LED可見光通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀如何？

lifi可見光通信的優(yōu)缺點

Li-Fi(可見光通信)是一種基于可見光通信技術(shù)的無線通信形式，它利用LED燈泡發(fā)出的變化頻率的光信號進行數(shù)據(jù)傳輸。Li-Fi相比傳統(tǒng)的無線通信技術(shù)(如Wi-Fi)具有一些獨特的優(yōu)點和一些缺點。下面是關(guān)于Li-Fi的優(yōu)缺點的一些說明：

優(yōu)點：

1. 高速傳輸：Li-Fi可以提供非常高的傳輸速度，理論上可以達到每秒幾十Gb的傳輸速率。這是因為可見光的頻率高于無線電波，能夠提供更大的頻率帶寬，從而實現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸。

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

3. 安全性：由于Li-Fi使用可見光進行通信，這意味著它的信號難以穿透墻壁，從而提供了更高的安全性。Li-Fi信號不會泄露到無意接收者，從而減少了潛在的安全風險。

4. 無電磁干擾：Li-Fi不會產(chǎn)生無線電波，因此不會對無線電設(shè)備產(chǎn)生干擾。這使得Li-Fi在一些對無線電設(shè)備敏感的環(huán)境(如飛機艙、醫(yī)院等)中更可靠，同時減少了頻譜的競爭問題。

缺點：

1. 可見光范圍局限：Li-Fi依賴于可見光進行通信，因此其傳輸范圍和穿透能力受到光的特性限制?？梢姽鉄o法穿過固體障礙物，因此在信號穿透性上存在一定的局限性。

2. 需要直接可見：Li-Fi的設(shè)備需要直接可見光源，否則無法進行通信。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. 光線強度受限：特定光源的強度會影響Li-Fi的通信質(zhì)量。太弱的光線可能導致信號質(zhì)量下降，從而影響傳輸速率和穩(wěn)定性。此外，強烈的光源也可能干擾接收器的正常工作。

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

lifi為什么沒普及

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間，并且需要與當前的通信基礎(chǔ)設(shè)施進行協(xié)調(diào)。

2. 可見光范圍限制：Li-Fi的傳輸范圍受到可見光的特性限制，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，這在實際應用中可能會受到限制。

3. 兼容性問題：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. 依賴光源：Li-Fi需要直接可見光源，因此在低亮度或沒有光照條件下無法正常工作。這對于在夜間或低光環(huán)境下使用Li-Fi的場景造成一定的限制。

5. 競爭和標準制定：通信技術(shù)領(lǐng)域存在多種競爭性和互補性的技術(shù)標準，如Wi-Fi、5G等。Li-Fi目前還沒有一個明確的全球統(tǒng)一標準，這可能會影響市場推廣和設(shè)備互通問題。

盡管存在這些挑戰(zhàn)和限制，Li-Fi仍具有一些特殊的應用領(lǐng)域，比如特定的室內(nèi)環(huán)境、安全性要求高的場所或環(huán)境受限的場景等。隨著技術(shù)的進一步發(fā)展和普及，以及相關(guān)標準的制定，Li-Fi可能會在未來獲得更廣泛的應用。

lifi技術(shù)可以用在哪些方面

Li-Fi技術(shù)可以應用于以下幾個方面：

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

2. 公共場所：Li-Fi可以應用于公共場所，如圖書館、機場、火車站等，為用戶提供高速的無線網(wǎng)絡連接。由于Li-Fi的頻譜不會與無線電頻段沖突，可以避免無線網(wǎng)絡擁塞的問題。

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)備可以通過接收多個光源的信號，并計算到達時間來確定設(shè)備的位置，以實現(xiàn)室內(nèi)定位、導航和位置服務。

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Li-Fi與其他設(shè)備進行無線通信，實現(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不會產(chǎn)生無線電波，可以在無線電敏感的環(huán)境中使用，如飛機艙、醫(yī)院等。此外，由于光無法穿透水和液體，Li-Fi還可以應用于水下通信和液體環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。

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

可見光通信技術(shù)(visible light communication，VLC)，是利用發(fā)光二極管(light emitting diode，LED)等可見光光源發(fā)出肉眼難以分辨的高速明暗變化光信號來傳輸信息。如圖1所示，以二進制開關(guān)鍵控(On-Off keying，OOK)信號傳輸為例，如果讓光強“亮”代表數(shù)字通信中的“1”，讓光強“暗”代表數(shù)字通信中的“0”，則可見光通信系統(tǒng)的調(diào)制深度決定了燈光的“明”“暗”狀態(tài)變化的大小?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的通信速率則影響燈光的“明”“暗”狀態(tài)變化的快慢。因為人眼有視覺殘留，對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。

對于可見光通信系統(tǒng)來說，只要調(diào)制深度較淺、通信速率較高，則通信時人眼就感覺不到這種光強的變化，但是電子設(shè)備卻能檢測到這些微弱的光強變化實現(xiàn)數(shù)字通信，這就是可見光強度調(diào)制方式的通信原理。燈泡、電視機背光源等LED器件能在不影響原有照明、顯示功能的前提下實現(xiàn)無線通信功能，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，大眾則期待未來用一盞照明燈提供照明、通信甚至無線供能等諸多服務。眾所周知，為了實現(xiàn)高速通信，通信技術(shù)從電通信演進到了光通信;為了實現(xiàn)移動通信，通信技術(shù)從有線通信演進到了無線通信?？梢姽馔ㄐ抛鳛橐环N無線光通信技術(shù)，它兼具了光通信的高速以及無線通信的靈活這兩大優(yōu)點，加上“可見”帶來的操控便捷性，使其成為了一項備受期待的無線通信新技術(shù)。1880年，貝爾用太陽做光源，用硒光電池做探測器發(fā)明了光的無線電話。因為受限于當時材料和器件的約束，該技術(shù)未能商用化。2000年，日本慶應義塾大學 Yuichi Tanaka 等研究人員提出用室內(nèi)照明LED燈組建無線基站(wireless homelink，WHL)的概念，并論證了用照明LED燈來通信的可行性，開啟了可見光通信技術(shù)研究的新紀元。2008年，美國成立了由波士頓大學、Rensselaer理工學院、新墨西哥大學組成的智能照明中心，開展可見光通信技術(shù)研究。2008年，歐洲啟動了OMEGA計劃，由法國電信 Orange Lab 牽頭，包含20多位工業(yè)界和學術(shù)界的成員，如牛津大學、雅典大學、西門子公司等，圍繞高速的電力線載波、超寬帶無線、紅外通信、可見光學通信等技術(shù)開展研究。2008年末，為了依托LED照明，實現(xiàn)無線領(lǐng)域從電磁向光傳輸?shù)难葸M，時任中國科學院院長的路甬祥院士批示中國科學院半導體研究所整合所內(nèi)優(yōu)勢研發(fā)力量，啟動了基于可見光通信的“半導體照明信息網(wǎng)”(solid state lighting information network，S2-link)的研究。

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

1.2 技術(shù)特點

LED的發(fā)光效率理論極限是 350—450 lm/W，實驗室有人已經(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)點已經(jīng)被大眾接受。根據(jù)《2019年中國半導體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展藍皮書》的統(tǒng)計，2019年LED通用照明產(chǎn)品實現(xiàn)節(jié)電3069億度，減少碳排放2.4億噸?；贚ED光源的可見光通信技術(shù)在信息領(lǐng)域的優(yōu)點正在逐漸被大家認知。因為現(xiàn)在的無線電頻譜資源已經(jīng)非常擁擠，待分配的頻譜資源非常有限，要開展新的無線通信業(yè)務就需要拓展新的頻譜資源，太赫茲、可見光頻段是第6代移動通信中被大家看好的新頻譜。

基于白光LED的室內(nèi)可見光通信技術(shù)以可見光作為載波，以室內(nèi)自由空間作為信道，同時具有光通信的高速和無線通信的便捷這兩大優(yōu)點，不過它的通信速率高不過光纖通信，移動便捷性好不過射頻通信。但是隨著移動接入終端用戶數(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)很難給無線用戶提供滿意的用戶體驗。而可見光通信技術(shù)可以簡便地實現(xiàn)空間復用，能在人口密集區(qū)為用戶提供獨享的高帶寬通信鏈路。所以和傳統(tǒng)的無線射頻通信技術(shù)相比，可見光通信具有高速、大容量、安全的技術(shù)優(yōu)點。

可見光的光波頻率約為百THz量級，WiFi的電波頻率約為GHz量級。一般來說光通信比電通信的通信速率要快，且因為頻率相差很大，光通信也不容易受到電磁信號干擾。WiFi使用的IEEE 802.11b/g/n 標準的工作頻段為 2.4 GHz，IEEE 802.11a/ac/n 標準的工作頻段為 5 GHz。日常生活中許多電氣設(shè)備輻射的射頻信號也正好覆蓋WiFi的相同頻段，如：微波爐、藍牙設(shè)備、無繩電話、電冰箱等，所以WiFi無線網(wǎng)絡肯定會受到影響。如果在無線環(huán)境中存在多臺無線設(shè)備，則還有可能產(chǎn)生頻道沖突、無線信號串擾的問題。通常，如果距離無線設(shè)備及通信電纜線路 100 m 內(nèi)有無線電發(fā)射塔、電焊機、電車或高壓電力變壓器等強信號干擾源，則也有可能會對無線信號或設(shè)備產(chǎn)生強干擾，影響有效通信速率。因為光波的通信帶寬比電磁波的通信帶寬要高，所以可見光通信比傳統(tǒng)射頻無線通信更具速率優(yōu)勢?，F(xiàn)在，可見光通信單點高速率的優(yōu)點已經(jīng)初步體現(xiàn)。

為了實現(xiàn)寬帶大容量的無線通信，無線基站技術(shù)的發(fā)展方向是提高蜂窩小區(qū)的復用度。因為光的空間復用性比電的空間復用性要好，能建立比無線電更小的無線光小區(qū)，故可以在給單個用戶提供高速實時通信的同時，通過眾多非常小的無線光通信小區(qū)組網(wǎng)實現(xiàn)無線光網(wǎng)絡系統(tǒng)的超大容量?？梢姽馔ㄐ爬肔ED的透鏡或燈罩把光局限在很小的區(qū)域，故可以通過分割非常多的熱點小區(qū)來提高整個系統(tǒng)的通信總?cè)萘?，在一個幾十平米的房間內(nèi)實現(xiàn)數(shù)十Gbps的無線容量已經(jīng)沒有技術(shù)難點。

可見光通信的信號可見易控，靠燈珠的透鏡、燈具的燈罩和使用場景的窗簾等遮擋物就可以靈活控制信號覆蓋區(qū)域，同時能通過肉眼觀察信號覆蓋區(qū)域，并能有效防止信息泄露。一般現(xiàn)在的無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穿墻更厲害。雖然銀行賬號和密碼等信息會經(jīng)過加密后傳輸，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WiFi釣魚熱點，無線用戶從服務集標識(service set identifier，SSID)上判斷以為是合法的路由器，實際上連接的是別人的釣魚熱點，通信數(shù)據(jù)很容易就被抓包，加密數(shù)據(jù)被破解只是時間長短的問題了。燈光不穿墻，穿窗簾都不行，只要你用自己的眼睛看好了，光沒有外泄，再牛的黑客也沒辦法抓包，用戶不再擔心“第三只耳朵”，能享受前所未有的心理安全感，能滿足大家日益增長的通信安全需求。隨著大家對通信安全性的關(guān)注度不斷增加，可見光通信抗電磁干擾以及防信號泄露的技術(shù)優(yōu)勢也會更加受到重視。

除了高速、大容量、安全的優(yōu)點外，可見光通信的“低能耗”優(yōu)點也開始顯得越來越重要。中國電信技術(shù)創(chuàng)新中心副主任楊峰義在中國通信學會舉辦的“2019 天線射頻系統(tǒng)與5G通信專題研討會”上表示，目前困擾5G發(fā)展的一大難題是功耗。根據(jù)他的報告，2018年中國三家移動通信運營商的移動基站共耗電270億度，總電費240億元。在同樣覆蓋情況下，預計5G的網(wǎng)絡能耗將達到 2430 億度，電費達到2160億元。2019年，隨著5G在中國的商用，5G高能耗的問題已經(jīng)成為了大家擔憂的話題?？梢姽馔ㄐ趴梢岳谜彰?、顯示 LED 來復用實現(xiàn)通信功能，近似于“零能耗”通信。根據(jù)中國照明學會提供的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2016年中國照明用電約7318.7億度，2017年中國照明用電約7963.3億度(功率大)。2017年，中國LED燈在用數(shù)量約為93.6億只(數(shù)量多)。如果利用室內(nèi)燈泡充當可見光通信的無線基站來做高速大容量的無線光通信，在照明節(jié)能基礎(chǔ)上的通信節(jié)能意義也非常大。

2 可見光通信的技術(shù)路線

可見光通信按照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PN結(jié)混成白光，也不含熒光粉，多個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)藍光的PN結(jié)外加黃色熒光粉組成，如圖3所示，單個PN結(jié)發(fā)出的藍光是信號光，激發(fā)的黃色熒光是噪聲光，調(diào)制速率一般會低于單色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?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)常用的半導體探測器是PIN管和APD管，采用APD探測器可以提高檢測靈敏度，從而提高通信距離。可見光通信系統(tǒng)按照信號處理的實時性可分為實時傳輸系統(tǒng)和非實時傳輸系統(tǒng)，非實時傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包含離線處理的環(huán)節(jié)，無法實現(xiàn)不間斷的數(shù)據(jù)通信?？梢姽馔ㄐ偶夹g(shù)研究最初集中在基于照明光源復用實現(xiàn)通信功能，后來為了強調(diào)光通信高速的優(yōu)點，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，對系統(tǒng)的應用價值的理解也見仁見智。目前，該技術(shù)整體還處于新技術(shù)的研發(fā)及應用探索階段。從技術(shù)研發(fā)的情況來看，圍繞如何實現(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，同時基于低速LED照明通信技術(shù)的創(chuàng)新應用研究也是大家關(guān)注的焦點。也就是說，可見光通信研究已經(jīng)逐步分割成不計成本地追求高速大容量的可見光通信和借助已有LED光源低成本地復用實現(xiàn)創(chuàng)新應用這兩大方向。