Li-Fi会替代Wi-Fi吗?这篇文章帮你揭开Li-Fi技术真相

随着无线通信技术的快速发展,WiFi技术已经普遍应用在日常生活中。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。此外,无线数据安全问题也一并为WiFi技术的发展提出了挑战。新一代光通信技术——LiFi的出现,可以为数据传输提供了一种更为安全、高速、稳定的解决方案。

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Li-Fi,是英文 Light Fidelity 的缩写,类似于Wi-Fi 。Li-Fi 使用电磁波谱的可见光部分,进行信息传输。它是一种双向、高速、完全网络化的无线通信技术,同时它也是一种可见光通信的形式,属于无线光通信的一部分。无线光通信包括红外和紫外通信,也包括可见光通信。然而,Li-FI是一种独特的形式,因为它既可以用于照明,也可以同时用于通信。

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Li-Fi 技术,通过对于光线强度的调制(例如LED灯发出闪烁的光线)来传输数据。这种光的闪烁频率极高,肉眼是无法察觉的。只有光敏探测器才能检测到这种光线变化,然后将其转化成电信号的形式。

Li-Fi 的工作原理

当LED灯泡上有恒定的电流通过时,灯泡就会激发出连续的光子流,然后我们就会观察到可见光。如果电流缓慢变化,输出的光线就会忽明忽暗。

因为LED灯泡是半导体设备,电流以及输出的光线,可以通过极高速的方式进行调制。然后,光电探测器会检测到这种信号,转化为电流的形式。这种光电调制是人眼无法察觉到的。

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LED灯具利用信号处理技术,将数据嵌入到光束中,并且以超高的速度发给光电探测器,然后这种微小的光线变化会被转化为电信号,再转回数据流的形式,发送给计算机或者移动设备。

无线射频通信需要射频电路、天线和复杂的接收器。然而 Li-Fi 要简单的多,它使用的直接调制方法,和低成本红外通信设备使用的方法类似。红外通信,为了不损伤眼睛,所以功率受限。然而,LED灯泡可以具有高亮度,能够达到很高的数据传输率。

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Li-Fi技术的来历

2012年12月,哈斯和他在英国爱丁堡大学的团队最新发明了一种专利技术,利用闪烁的灯光来传输数字信息。通过给普通的LED灯泡加装微芯片,使灯泡以极快的速度闪烁,就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪烁频率达到每秒数百万次。通过这种方式,LED灯泡可以快速传输二进制编码。但对裸眼来说,这样的闪烁是不可见的,只有光敏接收器才能探测。这类似于通过火炬发送莫尔斯码,但速度更快,并使用了计算机能理解的字母表。使用标准的LED照明灯,哈斯与他的同事戈登·波维创建的研究小组已经达到了两米距离的130兆比特每秒的传输速度。随着白炽灯、荧光灯逐渐退出市场并被LED取代,未来任何有光的地方都可以成为潜在的LiFi数据传输源。

Li-Fi系统的组成

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从上图中,我们看到:可见光通信系统由路由器(集 线器)、LED光源、接收器和信息终端(含适配器)等 组成。

可见光路由器是可见光通信网络中的核心组成部分,可以接受来自信息终端用户的信息,同时分时段的将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。

发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输 的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载 波强度变化的LED可见光驱动调制电路。白光LED光源 发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传 播。由于室内不受强背景光和天气的影响,光传播基本 上不存在损耗,但是由于LED光源个数较多,且具有较 大的表面积,因而在发射机和接收机之间存在若干条不 同的光路径,不同的光路径到达接收机的时间不同,将 引起所谓的码间干扰(ISI)。由于白光LED光源发出的是 可见光,且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波 伤害等优点,因而发射端可以具有较大的发射功率,使得系统的可靠性大大提高。

接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收 的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前 置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理 和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号 ,然后对电信号进行放大和处理,恢复成与发端一样的 信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的 光源不同外,其它基本一样。上行链路采用的光源仍然 由白光LED组成,只不过发射面积较小,且具有较小的 发射角,天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光 信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置,就可以得到一个可以双向同时工作的全双工LC系统,由该系统 组成的网络称为可见光网络。

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可见光通信适配器包括下行链路的白光LED光源和上行 链路的光电接收器,具有发射和接受功能,且负责将终 端用户的信息调制成光信号,并接收来自下行链路的光信号。

天花板上安装的光电检测器可以接收来自用户的光信号,并转换成电信号送入可见光通信路由器。

电信号经过可见光通信路由器的简单处理后,调制到白 光LED光源上变成光信号,以广播的方式发射出去。在 接收端,终端的可见光适配器将接受的信息解调出来并 送入终端用户,即实现了局域网内的无线通信。

LiFi的技术优势

建设便利

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术越来越发达。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轻易的接收到路灯传来的信号。

高带宽,高速率

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可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍。目前据报道,实验室测试最高速度可达1Gbps。这对于人们对速度的是个可喜的数据,人们可以随时随地的享受高速带来的体验。

绿色,低能耗

人们无时无刻都处在“光”这环境中,甚至可以说是光创造了人类,可见光对于人类来说是绿色的,无辐射伤害的一种物质。因此用光来作为无线通信的媒质,是一种对人类发展更健康,更可取的方向。同时用光来通信能减低能耗,因为不需要想基站那样提供额外的能耗。就算是在白天,只要把作为“热点”的灯的亮度降低人眼所觉察不到的程度即可,在夜晚的时候可以作为数据传输和照明的作用。

安全

对于电磁波来说,其可以穿透物体进行传播,从安全角度上看,这可能会被截取而泄露信息。但对于LiFi来说,可见光只能延直线传播,不会穿透墙体的物体。数据只往人们所设定的方向传播,只有利于信息的安全性。

原料丰富

目前的无线电信号传输设备存在很多局限性,它们稀有、昂贵、但效率不高,比如手机,全球数百万个基站帮助其增强信号,但大部分能量却消耗在冷却上,效率只有5%。相比之下,全世界使用的灯泡却取之不尽。

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尤其在国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片,便可让灯泡变成无线网络发射器。

LiFi的局限性

环境干扰

环境光源有时候会工作在同样的光谱频段,这时候如果环境光源比较强,很有可能LIFI会无法正常通信,信/干燥比(SINR)太差。

解决方式:对于环境干扰问题,LIFI系统中使自行研制的窄带滤镜,可以一定程度上避免背景光的干扰;对于室内的电磁干扰,噪声主要在1MHz已下,他们在系统中也避开了这个频段.要实现高速的传输速度,还需要在空间内布置更多用了的中继站,以保证传输的稳定性。

反向通信

从LED灯泡发射信号到手机上的光电二极管只解决了问题的一半,如何从手机发信号回去才能保证通信链路畅通(当然可以用无线电欧诺更新作为补充,不过这让这个技术的标准化变得很难)。

解决方式:而针对数据上行,可采用了两套系统,分别是可见光上行和红外上行。所谓可见光上行,即需要在电子设备上安装一个灯泡,而红外上行虽然肉眼看不见,但是速率却较低。

单向传输更适合可见光通信,可见光通信并不适合做信息的双向传输,如果反向信号上网的化,每个灯必须接上网线。如果信号回传,接收设备也要安装灯泡,而且还要对的很准,否则速度上不来,我们有很多地方其实是不需要信息回传的,例如电视、收音机、交通灯等等,只需要做到信息从信息源下载。

Li-Fi系统的关键技术

信道编码技术

mBnB分组编码技术是一种适用于 LED数字传输 。通常来说,分组码是指将原始信 息码字按 m比特为单位进行分组,根据一定规则用另外 每组为 n比特的码字来表示,然后这些新的分组以 NRZ 码或 RZ码的格式来传输。常用的信道编码有1B2B(曼 彻斯特码)、3B4B、5B6B、6B8B等。

mBnB码的优点有:①功率谱形状较好;②连0连1个数 有限,没有基线漂移问题;③提供可靠的误码监测和字同步手段。

实验证明,经过 6B8B 编码后,光信号在通 信距离 r=0.5 ~ 2.5m 范围内受 LED 的个数、电阻及串 口模块分频的影响不大。利用 6B8B编码技术,可以保 证本系统中数据高速传输的同时,使信号传输距离超过 2.5m。而且,可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服 mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。

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光码分多址(OCDMA)技术

采用光码分多址技术来区分不同用户的信息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源,因 此不同的用户信号必须具有不同的特征,这样适配器接 收时才能将不同用户信号分割开。OCDMA给每一个用 户分配一个单独的地址码,数字信号在各自的地址码上 进行编码,在接收机上通过相应的序列进行解码。采 OCDMA技术还能大大提高了系统的抗噪声能力 ,可以把 信号从噪声很强的环境中检测出来。

分集接收技术

分集接受技术的提出是为了提高VLC系统的信噪比,克服高速通信中码间干扰的影响.分集接收的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器,对多个探测器接收到的信号进行比较,选取信噪比最大的信号进行通信。

在分集接收系统中,两个关键的工作是信号的选取方式和光电探测器的布局。

在信号的选取上,对于低速率的白光LED通信系统,直接将多个探测器接收到的信号通过一个加法器进行简单相加,然后将相加后的信号送进接收机进行滤波解调和解码等处理,大大提高了信噪比;当通信系统的传输速率高于100MB/S时,由于码间串扰的影响,不能将信号直接相加,必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择。

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Li-Fi 可以有的应用

LED(发光二极管)在在照明方面的使用量急剧增长,为Li-Fi 技术的应用带来了前所未有的机遇。

Li-Fi 特别适用于很多流行的网络“内容消费”应用,例如影音下载、直播等等。这些应用对于下行带宽的要求很高,但对于上行带宽要求很小。Li-Fi 可以使得大部分网络流量,从现有无线射频网络中分流出来,从而也拓展了蜂窝网和Wi-Fi 的容量。以下列举 Li-Fi 的一些相关应用:

RF 频谱救助:蜂窝网络的一部分流量可以分流入Li-Fi 网络,对于下行链路特别有效,这也往往是瓶颈发生的地方。

智能照明:任何私有或者共有的照明设备包括街灯,都可以用于提供Li-Fi 热点,同样的通信和传感器设施,也可以用于监视和控制照明和数据。

移动连接性:笔记本、智能手机、平板电脑和其他移动设备,可以直接使用Li-Fi 互联。短程连接具有很高的数据率和安全性。

危险环境:相对于来自危险环境(例如矿山和石油化工厂)的无线电电磁干扰,Li-Fi 是一个安全的选择。

医院和医疗保健:Li-Fi 不产生电磁干扰,所以也不会干扰医疗设备,或者被核磁共振扫描仪干扰。

航空:因为飞机上已经部署有LED设备,所以 Li-Fi 可以减少重量和布线,增加航空客舱座位布局的灵活性,也可以让乘客的移动设备和机上娱乐(IFE)系统相互连接。

水下通信:因为水可以吸收射频信号,所以水下无法使用无线电通信。而声波的带宽极低,容易干扰海洋生物。Li-Fi 是短距离水下通信的一个良好解决方案。

车辆和交通:头灯和尾灯、街灯都是LED的,包括交通标志也在向LED灯转变。所以,Li-Fi,有望用于车车通信、车和道路之间通信、道路安全和交通管理。

回避射频:一些人对于射频过敏,Li-Fi 是一个很好的替代解决方案。

地理位置服务(LBS):高精度地理位置信息服务,例如广告和导航,让接收者可以及时收到和地理位置相关的信息。

玩具:许多玩具具有LED灯,它们可以用于互动玩具之间极端低成本的通信。

LiFi会替代WiFi吗?

LIFI借助可见光谱发出高速的光脉冲来传输无线数据,而WIFI的传输载体则是电磁波。两者都是数据传输的手段,虽然存在一定的“竞争”,但更多的还是“合作”关系。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。

利用LiFi—WiFi混合网络模式,可以为数据传输带去更多的便利。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。而且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。

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