[科普中國(guó)]-可見光無線通信

可見光無線通信又稱“光保真技術(shù)”，英文名LightFidelity（簡(jiǎn)稱LiFi）是一種利用可見光波譜(如燈泡發(fā)出的光)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜聼o線傳輸技術(shù)，由英國(guó)愛丁堡大學(xué)電子通信學(xué)院移動(dòng)通信系主席、德國(guó)物理學(xué)家HaraldHass（哈拉爾德·哈斯)教授發(fā)明。

簡(jiǎn)介可見光無線通信技術(shù)是運(yùn)用已鋪設(shè)好的設(shè)備(無處不在的LED燈)，通過在燈泡上植入一個(gè)微小的芯片形成類似于AP(WiFi熱點(diǎn))的設(shè)備，使終端隨時(shí)能接入網(wǎng)絡(luò)。該技術(shù)通過改變房間照明光線的閃爍頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只要在室內(nèi)開啟電燈，無需WiFi也便可接入互聯(lián)網(wǎng)。

可見光無線通信技術(shù)是用可見光來實(shí)現(xiàn)無線通信，即利用電信號(hào)控制發(fā)光二極管(LED)發(fā)出的肉眼看不到的高速閃爍信號(hào)來傳輸信息。

產(chǎn)生背景WiFi技術(shù)已經(jīng)越來越普及，不過抱怨無線信號(hào)不穩(wěn)定、上網(wǎng)速度慢、WiFi熱點(diǎn)太少而用的人也越來越多。有一項(xiàng)新技術(shù)可能會(huì)讓這些問題得到解決。
電燈泡一直以來被視作發(fā)明家夢(mèng)寐以求的靈感閃現(xiàn)的象征。不過對(duì)德國(guó)物理學(xué)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(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明了一項(xiàng)專利技術(shù)，利用一束閃光來無線傳輸數(shù)字信息，這類技術(shù)通常被稱作可見光通信(VLC)。
Haas表示：“我最大的設(shè)想就是將電燈泡變?yōu)閷拵ㄐ旁O(shè)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(rèn)為，通過給普通的LED燈泡加裝微芯片，使燈泡以極快的速度閃爍，就可以利用燈泡發(fā)送數(shù)據(jù)。而燈泡的閃爍頻率達(dá)到每秒數(shù)百萬次。
通過這種方式，LED燈泡可以快速傳輸二進(jìn)制編碼。但對(duì)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(cè)。Haas表示：“這類似于通過火炬發(fā)送莫爾斯碼，但速度更快，并使用了計(jì)算機(jī)能理解的字母表?！?br /> 這一技術(shù)意味著，只要你擁有電燈泡，就可以獲得無線互聯(lián)網(wǎng)連接。全世界的電燈泡數(shù)量約有140億盞。實(shí)際上，這也意味著任何路燈都可以成為互聯(lián)網(wǎng)接入點(diǎn)。
不過，被昵稱為“Li-Fi”的可見光通信技術(shù)并不只是能提升互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋范圍。作為無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钪饕夹g(shù)，WiFi利用了射頻信號(hào)。然而，無線電波在整個(gè)電磁頻譜中僅占很小的一部分。而隨著用戶對(duì)無線互聯(lián)網(wǎng)需求的增長(zhǎng)，可用的射頻頻譜正越來越少。
例如，當(dāng)在咖啡店中上網(wǎng)時(shí)，如果周圍上網(wǎng)的人越來越多，那么你會(huì)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)速變得很慢。3G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)也是如此。與此同時(shí)，根據(jù)思科的數(shù)據(jù)，每年通過移動(dòng)設(shè)備發(fā)送的信息量都在翻番。
Haas表示，他的技術(shù)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(dá)到射頻頻譜的1萬倍?！边@意味著可見光通信能帶來更高的帶寬。Haas表示，“Li-Fi”技術(shù)能帶來高達(dá)1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速度。
Haas認(rèn)為，他的技術(shù)有一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)，這就是不需要再新建任何基礎(chǔ)設(shè)施。而傳統(tǒng)射頻信號(hào)的發(fā)射需要能量密集的設(shè)備。他表示：“我們使用現(xiàn)有設(shè)備?？梢姽忸l譜沒有得到利用，沒有得到監(jiān)管，我們可以進(jìn)行高速通信?！?br /> 不過這一技術(shù)也有著自身的局限。雅典Harokopio大學(xué)信息學(xué)講師Thomas Kamalakis推薦了Haas的技術(shù)，但也表示該技術(shù)的潛力不應(yīng)被高估。他表示：“一個(gè)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(hào)將被切斷?！?br /> 英國(guó)華威大學(xué)工程學(xué)院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“問題在于，我們的手機(jī)如何使用可見光來通信？”
Haas表示，這是兩個(gè)現(xiàn)實(shí)問題，但他也有簡(jiǎn)單的臨時(shí)解決方法?！叭绻庑盘?hào)被阻擋，而你需要使用設(shè)備發(fā)送信息，你可以無縫地切換至射頻信號(hào)?！彼J(rèn)為，可見光通信并不是WiFi的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而是一種相互補(bǔ)充的技術(shù)，這將有助于釋放頻譜空間。
他表示：“我們?nèi)孕枰猈iFi，需要射頻通信系統(tǒng)。你無法使用電燈泡向快速移動(dòng)的物體發(fā)送數(shù)據(jù)，或是向樹、墻和障礙物背后的物體發(fā)送數(shù)據(jù)?！痹诙唐趦?nèi)，可見光通信已可以實(shí)現(xiàn)一些小范圍應(yīng)用。例如，可以在飛機(jī)中使用該技術(shù)，幫助手機(jī)和筆記本上網(wǎng)，此外也可以在水下等無線電波無法傳播的場(chǎng)所使用該技術(shù)。
Haas指出，Li-Fi技術(shù)帶來了極高的安全性，因?yàn)榭梢姽庵荒苎刂本€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(shù)原理可見光無線通信（稱為L(zhǎng)iFi——Light Fidelity）是利用快速的光脈沖無線傳輸信息。根據(jù)不同速率在光中編碼信息完全可行，例如LED開表示1，關(guān)表示0，通過快速開關(guān)就能傳輸信息。由于LED的發(fā)光強(qiáng)度，人眼不會(huì)注意到光的快速變化。LiFi技術(shù)還處在于實(shí)驗(yàn)室階段，由Haas和他愛丁堡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)發(fā)明的一項(xiàng)專利技術(shù)。電燈泡一直以來被視作發(fā)明家夢(mèng)寐以求的靈感閃現(xiàn)的象征。與光纖通信擁有同樣的優(yōu)點(diǎn)，高帶寬，高速率，不同的是LiFi是使光傳播在我們周圍的環(huán)境中，自然光能到達(dá)的任何地方，就有LiFi的信號(hào)。LiFi技術(shù)是運(yùn)用已鋪設(shè)好的設(shè)備（無處不在的燈泡），只要在燈泡上植入一個(gè)微小的芯片，就能變成了類似于AP（WiFi熱點(diǎn)）的設(shè)備，使終端隨時(shí)能接入網(wǎng)絡(luò)。1

缺點(diǎn)雖然LiFi確實(shí)有不受無線電信號(hào)干擾的優(yōu)勢(shì)，但其許多優(yōu)勢(shì)都因下述事實(shí)黯然失色：可見光不能穿透墻壁，這一關(guān)鍵事實(shí)使得WiFi獲得了很大優(yōu)勢(shì)。這種可視性限制提高了系統(tǒng)安全性，但尚不清楚信號(hào)接收的最小距離?？梢栽O(shè)想的是，利用長(zhǎng)焦鏡頭和調(diào)整恰當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)傳感器，人們就可以截獲光學(xué)信號(hào)。TechCrunch表示，盡管LiFi被宣傳為一種可能的機(jī)載無線通信技術(shù)，但WiFi在大多數(shù)美國(guó)航空公司的大規(guī)模普及使得LiFi在飛機(jī)上的應(yīng)用前景越來越不樂觀。

主要用途Li-Fi通過調(diào)節(jié)LED光輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。人類的眼睛無法覺察到快速的閃爍，但在桌面計(jì)算機(jī)上的接收器或移動(dòng)設(shè)備可以讀取信號(hào)，甚至可以把信號(hào)返回房間天花板上的信號(hào)收發(fā)器，提供雙向通信。但許多發(fā)光二極管用熒光粉涂層把藍(lán)色光轉(zhuǎn)化成白色光，這也限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省＿@項(xiàng)研究發(fā)表在光學(xué)快訊（Optics Express），哈斯和他的團(tuán)隊(duì)研究表明，用激光二極管替換現(xiàn)有的LED燈可以大大改善現(xiàn)在的情形。激光器的高能量與光效率，傳輸數(shù)據(jù)的速率可以比LED快10 倍。不使用熒光粉，激光照明可以混合不同波長(zhǎng)的光產(chǎn)生白色光。這意味著每個(gè)波長(zhǎng)的光可以用作一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)通道，同樣的光波可以雙向傳輸，可以大大提高光傳輸數(shù)據(jù)的速率，愛丁堡大學(xué)團(tuán)隊(duì)的試驗(yàn)用了9個(gè)激光二極管。

雖然基于LED的Li-Fi可達(dá)到10 Gb/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率，可以改善Wi-fi7 Gb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率上限。激光傳輸數(shù)據(jù)的速率可以很容易超出100 Gb/s。

這種設(shè)備還非常昂貴，愛丁堡大學(xué)正在尋求大規(guī)模生產(chǎn)來降低其成本，并且可以把它應(yīng)用到照明市場(chǎng)。寶馬i8 的前大燈就是基于該激光燈。2

國(guó)內(nèi)發(fā)展前景經(jīng)工業(yè)和信息化部測(cè)試認(rèn)證，我國(guó)“可見光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”近日獲得重大突破，實(shí)時(shí)通信速率提高至50Gbps（比特每秒），相當(dāng)于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(dǎo)體照明（LED燈）的光線實(shí)現(xiàn)“有光照就能上網(wǎng)”的新型高速數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)綠色低碳、可實(shí)現(xiàn)近乎零耗能通信，還可有效避免無線電通信電磁信號(hào)泄露等弱點(diǎn)，快速構(gòu)建抗干擾、抗截獲的安全信息空間。

我國(guó)信息領(lǐng)域著名專家、中國(guó)工程院院士鄔江興介紹說，全球大約擁有440億盞燈具構(gòu)成的照明網(wǎng)絡(luò)，數(shù)百億的LED照明設(shè)備與其它設(shè)備融合將構(gòu)筑一個(gè)巨大的可見光通信網(wǎng)?？梢栽O(shè)想，未來實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？梢姽馔ㄐ藕?，每盞燈都可以當(dāng)做一個(gè)高速網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)，人們等車的時(shí)候在路燈下就可下載幾部電影，在飛機(jī)、高鐵上也可借助LED光源無線高速上網(wǎng)，滿足室內(nèi)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0、安全支付、智慧城市、國(guó)防通信、武器裝備、電磁敏感區(qū)域等網(wǎng)絡(luò)末端無線通信需求，為互聯(lián)網(wǎng)+提供一種嶄新的廉價(jià)接入方法。

鄔江興預(yù)測(cè)，在未來數(shù)十年內(nèi)，信息的傳輸量將超出現(xiàn)有無線電頻譜的承載能力，可見光通信技術(shù)可有效突破無線電頻譜資源嚴(yán)重匱乏的困局，是具有廣闊應(yīng)用前景的下一代無線通信技術(shù)之一，可形成萬億級(jí)年產(chǎn)值的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。

高速傳輸一直是可見光通信領(lǐng)域研究的焦點(diǎn)課題之一，解放軍信息工程大學(xué)于宏毅研發(fā)團(tuán)隊(duì)采用光學(xué)和電學(xué)相協(xié)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(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)入集成化、微型化設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)階段。這所大學(xué)是國(guó)內(nèi)較早從事可見光通信技術(shù)研發(fā)的科研單位，2013年?duì)款^承擔(dān)了我國(guó)首個(gè)可見光863計(jì)劃項(xiàng)目，并組建了“中國(guó)可見光通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟”。經(jīng)過3年多的科技攻關(guān)，先后研發(fā)成功“可見光點(diǎn)播電視業(yè)務(wù)”“可見光新型無線廣播”“可見光精確定位”等應(yīng)用示范系統(tǒng)。

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(tǒng)的研究工作，在日本首先開展，并得到日本政府的重視。在2006-11-28發(fā)布的科技日?qǐng)?bào)報(bào)道：“日本總務(wù)省計(jì)劃與NTT研究所及NEC公司等聯(lián)手，共同開發(fā)一種利用照明燈光傳輸高速信息的“可見光通信”系統(tǒng)。日本政府將把這一技術(shù)作為下一代寬帶網(wǎng)普及，預(yù)計(jì)在5年內(nèi)實(shí)用化“。

室內(nèi)白光LED無線通信的研究在日本首先開展。日本大學(xué)的日本KEIO大學(xué)的Tanaka等人和SONY計(jì)算機(jī)科學(xué)研究所的Haruyama在2000年提出了利用LED照明燈作為通信基站進(jìn)行信息無線傳輸?shù)氖覂?nèi)通信系統(tǒng)[4]。他們以Gfeller和Bapst的室內(nèi)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，并認(rèn)為L(zhǎng)ED光源滿足朗伯（Lambertian）照射形式,且以強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)（IM-DD）為光調(diào)制形式進(jìn)行了建模仿真，獲得了數(shù)據(jù)率、誤碼率以及接收功率等之間的關(guān)系。認(rèn)為當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在10Mbps以下的系統(tǒng)是可行的，碼間干擾（InterSymbol Interference, ISI）和多徑效應(yīng)是影響系統(tǒng)性能的兩大因素。2001年,Tanaka等人在原來的基礎(chǔ)上分別采用OOK_RZ調(diào)制方式與OFDM調(diào)制方式對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真[6]，結(jié)果表明：:當(dāng)傳送數(shù)據(jù)率在100Mbps以下時(shí)這兩種調(diào)制技術(shù)都是可行的，當(dāng)數(shù)據(jù)率大于100Mbps時(shí)，OFDM調(diào)制技術(shù)優(yōu)于OOK_RZ調(diào)制技術(shù)。

Tanaka和Komine等人的具體分析

2002年, Tanaka和Komine等人對(duì)LED可見光無線通信系統(tǒng)展開了具體分析[7]，包括光源屬性信道模型、噪聲模型、室內(nèi)不同位置的信噪比分布等，求出了系統(tǒng)所需的LED單元燈的基本功率要求，并分別以O(shè)OK_RZ、OOK_NRZ、m-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真分析,得到了不同條件下的誤碼率大小。同年Komine等研究了由墻壁反射引起的多徑效應(yīng)對(duì)可見光無線系統(tǒng)造成的影響，分別以O(shè)OK、2-PPM、4-PPM、8-PPM調(diào)制方式進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：在數(shù)據(jù)率小于60Mbps，接收視場(chǎng)角小于50度的條件下，采用8-PPM調(diào)制方式可有效克服墻壁反射引起的多徑效應(yīng)。以后, Komine等繼續(xù)對(duì)LED單元燈的設(shè)計(jì)布局、可見光傳播信道（分直達(dá)信道和反射信道兩部分）、室內(nèi)人員走動(dòng)導(dǎo)致的反射陰影、墻壁反射光,碼間干擾對(duì)系統(tǒng)性能的影響等展開研究[8]，并得出了不同接收視場(chǎng)角和不同數(shù)據(jù)傳送率下各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響曲線。同年，Komine等提出了一套結(jié)合電力線載波通信和LED可見光通信的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[9]。2005年, Komine等利用基于最小均方誤差算法的自適應(yīng)均衡技術(shù)來克服碼間干擾(ISI) [10]。仿真表明在數(shù)據(jù)率為400Mbps以下時(shí)，F(xiàn)IR均衡器和DFE均衡器都可有效減少ISI的影響，當(dāng)數(shù)據(jù)率高于400Mbps時(shí)，DFE均衡器更能有效克服ISI。

應(yīng)用前景非?？春?/strong>