Li-Fi是將可見(jiàn)光照明與數(shù)據(jù)傳輸?shù)母叨热诤系囊环N無(wú)線通信技術(shù)。Li-Fi 具有傳輸速度快、建設(shè)便利、低能耗、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于照明與通信、室內(nèi)定位以及交通、醫(yī)療等場(chǎng)景。在即將來(lái)臨的5G通信時(shí)代，Li-Fi 作為一個(gè)完整的移動(dòng)通信解決方案，可以增強(qiáng)5G及以上的無(wú)線通信能力，有望成為未來(lái)5G系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

1. 引言

  早上，或許不會(huì)再需要忍受鬧鐘的刺耳聲音，你的枕頭、被子或者床，或者家里的音響設(shè)備，以一種更加自然的方式把你從睡夢(mèng)中叫醒，并為你開啟窗簾和燈光；而當(dāng)你走向洗臉臺(tái)的過(guò)程中，家里的智能系統(tǒng)已為你調(diào)好了水溫靜待使用，智能廚房也為你準(zhǔn)備好美味的早餐，還可以通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)眼鏡和家人、朋友道早安，美好的一天就此開始。這是物聯(lián)網(wǎng)帶給人們的未來(lái)生活，也是基于光通信技術(shù)的革命性的改變。只有5G通信網(wǎng)絡(luò)可以支持物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代數(shù)據(jù)通信要求，實(shí)現(xiàn)各種智能設(shè)備的高速應(yīng)用。

  目前，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)Wi-Fi（Wireless Fidelity）是較為主流的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，日漸成為必不可少的生活工具，隨著5G高速通信時(shí)代的發(fā)展，無(wú)線接入網(wǎng)頻譜資源越發(fā)緊張，加之電磁輻射干擾等因素等，Wi-Fi技術(shù)的局限性越發(fā)凸顯。傳統(tǒng)接入網(wǎng)技術(shù)演繹出了革命性變化，產(chǎn)生一種拓寬頻譜的資源，即以綠色節(jié)能的發(fā)光二極管（LED）燈為傳輸基站的通信方式，被稱為L(zhǎng)i-Fi（Light Fidelity），理論上基于LED的Li-Fi可達(dá)到10Gb/s以上的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2. 什么是Li-Fi？

  來(lái)自英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的哈羅德·哈斯（Harald Haas）教授被廣泛認(rèn)為是Li-Fi技術(shù)概念的創(chuàng)始人，2011年在 TED（全球科技娛樂(lè)設(shè)計(jì)）演講中首先向世界展示了不僅展示了如何用一臺(tái)LED 燈傳輸視頻，實(shí)現(xiàn)了照明光線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，更引人關(guān)注的是，他描述了一個(gè)由全球幾十億臺(tái)LED 燈泡充當(dāng)無(wú)線熱點(diǎn)的超高速寬帶未來(lái)無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)世界。Li-Fi與Wi-Fi類似，但在速度，安全性，最重要的是電磁頻譜方面不同。Li-Fi是基于可見(jiàn)光譜，Wi-Fi以及手機(jī)等移動(dòng)通信設(shè)備是基于無(wú)線電波。由于通信用的射頻頻譜的限制， Li-Fi可為移動(dòng)設(shè)備提供一個(gè)新的通信平臺(tái)。如圖1所示，無(wú)線電波頻率約為4×1010 Hz，而Li-Fi的頻率在4×1014 Hz～8×1014 Hz量級(jí)，因此，理論上Li-Fi的數(shù)據(jù)傳輸速率是Wi-Fi的10000倍。

圖1 電磁頻譜的頻率、波長(zhǎng)和應(yīng)用

  Li-Fi和可見(jiàn)光通信（VLC，Visible Light Communication）略有不同，VLC使用LED通過(guò)使用強(qiáng)度調(diào)制（Intensity Modulation）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。其檢測(cè)原理是接收機(jī)處信號(hào)由光電二極管直接檢測(cè)，VLC被認(rèn)為是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)通信技術(shù)，即本質(zhì)上是一種電纜替代。相比之下，LiFi技術(shù)描述了一個(gè)完整的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它包括雙向多用戶通信，即點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)到點(diǎn)通信。 LiFi還涉及多個(gè)接入點(diǎn)，形成具有無(wú)縫切換的非常小的光學(xué)無(wú)線局域網(wǎng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。這意味著LiFi可以完全實(shí)現(xiàn)用戶的移動(dòng)性，可在現(xiàn)有的異構(gòu)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中形成了一個(gè)新的層次。因此，作為一個(gè)完整的移動(dòng)通信解決方案，Li-Fi可以增強(qiáng)5G及以上的無(wú)線通信能力，有望成為未來(lái)5G系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。

3. Li-Fi技術(shù)與發(fā)展

  Li-Fi利用了LED的閃爍變化，從而可以在不影響日常照明的情況下使用LED燈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，是使用光線的高速，雙向的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，可為傳統(tǒng)移動(dòng)通信提供無(wú)縫無(wú)線用戶體驗(yàn)。這意味著您房子中的每個(gè)LED燈泡，不僅僅是房間，手機(jī)中的LED燈也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臐撛趤?lái)源。接下來(lái)就有一個(gè)問(wèn)題：燈泡的光線必須一直保持開啟嗎？答案是肯定的。但是，光電探測(cè)器可以探測(cè)比人眼更弱的光，即燈泡的光強(qiáng)可以變暗到人眼沒(méi)有感覺(jué)的水平，仍然能夠傳輸數(shù)據(jù)。

  為了生成新的數(shù)據(jù)流，可以通過(guò)改變LED的閃爍速率在光中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，通過(guò)用數(shù)據(jù)信號(hào)調(diào)制LED燈泡作為發(fā)射源。LED是可以以非常高的速度操縱其光輸出的半導(dǎo)體器件，其開關(guān)速度小于納秒（10-9s）量級(jí)，這種極快的變化人眼完全察覺(jué)不到，但是可以通過(guò)光電探測(cè)器來(lái)進(jìn)行識(shí)別。利用快速的可見(jiàn)光光脈沖無(wú)線傳輸信息，根據(jù)不同速率在光中編碼信息，例如LED燈開表示1，關(guān)表示0，以產(chǎn)生1和0的不同組合的數(shù)字串。借助光纖通信等其他技術(shù)，通過(guò)使用高速LED可以實(shí)現(xiàn)速率大于1Gbps無(wú)線數(shù)據(jù)通信。另外，還可以利用LED陣列來(lái)增加其數(shù)據(jù)傳輸速率，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)并行傳輸，而其中的每個(gè)LED可以傳輸不同的數(shù)據(jù)流。

圖2  Li-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)工作意圖

  自2011年，Harald Haas教授展示了“無(wú)線電燈泡”之后就引起了國(guó)際社會(huì)的重視，并在2012 年成立了PureLiFi公司，并擔(dān)任首席科學(xué)官，成功實(shí)現(xiàn)了光傳輸數(shù)據(jù)的初步應(yīng)用。2013 年， PureLiFi公司以5000英鎊的價(jià)格向一家美國(guó)醫(yī)療衛(wèi)生供應(yīng)商出售了第一臺(tái)Li-Fi 設(shè)備，后來(lái)愛(ài)沙尼亞的Velmenni公司開始投資這項(xiàng)技術(shù)。2013年復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)室研究人員在室內(nèi)將網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接入一盞1W的LED 燈珠，燈光下的4 臺(tái)電腦即可上網(wǎng)，最高速率可達(dá)3.25 Gbps，平均上網(wǎng)速率達(dá)到150Mbps，堪稱當(dāng)時(shí)世界最快的“燈光上網(wǎng)”

  在2016年9月，Li-Fi行業(yè)的先鋒公司pureLiFi與法國(guó)照明公司Lucibel合作，向市場(chǎng)發(fā)布了世界上第一臺(tái)Li-Fi綜合照明燈具。并且，Li-Fi照明燈具在巴黎的房地產(chǎn)開發(fā)商N(yùn)exity和Sogeprom總部安裝應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部通信。該項(xiàng)目中使用的LiFi-X提供42 Mbps下行鏈路和42 Mbps上行鏈路，完全網(wǎng)絡(luò)化，可實(shí)現(xiàn)了不同燈具之間的無(wú)縫切換。

  由于Wi-Fi使用的無(wú)線電波更加擁擠，對(duì)更快更高效的無(wú)線通信的需求也在不斷增加，因此Li-Fi作為一種可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠且更安全的解決方案的未來(lái)將是光明的。正在克服技術(shù)挑戰(zhàn)，解決商業(yè)挑戰(zhàn)。

4. Li-Fi優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

  由于所使用的電磁波頻率不同，Li-Fi的數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于Wi-Fi，而且利用日常照明用的LED燈泡進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，完全不影響正常照明。進(jìn)而，Li-Fi有助于釋放頻譜空間，并運(yùn)用到Wi-Fi無(wú)法觸及的特殊場(chǎng)所。

  Li-Fi的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是零電磁干擾，即使在不接受Wi-Fi的地區(qū)也能實(shí)現(xiàn)連接，如醫(yī)院和核電站等。此外，由于光波不能通過(guò)墻壁，Li-Fi可提供更好的數(shù)據(jù)防御。

  在我們熟知的所有無(wú)線通訊技術(shù)中，Wi-Fi無(wú)疑遍布大街小巷的一種技術(shù)。 但Wi-Fi僅適合于一般建筑物內(nèi)的無(wú)線覆蓋，而在密閉區(qū)域內(nèi)可進(jìn)行高密度無(wú)線數(shù)據(jù)覆蓋，且能減輕Wi-Fi無(wú)線電磁干擾的技術(shù)，Li-Fi是最理想的選擇。Li-Fi預(yù)計(jì)比Wi-Fi便宜10倍，更環(huán)保。

  表1還包含現(xiàn)在和將來(lái)可用的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其中包括Wi-Fi（Wireless Fidelity），藍(lán)牙（Blue Tooth），紅外線通信（IrDA，Infrared Data Association），無(wú)線千兆比特（WiGig，Wireless Gigabit），Giga-IR，Li-Fi。目前只有Wi-Fi可提供較高的數(shù)據(jù)速率，IEEE 802.11n協(xié)議下在實(shí)際應(yīng)用中可提供高達(dá)150Mbit/s（理論標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)到600Mbit/s）的傳輸速率，值得注意的是IR和Li-Fi都是光學(xué)技術(shù)。

表1 主流無(wú)線傳輸技術(shù)的比較

基于上述優(yōu)勢(shì)，Li-Fi技術(shù)在將有如下一些方面的應(yīng)用：

  I. 教育系統(tǒng)：Li-Fi是可以提供最快速互聯(lián)網(wǎng)接入的最新技術(shù)。因此，它可以在教育機(jī)構(gòu)和公司中取代Wi-Fi，以便所有人能夠在特定領(lǐng)域中以相同的速度使用Li-Fi。

  II. 醫(yī)療應(yīng)用：到目前為止，由于輻射在手術(shù)室不允許使用Wi-Fi，在醫(yī)院使用Wi-Fi會(huì)干擾監(jiān)控設(shè)備的信號(hào)，而且也缺乏專用通信頻譜。因此，Li-Fi技術(shù)在醫(yī)院的應(yīng)用不僅解決手術(shù)室燈光照明，而且也可以用于訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)和控制醫(yī)療設(shè)備，甚至有利于機(jī)器人手術(shù)和其他自動(dòng)化程序的運(yùn)行。

  III. 航空領(lǐng)域：在飛機(jī)上，Li-Fi可用于數(shù)據(jù)傳輸，Wi-Fi的使用可能會(huì)干擾飛行員的導(dǎo)航系統(tǒng)，而通過(guò)飛機(jī)中的每個(gè)光源（如頭頂式閱讀燈泡等）可以輕松使用Li-Fi高速互聯(lián)網(wǎng)。

圖3   Li-Fi在家庭和飛機(jī)、動(dòng)車中的應(yīng)用

  IV. 水下應(yīng)用：水下遙控設(shè)備由大型電纜連接，操作員在水面控制運(yùn)行。但是電纜長(zhǎng)度限制了其探索和應(yīng)用區(qū)域。如果電線被光替代并利用LiFi信號(hào)互動(dòng)溝通，那么他們就會(huì)更自由的水下世界探索。LiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)甚至可以在Wi-Fi無(wú)法完全使用的地方工作，從而為軍事行動(dòng)提供無(wú)限的機(jī)會(huì)。

  V. 災(zāi)害管理：Li-Fi可以作為地震或颶風(fēng)等災(zāi)害期間強(qiáng)大的通信手段，災(zāi)害突發(fā)時(shí)，普通民眾通過(guò)路燈就可以了解這種災(zāi)難的具體情況和采取的施救措施。地鐵站和隧道是大多數(shù)緊急通信的常見(jiàn)死區(qū)，此時(shí)Li-Fi可以發(fā)揮作用。此外，在正常時(shí)期，Li-Fi燈泡可以為每個(gè)街角提供更便宜的高速信息網(wǎng)絡(luò)。

  VI. 敏感領(lǐng)域：Wi-Fi和許多其他輻射或無(wú)線電波對(duì)一些敏感地區(qū)（如石油化工廠、發(fā)電廠，特別是核電廠）是有害的。 電廠需要快速，互連的數(shù)據(jù)系統(tǒng)來(lái)監(jiān)測(cè)需求，電網(wǎng)完整性和核心溫度等。 適當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)可以顯著節(jié)省能源和經(jīng)濟(jì)效益。Li-Fi可以為這些敏感地點(diǎn)的所有地區(qū)提供安全，豐富的連接，與現(xiàn)行的方案相比更省錢。

  VII. 交通管理：在交通信號(hào)燈中，可以使用Li-Fi，與車輛的LED燈通信，可以更好地管理交通，可以減少事故數(shù)量。此外，當(dāng)其他車輛太近時(shí)，LED車燈可以警告駕駛員。

  VIII. 替換其他技術(shù)：Li-Fi使用的是可見(jiàn)光而非無(wú)線電波，因此它與藍(lán)牙，紅外線，Wi-Fi無(wú)線通訊兼容或替換。

5. 總結(jié)與展望

  目前，我國(guó)以及歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開始部署5G通訊網(wǎng)絡(luò)，按照公認(rèn)的5G推進(jìn)時(shí)間表，2018年開始商用實(shí)驗(yàn)，2019年小規(guī)模商用、發(fā)布5G牌照，2020年正式規(guī)模化商用。智能家居、智慧城市、智能交通、智能制造、更加便捷舒適的人性化生活將一一實(shí)現(xiàn)。而5G時(shí)代的數(shù)據(jù)通信也會(huì)有更高的要求，在現(xiàn)有的各種無(wú)線通訊技術(shù)中，Li-Fi無(wú)疑是最特別、最閃亮的一個(gè)。LiFi不僅可以突破現(xiàn)有的電磁波頻段的限制，而且可以促進(jìn)照明和通信兩個(gè)巨大行業(yè)的合并，把我們帶入前所未有無(wú)線通訊領(lǐng)域。Li-Fi結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)與Wi-Fi并肩，在5G時(shí)代將創(chuàng)造更便捷、更安全、更環(huán)保和更光明的網(wǎng)絡(luò)世界和未來(lái)生活。