Li-Fi­ – 5G时代的光明信使

Li-Fi­ – 5G时代的光明信使

李孟谦  西北工业大学附属中学

摘要

中文

Li-Fi是将可见光照明与数据传输的高度融合的一种无线通信技术。Li-Fi 具有传输速度快、建设便利、低能耗、安全、环保等优点，可应用于照明与通信、室内定位以及交通、医疗等场景。在即将来临的5G通信时代，Li-Fi 作为一个完整的移动通信解决方案，可以增强5G及以上的无线通信能力，有望成为未来5G系统的关键组成部分。

英文

Li-Fi is a wireless communication technology that combines high-level illumination and data transmission. Li-Fi has the advantages of fast transmission speed, convenient construction, low energy consumption, safety and environmental protection. It can be used in lighting and communication, indoor positioning and transportation, medical and other scenes. In the upcoming 5G communications era, Li-Fi as a complete mobile communication solution, which can enhance the 5G and above wireless communication capabilities, and is expected to become a key component of the future 5G system.

1. 引言

早上，或许不会再需要忍受闹钟的刺耳声音，你的枕头、被子或者床，或者家里的音响设备，以一种更加自然的方式把你从睡梦中叫醒，并为你开启窗帘和灯光；而当你走向洗脸台的过程中，家里的智能系统已为你调好了水温静待使用，智能厨房也为你准备好美味的早餐，还可以通过虚拟现实眼镜和家人、朋友道早安，美好的一天就此开始。这是物联网带给人们的未来生活，也是基于光通信技术的革命性的改变。只有5G通信网络可以支持物联网时代数据通信要求，实现各种智能设备的高速应用。

目前，无线网络Wi-Fi（Wireless Fidelity）是较为主流的无线数据传输技术，日渐成为必不可少的生活工具，随着5G高速通信时代的发展，无线接入网频谱资源越发紧张，加之电磁辐射干扰等因素等，Wi-Fi技术的局限性越发凸显。传统接入网技术演绎出了革命性变化，产生一种拓宽频谱的资源，即以绿色节能的发光二极管（LED）灯为传输基站的通信方式，被称为Li-Fi（Light Fidelity），理论上基于LED的Li-Fi可达到10Gb/s以上的数据传输速率。

2. 什么是Li-Fi？

来自英国爱丁堡大学的哈罗德·哈斯（Harald Haas）教授被广泛认为是Li-Fi技术概念的创始人，2011年在 TED（全球科技娱乐设计）演讲中首先向世界展示了不仅展示了如何用一台LED 灯传输视频，实现了照明光线进行数据传输，更引人关注的是，他描述了一个由全球几十亿台LED 灯泡充当无线热点的超高速宽带未来无线互联网世界。Li-Fi与Wi-Fi类似，但在速度，安全性，最重要的是电磁频谱方面不同。Li-Fi是基于可见光谱，Wi-Fi以及手机等移动通信设备是基于无线电波。由于通信用的射频频谱的限制， Li-Fi可为移动设备提供一个新的通信平台。如图1所示，无线电波频率约为4×1010 Hz，而Li-Fi的频率在4×1014 Hz～8×1014 Hz量级，因此，理论上Li-Fi的数据传输速率是Wi-Fi的10000倍。

图1 电磁频谱的频率、波长和应用

Li-Fi和可见光通信（VLC，Visible Light Communication）略有不同，VLC使用LED通过使用强度调制（Intensity Modulation）无线数据传输。其检测原理是接收机处信号由光电二极管直接检测，VLC被认为是一种点对点数据通信技术，即本质上是一种电缆替代。相比之下，LiFi技术描述了一个完整的无线网络系统，它包括双向多用户通信，即点对多点和多点到点通信。 LiFi还涉及多个接入点，形成具有无缝切换的非常小的光学无线局域网的无线网络。这意味着LiFi可以完全实现用户的移动性，可在现有的异构无线网络中形成了一个新的层次。因此，作为一个完整的移动通信解决方案，Li-Fi可以增强5G及以上的无线通信能力，有望成为未来5G系统的关键组成部分。

3. Li-Fi技术与发展

Li-Fi利用了LED的闪烁变化，从而可以在不影响日常照明的情况下使用LED灯进行数据传输，是使用光线的高速，双向的无线网络通信，可为传统移动通信提供无缝无线用户体验。这意味着您房子中的每个LED灯泡，不仅仅是房间，手机中的LED灯也是数据传输的潜在来源。接下来就有一个问题：灯泡的光线必须一直保持开启吗？答案是肯定的。但是，光电探测器可以探测比人眼更弱的光，即灯泡的光强可以变暗到人眼没有感觉的水平，仍然能够传输数据。

为了生成新的数据流，可以通过改变LED的闪烁速率在光中对数据进行编码，通过用数据信号调制LED灯泡作为发射源。LED是可以以非常高的速度操纵其光输出的半导体器件，其开关速度小于纳秒（10-9s）量级，这种极快的变化人眼完全察觉不到，但是可以通过光电探测器来进行识别。利用快速的可见光光脉冲无线传输信息，根据不同速率在光中编码信息，例如LED灯开表示1，关表示0，以产生1和0的不同组合的数字串。借助光纤通信等其他技术，通过使用高速LED可以实现速率大于1Gbps无线数据通信。另外，还可以利用LED阵列来增加其数据传输速率，实现数据并行传输，而其中的每个LED可以传输不同的数据流。

图2  Li-Fi无线网络工作意图

自2011年，Harald Haas教授展示了“无线电灯泡”之后就引起了国际社会的重视，并在2012 年成立了PureLiFi公司，并担任首席科学官，成功实现了光传输数据的初步应用。2013 年， PureLiFi公司以5000英镑的价格向一家美国医疗卫生供应商出售了第一台Li-Fi 设备，后来爱沙尼亚的Velmenni公司开始投资这项技术。2013年复旦大学信息科学与工程学院实验室研究人员在室内将网络信号接入一盏1W的LED 灯珠，灯光下的4 台电脑即可上网，最高速率可达3.25 Gbps，平均上网速率达到150Mbps，堪称当时世界最快的“灯光上网”

在2016年9月，Li-Fi行业的先锋公司pureLiFi与法国照明公司Lucibel合作，向市场发布了世界上第一台Li-Fi综合照明灯具。并且，Li-Fi照明灯具在巴黎的房地产开发商Nexity和Sogeprom总部安装应用，以实现企业内部通信。该项目中使用的LiFi-X提供42 Mbps下行链路和42 Mbps上行链路，完全网络化，可实现了不同灯具之间的无缝切换。

由于Wi-Fi使用的无线电波更加拥挤，对更快更高效的无线通信的需求也在不断增加，因此Li-Fi作为一种可靠，经济实惠且更安全的解决方案的未来将是光明的。正在克服技术挑战，解决商业挑战。

4. Li-Fi优势与应用

由于所使用的电磁波频率不同，Li-Fi的数据传输速率远高于Wi-Fi，而且利用日常照明用的LED灯泡进行传输数据，完全不影响正常照明。进而，Li-Fi有助于释放频谱空间，并运用到Wi-Fi无法触及的特殊场所。

Li-Fi的另一个优点是零电磁干扰，即使在不接受Wi-Fi的地区也能实现连接，如医院和核电站等。此外，由于光波不能通过墙壁，Li-Fi可提供更好的数据防御。

在我们熟知的所有无线通讯技术中，Wi-Fi无疑遍布大街小巷的一种技术。 但Wi-Fi仅适合于一般建筑物内的无线覆盖，而在密闭区域内可进行高密度无线数据覆盖，且能减轻Wi-Fi无线电磁干扰的技术，Li-Fi是最理想的选择。Li-Fi预计比Wi-Fi便宜10倍，更环保。

表1还包含现在和将来可用的无线数据传输技术，其中包括Wi-Fi（Wireless Fidelity），蓝牙（Blue Tooth），红外线通信（IrDA，Infrared Data Association），无线千兆比特（WiGig，Wireless Gigabit），Giga-IR，Li-Fi。目前只有Wi-Fi可提供较高的数据速率，IEEE 802.11n协议下在实际应用中可提供高达150Mbit/s（理论标准可达到600Mbit/s）的传输速率，值得注意的是IR和Li-Fi都是光学技术。

表1 主流无线传输技术的比较

基于上述优势，Li-Fi技术在将有如下一些方面的应用：

I. 教育系统：Li-Fi是可以提供最快速互联网接入的最新技术。因此，它可以在教育机构和公司中取代Wi-Fi，以便所有人能够在特定领域中以相同的速度使用Li-Fi。

II. 医疗应用：到目前为止，由于辐射在手术室不允许使用Wi-Fi，在医院使用Wi-Fi会干扰监控设备的信号，而且也缺乏专用通信频谱。因此，Li-Fi技术在医院的应用不仅解决手术室灯光照明，而且也可以用于访问互联网和控制医疗设备，甚至有利于机器人手术和其他自动化程序的运行。

III. 航空领域：在飞机上，Li-Fi可用于数据传输，Wi-Fi的使用可能会干扰飞行员的导航系统，而通过飞机中的每个光源（如头顶式阅读灯泡等）可以轻松使用Li-Fi高速互联网。

图3   Li-Fi在家庭和飞机、动车中的应用

IV. 水下应用：水下遥控设备由大型电缆连接，操作员在水面控制运行。但是电缆长度限制了其探索和应用区域。如果电线被光替代并利用LiFi信号互动沟通，那么他们就会更自由的水下世界探索。LiFi无线网络甚至可以在Wi-Fi无法完全使用的地方工作，从而为军事行动提供无限的机会。

V. 灾害管理：Li-Fi可以作为地震或飓风等灾害期间强大的通信手段，灾害突发时，普通民众通过路灯就可以了解这种灾难的具体情况和采取的施救措施。地铁站和隧道是大多数紧急通信的常见死区，此时Li-Fi可以发挥作用。此外，在正常时期，Li-Fi灯泡可以为每个街角提供更便宜的高速信息网络。

VI. 敏感领域：Wi-Fi和许多其他辐射或无线电波对一些敏感地区（如石油化工厂、发电厂，特别是核电厂）是有害的。 电厂需要快速，互连的数据系统来监测需求，电网完整性和核心温度等。 适当的监测可以显着节省能源和经济效益。Li-Fi可以为这些敏感地点的所有地区提供安全，丰富的连接，与现行的方案相比更省钱。

VII. 交通管理：在交通信号灯中，可以使用Li-Fi，与车辆的LED灯通信，可以更好地管理交通，可以减少事故数量。此外，当其他车辆太近时，LED车灯可以警告驾驶员。

VIII. 替换其他技术：Li-Fi使用的是可见光而非无线电波，因此它与蓝牙，红外线，Wi-Fi无线通讯兼容或替换。

5. 总结与展望

目前，我国以及欧美等发达国家已经开始部署5G通讯网络，按照公认的5G推进时间表，2018年开始商用实验，2019年小规模商用、发布5G牌照，2020年正式规模化商用。智能家居、智慧城市、智能交通、智能制造、更加便捷舒适的人性化生活将一一实现。而5G时代的数据通信也会有更高的要求，在现有的各种无线通讯技术中，Li-Fi无疑是最特别、最闪亮的一个。LiFi不仅可以突破现有的电磁波频段的限制，而且可以促进照明和通信两个巨大行业的合并，把我们带入前所未有无线通讯领域。Li-Fi结合自身优势与Wi-Fi并肩，在5G时代将创造更便捷、更安全、更环保和更光明的网络世界和未来生活。

参考文献：

[1] Harald Haas, Liang Yin, Yunlu Wang, Cheng Chen, What is LiFi? Journal of Lightwave Technology, Vol. 34, No. 6, March15, 2016

[2] Moussa Ayyash, Hany Elgala, Abdallah Khreishah, Volker Jungnickel, Thomas Little, Sihua Shao, Michael Rahaim, Dominic Schulz, Jonas Hilt, Ronald Freund, Coexistence of WiFi and LiFi Toward 5G: Concepts, Opportunities, and Challenges, IEEE Communications Magazine, February 2016

[3] Monica Figueiredo, Luís Nero Alves, Carlos Ribeiro, Lighting the Wireless World, The promise and challenges of visible light communication, IEEE Consumer Electronics Magazine, October, 2017

[4] 张丽萍，LiFi技术发展综述，现代电信科技，2017，47（2），42-48+55.

[5] 吴承治，可见光通信技术及应用初探，现代传输， 2012，06，00001，1673-5137

[6] 费海荣，可见光通信的研究与发展，微型机与应用，2015，34（15），1674-7720

[7] Ivan Chew, Dilukshan Karunatilaka, Chee Pin Tan, Vineetha Kalavally, Smart lighting: The way forward? Reviewing the past to shape the future, Energy and Buildings, 2017, 149, 180–191