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Li-Fi技术的发展与应用现状

日期:2017年08月26日

信息记录材料》杂志社官方网站            www.xxjlclzzs.com       论文发表于 信息记录材料》杂志社



Li-Fi技术的发展与应用现状

李欢,赵洁,向汝,王孝,刘媛,陈格花,万佳琪,万厚钊(通讯作者),王浩(通讯作者)

(湖北大学物理与电子科学学院,铁电压电材料与器件湖北省重点实验室,湖北,武汉,430062)

【摘要】在互联网通信高速发展的今天,人们对数据信息传输的速率和质量的有了愈来愈高的需求。但是,在目前的射频通信领域中,人们对数据传输的需求日益增加,这使得原本有限的频谱资源更加短缺。Li-Fi技术,具有可用频带宽、通信储量大、传输效率高以及能耗低等特点,得到通信领域广泛关注。本文从Li-Fi技术的发展历程出发,对文中涉及到的Li-Fi基本概念做了界定,进而分析了Li-Fi的工作原理,接着介绍了Li-Fi的特点及应用,为随后的研究奠定了基础,然后通过对国内外Li-Fi技术发展现状的分析,引出了对Li-Fi技术发展前景的展望。

【关键词】Li-FiWi-Fi;无线通信;信息传输;LED

The development and application of Li-Fi technology

Huan Li,  Jie ZhaoRu Xiang, Yuan Liu, Xiao Wang, Gehua Chen, Jiaqi Wan, Houzhao Wan*, Hao Wang*

Hubei Key Laboratory of Ferro & Piezoelectric Materials and Devices, Faculty of Physics and Electronic Science,Hubei University, Wuhan 430062

Abstract: Along with the rapid development of Internet technology, people have a higher request for data information transmission rate and quality. However, the increasing data transmission demand makes spectrum resources shortage more limited in the field of radio frequency communication today. Li-Fi technology has the available bandwidth, communications, large reserves, high transmission efficiency and low energy consumption advantages, get a lot of attention in the communications field. This article, starting from the development course of Li-Fi technology, defines basic concepts, and then analyzes the working principle, then introduces the characteristics and application, lays the foundation for the subsequent research, and then raises the prospect of Li - Fi technology development prospects through the analysis of the current situation of the development of the Li-Fi technology at home and abroad.

Key words:Li-Fi; Wi-Fi; Wireless communication; Information transmission; LED


1 引言

如今Wi-Fi无线上网技术在我们日常生活中已经十分常见了,往往我们只需要一个简单的装置——路由器就能够把有线信号转化为无线信号供电脑、平板、手机等接收端接收。但它也存在很多局限性,如信号不稳定,安全性有待提高,辐射隐患等。随着无线互联网需求的不断增长,一种新型的可见光无线连接通信技术“Li-Fi”应运而生。“Li-Fi”一词最早由英国爱丁堡大学教授——拉哈尔德·哈斯在2011年的TED大会上提出,即将微型芯片植入到LED,利用灯光的快速闪烁来传递信息。他还为我们描绘了这样的未来可见光通信世界:一个由无数个LED灯充当热点的便捷世界 [1]此后Li-Fi开始快速发展:20121月年哈斯及其团队成立了PureLi-Fi公司,Li-Fi也开始了它的商业化;20139PureLi-Fi公司向美国一家医疗卫生供应商出售了第一台Li-Fi设备,Li-Fi迈向了产业化同年10月复旦大学的研究人员们应用自主研究出的算法高阶调制和信道均衡算法,使LED灯的传输速率达到最高的3.25Gbps,平均上网速率可达150Mbps[2]201412PureLi-Fi公司的第二个Li-Fi完整设备Li-flame问世;2015年英国爱丁堡大学的相关研究人员新研发出了能够利用太阳能的Li-Fi技术[3]PureLi-Fi公司也推出了下一种新型Li-Fi产品“Li-Fi电子狗”Li-Fi-X2016Li-Fi的商业化用途不断得到提升,不仅PureLi-Fi公司即将在2016年年底开发并问世出首款Li-Fi智能灯泡,LG三星、思科松下等公司,也紧跟其步伐加大力度进行Li-Fi技术的新研发 [4]……2011年发展至今,Li-Fi技术逐渐成熟,相信在未来Li-Fi产品会走进千家万户,给生活带来无限可能。

2 Li-Fi技术工作原理

2.1 Li-Fi技术基本原理

Li-Fi技术是利用可见光源发出的高速光脉冲作为传输媒介完成无线数据传输的技术[5]

如图1所示,通过给LED灯植入一个微型控制芯片,根据不同速率的光脉冲对信息进行调制编码,并且控制灯泡的亮灭(亮表示“1”,灭表示“0”)。这样,光信号发射出去,由于芯片可以控制每秒数百万次的高速闪烁,而人几乎感受不到它的闪烁,因此不会影响正常的生活照明,但光敏传感器能准确接收光信号数据,并对其进行解调编码,还原原始数据[6]

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1 Li-Fi工作原理图

2.2 Li-Fi工作过程

如图2用户通过手持控制终端或远程计算机对中央控制器进行调控,即中央控制器通过对指令的一系列的分析,产生相应的二进制编码流,可见光发射器接收到二进制编码流,其内置芯片控制LED灯的开关状态,在探测方面接收器探测到可见光光强的明暗变化,经过一系列的解调过程,可以将电信号变成原始数据供用户设备使用。点亮一盏灯,就能上网[7]

3 Li-Fi技术的特点

3.1光源易得

光的发展历程比电磁波要悠久的多。以光为传输媒介的Li-Fi技术,信号发射源理所应当的非常容易获取。研发人员可以利用遍地可以看到的电灯电路,在任何想要接入网络的地方植入芯片就能让一个LED灯变成一个热点,而不需要单独

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2Li-Fi技术工作过程图

铺设Li-Fi线路网络。

3.2高效率,低能耗

理论上可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的大约一万倍,高带宽就带来高速率的体验。实验室Li-Fi速率可达到Wi-Fi的百倍甚至千倍。在高速率的同时,光传输不需要额外基站建设,降低了能耗。

3.3绿色,安全

光能绿色环保,对人没有辐射伤害,对环境也没有辐射污染。用光来作为媒介的通信技术,是对人类乃至世界更有利的研究方向。并且,由于光无法穿透物体传输,信息只由人设定的方向传输,大大降低的信息因被拦截而泄露的风险。

4 Li-Fi的研究与发展现状

   可见光无线通信--Li-Fi从诞生之初就被给予了高度重视,短短几年之间,国内外对Li-Fi技术不断进行研发使其一直保持高速发展的态势,现在一些Li-Fi产品已经实现产业化。

    Li-Fi最早是由哈斯教授发明的,20121月哈斯教授带领他的团队成立了PureLi-Fi公司;20139PureLi-Fi出手了价值5000EUR的处女秀产品。国外很多大学也致力于研究Li-Fi并取得了不错的成果,比如剑桥大学、爱丁堡大学和密歇根大学。他们发表的相关学术论文被引用了几百次。

    通过提高智能手机上的LED的性能,就可以解决数据上传的问题,这种思路是可以让Li-Fi走向消费市场的快捷方式[8]。目前已有企业发布的智能手机可以通过可见光进行数据传输,比如CASIO。三星、夏普等企业也在加大投资,争取在产业链上取得优势。日本、德国、美国和英国的一系列企业都加大了对Li-Fi的研究力度并应用于市场,实现了信号的短距离传输。而且,苹果瞄准可见光通信技术,iPhone8或支持Li-Fi

在我国,对Li-Fi技术的研究也没有落后。2011 年,国家提出了863计划,这个计划主要针对Li-Fi技术的研究2013年,可见光通信技术已经进入部分商用领域,相信很快这些科技福利将进入普通家庭的生活当中[9]201310月,复旦大学研发出利用室内可见光进行网络信号传输,上网速率已经可以达到150M,传输的最高速率可以达到3.25G了,这是一个令人十分激动的突破。在201511月,由信息工程大学带头开展的一个国家计划项目取得了重大突破,将可见光通信速率提升到50Gbps,相当于不到1秒钟就能下载完一部超高清电影。

  Li-Fi技术的发展极其迅速,并且对其他行业产业链发展有极其巨大的推动力。Li-Fi技术可以推动LED产业发展。2016年之前,我国出现越来越多的LED芯片厂商,众多的LED生产厂商生产越来越多的LED芯片,导致市场供过于求,面临产能过剩的窘况,因此LED行业不得不重新洗牌,许多小型企业难以生存下去,大量LED厂商选择退出市场。LED产业的发展不断地放缓,导致国内多家LED企业寻找新的出路,而Li-Fi技术的突破有助于我国LED企业开拓新的市场领域,帮助LED产业成功转型。Li-Fi产业链上的LED照明公司如三安光电股份有限公司等在内的LED企业,都已经开展了研发Li-Fi技术的相关工作[10]

   Li-Fi技术也可以推动芯片产业发展。目前Li-Fi信号的传输速率很快,但是Li-Fi信号的传输会受到视线的阻碍并且数据在高速传输方面存在很多不足,这些难题都亟待解决。而使用特殊设计的芯片是可以解决部分问题的。可见LED光源对特定的芯片的需求巨大。所以Li-Fi技术的发展一定会拉动芯片设计的发展。

Li-Fi技术还可以推动互联网以及物联网发展。全球照明网络有难以计数的灯具,可以形成巨大的可见光通信网络。可以想一想,未来某一天实现大规模可见光通信后,每一个灯泡都能当作一个热点,在有LED灯的地方我们都可以高速上网,也可以通过LED光源将各种事物联系起来。这将会对互联网和物联网以及和它们相关产业的进一步发展带来不可估测的前景。

5 Li-Fi技术的应用

    航空航天。对飞机座位上的灯进行改造,每盏灯都拥有一个独立的代码相,让每盏灯之间不产生干扰,使阅读灯成为微型Li-Fi发射端,帮助手机、ipad、笔记本等移动设备进行空中上网,避免使用常规Wi-Fi所发出的无线射频信号,对飞机飞行安全产生影响[11]

交通系统。上下班高峰和恶劣天气会发生交通堵塞情况。若在交通这块上使用Li-Fi,由于其速率快,所以可以即时的通过交通指示灯查询路况情况,给予了司机和交管部门较充裕的时间,合理选择交通路线,来预处理交通堵塞隐患,可以很大程度减轻城市交通负担。另外在车头和车尾安装小型Li-Fi数据收发装置[12],当两车距离小于危险值时,前车可以通过尾灯发出提醒信号,减少交通事故的发生。此外还可以定位,对不清楚路线的车主,进行导航功能。

医疗系统。在医院手术室里使用Li-Fi,首先手术室的照明问题可以不受影响, Li-Fi的频谱是Wi-Fi的一万倍,不会发生电磁干扰,也就不会干扰到医疗设备的使用。

水下作业。利用Li-Fi可以解决无线电波无法传播而导致的通信等问题,可以更多更快的传输和储存数据,更有效的了解水下世界,这样对建造难度较高的水下隧道和跨海大桥将会提供帮助。2014年5月,日本东洋电机研发出通信速率达到50Mbps水下可见光高速通信装置

家居办公。所有普通光源都可以进行改造,这样就可以利用原有的光源来下载浏览文件、浏览网页、下载电影音乐、发微博打游戏等。而且Li-Fi具有的安全性,这对公司安全和个人安全都有了极大的保障。201310月,复旦大学自主研发Li-Fi于实验室取得成功,实现上网功能。

其他领域Wi-Fi 的无线电信号可能会造成干扰,而 Li-Fi 则不会[13]。此外,Li-Fi兼顾照明和通信,在矿井、隧道、偏远地区等特殊环境就可以利用照明设备进行上网、通信和定位。虽然中国Li-Fi尚处于萌芽期,但Li-Fi在成本低的室内导航上的应用已经开始了,据统计现今中国Li-Fi的最大市场应用就是是其室内定位功能。

6 结论与展望

本文通过对Li-Fi的原理、发展、研究现状等方面进行了介绍分析,对可见光通信Li-Fi进行了梳理:Li-Fi作为一种新型的无线传输技术,因其频带更宽、光源易得、安全性高,从诞生之初就受到了极大的关注,被看作是Wi-Fi技术的补充。现今Li-Fi发展迅猛,国内外在Li-Fi领域都取得了一定成就,具有无限的发展前景。

Li-Fi因其独特的优势而运用范围极广,但也有其局限性。如:数据反向传输问题、环境干扰问题、通信距离受限等。我们在上网时需要下载和上传数据,以此才能产生互动,要让可见光照射在Li-Fi的接收源上并不难,但接收源如何去进行反向传输还没得到完美的解决;环境中到处充斥着各种各样的光源,环境光源可能和Li-Fi信号工作在同个光谱频段,此时信噪比过低,信号容易受到干扰;我们都知道光沿直线传播如果前面有物体挡住就无法继续传播,同样的如果Li-Fi信号的接收器被挡住,那么传播信号就会中断 [14];并且Li-Fi无法使用LED灯泡向快速移动的物体发送数据,这也就是说,Li-Fi的发射源和接收源起码要保持相对静止,才能让传输的数据不至于断断续续甚至丢失。这些问题还亟待解决。

不过如今移动通信还在保持持续发展的态势,应用半导体材料进行照明的产业也逐渐壮大,利用LED灯发出的光作为信号源的 Li-Fi技术在未来将具有无限可能性。同时Li-Fi潜在的应用领域多样,未来市场逐步打开,进而实现大规模商用化,推动产业化发展。可见进一步研究与发展Li-Fi是极具价值的。

【参考文献】

[1]. 可见光通信Li-Fi[J]. 中国无线电,2015,(12):54.

[2]郭玲陈金鹰严丹丹史镜名. Li-Fi技术在互联网+的应用[J]. 通信与信息技术2016250-51.

[3]郭春菊. 德物理学家发现新型接受设备Li-Fi利用光照实现联网[J]. 黑龙江科技信息. 20141118-19.

[4]刁习玲. 下一代Wi-Fi技术问世Li-FiWiGig各领风骚[J]. 通信世界. 20161766.

[5]何胜阳. 室内可见光通信系统关键技术研究[D]. 哈尔滨工业大学. 2013.

[6]赵浩强,陈萍,徐洁洁,刘健,喻晓. 对手or队友——浅谈Li-Fi之于Wi-Fi的关系[J]. 计算机时代. 2017227-30.

[7]本刊综合. Li-Fi:点盏灯能上网[J]. 发明与创新(大科技). 20140116-17.

[8]王辰越. Li-Fi来了:灯泡变身路由器[J]. 中国品牌. 201312126-127.

[9]Li-Fi时代.小伙伴们将借着灯光发微博[J]. 今日科技. 20140136-37.

[10]黄文彬.Li-Fi创造智慧应用新场景[J]. 上海信息化. 20161148-51.

[11]Dr.Simmi Dutta, Kameshwar Sharma, Naman Gupta, Tenzen Lovedon Bodh. Li-Fi (Light Fidelity)- A New Paradigm in Wireless Communication[J]. International Journal of Innovative Research in Computer and Communication Engineering, 2013, (8): 1656.

[12]张振中.Li-Fi可见光无线通信技术分析[J].湖南有点职业技术学院学报. 2015 030019-0021.

[13]高健. 秒杀Wi-Fi  Li-Fi让你一秒下载23部电影[J]. 计算机与网络. 2016548.

[14]. 云电脑[J]. 世界电信,2013,(10):6.

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