基于LiFi 技术的复合光通信系统的设计研究

2023-12-20李若冰

物联网技术 2023年12期

李若冰

（内蒙古工业大学信息工程学院，内蒙古呼和浩特 010080）

0 引言

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，ZigBee、蓝牙、WiFi 等短距离无线通信技术得到了广泛应用。随着物联网、多媒体、人工智能、智能家居、大数据、互联网经济的发展，现有无线通信技术存在的速度慢、卡顿、安全性差等问题凸显，发展高速、宽频、低时延无线通信技术的需求日益迫切。

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 标准的无线通信技术，IEEE 802.15.4 标准的物理层有两个频段，分别是2.4 GHz（全球频段，16 个信道）和868（欧洲频段，1 个信道）/915 MHz（美国频段，10 个信道）频带。2.4 GHz 通信速率达250 Kb/s，915 MHz 和868 MHz 的通信速率分别为40 Kb/s 和20 Kb/s[1]。

蓝牙是基于IEEE 802.15 标准的无线通信技术，选用2.4 GHz 的ISM 波段，以时分方式进行全双工通信，采用跳频和短分组技术减少干扰和信号的衰减，传输速率为24 Mb/s[2]。

WiFi 又称无线高保真技术，2.4 GHz 有14 个信道，带宽为20 MHz，可以扩展为40 MHz；5 GHz 有201 个信道，频带宽度为40 MHz、80 MHz、160 MHz，传输速率最高可以提升至9.6 Gb/s[3-4]。

无线通信技术表见表1 所列。

表1 无线通信技术表

综上分析可知，与ZigBee、蓝牙等无线通信方式相比，WiFi 拥有更高的频宽和更快的传输速率。自IEEE 802.11 标准推出以来，WiFi 技术发展迅速，逐渐成为主要的短距离无线通信方式。本文将以WiFi 作为构建复合无线通信系统的通信技术之一。

1 LiFi 的优势和局限性

可见光通信又称光保真技术（Light Fidelity, LiFi）。LiFi使用专用微芯片调制信号，控制LED 通断，发射可见光信号，再通过光敏传感器接收信号，利用解码芯片复原、发射同样的信号。LED 通断频率可达每秒数百万次，理论传输速率高达3 Tb/s，IEEE 802.11ax 定义WiFi 最大传输速率为9.6 Gb/s，LiFi 的传输速率远高于WiFi。LiFi 采用可见光波通信，可见光的频谱为430 ～770 THz，是射频电磁波频宽的10 000 倍以上，相比频谱有限的ISM 电磁波，频谱资源更丰富。WiFi、ZigBee 和蓝牙的通信频率均为2.4 GHz，相互之间存在干扰，而LiFi 为光波通信，不会和电磁波发生干扰，能在需要兼顾电磁兼容的场合使用。因此，LiFi 是一项极富发展前景的无线通信技术，能满足高速、宽频、低时延的无线通信要求[1-5]。

相比无线电磁波通信，可见光通信存在较大的局限性。可见光通信具有单向性，光信号的发射和接收均为单向，没有形成反向通信；光信号在传输过程中，遇到障碍物体会被遮挡；在强光环境下或多个可见LED 光源的情况下，存在较大干扰，影响信号传输过程的正常进行[6]。

2 LiFi 发展状况研究

由于可见光通信为单向通信，对LiFi 技术的研究多限于单向通信方面的应用，如空间定位[6-11]、导航[12]、智能交通[13-14]、水下通信[15]等方面，主要利用LiFi 的优势，在系统设计、定位方法、通信算法、编码技术等方面取得了进展，涉及双向通信的研究较少，未能解决单向通信的问题。

可见光通信的瓶颈还包括光信号遇障碍物被屏蔽、易受强光干扰等。自LiFi 概念提出以来，针对可见光通信的瓶颈做了很多研究，如LED 光源研制、光源布置、光通信元件研发、系统小型化、高频驱动系统设计、调制技术、编码技术、通信算法、多用户接入技术等方面[16-21]，这些研究有助于改善光通信系统的传输速率、传输功率、接收能力、纠错和抗干扰能力，但未能从根本上解决光信号遇障碍物被屏蔽、易受强光干扰的问题。

需要强调的是，可见光通信概念自提出以来，经过多年的研究，未能获得发明者预期的进展，发展势头甚微，甚至有被淘汰的可能，根本原因在于LiFi 技术存在的局限，而这些局限是物理学基本规律客观作用的结果。因此，在未能解决LiFi 技术存在的瓶颈问题前，不能把LiFi 作为一种独立的无线通信方式，应把LiFi 作为其它无线通信方式的补充[6,22-23]。

2011 年，LiFi 技术的发明者哈罗德·哈斯在TED 大会展示了LiFi 的技术概念和应用前景，描述了一个由几十亿支LED灯泡充当无线热点的未来世界。在回答如何克服单向通信问题时，哈斯指出，LiFi 技术需要与其它无线网络结合，形成互补。哈斯研究团队提出一种LiFi-WiFi 混合网络模式，设想通过优化的负载均衡算法和用户切换机制解决单向通信问题[23]。

综上分析，本文提出了基于LiFi 技术的复合光通信系统的设计思路，研究将LiFi 嵌入WiFi 无线通信网络，构建完整、高速的无线光通信系统的设计方法。

3 复合系统工作原理

3.1 复合系统组成

复合无线通信系统由下传通道和上传通道组成，下传通道和上传通道对称，每条通道由LiFi 和WiFi 通道并列组成。发射光通信模块、LiFi 发射模块、LiFi 接收模块和接收光通信模块组成主通信通道；发射光通信模块、WiFi 发射模块、WiFi 接收模块和接收光通信模块组成辅助通信通道。发射光通信模块负责LiFi 和WiFi 信号的编制，LiFi 发射模块完成光通信设备的识别码、测速码的生成和复合光信号的发射，WiFi 发射模块完成识别码的生成和信号发射；LiFi 接收模块负责复合光信号的接收、识别光信号的发射装置和检测光信号的接收速率，WiFi 接收模块负责信号的接收、发射装置的识别和信号强度的检测，接收光通信模块完成LiFi 和WiFi信号的解码和复原。

图1 中，实线代表各部件通过实际线路连接；虚线表示各部件通过无线方式连接。

图1 复合光通信系统基本结构

3.2 复合系统种类

根据使用场景的不同，可以组成以下具有实际意义的复合光通信系统，本文讨论第一类复合光通信系统。复合光通信系统组合表见表2 所列。

表2 复合光通信系统组合表

3.3 复合系统编码

复合系统传输的光信号由识别码、测速码、传输信号组成。系统对每一台LiFi 设备进行编号，用于识别发出信号的LiFi 装置，识别码即为设备编号；通常情况下，信号的接收速率随系统的工作状态变化，测速码提供一组信号做为检测系统信号接收速率的依据。工作时，光通信模块将要传输的信号编码形成适合发射的光信号，LiFi 发射模块每隔一定的时间间隔在要传输的光信号前加上识别码和测速码，组成复合LiFi 光信号。复合LiFi 光信号图示如图2 所示。

图2 复合LiFi 光信号图示

复合系统传输的WiFi 信号由识别码和传输信号组成。系统对每一台LiFi 设备进行编号，用于识别发出信号的WiFi 装置，识别码即为设备编号。工作时，光通信模块将要传输的信号编码，形成适合发射的信号，WiFi 发射模块每隔一定的时间间隔在要传输的信号前加上识别码，组成复合LiFi 信号。复合WiFi 信号图示如图3 所示。

图3 复合WiFi 信号图示

3.4 复合系统指标

3.4.1 光通信指标

可见光通信与LiFi 接收模块接收信号的速率有关。遇障碍物体和处于强光环境下，光信号的接收速率会发生变化，使通信过程受到影响。反映信号强度的指标有信噪比（SNR）、平均功率等，但这些指标不能直观反映光信号接收数量的变化，因此本系统采用信号接收速率Q作为反映光信号强度的指标。

LiFi 接收模块内置有测试装置，用于检测接收到的测速码的数量。设LiFi 发射模块发射的测速码的长度为Ms，传输速率为Qs，检测到的测速码的数量为M，检测时间为t。

信号接收速率Q为：

式中：Q反映系统接收光信号的实际能力；M/Ms反映在发射和接收过程中光信号损失的情况。设复合系统要求的最小接收速率为Qmin，则光通信工作条件为：

LiFi 识别码若未检测到，系统视Q＜Qmin。由于终端性能不同，接收信号的能力存在差异，最小接收速率Qmin也会不同。

3.4.2 WiFi 通信指标

选择信噪比（SNR）作为反映WiFi 信号强弱的指标，WiFi 的工作条件为：

3.5 复合系统最优选择

3.5.1 LiFi 最优选择

LiFi 接收装置周围可能有多个LiFi 发射装置，因与接收装置距离不同，障碍物体遮挡和强光干扰情况不同，每个LiFi 发射装置信号被接收的速率会不同。LiFi 接收模块每隔一定时间间隔检测周围的LiFi 信号，选择信号接收速率最大的发射装置通信。

3.5.2 WiFi 最优选择

WiFi 接收模块每隔一定的时间间隔就会检测周围的WiFi 信号，在LiFi 信号接收速率Q＜Qmin的情况下，选择信噪比最大的WiFi 发射模块通信。

3.6 复合系统工作原理

复合光通信系统有两种通信方式，LiFi 为主通信方式，WiFi 为辅助通信方式，两种通信方式依据LiFi 信号接收速率的变化交替工作。若接收速率Q＞Qmin，系统采用LiFi 方式传输信号；若接收速率Q＜Qmin，系统采用WiFi 方式传输信号。

LiFi 接收模块内置信号接收速率检测装置，每隔一定的时间间隔就会检测周围LiFi 信号的接收速率。系统处于LiFi通信状态下，若信号接收速率Q＞Qmin，选择信号接收速率最高的LiFi 发射模块通信，维持LiFi 传输方式；若接收速率Q＜Qmin，LiFi 接收模块向光通信模块发出请求，采用WiFi通信方式工作，选择信号强度最大的WiFi 发射模块通信，维持通信的连续性。

系统处于WiFi 通信状态下，LiFi 接收模块每隔一定的时间间隔检测周围LiFi 信号的接收速率。若信号接收速率Q＜Qmin，选择信噪比最大的WiFi 发射模块通信，维持WiFi传输方式；若信号接收速率Q＞Qmin，LiFi 接收模块将向光通信模块发出请求，采用LiFi 通信方式工作，选择信号接收速率最高的LiFi 发射模块通信。复合光通信系统逻辑框图如图4 所示。