此光源的合理布局上影响照明和体系性能的关键因素。

    2）上行链路的完成技能

    室内LED可见光双工体系分为上行信道和下行信道。在根据LED的室内双工可见光通讯体系中，上行通讯和下行通讯是一起进行的。下行信号由天花板上的LED灯宣布，因为照明的需求，光必须散射宣布；而上行链路由上行终端的LED宣布，不需求供给照明的需求，因此能够选用准直式的光线，直接瞄准上方的上行接纳端。现在现已提出运用偏振分光和并行方法来完结接纳光、发射光别离，以完成双工通讯。

    3）高灵敏的光信号接纳技能

    可选用光分集接纳技能进步VLC体系的信噪比，克服不同路径引起的码间搅扰（ISI）、接纳机方位的改变以及室内人员走动和物体暗影效应对通讯体系的影响。进行光信号检测时，白光LED信号遭到背景光的搅扰，后续的检测电路规划要考虑本身的电路噪声和前端的背景光噪声的影响。

    4）高性能调制、编码以及解调技能

    LED兼具极快的响应速度和较宽的调制带宽。LED可见光通讯体系可针对不同要求的事务需求挑选不同的调制技能。现在，可挑选的计划有无载波计划或载波计划。无载波计划直接发射纳秒级的基带脉冲，无须载波调制，完成简略。典型的无载波光信号调制方法为IM/DD（强度调制-直接检测）。载波计划将纳秒级的基带脉冲调制到一个或多个频率的光载波上进行传输。

    5）信道复用技能

    为了使多个终端能同享一条高速信道，须选用信道复用技能。在光通讯范畴，首要有波分多址技能（WDMA）、时分多址技能（TDMA）及光码分多址技能（OCDMA）。OCDMA是指光域内的一种扩频技能，能够动态分配带宽资源，从而完成光信号的直接复用与交换。OCDMAi的保密性好，抗搅扰能力强，是具有广阔远景的多址技能。在LED可见光通讯中可选用非相干OCDMA体系。

    LiFi的运用与开展

    随着白炽灯、荧光灯逐渐退出商场并被LED代替，未来任何有光的地方都能够成为潜在的LiFi数据传输源。

    幻想一下这样的场景：在街头，运用路灯就能够下载电影；在家里，翻开台灯就能够下载歌曲；在餐厅，坐在有灯火的地方就能够发微博；即便是在水下，只需有灯火照射就能够上网。

    LiFi另一个巨大的好处是在任何对无线电敏感的场合都能够运用，比方飞机上、手术室里等。

    可见光通讯产业链长，触及的环节多，未来将构成万亿级的商场规模。据保存估计，可见光通讯技能估计2020年商场规模将超过1500亿元。

    其间室内绿色通讯网络是未来较大的商场，是现在WIFI技能、蓝牙技能等重要的弥补和一定范围内的代替，估计能够构成千亿级的商场规模。

    室内准确定位体系作为现在室外GPS定位体系的弥补，是现在室内WIFI定位技能等的代替产品，预期能够构成数百亿产量的商场规模。旅游景点解说网络作为传统无线电解说体系的代替产品，预期能够构成数十亿产量的商场规模。

    LIFI移动付出网络根据可见光通讯的移动付出方法无疑供给了更为安全的付出方法预期能够构成数百亿产量的商场规模。

    LIFI媒体广告网络将带来新的传达模式和商业模式，根据可见光通讯技能的新式媒体广告网络作为一个全新的开拓型商场，电视屏幕、室外大型LED屏幕、交通讯号灯、路灯乃至大型商场、超市、写字楼以及家庭内部LED照明灯具均能够作为这一新式隐式广告的发布渠道，预期可构成数十亿的商场规模。

    无线可见光通讯随着现在数字技能得迅速开展，凭借着其独有的优势：高带宽，高速率，绿色，低能耗，安全，在现在实验室的测验报告下，LiFi技能非常适用于现在处理无线通讯中被人们所指出的一些问题，可能成为与WiFi技能竞赛的新技能。