可见光通信世界里的LiFi

1. 背景介绍

为什么需要LiFi？

一是，移动数据流量在急速增长，需求越来越大，而且据统计，超过70%的流量来自于室内。

二是有限的射频频谱极度拥挤，而可见光波段范围在400~700纳米之间，大概是射频频谱的10000倍。可见，LiFi的问世，能够为我们提供潜在的非常高速且大容量的通信。

LiFi的起源

照明光源随着人类社会的需求和进步，在提高发光效率、降低发热占比、延长照明灯寿命三个方面上经历了从油灯→白炽灯→日光灯→LED光源四个演变过程。

目前基本覆盖了全世界的LED光源，其发光效率超过了50%，发射占比低于50%，寿命也已经能够做到超过50000小时之久的资质了。可想而知，LiFi有着独天优厚的丰富照明光源作为支撑点。

可见光通信LiFi的两种定义

广义上是指利用可见光波段载波进行通信的技术（包括激光、LED光等等）；狭义上是指利用照明白光LED进行通信的技术，实现照明-通信一体化。

与激光存在的本质区别在于，照明白光属于非相干光，也就是说无相位信息，只能通过幅度来进行调制。

可见光通信LiFi的基本工作原理

首先，二进制数据先经过调制（比如可以映射为OFDM信号），然后进行直流偏置产生的信号用来驱动LED发光，这时光源就在自由空间信道中“活动”。而接收端先利用聚光透镜和一个光学滤波器接收光源，光源经过一个光电探测器将光信号转为电信号，最后通过放大和解调就能够恢复出所传输的二进制数据。

一个概念：

LiFi光attocell：指的是小覆盖范围的密集组网，这种组网方式能够提高频谱效率，实现高速室内通信。

未来的通信网络架构必定是一个异构网络，就是说多种通信途径（如3G/4G/5G，WiFi，LiFi）融合起来，满足室内室外的通信需求以及更高的通信质量。

VLC应用场景

2. 相关技术

研究现状

目前可见光通信的研究主要有两方面的成果：
基于自适应OFDM调制的单片LED传输目前达到了3Gbit/s的传输速率；而基于WDM和OFDM的RGB LED 则实现了高达10.2Gbit/s的传输速率。远高于WiFi的传输速率。

技术挑战

虽有如上显著成果，但可见光通信仍然存在一些关键问题。

一是商用LED的调制带宽以及动态范围较小，因此无法加上过大的交流信号，否则会出现信号失真现象。同时，商用LED具有很明显的非线性效应，也就是说加载的信号与输出的信号是存在一定的畸变滴。

二是小区内部缺乏保密性而且由于LiFi光attocell的特点是密集组网，所以会导致小区之间以及用户之间存在明显干扰。

三是由于在可见光通信中通常都是使用LED阵列来实现比较均匀的照明，这时就会涉及到多输入多输出传输（MIMO），而一般情况下都是采用视距传输，这就导致接收机的距离不会太大，所以这时候就会出现信道相干性较强的现象，因此MIMO传输所带来的速率就被限制到了。

这些挑战都是制约着可见光通信lifi技术发展比较关键的问题，因此非常值得进一步探讨和解决。

多小区干扰问题解决方法

主要有三种解决方案：

第一种不同的小区采用不同的频率，即根据频谱划分来区分不同的小区；

第二种采用偏振复用技术来解决；

最新的解决方案则是利用拥有角度分解特性的接收机来抑制小区之间的干扰。

提高多用户VLC系统的容量解决方法

主要有四种解决方案：

在发射端进行预编码操作；

采用传统OFDMA方式；

采用基于功率密度叠加编码和串行干扰消除（SPC/SIC）的非正交多址技术（NOMA）来解决；

提出一种基于星座分割编码（CPC）和非均匀星座解码（UCD）的新型非正交多址技术（NOMA）来解决。根据实验研究验证，第四种方法能够使得系统的有效功率分配范围得到明显扩大，这意味着系统更加灵活同时获得更高的传输速率。

3. LiFi问&答

目前市场上已经有LiFi产品了吗？

目前市场上的LiFi主要是由国外企业发布的，并且几乎都是演示性的产品，能够大规模商用的产品可以说是寥寥。据悉，华创芯光会在近两个月发布国内第一款基于台灯照明的商用性光通信产品。

可见光通信会受到来自其他边缘光源的干扰吗？

可见光通信依赖的是视距直线传播的链路，所以具有很强的方向性，虽然会存在一定程度的干扰，但由于其他光源的入射角度比较大，能够被接收到的部分其实是很弱的，另外，可以通过在接收端加上一个光学滤波器来滤除绝大部分背景光源解决这个干扰问题。

LiFi和WiFi有哪些明显区别？

二者的区别还是相当明显的。一是用到的是不同波段的频谱，二是在技术上，WiFi能够传输有相位信息的复数信号，而lifi只能传输仅包含强度信息的实数非负信号。

接收机偏转时信号是怎么采集的？

由于可见光通信采用视距传输，所以它的能量很集中，不像多径效应会导致能量损失多。当接收机出现随机旋转时，可以通过动态选择AP来避免手机接收不到背对着的那个光源的信号。当出现阻挡或隔光现象时，这时解决方案包括设计异构系统，譬如将lifi与WiFi融合来解决这类问题。

WiF存在i的热点跳变现象，LiFi能否解决？

用户穿梭于不同小区时会出现网络不断切换的现象，其实会造成网络层的负担。从物理层考虑的话，当用户从一个小区进入到另一个小区时，通过角度分解接收的方式，其通信质量其实并不会因为进入不同小区导致手机收不到信号或者说通信质量性能降低的问题的。其实VLC的这个优点与其不存在多径效应现象也是有关系的。

发光光源器件和接收器并非完全线性器件，从物理层角度，对这种非理想器件产生的一些问题有无解决方法？

从物理层方面考虑的话，可以通过数字信号处理或者在前端进行预均衡而在后端进行后均衡来补偿从而降低非线性的影响，虽然技术上的复杂程度会变高，但是这类问题是能够有效解决的。