對手or隊友——淺談LiFi之于WiFi的關系

趙浩強+陳萍+徐潔潔++劉健++喻曉

摘 要： LiFi作為可見光通信發展的典型代表，日益受到人們的關注，其代替WiFi成為主要無線通信技術之一的可能性也被廣為討論。文章闡述了LiFi的概念，闡釋了LiFi的技術原理和應用場景，并討論了LiFi與WiFi在未來發展的關系問題。研究表明，LiFi和WiFi技術互補，各具優勢，LiFi-WiFi混合網絡模式將成為未來具有前景的無線通信技術發展方向之一。

關鍵詞： LiFi； WiFi； 混合網絡； 無線通信

中圖分類號：TP393 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2017）02-27-04

0 引言

隨著無線通信技術的快速發展，WiFi技術已經普遍應用于人們日常生活中。家庭、辦公室、商場、景區等都是WiFi典型應用區域，可以說，人們已經越來越離不開WiFi網絡。然而，目前WiFi技術所承載的電磁波頻段頻譜資源稀缺，無法滿足日益增長的數據通信要求。雖然現階段802.11ad等最新協議已經著手開拓60GHz頻段等高頻電磁波段，但是根據弗里斯自由空間損耗公式，以及信號在地面傳輸過程中的阻隔和遮蔽等因素，頻率越高，總體的WiFi信號衰減就越大[1]。此外，無線數據安全保密性等問題也一并為WiFi技術的發展提出了挑戰。新一代光通信技術LiFi的出現，為在高頻段提供穩定、高速、安全的數據傳輸提供了一種全新的解決方案。因為LiFi所利用的可見光波頻率比無線電波高很多，其理論通信速率也就比傳統的無線通信方式高很多；又因為其使用LED燈作為可見光發射裝置，而LED燈在人們日常生活中廣泛存在，所以LiFi的推廣應用有其先天的基礎優勢。

1 LiFi的概念

LiFi，英文名Light Fidelity，又稱光保真技術，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Harald Hass（哈拉爾德·哈斯）教授發明。

目前，可見光源主要采用發光二極管（LED）。通過給普通的LED燈泡加裝一個微型控制芯片，從而控制高速閃爍的LED燈泡。由于可以控制的閃爍次數每秒鐘達到數百萬次，肉眼幾乎感覺不到它的閃爍，同時也不會影響正常照明。但是光敏傳感器可以準確地接收到這些變化，利用解碼芯片恢復出與發端一樣的數據信息，進而完成無線數據的發送與接收。因此，加裝微型芯片的LED燈就相當于WiFi網絡中的AP裝置，用戶可以通過支持LiFi技術的移動智能終端進行無線數據通信。

2 LiFi的技術原理

2.1 基本原理

LiFi利用高速光脈沖實現數據的無線傳播，通過安裝在LED燈上的微型芯片控制，根據不同速率來對電信號進行信息調制編碼，并控制燈的亮滅（燈亮表示“1”，燈滅表示“0”），轉換成光信號發射出去。同時，在接收端，光敏傳感器接收光信號數據，并進行解調解碼，還原原始數據?？梢姽馔ㄐ呕驹砣鐖D1所示[4]。

目前，LiFi技術發展仍處于初期，為實現真正意義上的無線網絡通信，LiFi研究正致力于雙向通信的實現與普及，部分實驗室已取得一定進展。

2.2 主要技術

⑴ 高速調制驅動電路設計

調制帶寬是衡量LED調制能力的參數，關系到LED在無線光通信中的數據傳輸速度大小。其定義是在保證調制度不變的情況下，當LED輸出的交流光功率下降到某一低頻參考頻率值的一半時（-3dB）所對應的頻率。從微觀結構分析，影響白光LED高速調制有兩個因素：載流子壽命和結電容。通過合理設計和優化驅動電路，LED可以用于高速通信系統。由于實現簡單，可見光通信系統大多設計成光強度調制/直接探測系統[3]。

⑵ 調制技術

適用于LiFi技術的調制方法包括單載波調制（SCM）、多載波調制（MCM）、LiFi專用調制等。其中，單載波調制又包括開關鍵控（OOK）調制、脈沖相位調制（PPM）和脈沖幅度調制（PAM）；多載波調制包括正交頻分復用（OFDM）及其衍生調制方式，如直流偏置光正交頻分復用（DCO-OFDM）、非對稱限幅正交頻分復用（ACO-OFDM）等；LiFi專用調制包括色移鍵控（CSK）、顏色強度調制（CIM）等，其主要根據LED所含不同顏色光源進行調制[1]。

⑶ 編碼技術

與移動通信以及WiFi信號傳輸一樣，LiFi信號在可見光傳輸過程中也同樣需要采用編碼技術，以提高系統的糾錯能力和抗干擾能力，并最終提升數據傳輸效率。常用的信道編碼方式包括RS碼、卷積碼、Turbo碼、mBnB碼等，也可以通過編碼級聯的方式，對信道編解碼進一步糾錯，以降低誤碼率，提高編碼增益。

⑷ 多用戶接入技術

多用戶接入技術是衡量網絡質量以及評價用戶體驗的重要因素，不同于傳統的時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）、頻分多址（FDMA）以及正交頻分多址（OFDMA）等接入技術，Harald Hass教授提出了一種以非正交多址（NOMA）結合空分多址（SDMA）技術應用于LiFi網絡。實驗表明，這種多用戶接入方式在傳統接入技術的基礎上提升了用戶數據吞吐率，提高了用戶間抗干擾能力[1]。

3 LiFi的應用場景

近幾年，由于LiFi概念的橫空出世，以及其在實驗室中不斷刷新數據傳輸記錄的表現，引起了越來越多的研究團隊和商業公司對其未來情景的關注和研發投入。其中，日本、歐洲、美國極為重視可見光通信的研發，已提出將該技術應用于交通安全、水下通信探測、室內暢速上網的設想，并投入了大量研究資源，目前已取得一定成果。國內也正在加大對可見光通信技術的研究力度，復旦大學自主開發了高階調制和信道均衡算法，并實現了最高速率達3.25G，平均上網速率達到150M的實驗成果。暨南大學研制出白光LED可見光通信樣機。與此同時，在手機市場，iPhone等知名品牌已經將支持LiFi技術作為未來手機傳輸數據的方式之一。

由于LiFi自身利用可見光進行數據傳輸，加之其區別于傳統的無線通信信號傳輸方式，其潛在的主要應用場景也十分特定和明確。

⑴ 家庭、辦公室、餐廳等室內場所

室內場所一般都安裝有LED燈等照明光源，通過在普通LED燈泡上增加小型數據收發器就可以利用可見光源進行數據傳輸，完成瀏覽網頁、收發郵件、下載歌曲、下載電影、收發微博微信等。

⑵ 智能交通

由于夜晚沒有白天自然光的干擾，LiFi運行效果更好。將路燈作為基站，建設一個光通信網絡，在交通領域能發揮積極的作用。車燈作為接收器可接收光信號，并通過解碼芯片和顯示芯片將光信號還原成數據信息并通過顯示屏顯示出來。用戶通過該網絡可查詢交通狀況，合理的選擇交通路線，緩解交通擁堵的狀況[3]。

⑶ 特殊環境

某些特殊環境，包括水下作業通信、礦山隧道通信等傳統無線信號無法覆蓋或是信號質量較差，無法進行快速、高效數據通信的場所，以及需要避免電磁波干擾的如飛機、醫院、核電站、軍事重地等區域，通過升級原有照明系統，加裝可見光通信控制系統，實現LiFi網絡覆蓋，將較好地解決某些特定場所一直以來困擾人們正常通訊的難題。

4 LiFi與WiFi的關系

4.1 優劣勢分析

4.1.1 LiFi之于WiFi的優勢

⑴ 基礎設施建設便利。人們可以利用已經鋪設好的電燈設備電路，在需要接入網絡的地方植入LiFi控制芯片即可。例如公路上的路燈，家庭和辦公LED用燈，無須新建網線和添置熱點設備。

⑵ 高帶寬，高速率?？梢姽獾念l譜帶寬是目前電磁波帶寬的10000倍[5]。理論上LiFi的最高速度有望達到Tbps級別，而WiFi最高速度只有Gbps級別[4]。目前據報道，位于愛沙尼亞首都塔林的Velmenni公司，在實驗室理想條件下LiFi測試最高速度可達224Gbps，而未來仍有更大的提升空間。

⑶ 綠色，低能耗。WiFi設備在運行時大量能量被消耗在發熱上，出現發熱量大、能量轉換率低的問題，而LiFi—般采用的是LED冷光源，運行時產生的熱量極低。通常，為擴大WiFi的覆蓋范圍需要建立大量的基站，這些基站在運行時還會消耗大量的能源，同時產生過量的電磁輻射。LiFi技術的作用相當于微型基站的LED燈作為光源，光源遍布范圍既廣又無電磁輻射傷害[4-5]。

⑷ 信息安全更有保障。LiFi使用的傳輸載體可見光沿直線傳播，無法穿墻傳輸信息。此外，LiFi采用沒有重疊也不會產生干擾的上行信道和下行信道獨立傳輸光信號，保證信息安全傳輸。避免了WiFi網絡上出現的蹭網和黑客攻擊問題[4]。

⑸ 適用于特定通信場所。LiFi在應用時不會和無線電波發生電磁干擾，可以應用在飛機、軍事基地及醫院內的重要設備間等需要考慮電磁兼容問題的場合?？梢姽馔ㄐ乓材芙鉀Q無線電波無法傳播的水下和礦井等場所的通信問題。同時，LiFi兼容照明和通信，在網線無法遍布的偏遠地區可以利用照明設備上網。WiFi因部署熱點少，在某些場所無線電無法傳播，且通信時容易產生電磁干擾等問題，無法應用于上述區域。

4.1.2 LiFi之于WiFi的劣勢

⑴ 光線干擾問題。雖然LiFi系統較之WiFi省去了電磁干擾，卻不可回避不同光源對于接受設備的干擾問題，特別是在白天太陽光較強時，以及周圍光源較多且情況比較復雜的時候。

⑵ 光線受阻問題。由于LiFi采用的可見光是沿著直線傳輸信號，當光線遇到墻體或是被遮擋時，LiFi信號就將被切斷，造成數據通信中斷。

⑶ 反向傳輸問題。雖然目前正在不斷深入研究LiFi網絡的反向傳輸，并取得了一定進展，但統一的標準體系和最佳的解決方案仍在探索和試驗中，雙向通信網絡體系有待完善[3]。

4.2 LiFi-WiFi混合網絡

從LiFi和WiFi技術應用的比較分析中不難看出，雙方各有優劣。如何建立一個網絡，能夠擁有雙方各自的優勢而盡量避免劣勢，成為當下熱議的話題。通過探索和研究，Harald Hass及其研究團隊給出了一種LiFi-WiFi混合網絡模式，通過優化的負載均衡算法和用戶切換機制，提高了用戶QoS和數據傳輸速率。實驗表明，LiFi-WiFi混合網絡有以下幾方面的好處[1-2]：

⑴ 切換機制，用戶使用無死角。通過引入WiFi熱點，將彌補LiFi網絡因光源無法覆蓋、不同光源之間的干擾，以及光源被遮蔽時的用戶無法上網的缺陷。切換機制包括LiFi網絡中不同AP之間的水平切換，也包括了LiFi和WiFi網絡之間的垂直切換。當用戶從一個LiFi AP覆蓋區域走入另一個LiFi AP覆蓋區域，實行水平切換；當用戶走出LiFi覆蓋區域，或區域內光源切斷，以及信號干擾嚴重時，實行垂直切換。

⑵ 互不干擾，網絡吞吐率提高。由于LiFi使用的可見光和WiFi使用的電磁波頻段相差很遠，所以兩者在同一個網絡中不存在頻率干擾問題。同時，LiFi網絡的吞吐率可以隨著WiFi網絡吞吐率的提高而提高，從而實現混合網絡總吞吐率大于LiFi和WiFi單獨成網時吞吐率的總和，進一步提升用戶上網體驗。

⑶ 相互促進，提升頻譜效率與無線容量。通過采用混合網絡模式，大量的用戶數據可以通過LiFi網絡進行傳輸，從而降低了WiFi網絡的用戶流量壓力，既節約了電磁波頻譜資源，提升了頻譜使用效率，也減少了整體網絡擁塞的風險。

5 結束語

本文通過概念、技術原理、應用場景等介紹分析，對可見光通信LiFi進行了梳理。通過與現有主流的WiFi技術進行的比較，LiFi技術既有其獨到的如網絡建設、傳輸速率、應用場景、能耗等優勢方面，但同時也存在光線干擾、光線受阻、雙向傳輸等方面的劣勢。通過研究表明，LiFi-WiFi混合網絡在解決各自局限的同時，還體現出了用戶體驗額外增益?？梢灶A見，在未來的市場發展中，LiFi絕不應該是現有WiFi技術的對手，而應該是與WiFi攜手為用戶呈現更高體驗的隊友。

參考文獻（References）：

[1] Harald Haas， Liang Yin， Yunlu Wang， and Cheng Chen，

“What is LiFi？”， Journal of Lightwave Technology，2016.34（6）：1533-1544

[2] Yunlu Wang， and Harald Haas， “Dynamic Load Balancing

with Handover in Hybrid Li-Fi and Wi-Fi Networks”， Journal of Lightwave Technology， 2015.33（22）：4671-4682

[3] 張小瑩，張鋒，劉凱.淺析LiFi技術的應用與發展[J].科教導

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[4] 郭玲，陳金鷹，嚴丹丹，史鏡名.LIFI技術在互聯網+的應用[J].

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[5] 張振中.Li-Fi可見光無線通信技術分析[J].湖南郵電職業技

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