LED可見(jiàn)光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如何？

lifi可見(jiàn)光通信的優(yōu)缺點(diǎn)

Li-Fi(可見(jiàn)光通信)是一種基于可見(jiàn)光通信技術(shù)的無(wú)線通信形式，它利用LED燈泡發(fā)出的變化頻率的光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。Li-Fi相比傳統(tǒng)的無(wú)線通信技術(shù)(如Wi-Fi)具有一些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和一些缺點(diǎn)。下面是關(guān)于Li-Fi的優(yōu)缺點(diǎn)的一些說(shuō)明：

優(yōu)點(diǎn)：

1. 高速傳輸：Li-Fi可以提供非常高的傳輸速度，理論上可以達(dá)到每秒幾十Gb的傳輸速率。這是因?yàn)榭梢?jiàn)光的頻率高于無(wú)線電波，能夠提供更大的頻率帶寬，從而實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。

2. 大容量：由于可見(jiàn)光頻譜寬度廣，Li-Fi可以提供更大的信道容量，允許同時(shí)傳輸更多的數(shù)據(jù)。這意味著Li-Fi可以在高密度的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中支持更多的設(shè)備連接，而不會(huì)導(dǎo)致速度下降。

3. 安全性：由于Li-Fi使用可見(jiàn)光進(jìn)行通信，這意味著它的信號(hào)難以穿透墻壁，從而提供了更高的安全性。Li-Fi信號(hào)不會(huì)泄露到無(wú)意接收者，從而減少了潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4. 無(wú)電磁干擾：Li-Fi不會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波，因此不會(huì)對(duì)無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾。這使得Li-Fi在一些對(duì)無(wú)線電設(shè)備敏感的環(huán)境(如飛機(jī)艙、醫(yī)院等)中更可靠，同時(shí)減少了頻譜的競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

缺點(diǎn)：

1. 可見(jiàn)光范圍局限：Li-Fi依賴(lài)于可見(jiàn)光進(jìn)行通信，因此其傳輸范圍和穿透能力受到光的特性限制?？梢?jiàn)光無(wú)法穿過(guò)固體障礙物，因此在信號(hào)穿透性上存在一定的局限性。

2. 需要直接可見(jiàn)：Li-Fi的設(shè)備需要直接可見(jiàn)光源，否則無(wú)法進(jìn)行通信。這意味著設(shè)備之間必須保持直接的視線聯(lián)系，不能被物體或障礙物阻擋。這可能限制了設(shè)備的布局和位置選擇。

3. 光線強(qiáng)度受限：特定光源的強(qiáng)度會(huì)影響Li-Fi的通信質(zhì)量。太弱的光線可能導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量下降，從而影響傳輸速率和穩(wěn)定性。此外，強(qiáng)烈的光源也可能干擾接收器的正常工作。

總結(jié)起來(lái)，Li-Fi作為一種新興的通信技術(shù)，在高速傳輸、大容量、安全性和無(wú)電磁干擾等方面具備優(yōu)勢(shì)。然而，其受限于可見(jiàn)光范圍、直接可見(jiàn)要求和光線強(qiáng)度等因素，仍存在一些限制和挑戰(zhàn)。

lifi為什么沒(méi)普及

盡管Li-Fi在某些方面具有吸引力和潛力，但目前它尚未普及的幾個(gè)主要原因如下：

1. 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)：要推廣Li-Fi技術(shù)，需要大規(guī)模安裝和替換光通信設(shè)備，例如在公共場(chǎng)所、辦公室、住宅和城市中安裝Li-Fi設(shè)備和基站。這需要大量的投資和時(shí)間，并且需要與當(dāng)前的通信基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行協(xié)調(diào)。

2. 可見(jiàn)光范圍限制：Li-Fi的傳輸范圍受到可見(jiàn)光的特性限制，不能穿透固體物體。這就要求設(shè)備之間必須保持直接的視線聯(lián)系，不能被物體或障礙物阻擋，這在實(shí)際應(yīng)用中可能會(huì)受到限制。

3. 兼容性問(wèn)題：由于Li-Fi是一種新興的通信技術(shù)，與傳統(tǒng)的Wi-Fi設(shè)備和設(shè)施不兼容。這意味著在推廣過(guò)程中需要更多的設(shè)備更新和兼容性支持，以確保與現(xiàn)有設(shè)備的互操作性。

4. 依賴(lài)光源：Li-Fi需要直接可見(jiàn)光源，因此在低亮度或沒(méi)有光照條件下無(wú)法正常工作。這對(duì)于在夜間或低光環(huán)境下使用Li-Fi的場(chǎng)景造成一定的限制。

5. 競(jìng)爭(zhēng)和標(biāo)準(zhǔn)制定：通信技術(shù)領(lǐng)域存在多種競(jìng)爭(zhēng)性和互補(bǔ)性的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如Wi-Fi、5G等。Li-Fi目前還沒(méi)有一個(gè)明確的全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，這可能會(huì)影響市場(chǎng)推廣和設(shè)備互通問(wèn)題。

盡管存在這些挑戰(zhàn)和限制，Li-Fi仍具有一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，比如特定的室內(nèi)環(huán)境、安全性要求高的場(chǎng)所或環(huán)境受限的場(chǎng)景等。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和普及，以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，Li-Fi可能會(huì)在未來(lái)獲得更廣泛的應(yīng)用。

lifi技術(shù)可以用在哪些方面

Li-Fi技術(shù)可以應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：

1. 室內(nèi)通信：Li-Fi可以在室內(nèi)環(huán)境中提供高速、安全的無(wú)線通信。它可以用于辦公室、學(xué)校、醫(yī)院等場(chǎng)所，提供快速的數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)干擾的通信，并且由于光信號(hào)無(wú)法穿透墻壁，可以提供更高的數(shù)據(jù)安全性。

2. 公共場(chǎng)所：Li-Fi可以應(yīng)用于公共場(chǎng)所，如圖書(shū)館、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等，為用戶(hù)提供高速的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接。由于Li-Fi的頻譜不會(huì)與無(wú)線電頻段沖突，可以避免無(wú)線網(wǎng)絡(luò)擁塞的問(wèn)題。

3. 室內(nèi)定位系統(tǒng)：Li-Fi的高精度和低延遲特性使其非常適合用于室內(nèi)定位系統(tǒng)。利用Li-Fi技術(shù)，設(shè)備可以通過(guò)接收多個(gè)光源的信號(hào)，并計(jì)算到達(dá)時(shí)間來(lái)確定設(shè)備的位置，以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位、導(dǎo)航和位置服務(wù)。

4. 可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)：由于Li-Fi的高帶寬和低功耗特性，它可以應(yīng)用于可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)中。例如，智能手表、智能眼鏡等可以通過(guò)Li-Fi與其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)更快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸。

5. 特定環(huán)境需求：由于Li-Fi不會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波，可以在無(wú)線電敏感的環(huán)境中使用，如飛機(jī)艙、醫(yī)院等。此外，由于光無(wú)法穿透水和液體，Li-Fi還可以應(yīng)用于水下通信和液體環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

需要注意的是，盡管Li-Fi在特定場(chǎng)景和用途下具有一些優(yōu)勢(shì)，但其仍面臨一些挑戰(zhàn)和限制，如可見(jiàn)光范圍限制、設(shè)備之間的直接可見(jiàn)要求等。在實(shí)際應(yīng)用中，需要考慮這些因素來(lái)確定最適合使用Li-Fi的場(chǎng)景。1 可見(jiàn)光通信的原理及技術(shù)背景

可見(jiàn)光通信技術(shù)(visible light communication，VLC)，是利用發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)等可見(jiàn)光光源發(fā)出肉眼難以分辨的高速明暗變化光信號(hào)來(lái)傳輸信息。如圖1所示，以二進(jìn)制開(kāi)關(guān)鍵控(On-Off keying，OOK)信號(hào)傳輸為例，如果讓光強(qiáng)“亮”代表數(shù)字通信中的“1”，讓光強(qiáng)“暗”代表數(shù)字通信中的“0”，則可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的調(diào)制深度決定了燈光的“明”“暗”狀態(tài)變化的大小?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)的通信速率則影響燈光的“明”“暗”狀態(tài)變化的快慢。因?yàn)槿搜塾幸曈X(jué)殘留，對(duì)于老式電感整流的日光燈的 50 Hz 工頻閃爍都不大敏感，通常液晶顯示器的刷新頻率做到 75 Hz 就已經(jīng)算高端了。

對(duì)于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，只要調(diào)制深度較淺、通信速率較高，則通信時(shí)人眼就感覺(jué)不到這種光強(qiáng)的變化，但是電子設(shè)備卻能檢測(cè)到這些微弱的光強(qiáng)變化實(shí)現(xiàn)數(shù)字通信，這就是可見(jiàn)光強(qiáng)度調(diào)制方式的通信原理。燈泡、電視機(jī)背光源等LED器件能在不影響原有照明、顯示功能的前提下實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信功能，這的確是一件令人興奮的事情。于是，科研人員不斷努力提高LED器件的通信速率、系統(tǒng)的穩(wěn)定性，大眾則期待未來(lái)用一盞照明燈提供照明、通信甚至無(wú)線供能等諸多服務(wù)。眾所周知，為了實(shí)現(xiàn)高速通信，通信技術(shù)從電通信演進(jìn)到了光通信;為了實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信，通信技術(shù)從有線通信演進(jìn)到了無(wú)線通信?？梢?jiàn)光通信作為一種無(wú)線光通信技術(shù)，它兼具了光通信的高速以及無(wú)線通信的靈活這兩大優(yōu)點(diǎn)，加上“可見(jiàn)”帶來(lái)的操控便捷性，使其成為了一項(xiàng)備受期待的無(wú)線通信新技術(shù)。1880年，貝爾用太陽(yáng)做光源，用硒光電池做探測(cè)器發(fā)明了光的無(wú)線電話。因?yàn)槭芟抻诋?dāng)時(shí)材料和器件的約束，該技術(shù)未能商用化。2000年，日本慶應(yīng)義塾大學(xué) Yuichi Tanaka 等研究人員提出用室內(nèi)照明LED燈組建無(wú)線基站(wireless homelink，WHL)的概念，并論證了用照明LED燈來(lái)通信的可行性，開(kāi)啟了可見(jiàn)光通信技術(shù)研究的新紀(jì)元。2008年，美國(guó)成立了由波士頓大學(xué)、Rensselaer理工學(xué)院、新墨西哥大學(xué)組成的智能照明中心，開(kāi)展可見(jiàn)光通信技術(shù)研究。2008年，歐洲啟動(dòng)了OMEGA計(jì)劃，由法國(guó)電信 Orange Lab 牽頭，包含20多位工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的成員，如牛津大學(xué)、雅典大學(xué)、西門(mén)子公司等，圍繞高速的電力線載波、超寬帶無(wú)線、紅外通信、可見(jiàn)光學(xué)通信等技術(shù)開(kāi)展研究。2008年末，為了依托LED照明，實(shí)現(xiàn)無(wú)線領(lǐng)域從電磁向光傳輸?shù)难葸M(jìn)，時(shí)任中國(guó)科學(xué)院院長(zhǎng)的路甬祥院士批示中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所整合所內(nèi)優(yōu)勢(shì)研發(fā)力量，啟動(dòng)了基于可見(jiàn)光通信的“半導(dǎo)體照明信息網(wǎng)”(solid state lighting information network，S2-link)的研究。

所以，可見(jiàn)光通信技術(shù)的發(fā)展得益于半導(dǎo)體照明的推廣，它和半導(dǎo)體照明有著密不可分的聯(lián)系。基于照明光源來(lái)復(fù)用實(shí)現(xiàn)通信功能，是可見(jiàn)光通信技術(shù)的基礎(chǔ)使命。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)

LED的發(fā)光效率理論極限是 350—450 lm/W，實(shí)驗(yàn)室有人已經(jīng)把LED的發(fā)光效率做到了 303 lm/W，所以LED在照明領(lǐng)域高效節(jié)能優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)被大眾接受。根據(jù)《2019年中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍(lán)皮書(shū)》的統(tǒng)計(jì)，2019年LED通用照明產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)節(jié)電3069億度，減少碳排放2.4億噸?；贚ED光源的可見(jiàn)光通信技術(shù)在信息領(lǐng)域的優(yōu)點(diǎn)正在逐漸被大家認(rèn)知。因?yàn)楝F(xiàn)在的無(wú)線電頻譜資源已經(jīng)非常擁擠，待分配的頻譜資源非常有限，要開(kāi)展新的無(wú)線通信業(yè)務(wù)就需要拓展新的頻譜資源，太赫茲、可見(jiàn)光頻段是第6代移動(dòng)通信中被大家看好的新頻譜。

基于白光LED的室內(nèi)可見(jiàn)光通信技術(shù)以可見(jiàn)光作為載波，以室內(nèi)自由空間作為信道，同時(shí)具有光通信的高速和無(wú)線通信的便捷這兩大優(yōu)點(diǎn)，不過(guò)它的通信速率高不過(guò)光纖通信，移動(dòng)便捷性好不過(guò)射頻通信。但是隨著移動(dòng)接入終端用戶(hù)數(shù)量的增多，基于頻率、帶寬共享原則的WiFi技術(shù)在人口密集區(qū)已經(jīng)很難給無(wú)線用戶(hù)提供滿(mǎn)意的用戶(hù)體驗(yàn)。而可見(jiàn)光通信技術(shù)可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)空間復(fù)用，能在人口密集區(qū)為用戶(hù)提供獨(dú)享的高帶寬通信鏈路。所以和傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信技術(shù)相比，可見(jiàn)光通信具有高速、大容量、安全的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

可見(jiàn)光的光波頻率約為百THz量級(jí)，WiFi的電波頻率約為GHz量級(jí)。一般來(lái)說(shuō)光通信比電通信的通信速率要快，且因?yàn)轭l率相差很大，光通信也不容易受到電磁信號(hào)干擾。WiFi使用的IEEE 802.11b/g/n 標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段為 2.4 GHz，IEEE 802.11a/ac/n 標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段為 5 GHz。日常生活中許多電氣設(shè)備輻射的射頻信號(hào)也正好覆蓋WiFi的相同頻段，如：微波爐、藍(lán)牙設(shè)備、無(wú)繩電話、電冰箱等，所以WiFi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)肯定會(huì)受到影響。如果在無(wú)線環(huán)境中存在多臺(tái)無(wú)線設(shè)備，則還有可能產(chǎn)生頻道沖突、無(wú)線信號(hào)串?dāng)_的問(wèn)題。通常，如果距離無(wú)線設(shè)備及通信電纜線路 100 m 內(nèi)有無(wú)線電發(fā)射塔、電焊機(jī)、電車(chē)或高壓電力變壓器等強(qiáng)信號(hào)干擾源，則也有可能會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)或設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)干擾，影響有效通信速率。因?yàn)楣獠ǖ耐ㄐ艓挶入姶挪ǖ耐ㄐ艓捯?，所以可?jiàn)光通信比傳統(tǒng)射頻無(wú)線通信更具速率優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)在，可見(jiàn)光通信單點(diǎn)高速率的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)初步體現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)寬帶大容量的無(wú)線通信，無(wú)線基站技術(shù)的發(fā)展方向是提高蜂窩小區(qū)的復(fù)用度。因?yàn)楣獾目臻g復(fù)用性比電的空間復(fù)用性要好，能建立比無(wú)線電更小的無(wú)線光小區(qū)，故可以在給單個(gè)用戶(hù)提供高速實(shí)時(shí)通信的同時(shí)，通過(guò)眾多非常小的無(wú)線光通信小區(qū)組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的超大容量?？梢?jiàn)光通信利用LED的透鏡或燈罩把光局限在很小的區(qū)域，故可以通過(guò)分割非常多的熱點(diǎn)小區(qū)來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的通信總?cè)萘浚谝粋€(gè)幾十平米的房間內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)十Gbps的無(wú)線容量已經(jīng)沒(méi)有技術(shù)難點(diǎn)。

可見(jiàn)光通信的信號(hào)可見(jiàn)易控，靠燈珠的透鏡、燈具的燈罩和使用場(chǎng)景的窗簾等遮擋物就可以靈活控制信號(hào)覆蓋區(qū)域，同時(shí)能通過(guò)肉眼觀察信號(hào)覆蓋區(qū)域，并能有效防止信息泄露。一般現(xiàn)在的無(wú)線路由器能穿兩堵混凝土墻，要是輻射功率大的路由器則信號(hào)穿墻更厲害。雖然銀行賬號(hào)和密碼等信息會(huì)經(jīng)過(guò)加密后傳輸，但是只要數(shù)據(jù)包能被人截獲，就有可能被破解。倘若黑客搭建一個(gè)WiFi釣魚(yú)熱點(diǎn)，無(wú)線用戶(hù)從服務(wù)集標(biāo)識(shí)(service set identifier，SSID)上判斷以為是合法的路由器，實(shí)際上連接的是別人的釣魚(yú)熱點(diǎn)，通信數(shù)據(jù)很容易就被抓包，加密數(shù)據(jù)被破解只是時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題了。燈光不穿墻，穿窗簾都不行，只要你用自己的眼睛看好了，光沒(méi)有外泄，再牛的黑客也沒(méi)辦法抓包，用戶(hù)不再擔(dān)心“第三只耳朵”，能享受前所未有的心理安全感，能滿(mǎn)足大家日益增長(zhǎng)的通信安全需求。隨著大家對(duì)通信安全性的關(guān)注度不斷增加，可見(jiàn)光通信抗電磁干擾以及防信號(hào)泄露的技術(shù)優(yōu)勢(shì)也會(huì)更加受到重視。

除了高速、大容量、安全的優(yōu)點(diǎn)外，可見(jiàn)光通信的“低能耗”優(yōu)點(diǎn)也開(kāi)始顯得越來(lái)越重要。中國(guó)電信技術(shù)創(chuàng)新中心副主任楊峰義在中國(guó)通信學(xué)會(huì)舉辦的“2019 天線射頻系統(tǒng)與5G通信專(zhuān)題研討會(huì)”上表示，目前困擾5G發(fā)展的一大難題是功耗。根據(jù)他的報(bào)告，2018年中國(guó)三家移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)基站共耗電270億度，總電費(fèi)240億元。在同樣覆蓋情況下，預(yù)計(jì)5G的網(wǎng)絡(luò)能耗將達(dá)到 2430 億度，電費(fèi)達(dá)到2160億元。2019年，隨著5G在中國(guó)的商用，5G高能耗的問(wèn)題已經(jīng)成為了大家擔(dān)憂(yōu)的話題?？梢?jiàn)光通信可以利用照明、顯示 LED 來(lái)復(fù)用實(shí)現(xiàn)通信功能，近似于“零能耗”通信。根據(jù)中國(guó)照明學(xué)會(huì)提供的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2016年中國(guó)照明用電約7318.7億度，2017年中國(guó)照明用電約7963.3億度(功率大)。2017年，中國(guó)LED燈在用數(shù)量約為93.6億只(數(shù)量多)。如果利用室內(nèi)燈泡充當(dāng)可見(jiàn)光通信的無(wú)線基站來(lái)做高速大容量的無(wú)線光通信，在照明節(jié)能基礎(chǔ)上的通信節(jié)能意義也非常大。

2 可見(jiàn)光通信的技術(shù)路線

可見(jiàn)光通信按照LED光源的顏色分為單色LED通信、三基色或更多色LED通信、熒光型白光LED通信。通常，單色LED器件不含熒光粉，單個(gè)PN結(jié)的調(diào)制速率就是通信總速率;多色LED器件由發(fā)不同顏色光的多個(gè)PN結(jié)混成白光，也不含熒光粉，多個(gè)PN結(jié)的調(diào)制速率累加就是通信總速率;熒光型白光LED器件常用發(fā)藍(lán)光的PN結(jié)外加黃色熒光粉組成，如圖3所示，單個(gè)PN結(jié)發(fā)出的藍(lán)光是信號(hào)光，激發(fā)的黃色熒光是噪聲光，調(diào)制速率一般會(huì)低于單色LED。按照LED光源功率大小分為大功率LED通信、中功率LED通信、小功率LED通信。一般LED器件功率越小PN結(jié)面積越小、調(diào)制帶寬越高、通信距離越短。可見(jiàn)光通信系統(tǒng)常用的半導(dǎo)體探測(cè)器是PIN管和APD管，采用APD探測(cè)器可以提高檢測(cè)靈敏度，從而提高通信距離?？梢?jiàn)光通信系統(tǒng)按照信號(hào)處理的實(shí)時(shí)性可分為實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)和非實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)，非實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包含離線處理的環(huán)節(jié)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不間斷的數(shù)據(jù)通信?？梢?jiàn)光通信技術(shù)研究最初集中在基于照明光源復(fù)用實(shí)現(xiàn)通信功能，后來(lái)為了強(qiáng)調(diào)光通信高速的優(yōu)點(diǎn)，逐步弱化了照明約束，技術(shù)研究路線呈現(xiàn)百花齊放的態(tài)勢(shì)，對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用價(jià)值的理解也見(jiàn)仁見(jiàn)智。目前，該技術(shù)整體還處于新技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用探索階段。從技術(shù)研發(fā)的情況來(lái)看，圍繞如何實(shí)現(xiàn)高速大容量的LED照明通信的技術(shù)研究以及核心器件研發(fā)是研究熱點(diǎn)，同時(shí)基于低速LED照明通信技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用研究也是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。也就是說(shuō)，可見(jiàn)光通信研究已經(jīng)逐步分割成不計(jì)成本地追求高速大容量的可見(jiàn)光通信和借助已有LED光源低成本地復(fù)用實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新應(yīng)用這兩大方向。