可見光無線通信

可見光無線通信又稱“光保真技術”，英文名Light Fidelity（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)
• 別稱：光保真技術
• 英文簡稱：LiFi

簡介

LIFI（Light Fidelity）光保真技術，又稱為可見光無線通信，該技術是一種利用可見光波譜進行數據傳輸的全新無線傳輸技術。LIFI通過在LED上植入一個微小的晶片，利用電信號控制發光二極體（LED）發出肉眼看不到的高速閃爍信號來傳輸信息，這種技術做成的系統能夠覆蓋室內燈光達到的範圍，電腦不需要電線連線只要在室內開啟電燈，無需WIFI也可接入網際網路。

可見光無線通信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技術目前還處在於實驗室階段，由Haas和愛丁堡大學的團隊發明的一項專利技術。

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。

技術原理

可見光無線通信是以LED為載體，在不影響正常照明前提下，將信息通過調製器進行調製後，將數位訊號載頻到LED燈具上，利用LED發出快速的光脈衝無線傳輸信息。接收端利用光電轉換器（PD）接收含有信息的可見光，並轉換為電信號，然後進行濾波、整形和放大，並從中解調出相應的模擬信息。如果需要雙向傳輸（即下行和上行）或多路傳輸，則需要進行頻譜區分或多路取樣調製，並加入同步識別信號和同步檢測信號。對於可見光通信基站，通過信號源連線線將各個基站並聯連線，在只有下行信號傳輸系統中，無“信息接收部分”，只能通過“信息發射部分”將光信號下行，由帶有光電接收器/信號解調器的電腦或手機接收。

技術特點

1、廣泛性

LED的回響時間短、壽命長、無輻射，所有的LED燈都可成為網際網路的基站。

2、成本低廉和節能

現在廣泛使用的無線電數據傳輸方式，最顯著的使用領域即無線移動通信（手機），為了滿足對通信效果的需求，要建立大量的基站以增強通信信號。現在僅我國就有140萬個基站用以增強信號，但其能源利用效率只5%左右，大部分能量都用在冷卻上。可見光通信具有極高的能源利用效率，其通信功率僅占照明功率的5%左右，其信號通過LED照明燈具所發出，傳輸簡單設備成本低廉。

3、高速率性

目前可見光通信速度可以達到每秒數十兆甚至數百兆，未來的傳輸速度還有可能超過光纖的傳輸速度。

4、頻譜資源豐富

目前用於通信、導航、雷達、廣播及無線電視的電磁波從長波到毫米波全波段的頻率範圍是從10kHz到300GHz，全部頻譜寬度不大於3×102GHz；而可見光的波長範圍為380nm至780nm，頻率範圍為3.85×106GHz到7.89×106GHz，頻譜寬度大於4×106GHz，為現有通信頻譜的13333倍。顯而易見，可見光通信的頻譜寬度遠大於現在所有可用於通信的頻譜寬度。

5、信息傳輸的高保密性

無線通信中的射頻信號對人體有害，容易對其他設備產生電磁干擾，不適宜在電磁敏感區使用，如飛機、醫院等。無線電通信還存在電磁波泄漏的可能，不適用在需要信息保密的傳輸場合。LED可見光通信則沒有電磁干擾等問題，且具有安全性高的優勢，用窗簾遮住光線，信息就不會外泄至不需要信號的場所。

6、實用性

可以對無線通信覆蓋的盲區作填補，如捷運、隧道、航海、機艙及礦井等無線通信不暢的區域。

關鍵技術

1、新型光源的研製

多數高級LED燈的能耗雖可以低至普通燈泡的不到1/20，但耐久度卻分別是螢光燈和白熾燈的10倍和100倍，且照明效果更加穩定。LED與白熾燈等氣體照明基於的是不同的發光機理，節能綠色的LED燈是一種固態照明技術。

目前，為了突破LED的調製頻寬和能效，美國、歐洲均在開展研究下一代的新型固態照明和新型能源驅動的發光器件。可見光源如何能夠在室外環境下穩定工作，克服惡劣天氣下的大氣信道環境惡化也是一大難題。

2、調製與復用技術研究

調製與復用技術研究包括基於LED的新型脈衝位置調製、OFDM調製、波分復用調製、空間復用、線性化與通信質量的提高、MIMO傳送與接收陣列等都是十分重要的研究課題。調製與復用技術是決定通信質量、通信容量的關鍵問題。

3、成像接收的耗電問題

光無線通信系統根據接收端的不同分為兩種，一為基於光電二極體的非成像接收，一為基於攝像頭的成像接收。若採用手機等終端設備的攝像頭進行成像接收，其耗電將大於設備的某些系統，例如藍牙、Wi-Fi等。因此成像可見光系統的耗電亦將是其需要考慮的重要問題。基於成像技術的可見光通信可以催生很多手機套用APP，例如室內高精度地圖定位、感測以及人體識別等新型套用。

4、可見光泄露的安全性

通常，由於可見光不能穿透牆壁等物體，人們認為可見光具有非常高的安全度。當光線被遮擋時，通信系統隨即中斷，因此一直被認為可用於安全保密性要求極高的場合。

但實際的研究表明，由於光線在空氣中的散射等作用，可見光通信系統仍然會存在信息泄露的問題。例如在LED燈進行照明通信時，室內的門縫、玻璃、窗簾等區域都是信息可能泄露被竊聽的途徑。因此，可見光泄露的安全性問題不應被簡單地忽視。

5、人體視覺心理安全感受

一方面，人體在有足夠太陽光以及夜晚的場合，並不需要額外的光線。為了滿足人眼對光線的舒適感知，可見光系統需要在弱光或無光條件下保持通信的技術方案。

另一方面，人眼對於光線分布、不同色彩光線等也都有不同的舒適度感知。可見光無線通信如果能夠結合人眼的光線感知進行研究，將會帶來更易被人們接受的通信系統。同時，在人眼感覺舒適的照明環境中，可見光的接收難度會進一步加大，能夠在背景光中分辨通信光的技術就更為重要。

優缺點

優點

LiFi技術最大的優勢是不同於WiFi，它並不會和其他無線電信號發生干擾，所以能夠用在飛機上以及其他需要考慮電磁兼容問題的場合。另一大優勢是，相對頻段頻譜有限的無線電，可見光的頻段頻譜要比前者大10000倍，這意味著在LiFi網路里單個數據信道的頻寬就可以做得很大，也可以容納更多的信道作並行傳輸，從而讓整個傳輸速率大幅度提升。

另外目前廣泛套用的蜂窩網路、WiFi設備都存在著發熱量大、能量轉化率低的問題。比如蜂窩網路基站內的設備，其頻率不高，但其能量轉化率不足一成，其餘九成多的能量都轉化成熱量，往往需要引入冷卻設備以保持正常運行。而LiFi就沒有這個問題，極低的發熱量使其不需要冷卻設備也能穩定運行。

最後就是其高安全性。首先光的特性決定了它無法穿牆傳輸信號，也就意味著它的安全性很強，WiFi使用中常出現的“蹭網”現象，就可以有效避免。同時不同於共用信道的WiFi，LiFi的上行和下行信道是獨立運行的，黑客必須處在同一個房間之中，並侵入兩個信道才能完成一次真正意義上的攻擊。

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。

技術難題

新技術研發及其產業化並不可能每個環節都順利，可見光通信技術有很多優點，卻也面臨很多技術難題。

1、傳輸速度難提高

雖然白光LED的發光效率高，其有限的調製頻寬卻限制通信的傳輸速度。

2、信號易被環境干擾

雖然LIFI可以不像WIFI那樣被無線電信號所干擾，但從某種程度上來說，它可能受干擾的因素比WIFI還要多。比如，可見光無法穿透牆壁、穿透物體，因此如果接收器被阻擋，那么信號將被切斷，但WIFI可以穿透牆壁。雖然這種特性提高了安全性，但是人們目前並不清楚接收LIFI的最小距離。在這種情況下，利用光學感測器甚至是長焦鏡頭都極有可能截獲光學信號。

3、數據難回傳

數據線與電力線不能很好融合，反向鏈路受干擾導致數據無法回傳。

4、雙向傳輸難

用戶上網不僅需要下載功能，還需要上傳檔案。燈光照射在終端並不難，但手機和電腦反向傳輸數據是個難題。畢竟，沒有人希望自己的設備上為了傳輸數據而安裝一個大燈泡。雖然LIFI的下行傳輸速率已超過WIFI，但LIFI缺乏對移動性、非視線傳輸和上行高速數據傳輸的有效支持。

5、無專用探測器

光線散亂而多方向，在光源和探測器間存在不同光路。現廣泛使用的矽基探測器靈敏度差不能準確地接收，導致用戶使用時無法準確接入，也不能準確切換等。

6、碼間干擾

為了達到較好的照明和通信效果，一個房間通常要安裝多個LED光源，由於LED單元分布位置的不同，不同光路逕到接收端的時間不一樣，在傳輸過程中會有碼間干擾。

發展方向

1、提升白光LED的頻率回響，拓展寬頻

白光LED用作為通信光源，它的電信號則務必要調製於白光LED上，再由內向外進行發射。其中，白光LED的回響頻率很大程度上決定了通信系統的可用寬頻。為此，我們不僅應當努力提升功率的輸出量，還要將白光LED的頻率回響進行提升，以有效拓展其頻寬，而這也逐漸發展成為了實現高速可見光通信所必須要解決的一個重要難題。

LIFI

2、電力線通信技術與VLC技術有機融合的PLC技術

一般情況下，LED照明基站燈都是安裝於公路兩側、天花板以及交通樞紐上的，其在通信電纜方面的使用成本上往往過高，運營效益也有待於進一步的提升。而如若把LED照明系統與電力線載波通信結合在一起，通過電力線的利用來進行通信信號的傳播，則可以將投資成本進行有效降低。電力線通信技術與VLC技術有機融合成的PLC技術，是利用電力線傳輸數據及話音信號的一種通信方式。而從無線通信技術的發展趨勢來看，PLC技術已日益顯現出了它強大的生命力，為通信打下了堅實的基礎。

3、對LED可見光信道進行深入分析

可見光通信系統在信道的衝激回響方面與紅外無線通信有所不同，同時，這兩種不同系統中引起的碼間串擾（ISI）的原因也有所差異。因此，要想有效解決ISI帶來的影響，就務必要對多光源，時變信道環境下的可見光無線通信（VLC）系統的信道衝激回響以及不同光路徑引起的ISI進行深入的研究。另外，要想實現VLC系統的全雙工通信方式，則需要對下行鏈路以及上行鏈路進行同樣的分析與研究。

套用領域

1、會議通信網路系統

在大型會議室等需要信息傳輸的場合，我們可以建立可見光通信網路。事先將會議資料上傳到燈具上，參會人員可利用筆記本電腦等接收終端在燈下直接接收下載，而無需主辦方列印大量的紙質會議資料，實現無紙化辦公，節能環保。

2、導購系統

商場、超市導引系統，可用手機為接收器，通過可見光通信系統，引導顧客儘快地選購商品。也可以向顧客發布諸如“新商品信息”、“特價商品信息”等，引導顧客消費。

3、醫院的導診系統

其主要功能是引導患者進行掛號、診室就醫、化驗、檢查、處置、注射、繳費、取藥、住院等醫療全過程，方便患者，節約其尋找、問詢的時間。

4、定位系統

建立可見光通信系統進行礦下人員的實時定位監控與記錄，隨時掌握礦下人員分布狀況。一旦發生礦難，可及時掌握人員分布狀況和發生礦難區域，給緊急救援贏得寶貴的時間。

5、車載定位系統

還可以利用車輛前後LED信號燈以及LED路燈、LED交通指示燈，建立室外交通車載定位系統，實現車輛間的間距控制以及防碰撞保護、車輛與交通管控系統間的違規監控、實時路況等數據的高速互動，以保證車輛的行車安全，也為車輛嚴重違章、重大車禍等提供相應線索和依據。

6、可視化安全支付系統

利用可見光通信定向輻射、快速衰減以及可視化傳輸等特點，實現手機的新型安全支付。相比傳統無線支付方式，避免了電磁泄漏問題；相比接觸式支付方式，免除了額外設備。綜上所述，可見光通信能夠同時實現照明與通信的功能，具有傳輸數據速率高、高保密性、無電磁干擾、頻譜資源豐富等優點，具備寬廣的戰略發展前景和巨大的市場套用空間。相信在不久的將來，可見光技術在通信領域中將會占據重要的地位，並將大大地推動信息化社會的發展。