一种新兴的Li-Fi可见光无线通信技术浅析

刘正翔

(福州职业技术学院，福建 福州 350108)

0 引 言

众所周知，无线通信技术自从莫尔斯发明电报至今，世界发生了翻天覆地的变化。传统的无线通信技术是利用电磁波信号可以在空间中自由传播的特性，进行信息交换的一种通信方式。特别是1997年6月IEEE通过802.11标准后，全球使用WiFi上网技术越来越普及，但WiFi热点上网信号不稳定，特别是接入用户较多时，上网速度明显变慢。一种新兴的Li-Fi可见光通信技术开始走进研究者的视野。“Li-Fi”名词最早由英国爱丁堡大学教授——拉哈尔德·哈斯在 2011年的 TED大会上提出，即将微型芯片植入到 LED灯中，利用灯光的快速闪烁来传递信息。2015年，由解放军信息工程大学牵头承担的国家863计划项目以及郑州市重大专项“可见光通信系统关键技术研究与应用”取得重大突破，经工信部测试认证，实时通信速率提高至50 Gbit/s，相当于0.2 s即可完成一部高清电影的下载[2]。

可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，利用发光的LED灯泡作为“热点”来进行无线通信传输二进制数据，既可以满足人们光照的需求，又可能在不久的将来解决WiFi热点接入较多用户时不稳定的问题，成为WiFi技术的一种互补。更重要的是，可见光通信由于没有电磁波的干扰，对人体是无害的，绿色健康。

1 Li-Fi技术工作原理简介

Li-Fi技术全称为Light Fidelity，它是利用可见光源(目前较多为LED可见光)发出的高速光脉冲作为传输媒介完成无线通信传输的技术[1]。该技术通过在一个普通的LED灯泡内安装一个特定的微型控制芯片，控制LED灯泡按照特定规律进行亮和灭。LED灯泡亮时为高电平“1”，灭时为低电平“0”。由于控制芯片的高速特性，LED灯泡的亮灭(闪烁)次数将达到每秒数百万次的频率，因此，Li-Fi的传输速率非常快。目前实验室条件下测试的传输速度可达到50 Gbit/s[2]。另一方面，人的肉眼在每秒钟闪烁次数超过 24 次后，就无法分辨灯光的闪烁，因此，肉眼几乎感觉不到LED灯泡的闪烁，不影响人们正常照明下的工作和休息。

如图1所示，Li-Fi技术正是利用LED灯泡将需要传输的信息，通过LED控制芯片的编码器编码成光信号(二进制编码流)发射出去，就像WiFi热点，只要光照射到的地方，即可根据接收器探测到可见光光强的明暗变化，经过一系列的解调过程，将光信号转换成可使用的电信号供接收端(手机或笔记本电脑)设备使用，最终完成通信过程。

图1 Li-Fi工作原理

2 Li-Fi技术的优势及应用

(1)Li-Fi技术频带宽，传输速率快。可见光的频谱带宽是电磁波带宽的10 000倍，注定它具有电磁波不可比拟的优势。2013年 10月复旦大学的科学研究者自主研究出的高阶调制和信道均衡算法，使 LED灯的传输速率达到最高的 3.25 Gbit/s，平均上网速率可达 150 Mbit/s[4]。

(2)LED光源普及，绿色健康。当今，LED灯泡已普及，随处可见LED灯的亮光，这将意味着只要在想上网的地方，装上LED微控制器就可以实现Li-Fi无线通信上网。同时，由于可见光通信由于没有电磁波的干扰，对人体是无辐射伤害。值得一提的是，目前在高空飞行的飞机上，仍然是禁用手机以防电磁波干扰的。有了Li-Fi技术，即可在飞机内部照明LED灯上安装控制器，实现飞机内部的无线局域网通信。

(3)Li-Fi技术的安全性。由于Li-Fi技术采用高速的LED灯亮灭信号来传输数据，光束只能沿着直线传播。因此只要在LED灯光照射到的地方就有可能通信，但LED灯光照射不到的地方就无法通信。而且Li-Fi的信号采用的是上行信道和下行信道使用不同的光信号独立传输，光信道之间没有重叠也不会产生相互干扰[3]。这意味着黑客若想入侵Li-Fi通信系统，必须同时入侵两个光通道才能真正意义上完成入侵。这就加大了Li-Fi通信系统被入侵的难度，使得系统更加安全。

(4)Li-Fi技术的应用。在隧道、高速公路等基站少，无线通信信号弱的场所，通过对道路路灯加装LED控制器来进行Li-Fi可见光通信，使得在不增加基站数量和不影响日常照明的情况下，满足人们上网需求。值得注意的是，在不久的将来，可以在交通堵塞或恶劣天气下，通过汽车大灯与交通灯的Li-Fi可见光通信，来查询路况情况，传递交通堵塞信息，引导汽车在更通畅的道路上通行，减轻整个城市的交通拥堵情况。

3 Li-Fi技术与WiFi技术对比

Wi-Fi无线通信技术由于可以提供热点供人们上网，因此得到了普及。该技术是由Wi-Fi联盟所持有。它的出现改善了基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。Li-Fi技术与WiFi技术类似，只是它使用的传输媒介不是电磁波，而是可见光。具体对比如表1所示。

4 Li-Fi技术存在的问题

Li-Fi技术的缺陷不可轻视。(1)由于Li-Fi技术采用可见光通信，光线照射到的地方即可通信(通常在3 m范围内)，但遇到障碍物的阻挡无法穿透。这也正是WiFi技术不会被Li-Fi取代的一个重要原因。(2)LED灯泡在控制芯片编码后发射光信号并被接收端接收，只完成了通信链路的一半问题。如何有效地完成从接收端到发射端的反向通信链路设计，是目前较为困难之处。(3)环境的干扰也将成为Li-Fi技术必须面对的一个难题。比如外界LED光照强度更强，将大大影响本地LED发射信号的可靠性。

表1 Li-Fi与Wi-Fi的对比

5 结 论

本文通过对WiFi上网的不稳定性引入Li-Fi技术，通过对Li-Fi技术的工作原理简介、优缺点介绍，对可见光通信Li-Fi进行了梳理。很明显，该技术在传输速率上具有巨大优势，且没有电磁干扰。而且正是由于它无法穿透障碍物的特性，也使得它大大加大黑客入侵的难度，增加了安全性。但由于它从接收端到发射端的反向通信链路设计，以及外界环境干扰等问题仍没得到很好的解决，因此，Li-Fi技术还有很长的路要走。