Li-Fi：照亮通向更高通信數(shù)據(jù)速率之路

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無線電頻譜是一種寶貴資源，并且很快就會被占用完畢。不用多久，城市地區(qū)的Wi-Fi用戶就會意識到附近路由器產(chǎn)生的干擾會如何影響網(wǎng)絡設備可以實現(xiàn)的通信性能。對這個問題的第一種回應是簡單地增加更多的頻帶，除了最初的2.4GHz頻段（仍需要與藍牙等許多其他協(xié)議共享）外，Wi-Fi還增加了對5GHz附近更多信道的支持。但是，由于還有太多其他應用需要占用這部分RF頻譜，Wi-Fi可以擴展的頻帶數(shù)量受到嚴格限制。

隨著時間的推移，更先進的Wi-Fi設備開發(fā)人員通過采用各種技術將更多數(shù)據(jù)納入核心頻譜來應對頻率限制問題，這些包括在每個無線電符號中發(fā)送多個數(shù)據(jù)位元的高級調(diào)制方案，以及能夠?qū)鬏斠蚋鱾€接收器的天線分集增強功能等等。其他方案已將Wi-Fi移至10GHz以上的頻率范圍，這樣可以提供更高的帶寬信道以及相應的高數(shù)據(jù)速率。但是，為什么不進一步提高電磁頻譜并利用紅外或可見光呢？

可見光通信已經(jīng)部署到點對點回程應用，以實現(xiàn)超過100Mbit/s的數(shù)據(jù)速率，而在深峽谷等應用場景中，鋪設電纜根本不可行。目前也正在研究基于光的數(shù)據(jù)傳輸，用于改善大氣層之上和海洋中系統(tǒng)的連通能力。RF在水中散射很快，因此很難采用具有相應低數(shù)據(jù)速率信號的極低頻載波，并在其之上建立可靠的通信。根據(jù)最近的研究，盡管水也強烈吸收可見光頻率的紅色長波端，但藍綠色激光可以在數(shù)十米距離以高達100Mbit/s的數(shù)據(jù)速率進行傳輸。針對更遠距離應用，美國宇航局已經(jīng)開始使用調(diào)制紅外激光進行地對空通信試驗。622Mbits/s信道通過與軌道衛(wèi)星進行通信的不同地面站之間進行切換，避免了由于云霧造成的衰減。

Li-Fi版本可見光通信針對的是更實際應用。盡管進行了一些調(diào)整，但這種技術的開發(fā)是為了利用標準燈具中的LED。許多商用LED燈具使用高亮度組件，這些組件在光譜的藍色末端產(chǎn)生光，黃色磷光體涂層將光的整體顏色變?yōu)榘咨Ａ坠怏w的作用是降低施加在光源上任何幅度調(diào)制的影響，從而將其帶寬限制在2MHz左右。但是，如果接收器濾除黃色分量，則原則上可以實現(xiàn)高達1Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。通過使接收器響應具有可調(diào)色燈具的不同組件（通常使用紅色、綠色和藍色LED的混合），可以將數(shù)據(jù)速率提高到5Gbits/s或更高。由Harald Haas教授（他創(chuàng)造了Li-Fi一詞）領導的愛丁堡大學（University of Edinburgh）團隊實驗表明，在照明器中添加激光二極管并使其并行傳輸，可以實現(xiàn)超過100Gbit/s的傳輸速率。

Li-Fi與在10GHz以上無線電頻譜中運行的Wi-Fi版本共享一些應用屬性。隨著載波信號頻率增大，RF通信變得更具方向性。盡管使用10GHz以上信道的協(xié)議（例如5G蜂窩網(wǎng)絡）會利用反射來提高接收性能，但通信信道仍將主要基于視距傳輸。

由于Li-Fi具有更強的方向性，因此它允許構建“ attocell”，例如，一個在筒燈（downlight）下操作的單個用戶擁有自己的帶寬。但是，Li-Fi并不是純粹的視距技術，它具有一定的能力去利用反射，從而不再需要嚴格保持視線傳輸路徑。這可以通過使用編碼系統(tǒng)（例如正交頻分復用（OFDM））來實現(xiàn)，這種系統(tǒng)比早期Li-Fi實驗中采用的簡單二進制代碼更為復雜。

Li-Fi較強的方向性在安全性應用方面具有潛在優(yōu)勢。由于信號在很大程度上不受發(fā)射器下方錐形光的影響，根本不會穿透堅固的墻壁。例如IEEE 802.11ax等一些提議的60GHz Wi-Fi傳輸方案采用的技術使穿過墻壁傳輸信號成為可能，因為該標準工作組認為這對于家庭的整體采用至關重要。在使用Li-Fi時，任何想要攔截信號的黑客都必須靠近發(fā)射器和合法的接收器，僅此要求就明顯增大了被檢測出的機會。IEEE 802.11bb工作組提出的一個應用案例是具有Li-Fi功能的臺燈，它可以在用戶計算機和核心網(wǎng)絡之間提供安全的無線連接。從設備到燈具的上行鏈路信道是采用在紅外區(qū)工作的較小發(fā)射器。這樣可以避免干擾下行信號，并具有不分散設備用戶注意力的好處。在技術發(fā)展的早期階段，人們擔心用戶是否會注意到Li-Fi發(fā)射器的變化，其調(diào)制速度是如此之高，除了總光輸出的顏色平衡可能發(fā)生偏移之外，其它影響并不明顯。盡管如此，這也是燈具設計師能夠補償?shù)囊粋€因素。

在把Li-Fi安裝到天花板燈上時，其潛在的缺點之一是同信道干擾。在這種情況下，光錐產(chǎn)生交匯，因此接收器不會從任何一個發(fā)射器獲得清晰信號?；贠FDM的編碼方案除了能夠利用從墻和其他用于通信的物體反射光之外，還有助于克服上述問題。?IEEE 802.11bb工作組制定了一個協(xié)議，至少可提供10Mbits/s的數(shù)據(jù)速率，并可能提升到5Gbits/s的峰值，這是廣泛采用的基于5GHz載波IEEE 802.11n?Wi-Fi速率的十倍。Wi-Fi的最新版本以及當前更昂貴的IEEE 802.11ac版本縮小了這一差距，它可以提供1.73Gbits/s的速率。

Wi-Fi技術的一個承諾是達到與Li-Fi峰值數(shù)據(jù)速率基本一致，這種競爭是源自采用60GHz左右載波頻率的IEEE 802.11ax和802.11ay版本W(wǎng)i-Fi。這些標準改進了在首次嘗試構建60GHz Wi-Fi-IEEE 802.11ad時遇到作用距離過短問題。一些測試已將IEEE 802.11ay的最大作用距離擴展到300m，使其適用于辦公網(wǎng)絡。但是，其使用模式與Li-Fi不同，一個主要區(qū)別在于，802.11ay單個路由器可以為多個用戶提供服務，而Li-Fi支持者則希望充分利用attocell的概念，回程網(wǎng)絡可以為同一房間內(nèi)的多個用戶提供Gbit/s級傳輸服務。

表1：?Wi-Fi和Li-Fi的比較。

IEEE 802.11ay與其他大多數(shù)協(xié)議之間的另一個區(qū)別是，它可以執(zhí)行其他服務，這些源于其用來補償障礙物的算法。就潛在能力而言，路由器可以映射房間，檢測人員的存在，甚至可以確定手勢。在Li-Fi環(huán)境中，這些功能很可能會在單獨的攝像頭幫助下實現(xiàn)。

考慮到Wi-Fi全新技術的出現(xiàn)，Li-Fi在傳統(tǒng)家庭和辦公室部署還需要很大的努力，但基于光的通信技術在某些環(huán)境中卻具有明顯的優(yōu)勢。例如，在飛機上，用于為乘客提供多媒體服務的電纜重量是提高燃油效率的主要障礙之一，通過用支持Li-Fi的LED替換每個座位上的常規(guī)照明燈，Li-Fi可以為乘客提供高速率數(shù)據(jù)傳輸。在醫(yī)院手術室等RF干擾是重大問題的應用中，Li-Fi提供了一種高帶寬通信解決方案。對于工業(yè)系統(tǒng)，尤其是那些具有高爆炸風險的工業(yè)系統(tǒng)，Li-Fi可能是一種更安全的技術。例如，處理細粉和揮發(fā)性化學物質(zhì)的工廠不能輕易采用高頻RF通信，數(shù)據(jù)電纜需要嚴格的保護措施。

由于Li-Fi新穎的技術，它可能會在以前難以進行高速通信的環(huán)境中實現(xiàn)更多應用。但是，對于大多數(shù)情況而言，如果數(shù)據(jù)容量和便利性是非常重要的考慮因素，Li-Fi和Wi-Fi之間的選擇很可能取決于具體應用的要求?！　?/p>