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Li-Fi技术 —— 为物联网提供新思路

作者:  时间:2019-04-19 21:24  来源:

Li-Fi 技术

随着物联网设备市场的增长,传感器将部署到越来越多的设备和场所中,按目前移动设备的指数级的发展趋势,到2019年时会有超过100亿部移动设备每个月将会交换35万兆比特的信息,而这还仅仅是移动端的数据。

更加快速以及大量的数据传输会变得越来越重要,如果物联网继续以目前预测的速率进行增长,那么我们目前的基础设施将无法处理这样的数据传输要求。但是科学家已经发现了一种比传统Wi-Fi传输数据速度要快100倍的方法,而你需要做的仅仅是打开电灯。

如果我们希望大数据和物联网继续发展,那么Li-Fi就是目前唯一可行的解决方案。仅仅需要加入一个微小的微型芯片就可以变成Li-Fi发送器,最终,全世界超过140亿的灯泡将会变成140亿个发送器。

Li-Fi是运用已铺设好的设备(无处不在的LED灯),通过在灯泡上植入一个微小的芯片形成类似于AP(Wi-Fi热点)的设备,使终端随时能接入网络。该技术通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输,只要在室内开启电灯,无需Wi-Fi也便可接入互联网。

什么是Li-Fi

Li-Fi是英文 LightFidelity 的缩写,它是一种双向、高速、完全网络化的无线通信技术,同时它也是一种可见光通信的形式,属于无线光通信的一部分。无线光通信包括红外和紫外通信,也包括可见光通信。然而,Li-Fi是一种独特的形式,因为它既可以用于照明,也可以同时用于通信。

Li-Fi技术由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家Harald Hass教授发明。在2011年的一次TED演讲中,首次将这种可见光通信技术称为“Li-Fi”,从此Li-Fi 技术开始进入公众和媒体视线。

Li-Fi技术通过对于光线强度的调制来传输数据,LED灯能以人眼无法察觉的速度进行闪烁,从而传输数据——这有点像高科技的莫尔斯电码。这种光的闪烁频率极高,肉眼是无法察觉的。只有光敏探测器才能检测到这种光线变化,然后将其转化成电信号的形式。

每个设备都被赋予了独特的波长,Li-Fi系统使用的光栅可以同时处理许多光线,保证多个设备接入时上网同样流畅。这种设置使得任何两个设备不会共享连接,这样一来就不会出现网络拥塞,而网络拥塞正是现在Wi-Fi网络连接慢的常见原因。

事实上,科学家已经在实验室中演示,表明通过这种方式可以实现每秒钟传输224千兆的信息,这相当于18部1.5G的电影。在一个办公室环境下,其信息传输速度可以达到传统Wi-Fi速度的100倍。除此之外,Li-Fi并不会产生和Wi-Fi一样的电磁干扰,这意味着它也可以应用于很多非常敏感的环境中,例如医疗机构。

Li-Fi工作原理介绍

Li-Fi是利用快速的光脉冲无线传输信息,根据不同速率在光中编码信息完全可行。最基本的信号就是‘1’和‘0’,如果我们将灯光打开状态设定为‘1’,灯光关闭状态设定为‘0’,那么通过灯光的开关就可以实现数字信号的传输。在条件足够的情况下,灯可用有线的方式接入骨干网络,让室内的所有设备都能进行无线通信接收。

总的来说,Li-Fi的工作原理是将可见光源作为信号的发射源(光信号),通过控制安装有特制微芯片的LED灯的亮、灭,来与终端接收器之间进行通讯(光信号转译成普通电信号)。而起到连接器作用的LED灯根据目前的了解,它也仅仅是我们家中所使用的普通LED灯,这也多少为今后Li-Fi的大范围普及降低了不少门槛。

如下图所示:LED灯具利用信号处理技术,将数据嵌入到光束中,并且以超高的速度发给光电探测器,然后这种微小的光线变化会被转化为电信号,再转回数据流的形式,发送给计算机或者移动设备。

无线射频通信需要射频电路、天线和复杂的接收器。然而 Li-Fi 要简单的多,它使用的直接调制方法,和低成本红外通信设备使用的方法类似。红外通信为了不损伤眼睛,所以功率受限。然而,LED灯泡可以具有高亮度,能够达到很高的数据传输率。

Li-Fi的光源选择

作为兼顾照明和通信的新技术,Li-Fi在追求高传输速率的同时,不能影响照明的质量和要求,尤其是在光源的研制上。Li-Fi的光源既要具备通信光源调制性能好、发射功率大和响应灵敏度高等优点,又要满足照明光源高亮度、低功耗和辐射范围广等特点。

1. LED:LED的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率。目前Li-Fi技术采用的光源大多数是白光LED,很大一部分的原因得益于LED技术的快速发展。现阶段商用的白光LED产品根据光谱成分的不同,主要分为两大类:PC-LED和RGB-LED。

白光LED的实现方式主要有:蓝色LED芯片激发黄绿色荧光粉转换成白光(PC-LED)、紫外光或紫外LED激发三原色荧光粉产生白光和红、绿、蓝3种LED芯片封装在一起混合产生白光(RGB-LED)。

2. LD(激光二极管):由于研究人员不满足LED调制达到的数据传输速率,激光二极管替换了现有的LED,利用激光器的高能量与高光效,传输数据的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波长的光产生白色光,类似于RGBLED。

虽然基于LED的Li-Fi可达到10Gb/s的数据传输速率,可以改善Wi-Fi中7Gb/s的数据传输速率上限,但是激光传输数据的速率可以很容易超出100Gb/s。在通信方面,激光二极管相比于LED,具有更快的响应速度、可以直接进行调制和耦合效率高等优点。

Li-Fi有哪些优点

Wi-Fi的问题在于信号覆盖范围小,尤其是面对墙壁,也容易被黑客劫持。虽然近年来带宽增加,但当太多人同时访问 Wi-Fi时,速度非常容易变慢。增加更多的Wi-Fi最多只是一个部分的解决方案。它不能解决安全问题,只能部分解决可扩展性问题,相比于当前主流的Wi-Fi通信技术,Li-Fi有如下优势:

广泛性:LED的响应时间短、寿命长和无辐射,所有的LED灯都可成为互联网的基站。

数据密度: Li-Fi具有1000倍于Wi-Fi的数据密度,因为可见光可紧密低包含于照明区域中,而射频通信往往会发生分散,造成干扰。

高速度:因为低干扰,高设备带宽和高强度光学输出,所以数据率十分高。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。

宽频谱:无线电波的频谱很拥挤,而Li-Fi的频谱宽度(约400THz)比无线电波多10000倍,无需频谱的使用许可执照,也解决了全球无线频谱资源严重短缺现状。

高效率:无线电波基站的效率只有5%,大多数能量只是消耗在基站的冷却上,而Li-Fi的数据可以并行传输,同时提高效率。

低成本:利用已有的照明线路可实现光通信,不必新建基础设施。

高保密性:只要遮住光线,信息就不可能向照明区以外泄漏。

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。射频在水下十分难以传输,但是Li-Fi可以在水中很好传输。

安全节能:地球上的生命已经适应暴露在可见光中,所以该技术没有健康方面的忧虑。LED照明本身就是节能的,数据传输只需要微不足道的额外功率。

Li-Fi有哪些缺点

当然,这种方式也有一些缺点。例如,在阳光充足的白天,接收器将无法区分信号;和Wi-Fi不同,Li-Fi信号不能通过墙壁...... Li-Fi都有以下缺点:

● 反向通信:从LED灯泡发射信号到手机上的光电二极管只解决了问题的一半,如何从手机发信号回去才能保证通信链路畅通(当然可以用无线电通信作为补充,不过这让这个技术的标准化变得很难)。没有人希望自己的手机在欣赏视频的时候还亮着大灯泡。

环境干扰:环境光源有时候会工作在同样的光谱频段,这时候如果环境光源比较强,很有可能Li-Fi会无法正常通信,由于信/干噪比(SINR)太差。你能容忍太阳光太强的时候,屋里面没法正常通信吗 —— 没错,你手里的红外遥控器在阳光太强的时候有可能会失灵,Li-Fi也一样。

通信距离:虽然在实验室中有论文号称通信能达到1Gbps的带宽,在一般没有专家指导的安装环境中,这实际上很难达到。可以期待的带宽应该在Mbps范围。

竞争技术:并不像Li-Fi的声称者所说的那样,无线电通信就不能做到Li-Fi的优点,实际上Wi-Fi联盟正在制定一个新的标准802.11ad,在60GHz通信,也具有带宽大(~7Gbps)、距离短(~10m)、保密性能好(无法穿墙)等等特点。个人的经验,要知道一项技术好不好,不仅要听技术的倡导者怎么说,更要听技术的竞争对手怎么说。

关联技术:搞可见光通信,就意味着做出来的产品不仅要符合通信的标准,还要符合可见光的技术规范。相关的产品要有更多的认证工作要做,这可能不是一两年就可以完成的。而且怎么通过有线把通信网络接入每个灯泡,也不是那么简单的,目前比较有希望的是同电力线通信(PLC)联合。

标准化:目前802.15.7还刚刚起步甚至没有一个统一的标准,前面还有漫长的路要走,要形成一个有影响力的产业,不是一家公司能够做到的。目前来讲,产业链里面还缺少重量级的公司加入。

随着物联网的发展,联网的设备将在2020年左右超过500亿个,无线频谱资源匮乏引发的带宽危机,已经越来越严重。另外,每年世界所需要使用的无线数据量也在不断增加。所以,Li-Fi 为解决这些挑战提供了一条新思路和方案,也将有助于提高新加坡在未来5G和物联网领域的国际竞争力。

Li-Fi 是 Wi-Fi 和4G / 5G 的补充,不是替代品。Li-Fi可以被用于路灯,作为智能城市应用的接入点。家用电器的指示灯可以通过天花板灯将这些设备连接到互联网,而带有集成 LED 的可穿戴式设备可以监控健康参数并将数据发送到互联网。



本文来自Open Connectivity Foundation微信公众号

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