用灯泡上网 切实可行还是异想天开？——揭开Li-Fi技术真相
随着无线通信技术的快速发展，WiFi技术已经普遍应用在日常生活中。然而，目前WiFi技术所承载的电磁波频段频谱资源稀缺，无法满足日益增长的数据通信要求。此外，无线数据安全问题也一并为WiFi技术的发展提出了挑战。新一代光通信技术——LiFi的出现，可以为数据传输提供了一种更为安全、高速、稳定的解决方案。
Li-Fi，是英文 Light Fidelity 的缩写，类似于Wi-Fi 。Li-Fi 使用电磁波谱的可见光部分，进行信息传输。它是一种双向、高速、完全网络化的无线通信技术，同时它也是一种可见光通信的形式，属于无线光通信的一部分。无线光通信包括红外和紫外通信，也包括可见光通信。然而，Li-FI是一种独特的形式，因为它既可以用于照明，也可以同时用于通信。
Li-Fi 技术，通过对于光线强度的调制(例如LED灯发出闪烁的光线)来传输数据。这种光的闪烁频率极高，肉眼是无法察觉的。只有光敏探测器才能检测到这种光线变化，然后将其转化成电信号的形式。
Li-Fi 的工作原理
当LED灯泡上有恒定的电流通过时，灯泡就会激发出连续的光子流，然后我们就会观察到可见光。如果电流缓慢变化，输出的光线就会忽明忽暗。
因为LED灯泡是半导体设备，电流以及输出的光线，可以通过极高速的方式进行调制。然后，光电探测器会检测到这种信号，转化为电流的形式。这种光电调制是人眼无法察觉到的。
LED灯具利用信号处理技术，将数据嵌入到光束中，并且以超高的速度发给光电探测器，然后这种微小的光线变化会被转化为电信号，再转回数据流的形式，发送给计算机或者移动设备。
无线射频通信需要射频电路、天线和复杂的接收器。然而 Li-Fi 要简单的多，它使用的直接调制方法，和低成本红外通信设备使用的方法类似。红外通信，为了不损伤眼睛，所以功率受限。然而，LED灯泡可以具有高亮度，能够达到很高的数据传输率。
Li-Fi技术的来历
2012年12月，哈斯和他在英国爱丁堡大学的团队最新发明了一种专利技术，利用闪烁的灯光来传输数字信息。通过给普通的LED灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪烁频率达到每秒数百万次。通过这种方式，LED灯泡可以快速传输二进制编码。但对裸眼来说，这样的闪烁是不可见的，只有光敏接收器才能探测。这类似于通过火炬发送莫尔斯码，但速度更快，并使用了计算机能理解的字母表。使用标准的LED照明灯，哈斯与他的同事戈登·波维创建的研究小组已经达到了两米距离的130兆比特每秒的传输速度。随着白炽灯、荧光灯逐渐退出市场并被LED取代，未来任何有光的地方都可以成为潜在的LiFi数据传输源。
Li-Fi系统的组成
从上图中，我们看到：可见光通信系统由路由器(集 线器)、LED光源、接收器和信息终端(含适配器)等 组成。
可见光路由器是可见光通信网络中的核心组成部分，可以接受来自信息终端用户的信息，同时分时段的将接收到的信息通过主光源以广播的方式发送出去。
发射部分主要包括将信号源信号转换成便于光信道传输 的电信号的输入和处理电路、将电信号变化调制成光载 波强度变化的LED可见光驱动调制电路。白光LED光源 发出的已调制光以很大的发射角在空间中朝各个方向传 播。由于室内不受强背景光和天气的影响，光传播基本 上不存在损耗，但是由于LED光源个数较多，且具有较 大的表面积，因而在发射机和接收机之间存在若干条不 同的光路径，不同的光路径到达接收机的时间不同，将 引起所谓的码间干扰(ISI)。由于白光LED光源发出的是 可见光，且发散角较大。对人眼睛基本无害、无电磁波 伤害等优点，因而发射端可以具有较大的发射功率，使得系统的可靠性大大提高。
接收部分主要包括能对信号光源实现最佳接收 的光学系统、将光信号还原成电信号的光电探测器和前 置放大电路、将电信号转换成可被终端识别的信号处理 和输出电路。室内的光信号被光电检测器转换为电信号 ，然后对电信号进行放大和处理，恢复成与发端一样的 信号。该系统的上行链路与下行链路的组成除了使用的 光源不同外，其它基本一样。上行链路采用的光源仍然 由白光LED组成，只不过发射面积较小，且具有较小的 发射角，天花板上安装的光电检测器接收来自用户的光 信号。若将上述基本结构在通信双方对称配置，就可以得到一个可以双向同时工作的全双工LC系统，由该系统 组成的网络称为可见光网络。
可见光通信适配器包括下行链路的白光LED光源和上行 链路的光电接收器，具有发射和接受功能，且负责将终 端用户的信息调制成光信号，并接收来自下行链路的光信号。
天花板上安装的光电检测器可以接收来自用户的光信号，并转换成电信号送入可见光通信路由器。
电信号经过可见光通信路由器的简单处理后，调制到白 光LED光源上变成光信号，以广播的方式发射出去。在 接收端，终端的可见光适配器将接受的信息解调出来并 送入终端用户，即实现了局域网内的无线通信。
LiFi的技术优势
建设便利
灯泡这种设备在早百多年前被人类发明，并在这百多年来灯泡的技术越来越发达。人们可以利用已经铺设好的电灯设备电路，在需要接入网络的地方植入一个芯片即可。例如高速公路上的路灯，人们在高速行驶的车上能轻易的接收到路灯传来的信号。
高带宽，高速率
可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍。目前据报道，实验室测试最高速度可达1Gbps。这对于人们对速度的是个可喜的数据，人们可以随时随地的享受高速带来的体验。
绿色，低能耗
人们无时无刻都处在“光”这环境中，甚至可以说是光创造了人类，可见光对于人类来说是绿色的，无辐射伤害的一种物质。因此用光来作为无线通信的媒质，是一种对人类发展更健康，更可取的方向。同时用光来通信能减低能耗，因为不需要想基站那样提供额外的能耗。就算是在白天，只要把作为“热点”的灯的亮度降低人眼所觉察不到的程度即可，在夜晚的时候可以作为数据传输和照明的作用。
安全
对于电磁波来说，其可以穿透物体进行传播，从安全角度上看，这可能会被截取而泄露信息。但对于LiFi来说，可见光只能延直线传播，不会穿透墙体的物体。数据只往人们所设定的方向传播，只有利于信息的安全性。
原料丰富
目前的无线电信号传输设备存在很多局限性，它们稀有、昂贵、但效率不高，比如手机，全球数百万个基站帮助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的灯泡却取之不尽。
尤其在国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片，便可让灯泡变成无线网络发射器。
LiFi的局限性
环境干扰
环境光源有时候会工作在同样的光谱频段,这时候如果环境光源比较强,很有可能LIFI会无法正常通信,信/干燥比(SINR)太差。
解决方式：对于环境干扰问题,LIFI系统中使自行研制的窄带滤镜,可以一定程度上避免背景光的干扰;对于室内的电磁干扰,噪声主要在1MHz已下,他们在系统中也避开了这个频段.要实现高速的传输速度,还需要在空间内布置更多用了的中继站,以保证传输的稳定性。
反向通信
从LED灯泡发射信号到手机上的光电二极管只解决了问题的一半,如何从手机发信号回去才能保证通信链路畅通(当然可以用无线电欧诺更新作为补充，不过这让这个技术的标准化变得很难)。
解决方式：而针对数据上行,可采用了两套系统,分别是可见光上行和红外上行。所谓可见光上行,即需要在电子设备上安装一个灯泡,而红外上行虽然肉眼看不见,但是速率却较低。
单向传输更适合可见光通信,可见光通信并不适合做信息的双向传输,如果反向信号上网的化,每个灯必须接上网线。如果信号回传,接收设备也要安装灯泡,而且还要对的很准,否则速度上不来,我们有很多地方其实是不需要信息回传的,例如电视、收音机、交通灯等等,只需要做到信息从信息源下载。
Li-Fi系统的关键技术
信道编码技术
mBnB分组编码技术是一种适用于 LED数字传输 。通常来说，分组码是指将原始信 息码字按 m比特为单位进行分组，根据一定规则用另外 每组为 n比特的码字来表示，然后这些新的分组以 NRZ 码或 RZ码的格式来传输。常用的信道编码有1B2B(曼 彻斯特码)、3B4B、5B6B、6B8B等。
mBnB码的优点有：①功率谱形状较好;②连0连1个数 有限，没有基线漂移问题;③提供可靠的误码监测和字同步手段。
实验证明，经过 6B8B 编码后，光信号在通 信距离 r=0.5 ～ 2.5m 范围内受 LED 的个数、电阻及串 口模块分频的影响不大。利用 6B8B编码技术，可以保 证本系统中数据高速传输的同时，使信号传输距离超过 2.5m。而且，可以通过对数据采用高低两种不同码表的方法来克服 mBnB码译码时会造成误码增值的缺点。
光码分多址(OCDMA)技术
采用光码分多址技术来区分不同用户的信息。在可见光无线局域网中所有的终端用户都共用相同的主光源，因 此不同的用户信号必须具有不同的特征，这样适配器接 收时才能将不同用户信号分割开。OCDMA给每一个用 户分配一个单独的地址码，数字信号在各自的地址码上 进行编码，在接收机上通过相应的序列进行解码。采 OCDMA技术还能大大提高了系统的抗噪声能力 ,可以把 信号从噪声很强的环境中检测出来。
分集接收技术
分集接受技术的提出是为了提高VLC系统的信噪比,克服高速通信中码间干扰的影响.分集接收的思想就是在接收机处的不同方向上安装多个光电探测器,对多个探测器接收到的信号进行比较,选取信噪比最大的信号进行通信。
在分集接收系统中,两个关键的工作是信号的选取方式和光电探测器的布局。
在信号的选取上,对于低速率的白光LED通信系统,直接将多个探测器接收到的信号通过一个加法器进行简单相加,然后将相加后的信号送进接收机进行滤波解调和解码等处理,大大提高了信噪比;当通信系统的传输速率高于100MB/S时,由于码间串扰的影响,不能将信号直接相加,必须设计专门的控制电路对信道进行自动判决和选择。
Li-Fi 可以有的应用
LED(发光二极管)在在照明方面的使用量急剧增长，为Li-Fi 技术的应用带来了前所未有的机遇。
Li-Fi 特别适用于很多流行的网络“内容消费”应用，例如影音下载、直播等等。这些应用对于下行带宽的要求很高，但对于上行带宽要求很小。Li-Fi 可以使得大部分网络流量，从现有无线射频网络中分流出来，从而也拓展了蜂窝网和Wi-Fi 的容量。以下列举 Li-Fi 的一些相关应用：
RF 频谱救助：蜂窝网络的一部分流量可以分流入Li-Fi 网络，对于下行链路特别有效，这也往往是瓶颈发生的地方。
智能照明：任何私有或者共有的照明设备包括街灯，都可以用于提供Li-Fi 热点，同样的通信和传感器设施，也可以用于监视和控制照明和数据。
移动连接性：笔记本、智能手机、平板电脑和其他移动设备，可以直接使用Li-Fi 互联。短程连接具有很高的数据率和安全性。
危险环境：相对于来自危险环境(例如矿山和石油化工厂)的无线电电磁干扰，Li-Fi 是一个安全的选择。
医院和医疗保健：Li-Fi 不产生电磁干扰，所以也不会干扰医疗设备，或者被核磁共振扫描仪干扰。
航空：因为飞机上已经部署有LED设备，所以 Li-Fi 可以减少重量和布线，增加航空客舱座位布局的灵活性，也可以让乘客的移动设备和机上娱乐(IFE)系统相互连接。
水下通信：因为水可以吸收射频信号，所以水下无法使用无线电通信。而声波的带宽极低，容易干扰海洋生物。Li-Fi 是短距离水下通信的一个良好解决方案。
车辆和交通：头灯和尾灯、街灯都是LED的，包括交通标志也在向LED灯转变。所以，Li-Fi，有望用于车车通信、车和道路之间通信、道路安全和交通管理。
回避射频：一些人对于射频过敏，Li-Fi 是一个很好的替代解决方案。
地理位置服务(LBS)：高精度地理位置信息服务，例如广告和导航，让接收者可以及时收到和地理位置相关的信息。
玩具：许多玩具具有LED灯，它们可以用于互动玩具之间极端低成本的通信。
LiFi会替代WiFi吗?
LIFI借助可见光谱发出高速的光脉冲来传输无线数据，而WIFI的传输载体则是电磁波。两者都是数据传输的手段，虽然存在一定的“竞争”，但更多的还是“合作”关系。由于LiFi使用的可见光和WiFi使用的电磁波频段相差很远，所以两者在同一个网络中不存在频率干扰问题。
利用LiFi—WiFi混合网络模式，可以为数据传输带去更多的便利。通过引入WiFi热点，将弥补LiFi网络因光源无法覆盖、不同光源之间的干扰，以及光源被遮蔽时的用户无法上网的缺陷。而且通过采用混合网络模式，大量的用户数据可以通过LiFi网络进行传输，从而降低了WiFi网络的用户流量压力，既节约了电磁波频谱资源，提升了频谱使用效率，也减少了整体网络拥塞的风险。