对手or队友——浅谈LiFi之于WiFi的关系

赵浩强+陈萍+徐洁洁++刘健++喻晓

摘 要： LiFi作为可见光通信发展的典型代表，日益受到人们的关注，其代替WiFi成为主要无线通信技术之一的可能性也被广为讨论。文章阐述了LiFi的概念，阐释了LiFi的技术原理和应用场景，并讨论了LiFi与WiFi在未来发展的关系问题。研究表明，LiFi和WiFi技术互补，各具优势，LiFi-WiFi混合网络模式将成为未来具有前景的无线通信技术发展方向之一。

关键词： LiFi； WiFi； 混合网络； 无线通信

中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2017）02-27-04

0 引言

随着无线通信技术的快速发展，WiFi技术已经普遍应用于人们日常生活中。家庭、办公室、商场、景区等都是WiFi典型应用区域，可以说，人们已经越来越离不开WiFi网络。然而，目前WiFi技术所承载的电磁波频段频谱资源稀缺，无法满足日益增长的数据通信要求。虽然现阶段802.11ad等最新协议已经着手开拓60GHz频段等高频电磁波段，但是根据弗里斯自由空间损耗公式，以及信号在地面传输过程中的阻隔和遮蔽等因素，频率越高，总体的WiFi信号衰减就越大[1]。此外，无线数据安全保密性等问题也一并为WiFi技术的发展提出了挑战。新一代光通信技术LiFi的出现，为在高频段提供稳定、高速、安全的数据传输提供了一种全新的解决方案。因为LiFi所利用的可见光波频率比无线电波高很多，其理论通信速率也就比传统的无线通信方式高很多；又因为其使用LED灯作为可见光发射装置，而LED灯在人们日常生活中广泛存在，所以LiFi的推广应用有其先天的基础优势。

1 LiFi的概念

LiFi，英文名Light Fidelity，又称光保真技术，是一种利用可见光波谱（如灯泡发出的光）进行数据传输的全新无线传输技术，由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家Harald Hass（哈拉尔德·哈斯）教授发明。

目前，可见光源主要采用发光二极管（LED）。通过给普通的LED灯泡加装一个微型控制芯片，从而控制高速闪烁的LED灯泡。由于可以控制的闪烁次数每秒钟达到数百万次，肉眼几乎感觉不到它的闪烁，同时也不会影响正常照明。但是光敏传感器可以准确地接收到这些变化，利用解码芯片恢复出与发端一样的数据信息，进而完成无线数据的发送与接收。因此，加装微型芯片的LED灯就相当于WiFi网络中的AP装置，用户可以通过支持LiFi技术的移动智能终端进行无线数据通信。

2 LiFi的技术原理

2.1 基本原理

LiFi利用高速光脉冲实现数据的无线传播，通过安装在LED灯上的微型芯片控制，根据不同速率来对电信号进行信息调制编码，并控制灯的亮灭（灯亮表示“1”，灯灭表示“0”），转换成光信号发射出去。同时，在接收端，光敏传感器接收光信号数据，并进行解调解码，还原原始数据。可见光通信基本原理如图1所示[4]。

目前，LiFi技术发展仍处于初期，为实现真正意义上的无线网络通信，LiFi研究正致力于双向通信的实现与普及，部分实验室已取得一定进展。

2.2 主要技术

⑴ 高速調制驱动电路设计

调制带宽是衡量LED调制能力的参数，关系到LED在无线光通信中的数据传输速度大小。其定义是在保证调制度不变的情况下，当LED输出的交流光功率下降到某一低频参考频率值的一半时（-3dB）所对应的频率。从微观结构分析，影响白光LED高速调制有两个因素：载流子寿命和结电容。通过合理设计和优化驱动电路，LED可以用于高速通信系统。由于实现简单，可见光通信系统大多设计成光强度调制/直接探测系统[3]。

⑵ 调制技术

适用于LiFi技术的调制方法包括单载波调制（SCM）、多载波调制（MCM）、LiFi专用调制等。其中，单载波调制又包括开关键控（OOK）调制、脉冲相位调制（PPM）和脉冲幅度调制（PAM）；多载波调制包括正交频分复用（OFDM）及其衍生调制方式，如直流偏置光正交频分复用（DCO-OFDM）、非对称限幅正交频分复用（ACO-OFDM）等；LiFi专用调制包括色移键控（CSK）、颜色强度调制（CIM）等，其主要根据LED所含不同颜色光源进行调制[1]。

⑶ 编码技术

与移动通信以及WiFi信号传输一样，LiFi信号在可见光传输过程中也同样需要采用编码技术，以提高系统的纠错能力和抗干扰能力，并最终提升数据传输效率。常用的信道编码方式包括RS码、卷积码、Turbo码、mBnB码等，也可以通过编码级联的方式，对信道编解码进一步纠错，以降低误码率，提高编码增益。

⑷ 多用户接入技术

多用户接入技术是衡量网络质量以及评价用户体验的重要因素，不同于传统的时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、频分多址（FDMA）以及正交频分多址（OFDMA）等接入技术，Harald Hass教授提出了一种以非正交多址（NOMA）结合空分多址（SDMA）技术应用于LiFi网络。实验表明，这种多用户接入方式在传统接入技术的基础上提升了用户数据吞吐率，提高了用户间抗干扰能力[1]。

3 LiFi的应用场景

近几年，由于LiFi概念的横空出世，以及其在实验室中不断刷新数据传输记录的表现，引起了越来越多的研究团队和商业公司对其未来情景的关注和研发投入。其中，日本、欧洲、美国极为重视可见光通信的研发，已提出将该技术应用于交通安全、水下通信探测、室内畅速上网的设想，并投入了大量研究资源，目前已取得一定成果。国内也正在加大对可见光通信技术的研究力度，复旦大学自主开发了高阶调制和信道均衡算法，并实现了最高速率达3.25G，平均上网速率达到150M的实验成果。暨南大学研制出白光LED可见光通信样机。与此同时，在手机市场，iPhone等知名品牌已经将支持LiFi技术作为未来手机传输数据的方式之一。

由于LiFi自身利用可见光进行数据传输，加之其区别于传统的无线通信信号传输方式，其潜在的主要应用场景也十分特定和明确。

⑴ 家庭、办公室、餐厅等室内场所

室内场所一般都安装有LED灯等照明光源，通过在普通LED灯泡上增加小型数据收发器就可以利用可见光源进行数据传输，完成浏览网页、收发邮件、下载歌曲、下载电影、收发微博微信等。

⑵ 智能交通

由于夜晚没有白天自然光的干扰，LiFi运行效果更好。将路灯作为基站，建设一个光通信网络，在交通领域能发挥积极的作用。车灯作为接收器可接收光信号，并通过解码芯片和显示芯片将光信号还原成数据信息并通过显示屏显示出来。用户通过该网络可查询交通状况，合理的选择交通路线，缓解交通拥堵的状况[3]。

⑶ 特殊环境

某些特殊环境，包括水下作业通信、矿山隧道通信等传统无线信号无法覆盖或是信号质量较差，无法进行快速、高效数据通信的场所，以及需要避免电磁波干扰的如飞机、医院、核电站、军事重地等区域，通过升级原有照明系统，加装可见光通信控制系统，实现LiFi网络覆盖，将较好地解决某些特定场所一直以来困扰人们正常通讯的难题。

4 LiFi与WiFi的关系

4.1 优劣势分析

4.1.1 LiFi之于WiFi的优势

⑴ 基础设施建设便利。人们可以利用已经铺设好的电灯设备电路，在需要接入网络的地方植入LiFi控制芯片即可。例如公路上的路灯，家庭和办公LED用灯，无须新建网线和添置热点设备。

⑵ 高带宽，高速率。可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍[5]。理论上LiFi的最高速度有望达到Tbps级别，而WiFi最高速度只有Gbps级别[4]。目前据报道，位于爱沙尼亚首都塔林的Velmenni公司，在实验室理想条件下LiFi测试最高速度可达224Gbps，而未来仍有更大的提升空间。

⑶ 绿色，低能耗。WiFi设备在运行时大量能量被消耗在发热上，出现发热量大、能量转换率低的问题，而LiFi—般采用的是LED冷光源，运行时产生的热量极低。通常，为扩大WiFi的覆盖范围需要建立大量的基站，这些基站在运行时还会消耗大量的能源，同时产生过量的电磁辐射。LiFi技术的作用相当于微型基站的LED灯作为光源，光源遍布范围既广又无电磁辐射伤害[4-5]。

⑷ 信息安全更有保障。LiFi使用的传输载体可见光沿直线传播，无法穿墙传输信息。此外，LiFi采用没有重叠也不会产生干扰的上行信道和下行信道独立传输光信号，保证信息安全传输。避免了WiFi网络上出现的蹭网和黑客攻击问题[4]。

⑸ 适用于特定通信场所。LiFi在应用时不会和无线电波发生电磁干扰，可以应用在飞机、军事基地及医院内的重要设备间等需要考虑电磁兼容问题的场合。可见光通信也能解决无线电波无法传播的水下和矿井等场所的通信问题。同时，LiFi兼容照明和通信，在网线无法遍布的偏远地区可以利用照明设备上网。WiFi因部署热点少，在某些场所无线电无法传播，且通信时容易产生电磁干扰等问题，无法应用于上述区域。

4.1.2 LiFi之于WiFi的劣势

⑴ 光线干扰问题。虽然LiFi系统较之WiFi省去了电磁干扰，却不可回避不同光源对于接受设备的干扰问题，特别是在白天太阳光较强时，以及周围光源较多且情况比较复杂的时候。

⑵ 光线受阻问题。由于LiFi采用的可见光是沿着直线传输信号，当光线遇到墙体或是被遮挡时，LiFi信号就将被切断，造成数据通信中断。

⑶ 反向传输问题。虽然目前正在不断深入研究LiFi网络的反向传输，并取得了一定进展，但统一的标准体系和最佳的解决方案仍在探索和试验中，双向通信网络体系有待完善[3]。

4.2 LiFi-WiFi混合网络

从LiFi和WiFi技术应用的比较分析中不难看出，雙方各有优劣。如何建立一个网络，能够拥有双方各自的优势而尽量避免劣势，成为当下热议的话题。通过探索和研究，Harald Hass及其研究团队给出了一种LiFi-WiFi混合网络模式，通过优化的负载均衡算法和用户切换机制，提高了用户QoS和数据传输速率。实验表明，LiFi-WiFi混合网络有以下几方面的好处[1-2]：

⑴ 切换机制，用户使用无死角。通过引入WiFi热点，将弥补LiFi网络因光源无法覆盖、不同光源之间的干扰，以及光源被遮蔽时的用户无法上网的缺陷。切换机制包括LiFi网络中不同AP之间的水平切换，也包括了LiFi和WiFi网络之间的垂直切换。当用户从一个LiFi AP覆盖区域走入另一个LiFi AP覆盖区域，实行水平切换；当用户走出LiFi覆盖区域，或区域内光源切断，以及信号干扰严重时，实行垂直切换。

⑵ 互不干扰，网络吞吐率提高。由于LiFi使用的可见光和WiFi使用的电磁波频段相差很远，所以两者在同一个网络中不存在频率干扰问题。同时，LiFi网络的吞吐率可以随着WiFi网络吞吐率的提高而提高，从而实现混合网络总吞吐率大于LiFi和WiFi单独成网时吞吐率的总和，进一步提升用户上网体验。

⑶ 相互促进，提升频谱效率与无线容量。通过采用混合网络模式，大量的用户数据可以通过LiFi网络进行传输，从而降低了WiFi网络的用户流量压力，既节约了电磁波频谱资源，提升了频谱使用效率，也减少了整体网络拥塞的风险。

5 结束语

本文通过概念、技术原理、应用场景等介绍分析，对可见光通信LiFi进行了梳理。通过与现有主流的WiFi技术进行的比较，LiFi技术既有其独到的如网络建设、传输速率、应用场景、能耗等优势方面，但同时也存在光线干扰、光线受阻、双向传输等方面的劣势。通过研究表明，LiFi-WiFi混合网络在解决各自局限的同时，还体现出了用户体验额外增益。可以预见，在未来的市场发展中，LiFi绝不应该是现有WiFi技术的对手，而应该是与WiFi携手为用户呈现更高体验的队友。

参考文献（References）：

[1] Harald Haas， Liang Yin， Yunlu Wang， and Cheng Chen，

“What is LiFi？”， Journal of Lightwave Technology，2016.34（6）：1533-1544

[2] Yunlu Wang， and Harald Haas， “Dynamic Load Balancing

with Handover in Hybrid Li-Fi and Wi-Fi Networks”， Journal of Lightwave Technology， 2015.33（22）：4671-4682

[3] 张小莹，张锋，刘凯.浅析LiFi技术的应用与发展[J].科教导

刊·电子版（下旬），2015.7：140-140

[4] 郭玲，陈金鹰，严丹丹，史镜名.LIFI技术在互联网+的应用[J].

通信与信息技术，2016.2：50-51

[5] 张振中.Li-Fi可见光无线通信技术分析[J].湖南邮电职业技

术学院学报，2015.3：19-21