可見光無線通信又稱“光保真技術”，英文名LightFidelity（簡稱LiFi）是一種利用可見光波譜(如燈泡發出的光)進行數據傳輸的全新無線傳輸技術，由英國愛丁堡大學電子通信學院移動通信系主席、德國物理學家HaraldHass（哈拉爾德·哈斯)教授發明。
基本介紹
- 中文名：可見光無線通信技術
- 外文名：Light Fidelity
- 作用：利用可見光方式相互連線
- 發明人：HaraldHass(哈拉爾德·哈斯)
簡介,產生背景,技術原理,缺點,主要用途,國內發展前景,
簡介
可見光無線通信技術是運用已鋪設好的設備(無處不在的LED燈)，通過在燈泡上植入一個微小的晶片形成類似於AP(WiFi熱點)的設備，使終端隨時能接入網路。該技術通過改變房間照明光線的閃爍頻率進行數據傳輸，只要在室內開啟電燈，無需WiFi也便可接入網際網路。
可見光無線通信技術是用可見光來實現無線通信，即利用電信號控制發光二極體(LED)發出的肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息。
產生背景
WiFi技術已經越來越普及，不過抱怨無線信號不穩定、上網速度慢、WiFi熱點太少而用的人也越來越多。有一項新技術可能會讓這些問題得到解決。
電燈泡一直以來被視作發明家夢寐以求的靈感閃現的象徵。不過對德國物理學家Herald Haas來說，電燈泡本身給他帶來了靈感。Haas和他愛丁堡大學的團隊發明了一項專利技術，利用一束閃光來無線傳輸數字信息，這類技術通常被稱作可見光通信(VLC)。
Haas表示：“我最大的構想就是將電燈泡變為寬頻通信設備。這樣電燈泡不僅能提供照明，也將成為一款必要的工具。”Haas認為，通過給普通的LED燈泡加裝微晶片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用燈泡傳送數據。而燈泡的閃爍頻率達到每秒數百萬次。
通過這種方式，LED燈泡可以快速傳輸二進制編碼。但對裸眼來說，這樣的閃爍是不可見的，只有光敏接收器才能探測。Haas表示：“這類似於通過火炬傳送莫爾斯碼，但速度更快，並使用了計算機能理解的字母表。”
這一技術意味著，只要你擁有電燈泡，就可以獲得無線網際網路連線。全世界的電燈泡數量約有140億盞。實際上，這也意味著任何路燈都可以成為網際網路接入點。
不過，被暱稱為“Li-Fi”的可見光通信技術並不只是能提升網際網路的覆蓋範圍。作為無線數據傳輸的最主要技術，WiFi利用了射頻信號。然而，無線電波在整個電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對無線網際網路需求的增長，可用的射頻頻譜正越來越少。
例如，當在咖啡店中上網時，如果周圍上網的人越來越多，那么你會發現網速變得很慢。3G行動網路也是如此。與此同時，根據思科的數據，每年通過移動設備傳送的信息量都在翻番。
Haas表示，他的技術將是問題解決方案的重要一部分。他表示：“可見光頻譜的寬度達到射頻頻譜的1萬倍。”這意味著可見光通信能帶來更高的頻寬。Haas表示，“Li-Fi”技術能帶來高達1Gbps的數據傳輸速度。
Haas認為，他的技術有一個重要優點，這就是不需要再新建任何基礎設施。而傳統射頻信號的發射需要能量密集的設備。他表示：“我們使用現有設備。可見光頻譜沒有得到利用，沒有得到監管，我們可以進行高速通信。”
不過這一技術也有著自身的局限。雅典Harokopio大學信息學講師Thomas Kamalakis推薦了Haas的技術，但也表示該技術的潛力不應被高估。他表示：“一個明顯的問題是，可見光無法穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號將被切斷。”
英國華威大學工程學院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“問題在於，我們的手機如何使用可見光來通信？”
Haas表示，這是兩個現實問題，但他也有簡單的臨時解決方法。“如果光信號被阻擋，而你需要使用設備傳送信息，你可以無縫地切換至射頻信號。”他認為，可見光通信並不是WiFi的競爭對手，而是一種相互補充的技術，這將有助於釋放頻譜空間。
他表示：“我們仍需要WiFi，需要射頻通信系統。你無法使用電燈泡向快速移動的物體傳送數據，或是向樹、牆和障礙物背後的物體傳送數據。”在短期內，可見光通信已可以實現一些小範圍套用。例如，可以在飛機中使用該技術，幫助手機和筆記本上網，此外也可以在水下等無線電波無法傳播的場所使用該技術。
Haas指出，Li-Fi技術帶來了極高的安全性，因為可見光只能沿直線傳播，因此只有處在光線傳播直線上的人才有可能截獲信息。
電燈泡一直以來被視作發明家夢寐以求的靈感閃現的象徵。不過對德國物理學家Herald Haas來說，電燈泡本身給他帶來了靈感。Haas和他愛丁堡大學的團隊發明了一項專利技術，利用一束閃光來無線傳輸數字信息，這類技術通常被稱作可見光通信(VLC)。
Haas表示：“我最大的構想就是將電燈泡變為寬頻通信設備。這樣電燈泡不僅能提供照明，也將成為一款必要的工具。”Haas認為，通過給普通的LED燈泡加裝微晶片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用燈泡傳送數據。而燈泡的閃爍頻率達到每秒數百萬次。
通過這種方式，LED燈泡可以快速傳輸二進制編碼。但對裸眼來說，這樣的閃爍是不可見的，只有光敏接收器才能探測。Haas表示：“這類似於通過火炬傳送莫爾斯碼，但速度更快，並使用了計算機能理解的字母表。”
這一技術意味著，只要你擁有電燈泡，就可以獲得無線網際網路連線。全世界的電燈泡數量約有140億盞。實際上，這也意味著任何路燈都可以成為網際網路接入點。
不過，被暱稱為“Li-Fi”的可見光通信技術並不只是能提升網際網路的覆蓋範圍。作為無線數據傳輸的最主要技術，WiFi利用了射頻信號。然而，無線電波在整個電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對無線網際網路需求的增長，可用的射頻頻譜正越來越少。
例如，當在咖啡店中上網時，如果周圍上網的人越來越多，那么你會發現網速變得很慢。3G行動網路也是如此。與此同時，根據思科的數據，每年通過移動設備傳送的信息量都在翻番。
Haas表示，他的技術將是問題解決方案的重要一部分。他表示：“可見光頻譜的寬度達到射頻頻譜的1萬倍。”這意味著可見光通信能帶來更高的頻寬。Haas表示，“Li-Fi”技術能帶來高達1Gbps的數據傳輸速度。
Haas認為，他的技術有一個重要優點，這就是不需要再新建任何基礎設施。而傳統射頻信號的發射需要能量密集的設備。他表示：“我們使用現有設備。可見光頻譜沒有得到利用，沒有得到監管，我們可以進行高速通信。”
不過這一技術也有著自身的局限。雅典Harokopio大學信息學講師Thomas Kamalakis推薦了Haas的技術，但也表示該技術的潛力不應被高估。他表示：“一個明顯的問題是，可見光無法穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號將被切斷。”
英國華威大學工程學院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“問題在於，我們的手機如何使用可見光來通信？”
Haas表示，這是兩個現實問題，但他也有簡單的臨時解決方法。“如果光信號被阻擋，而你需要使用設備傳送信息，你可以無縫地切換至射頻信號。”他認為，可見光通信並不是WiFi的競爭對手，而是一種相互補充的技術，這將有助於釋放頻譜空間。
他表示：“我們仍需要WiFi，需要射頻通信系統。你無法使用電燈泡向快速移動的物體傳送數據，或是向樹、牆和障礙物背後的物體傳送數據。”在短期內，可見光通信已可以實現一些小範圍套用。例如，可以在飛機中使用該技術，幫助手機和筆記本上網，此外也可以在水下等無線電波無法傳播的場所使用該技術。
Haas指出，Li-Fi技術帶來了極高的安全性，因為可見光只能沿直線傳播，因此只有處在光線傳播直線上的人才有可能截獲信息。
技術原理
可見光無線通信（稱為LiFi——Light Fidelity）是利用快速的光脈衝無線傳輸信息。根據不同速率在光中編碼信息完全可行，例如LED開表示1，關表示0，通過快速開關就能傳輸信息。由於LED的發光強度，人眼不會注意到光的快速變化。LiFi技術還處在於實驗室階段，由Haas和他愛丁堡大學的團隊發明的一項專利技術。電燈泡一直以來被視作發明家夢寐以求的靈感閃現的象徵。與光纖通信擁有同樣的優點，高頻寬，高速率，不同的是LiFi是使光傳播在我們周圍的環境中，自然光能到達的任何地方，就有LiFi的信號。LiFi技術是運用已鋪設好的設備（無處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個微小的晶片，就能變成了類似於AP（WiFi熱點）的設備，使終端隨時能接入網路。
可見光無線通信
可見光無線通信缺點
雖然LiFi確實有不受無線電信號干擾的優勢，但其許多優勢都因下述事實黯然失色：可見光不能穿透牆壁，這一關鍵事實使得WiFi獲得了很大優勢。這種可視性限制提高了系統安全性，但尚不清楚信號接收的最小距離。可以構想的是，利用長焦鏡頭和調整恰當的光學感測器，人們就可以截獲光學信號。TechCrunch表示，儘管LiFi被宣傳為一種可能的機載無線通信技術，但WiFi在大多數美國航空公司的大規模普及使得LiFi在飛機上的套用前景越來越不樂觀。
主要用途
Li-Fi通過調節LED光輸出的數據進行編碼。人類的眼睛無法覺察到快速的閃爍，但在桌面計算機上的接收器或移動設備可以讀取信號，甚至可以把信號返回房間天花板上的信號收發器，提供雙向通信。但許多發光二極體用螢光粉塗層把藍色光轉化成白色光，這也限制了數據傳輸的速率。這項研究發表在光學快訊（Optics Express），哈斯和他的團隊研究表明，用雷射二極體替換現有的LED燈可以大大改善現在的情形。雷射器的高能量與光效率，傳輸數據的速率可以比LED快10 倍。不使用螢光粉，雷射照明可以混合不同波長的光產生白色光。這意味著每個波長的光可以用作一個單獨的數據通道，同樣的光波可以雙向傳輸，可以大大提高光傳輸數據的速率，愛丁堡大學團隊的試驗用了9個雷射二極體。
雖然基於LED的Li-Fi可達到10 Gb/s 的數據傳輸速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的數據傳輸速率上限。雷射傳輸數據的速率可以很容易超出100 Gb/s。
這種設備還非常昂貴，愛丁堡大學正在尋求大規模生產來降低其成本，並且可以把它套用到照明市場。寶馬i8 的前大燈就是基於該雷射燈。
國內發展前景
經工業和信息化部測試認證，我國“可見光通信系統關鍵技術研究”近日獲得重大突破，實時通信速率提高至50Gbps（比特每秒），相當於0.2秒即可完成一部高清電影的下載。
可見光通信是利用半導體照明（LED燈）的光線實現“有光照就能上網”的新型高速數據傳輸技術。可見光通信技術綠色低碳、可實現近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號泄露等弱點，快速構建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。
我國信息領域著名專家、中國工程院院士鄔江興介紹說，全球大約擁有440億盞燈具構成的照明網路，數百億的LED照明設備與其它設備融合將構築一個巨大的可見光通信網。可以構想，未來實現大規模可見光通信後，每盞燈都可以當做一個高速網路熱點，人們等車的時候在路燈下就可下載幾部電影，在飛機、高鐵上也可藉助LED光源無線高速上網，滿足室區域網路、物聯網、車聯網、工業4.0、安全支付、智慧城市、國防通信、武器裝備、電磁敏感區域等網路末端無線通信需求，為網際網路+提供一種嶄新的廉價接入方法。
鄔江興預測，在未來數十年內，信息的傳輸量將超出現有無線電頻譜的承載能力，可見光通信技術可有效突破無線電頻譜資源嚴重匱乏的困局，是具有廣闊套用前景的下一代無線通信技術之一，可形成萬億級年產值的戰略性新興產業。
高速傳輸一直是可見光通信領域研究的焦點課題之一，解放軍信息工程大學於宏毅研發團隊採用光學和電學相協同的處理方法，突破了可見光空間通道互干擾高效抑制等關鍵技術，進入集成化、微型化設計與實現階段。這所大學是國內較早從事可見光通信技術研發的科研單位，2013年牽頭承擔了我國首個可見光863計畫項目，並組建了“中國可見光通信產業技術聯盟”。經過3年多的科技攻關，先後研發成功“可見光點播電視業務”“可見光新型無線廣播”“可見光精確定位”等套用示範系統。
LED無線通信的研究在日本首先開展
將LED照明燈組成可見光無線通信系統的研究工作，在日本首先開展，並得到日本政府的重視。在2006-11-28發布的科技日報報導：“日本總務省計畫與NTT研究所及NEC公司等聯手，共同開發一種利用照明燈光傳輸高速信息的“可見光通信”系統。日本政府將把這一技術作為下一代寬頻網普及，預計在5年內實用化“。
室內白光LED無線通信的研究在日本首先開展。日本大學的日本KEIO大學的Tanaka等人和SONY計算機科學研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進行信息無線傳輸的室內通信系統[4]。他們以Gfeller和Bapst的室內光傳輸信道為傳輸模型，將信道分為直接信道和反射信道兩部分，並認為LED光源滿足朗伯（Lambertian）照射形式,且以強度調製直接檢測（IM-DD）為光調製形式進行了建模仿真，獲得了數據率、誤碼率以及接收功率等之間的關係。認為當傳送數據率在10Mbps以下的系統是可行的，碼間干擾（InterSymbol Interference, ISI）和多徑效應是影響系統性能的兩大因素。2001年,Tanaka等人在原來的基礎上分別採用OOK_RZ調製方式與OFDM調製方式對系統進行了仿真[6]，結果表明：:當傳送數據率在100Mbps以下時這兩種調製技術都是可行的，當數據率大於100Mbps時，OFDM調製技術優於OOK_RZ調製技術。
Tanaka和Komine等人的具體分析
2002年, Tanaka和Komine等人對LED可見光無線通信系統展開了具體分析[7]，包括光源屬性信道模型、噪聲模型、室內不同位置的信噪比分布等，求出了系統所需的LED單元燈的基本功率要求，並分別以OOK_RZ、OOK_NRZ、m-PPM調製方式進行仿真分析,得到了不同條件下的誤碼率大小。同年Komine等研究了由牆壁反射引起的多徑效應對可見光無線系統造成的影響，分別以OOK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調製方式進行仿真，結果表明：在數據率小於60Mbps，接收視場角小於50度的條件下，採用8-PPM調製方式可有效克服牆壁反射引起的多徑效應。以後, Komine等繼續對LED單元燈的設計布局、可見光傳播信道（分直達信道和反射信道兩部分）、室內人員走動導致的反射陰影、牆壁反射光,碼間干擾對系統性能的影響等展開研究[8]，並得出了不同接收視場角和不同數據傳送率下各因素對系統性能的影響曲線。同年，Komine等提出了一套結合電力線載波通信和LED可見光通信的數據傳輸系統[9]。2005年, Komine等利用基於最小均方誤差算法的自適應均衡技術來克服碼間干擾(ISI) [10]。仿真表明在數據率為400Mbps以下時，FIR均衡器和DFE均衡器都可有效減少ISI的影響，當數據率高於400Mbps時，DFE均衡器更能有效克服ISI。
套用前景非常看好
國內在這方面的研究剛剛起步，暨南大學光電工程系的陳長纓教授對LED發光特性、室內通信鏈路和信道模型進行了初步的研究。
總之，LED照明光無線通信在國外也還出在起步和摸索階段，但其套用前景非常看好，不僅可以用於室內無線接入，還可以為城市車輛的移動導航及定位提供一種全新的方法。汽車照明燈基本都採用LED燈，可以組成汽車與交通控制中心、交通信號燈至汽車、汽車至汽車的通信鏈路。這也是LED可見光無線通信在智慧型交通系統的發展方向。
