Li－Fi：照亮通向更高通信数据速率之路

作者：贸泽电子 Mark Patrick

无线电频谱是一种宝贵资源，并且很快就会被占用完毕。不用多久，城市地区的Wi-Fi用户就会意识到附近路由器产生的干扰会如何影响网络设备可以实现的通信性能。对这个问题的第一种回应是简单地增加更多的频带，除了最初的2.4GHz频段（仍需要与蓝牙等许多其他协议共享）外，Wi-Fi还增加了对5GHz附近更多信道的支持。但是，由于还有太多其他应用需要占用这部分RF频谱，Wi-Fi可以扩展的频带数量受到严格限制。

随着时间的推移，更先进的Wi-Fi设备开发人员通过采用各种技术将更多数据纳入核心频谱来应对频率限制问题，这些包括在每个无线电符号中发送多个数据位元的高级调制方案，以及能够将传输引向各个接收器的天线分集增强功能等等。其他方案已将Wi-Fi移至10GHz以上的频率范围，这样可以提供更高的带宽信道以及相应的高数据速率。但是，为什么不进一步提高电磁频谱并利用红外或可见光呢？

可见光通信已经部署到点对点回程应用，以实现超过100Mbit/s的数据速率，而在深峡谷等应用场景中，铺设电缆根本不可行。目前也正在研究基于光的数据传输，用于改善大气层之上和海洋中系统的连通能力。RF在水中散射很快，因此很难采用具有相应低数据速率信号的极低频载波，并在其之上建立可靠的通信。根据最近的研究，尽管水也强烈吸收可见光频率的红色长波端，但蓝绿色激光可以在数十米距离以高达100Mbit/s的数据速率进行传输。针对更远距离应用，美国宇航局已经开始使用调制红外激光进行地对空通信试验。622Mbits/s信道通过与轨道卫星进行通信的不同地面站之间进行切换，避免了由于云雾造成的衰减。

Li-Fi版本可见光通信针对的是更实际应用。尽管进行了一些调整，但这种技术的开发是为了利用标准灯具中的LED。许多商用LED灯具使用高亮度组件，这些组件在光谱的蓝色末端产生光，黄色磷光体涂层将光的整体颜色变为白色。磷光体的作用是降低施加在光源上任何幅度调制的影响，从而将其带宽限制在2MHz左右。但是，如果接收器滤除黄色分量，则原则上可以实现高达1Gbit/s的数据速率。通过使接收器响应具有可调色灯具的不同组件（通常使用红色、绿色和蓝色LED的混合），可以将数据速率提高到5Gbits/s或更高。由Harald Haas教授（他创造了Li-Fi一词）领导的爱丁堡大学（University of Edinburgh）团队实验表明，在照明器中添加激光二极管并使其并行传输，可以实现超过100Gbit/s的传输速率。

Li-Fi与在10GHz以上无线电频谱中运行的Wi-Fi版本共享一些应用属性。随着载波信号频率增大，RF通信变得更具方向性。尽管使用10GHz以上信道的协议（例如5G蜂窝网络）会利用反射来提高接收性能，但通信信道仍将主要基于视距传输。

由于Li-Fi具有更强的方向性，因此它允许构建“ attocell”，例如，一个在筒灯（downlight）下操作的单个用户拥有自己的带宽。但是，Li-Fi并不是纯粹的视距技术，它具有一定的能力去利用反射，从而不再需要严格保持视线传输路径。这可以通过使用编码系统（例如正交频分复用（OFDM））来实现，这种系统比早期Li-Fi实验中采用的简单二进制代码更为复杂。

Li-Fi较强的方向性在安全性应用方面具有潜在优势。由于信号在很大程度上不受发射器下方锥形光的影响，根本不会穿透坚固的墙壁。例如IEEE 802.11ax等一些提议的60GHz Wi-Fi传输方案采用的技术使穿过墙壁传输信号成为可能，因为该标准工作组认为这对于家庭的整体采用至关重要。在使用Li-Fi时，任何想要拦截信号的黑客都必须靠近发射器和合法的接收器，仅此要求就明显增大了被检测出的机会。IEEE 802.11bb工作组提出的一个应用案例是具有Li-Fi功能的台灯，它可以在用户计算机和核心网络之间提供安全的无线连接。从设备到灯具的上行链路信道是采用在红外区工作的较小发射器。这样可以避免干扰下行信号，并具有不分散设备用户注意力的好处。在技术发展的早期阶段，人们担心用户是否会注意到Li-Fi发射器的变化，其调制速度是如此之高，除了总光输出的颜色平衡可能发生偏移之外，其它影响并不明显。尽管如此，这也是灯具设计师能够补偿的一个因素。

在把Li-Fi安装到天花板灯上时，其潜在的缺点之一是同信道干扰。在这种情况下，光锥产生交汇，因此接收器不会从任何一个发射器获得清晰信号。基于OFDM的编码方案除了能够利用从墙和其他用于通信的物体反射光之外，还有助于克服上述问题。 IEEE 802.11bb工作组制定了一个协议，至少可提供10Mbits/s的数据速率，并可能提升到5Gbits/s的峰值，这是广泛采用的基于5GHz载波IEEE 802.11n Wi-Fi速率的十倍。Wi-Fi的最新版本以及当前更昂贵的IEEE 802.11ac版本缩小了这一差距，它可以提供1.73Gbits/s的速率。

Wi-Fi技术的一个承诺是达到与Li-Fi峰值数据速率基本一致，这种竞争是源自采用60GHz左右载波频率的IEEE 802.11ax和802.11ay版本Wi-Fi。这些标准改进了在首次尝试构建60GHz Wi-Fi-IEEE 802.11ad时遇到作用距离过短问题。一些测试已将IEEE 802.11ay的最大作用距离扩展到300m，使其适用于办公网络。但是，其使用模式与Li-Fi不同，一个主要区别在于，802.11ay单个路由器可以为多个用户提供服务，而Li-Fi支持者则希望充分利用attocell的概念，回程网络可以为同一房间内的多个用户提供Gbit/s级传输服务。

表1： Wi-Fi和Li-Fi的比较。

IEEE 802.11ay与其他大多数协议之间的另一个区别是，它可以执行其他服务，这些源于其用来补偿障碍物的算法。就潜在能力而言，路由器可以映射房间，检测人员的存在，甚至可以确定手势。在Li-Fi环境中，这些功能很可能会在单独的摄像头帮助下实现。

考虑到Wi-Fi全新技术的出现，Li-Fi在传统家庭和办公室部署还需要很大的努力，但基于光的通信技术在某些环境中却具有明显的优势。例如，在飞机上，用于为乘客提供多媒体服务的电缆重量是提高燃油效率的主要障碍之一，通过用支持Li-Fi的LED替换每个座位上的常规照明灯，Li-Fi可以为乘客提供高速率数据传输。在医院手术室等RF干扰是重大问题的应用中，Li-Fi提供了一种高带宽通信解决方案。对于工业系统，尤其是那些具有高爆炸风险的工业系统，Li-Fi可能是一种更安全的技术。例如，处理细粉和挥发性化学物质的工厂不能轻易采用高频RF通信，数据电缆需要严格的保护措施。

由于Li-Fi新颖的技术，它可能会在以前难以进行高速通信的环境中实现更多应用。但是，对于大多数情况而言，如果数据容量和便利性是非常重要的考虑因素，Li-Fi和Wi-Fi之间的选择很可能取决于具体应用的要求。