Li-Fi技術 —— 為物聯網提供新思路

Li-Fi 技術

隨著物聯網設備市場的增長，傳感器將部署到越來越多的設備和場所中，按目前移動設備的指數級的發展趨勢，到2019年時會有超過100億部移動設備每個月將會交換35萬兆比特的信息，而這還僅僅是移動端的數據。

更加快速以及大量的數據傳輸會變得越來越重要，如果物聯網繼續以目前預測的速率進行增長，那么我們目前的基礎設施將無法處理這樣的數據傳輸要求。但是科學家已經發現了一種比傳統Wi-Fi傳輸數據速度要快100倍的方法，而你需要做的僅僅是打開電燈。

如果我們希望大數據和物聯網繼續發展，那么Li-Fi就是目前唯一可行的解決方案。僅僅需要加入一個微小的微型芯片就可以變成Li-Fi發送器，最終，全世界超過140億的燈泡將會變成140億個發送器。

Li-Fi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芯片形成類似于AP（Wi-Fi熱點）的設備，使終端隨時能接入網絡。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Wi-Fi也便可接入互聯網。

什么是Li-Fi

Li-Fi是英文 LightFidelity 的縮寫，它是一種雙向、高速、完全網絡化的無線通信技術，同時它也是一種可見光通信的形式，屬于無線光通信的一部分。無線光通信包括紅外和紫外通信，也包括可見光通信。然而，Li-Fi是一種獨特的形式，因為它既可以用于照明，也可以同時用于通信。

Li-Fi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Harald Hass教授發明。在2011年的一次TED演講中，首次將這種可見光通信技術稱為“Li-Fi”，從此Li-Fi 技術開始進入公眾和媒體視線。

Li-Fi技術通過對于光線強度的調制來傳輸數據，LED燈能以人眼無法察覺的速度進行閃爍，從而傳輸數據——這有點像高科技的莫爾斯電碼。這種光的閃爍頻率極高，肉眼是無法察覺的。只有光敏探測器才能檢測到這種光線變化，然后將其轉化成電信號的形式。

每個設備都被賦予了獨特的波長，Li-Fi系統使用的光柵可以同時處理許多光線，保證多個設備接入時上網同樣流暢。這種設置使得任何兩個設備不會共享連接，這樣一來就不會出現網絡擁塞，而網絡擁塞正是現在Wi-Fi網絡連接慢的常見原因。

事實上，科學家已經在實驗室中演示，表明通過這種方式可以實現每秒鐘傳輸224千兆的信息，這相當于18部1.5G的電影。在一個辦公室環境下，其信息傳輸速度可以達到傳統Wi-Fi速度的100倍。除此之外，Li-Fi并不會產生和Wi-Fi一樣的電磁干擾，這意味著它也可以應用于很多非常敏感的環境中，例如醫療機構。

Li-Fi工作原理介紹

Li-Fi是利用快速的光脈沖無線傳輸信息，根據不同速率在光中編碼信息完全可行。最基本的信號就是‘1’和‘0’，如果我們將燈光打開狀態設定為‘1’，燈光關閉狀態設定為‘0’，那么通過燈光的開關就可以實現數字信號的傳輸。在條件足夠的情況下，燈可用有線的方式接入骨干網絡，讓室內的所有設備都能進行無線通信接收。

總的來說，Li-Fi的工作原理是將可見光源作為信號的發射源（光信號），通過控制安裝有特制微芯片的LED燈的亮、滅，來與終端接收器之間進行通訊（光信號轉譯成普通電信號）。而起到連接器作用的LED燈根據目前的了解，它也僅僅是我們家中所使用的普通LED燈，這也多少為今后Li-Fi的大范圍普及降低了不少門檻。

如下圖所示：LED燈具利用信號處理技術，將數據嵌入到光束中，并且以超高的速度發給光電探測器，然后這種微小的光線變化會被轉化為電信號，再轉回數據流的形式，發送給計算機或者移動設備。

無線射頻通信需要射頻電路、天線和復雜的接收器。然而 Li-Fi 要簡單的多，它使用的直接調制方法，和低成本紅外通信設備使用的方法類似。紅外通信為了不損傷眼睛，所以功率受限。然而，LED燈泡可以具有高亮度，能夠達到很高的數據傳輸率。

Li-Fi的光源選擇

作為兼顧照明和通信的新技術，Li-Fi在追求高傳輸速率的同時，不能影響照明的質量和要求，尤其是在光源的研制上。Li-Fi的光源既要具備通信光源調制性能好、發射功率大和響應靈敏度高等優點，又要滿足照明光源高亮度、低功耗和輻射范圍廣等特點。

1. LED：LED的調制帶寬決定了通信系統的信道容量和傳輸速率。目前Li-Fi技術采用的光源大多數是白光LED，很大一部分的原因得益于LED技術的快速發展?，F階段商用的白光LED產品根據光譜成分的不同，主要分為兩大類：PC-LED和RGB-LED。

白光LED的實現方式主要有：藍色LED芯片激發黃綠色熒光粉轉換成白光（PC-LED）、紫外光或紫外LED激發三原色熒光粉產生白光和紅、綠、藍3種LED芯片封裝在一起混合產生白光（RGB-LED）。

2. LD（激光二極管）：由于研究人員不滿足LED調制達到的數據傳輸速率，激光二極管替換了現有的LED，利用激光器的高能量與高光效，傳輸數據的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波長的光產生白色光，類似于RGBLED。

雖然基于LED的Li-Fi可達到10Gb/s的數據傳輸速率，可以改善Wi-Fi中7Gb/s的數據傳輸速率上限，但是激光傳輸數據的速率可以很容易超出100Gb/s。在通信方面，激光二極管相比于LED，具有更快的響應速度、可以直接進行調制和耦合效率高等優點。

Li-Fi有哪些優點

Wi-Fi的問題在于信號覆蓋范圍小，尤其是面對墻壁，也容易被黑客劫持。雖然近年來帶寬增加，但當太多人同時訪問 Wi-Fi時，速度非常容易變慢。增加更多的Wi-Fi最多只是一個部分的解決方案。它不能解決安全問題，只能部分解決可擴展性問題，相比于當前主流的Wi-Fi通信技術，Li-Fi有如下優勢：

● 廣泛性：LED的響應時間短、壽命長和無輻射，所有的LED燈都可成為互聯網的基站。

● 數據密度： Li-Fi具有1000倍于Wi-Fi的數據密度，因為可見光可緊密低包含于照明區域中，而射頻通信往往會發生分散，造成干擾。

● 高速度：因為低干擾，高設備帶寬和高強度光學輸出，所以數據率十分高。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。

● 寬頻譜：無線電波的頻譜很擁擠，而Li-Fi的頻譜寬度（約400THz）比無線電波多10000倍，無需頻譜的使用許可執照，也解決了全球無線頻譜資源嚴重短缺現狀。

● 高效率：無線電波基站的效率只有5%，大多數能量只是消耗在基站的冷卻上，而Li-Fi的數據可以并行傳輸，同時提高效率。

● 低成本：利用已有的照明線路可實現光通信，不必新建基礎設施。

● 高保密性：只要遮住光線，信息就不可能向照明區以外泄漏。

● 實用性：可以對無線通信覆蓋的盲區作填補，如地鐵、隧道、航海、機艙及礦井等無線通信不暢的區域。射頻在水下十分難以傳輸，但是Li-Fi可以在水中很好傳輸。

● 安全節能：地球上的生命已經適應暴露在可見光中，所以該技術沒有健康方面的憂慮。LED照明本身就是節能的，數據傳輸只需要微不足道的額外功率。

Li-Fi有哪些缺點

當然，這種方式也有一些缺點。例如，在陽光充足的白天，接收器將無法區分信號；和Wi-Fi不同，Li-Fi信號不能通過墻壁...... Li-Fi都有以下缺點：

● 反向通信：從LED燈泡發射信號到手機上的光電二極管只解決了問題的一半，如何從手機發信號回去才能保證通信鏈路暢通（當然可以用無線電通信作為補充，不過這讓這個技術的標準化變得很難）。沒有人希望自己的手機在欣賞視頻的時候還亮著大燈泡。

● 環境干擾：環境光源有時候會工作在同樣的光譜頻段，這時候如果環境光源比較強，很有可能Li-Fi會無法正常通信，由于信/干噪比（SINR）太差。你能容忍太陽光太強的時候，屋里面沒法正常通信嗎 —— 沒錯，你手里的紅外遙控器在陽光太強的時候有可能會失靈，Li-Fi也一樣。

● 通信距離：雖然在實驗室中有論文號稱通信能達到1Gbps的帶寬，在一般沒有專家指導的安裝環境中，這實際上很難達到?？梢云诖膸拺撛贛bps范圍。

● 競爭技術：并不像Li-Fi的聲稱者所說的那樣，無線電通信就不能做到Li-Fi的優點，實際上Wi-Fi聯盟正在制定一個新的標準802.11ad，在60GHz通信，也具有帶寬大（~7Gbps）、距離短（~10m）、保密性能好（無法穿墻）等等特點。個人的經驗，要知道一項技術好不好，不僅要聽技術的倡導者怎么說，更要聽技術的競爭對手怎么說。

● 關聯技術：搞可見光通信，就意味著做出來的產品不僅要符合通信的標準，還要符合可見光的技術規范。相關的產品要有更多的認證工作要做，這可能不是一兩年就可以完成的。而且怎么通過有線把通信網絡接入每個燈泡，也不是那么簡單的，目前比較有希望的是同電力線通信（PLC）聯合。

標準化：目前802.15.7還剛剛起步甚至沒有一個統一的標準，前面還有漫長的路要走，要形成一個有影響力的產業，不是一家公司能夠做● 到的。目前來講，產業鏈里面還缺少重量級的公司加入。

隨著物聯網的發展，聯網的設備將在2020年左右超過500億個，無線頻譜資源匱乏引發的帶寬危機，已經越來越嚴重。另外，每年世界所需要使用的無線數據量也在不斷增加。所以，Li-Fi 為解決這些挑戰提供了一條新思路和方案，也將有助于提高新加坡在未來5G和物聯網領域的國際競爭力。

Li-Fi 是 Wi-Fi 和4G / 5G 的補充，不是替代品。Li-Fi可以被用于路燈，作為智能城市應用的接入點。家用電器的指示燈可以通過天花板燈將這些設備連接到互聯網，而帶有集成 LED 的可穿戴式設備可以監控健康參數并將數據發送到互聯網。

本文來自Open Connectivity Foundation微信公眾號