可见光无线通信在未来的发展

　　摘 要：随着智能无线设备的高速普及、用户量迅速的增加以及人们对高速宽带多媒体通信的需求，导致无线接入网频谱资源越发紧张，加之电磁辐射干扰等因素的局限，以及光载波无线通信技术的不成熟，使传统网络通信技术面临着挑战。本文介绍了可见光通信技术的产生背景并深入剖析其技术原理与系统优势及存在的问题，并介绍可见光通信在室内导航、智能交通、航空、医院等传统网络通信无法覆盖领域的创新应用及前景。
　　关键词：LIFI；可见光通信； LED
　　随着科技的进步和生活水平的日益提高，智能无线设备在人们的生活中扮演着越来越重要的地位。智能无线设备的高速普及、用户量迅速的增加以及人们对高速宽带多媒体通信的需求，导致无线接入网频谱资源越发紧张。虽然WIFI技术已越来越普及，但同时WIFI所暴露出的缺点，如：无线信号不稳定、存在信号盲区、上网速度慢、WIFI热点太少也越发明显。为了弥补这些缺点，一项新的技术LIFI应运而生。
　　一、LIFI概述
　　LIFI（Light Fidelity）光保真技术，又称为可见光无线通信，该技术是一种利用可见光波谱进行数据传输的全新无线传输技术。LIFI通过在LED上植入一个微小的芯片，利用电信号控制发光二极管（LED）发出肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息，这种技术做成的系统能够覆盖室内灯光达到的范围，电脑不需要电线连接只要在室内开启电灯，无需WIFI也可接入互联网。
　　二、技术原理
　　可见光无线通信是以LED为载体，在不影响正常照明前提下，将信息通过调制器进行调制后，将数字信号载频到LED灯具上，利用LED发出快速的光脉冲无线传输信息。接收端利用光电转换器（PD）接收含有信息的可见光，并转换为电信号，然后进行滤波、整形和放大，并从中解调出相应的模拟信息。如果需要双向传输（即下行和上行）或多路传输，则需要进行频谱区分或多路取样调制，并加入同步识别信号和同步检测信号。对于可见光通信基站，通过信号源连接线将各个基站并联连接，在只有下行信号传输系统中，无＂信息接收部分＂，只能通过＂信息发射部分＂将光信号下行，由带有光电接收器/信号解调器的电脑或手机接收。
　　三、LIFI技术特点
　　①广泛性：LED的响应时间短、寿命长、无辐射，所有的LED灯都可成为互联网的基站。
　　②成本低廉和节能：现在广泛使用的无线电数据传输方式，最显著的使用领域即无线移动通信（手机），为了满足对通信效果的需求，要建立大量的基站以增强通信信号。现在仅我国就有140万个基站用以增强信号，但其能源利用效率只5%左右，大部分能量都用在冷却上。可见光通信具有极高的能源利用效率，其通信功率仅占照明功率的5%左右，其信号通过LED照明灯具所发出，传输简单设备成本低廉。
　　③高速率性：目前可见光通信速度可以达到每秒数十兆甚至数百兆，未来的传输速度还有可能超过光纤的传输速度。
　　④频谱资源丰富：目前用于通信、导航、雷达、广播及无线电视的电磁波从长波到毫米波全波段的频率范围是从10kHz到300GHz，全部频谱宽度不大于 3 102GHz；而可见光的波长范围为380nm至780nm，频率范围为3.85 106GHz到7.89 106GHz，频谱宽度大于 4 106GHz，为现有通信频谱的13333倍。显而易见，可见光通信的频谱宽度远大于现在所有可用于通信的频谱宽度。
　　⑤信息传输的高保密性：无线通信中的射频信号对人体有害，容易对其他设备产生电磁干扰，不适宜在电磁敏感区使用，如飞机、医院等。无线电通信还存在电磁波泄漏的可能，不适用在需要信息保密的传输场合。LED可见光通信则没有电磁干扰等问题，且具有安全性高的优势，用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至不需要信号的场所。
　　⑥实用性：可以对无线通信覆盖的盲区作填补，如地铁、隧道、航海、机舱及矿井等无线通信不畅的区域。
　　四、LIFI技术存在的难题
　　新技术研发及其产业化并不可能每个环节都顺利，可见光通信技术有很多优点，却也面临很多技术难题。
　　①传输速度难提高：虽然白光LED的发光效率高，其有限的调制带宽却限制通信的传输速度。
　　②信号易被环境干扰：虽然LIFI可以不像WIFI那样被无线电信号所干扰，但从某种程度上来说，它可能受干扰的因素比WIFI还要多。比如，可见光无法穿透墙壁、穿透物体，因此如果接收器被阻挡，那么信号将被切断，但WIFI可以穿透墙壁。虽然这种特性提高了安全性，但是人们目前并不清楚接收LIFI的最小距离。在这种情况下，利用光学传感器甚至是长焦镜头都极有可能截获光学信号。
　　③数据难回传：数据线与电力线不能很好融合，反向链路受干扰导致数据无法回传。
　　④双向传输难：用户上网不仅需要下载功能，还需要上传文件。灯光照射在终端并不难，但手机和电脑反向传输数据是个难题。毕竟，没有人希望自己的设备上为了传输数据而安装一个大灯泡。虽然LIFI的下行传输速率已超过WIFI，但 LIFI缺乏对移动性、非视线传输和上行高速数据传输的有效支持。
　　⑤ 无专用探测器：光线散乱而多方向，在光源和探测器间存在不同光路。现广泛使用的硅基探测器灵敏度差不能准确地接收，导致用户使用时无法准确接入，也不能准确切换等。
　　⑥ 码间干扰：为了达到较好的照明和通信效果，一个房间通常要安装多个LED光源，由于LED单元分布位置的不同，不同光路径到接收端的时间不一样，在传输过程中会有码间干扰。
　　五、LIFI的应用领域
　　虽然LIFI技术有一些需要解决的难题，但这并不影响LIFI在未来多领域（如信息智能控制系统、会议通信网络系统、室内定位等）的应用前景：
　　①会议通信网络系统：在大型会议室等需要信息传输的场合，我们可以建立可见光通信网络。事先将会议资料上传到灯具上，参会人员可利用笔记本电脑等接收终端在灯下直接接收下载，而无需主办方打印大量的纸质会议资料，实现无纸化办公，节能环保。
　　②导购系统：商场、超市导引系统，可用手机为接收器，通过可见光通信系统，引导顾客尽快地选购商品。也可以向顾客发布诸如＂新商品信息＂、＂特价商品信息＂等，引导顾客消费。
　　③医院的导诊系统，其主要功能是引导患者进行挂号、诊室就医、化验、检查、处置、注射、缴费、取药、住院等医疗全过程，方便患者，节约其寻找、问询的时间。
　　④定位系统：建立可见光通信系统进行矿下人员的实时定位监控与记录，随时掌握矿下人员分布状况。一旦发生矿难，可及时掌握人员分布状况和发生矿难区域，给紧急救援赢得宝贵的时间。
　　⑤还可以利用车辆前后LED信号灯以及LED路灯、LED交通指示灯，建立室外交通车载定位系统，实现车辆间的间距控制以及防碰撞保护、车辆与交通管控系统间的违规监控、实时路况等数据的高速交互，以保证车辆的行车安全，也为车辆严重违章、重大车祸等提供相应线索和依据。
　　⑥可视化安全支付系统：利用可见光通信定向辐射、快速衰减以及可视化传输等特点，实现手机的新型安全支付。相比传统无线支付方式，避免了电磁泄漏问题；相比接触式支付方式，免除了额外设备。
　　综上所述，可见光通信能够同时实现照明与通信的功能，具有传输数据速率高、高保密性、无电磁干扰、频谱资源丰富等优点，具备宽广的战略发展前景和巨大的市场应用空间。相信在不久的将来，可见光技术在通信领域中将会占据重要的地位，并将大大地推动信息化社会的发展。