LIFI技术及其应用与发展

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1、LIFI技术的产生与兴起 
1.LIFI技术出现的背景 
一项基于光源的无线传输技术 LiFi 正在试图改变世界。近日，从复旦大学信息科学与工程学院的实验室里传来了 LiFi 技术成功应用的消息，科研人员将网络信号接入一盏1W 的 LED 灯泡内，灯光所及之处，4 台电脑立即可以正常上网，单向速度最快高达 3.7G/s，速度完胜 10M/s 左右的 4G 网络。一夜之间，“灯光上网”成为社会热点，更有人士大胆预言：LiFi 将是 WiFi 的终结者。对此，有专家提出异议，认为LiFi 与 WiFi 之间并非对立，而是互补。LiFi 若想实现如 WiFi般流畅上网并实现商业化推广，还有很长一段路要走。 
近些年来，无线通讯逐渐变成了像水和电一样的基本生活必需品，人们每天都用它交流，学习，工作等，无线通讯几乎参透入人们生活的每一个角落。无线通讯主要应用电磁波的理论，从容量上说，电磁波有其局限性，它的频谱资源稀少而昂贵，这样局限性使其不能满足日益增长的对数据传输字节或数据。从能效上说，全球有上千上万个基站，它们的无线通讯重要组成部分，但其消耗的能源有不少于70%是用来冷却基站的，大部分能耗浪费在大气中，只有一小部分的能耗为我们提供了通讯服务。于是，LiFi技术很有可能成为解决容量和能耗的问题，作为无线通讯中的重要组成部分。它也有可能与WiFi竞争，成为人们接入互联网的通路。 
1.2 LIFI技术的概念
  LIFI（Light Fidelity） 可见光无线通信(称为LiFi--Light Fidelity)是
利用快速的光脉冲无线传输信息，即光照上网--以LED照明灯发出的光当作网络信号的传输工具。LED光学网络通过可见光来传输网络信号，可以直接利用路灯、室内照明以及公共照明等已有的能耗输出来完成双重任务。灯光上网的特点是低辐射、低能耗，低碳环保。其原理是根据不同速率在光中编码信息，例如LED开表示1，关表示0，通过快速开关就能传输信息。  
2、LIFI技术的发展 
2.1lifi技术的发展历程 
2012年12月，哈斯和他在英国爱丁堡大学的团队最新发明了一种专利技术，利用闪烁的灯光来传输数字信息。通过给普通的LED灯泡加装微芯片，使灯泡以极快的速度闪烁，就可以利用灯泡发送数据。而灯泡的闪烁频率达到每秒数百万次。通过这种方式，LED灯泡可以快速传输二进制编码。但对裸眼来说，这样的闪烁是不可见的，只有光敏接收器才能探测。这类似于通过火炬发送莫尔斯码，但速度更快，并使用了计算机能理解的字母表。使用标准的LED照明灯，哈斯与他的同事戈登·波维创建的研究小组已经达到了两米距离的130兆比特每秒的传输速度。随着白炽灯、荧光灯逐渐退出市场并被LED取代，未来任何有光的地方都可以成为潜在的LiFi数据传输源。 
想象一下这样的场景：在街头，利用路灯就可以下载电影；在家里，打开台灯就可以下载歌曲；在餐厅，坐在有灯光的地方就可以发微博；即便是在水下，只要有灯光照射就可以上网。 
  LiFi另一个巨大的好处是在任何对无线电敏感的场合都可以使用，比如飞机上、手术室里等。 
2013年10月，复旦大学计算机科学技术学院表示该技术在实验室成功实现。研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑即可上网，最高速率可达3.25G，平均上网速率达到150M，堪称世界最快的“灯光上网”。11月，10台样机亮相2013年上海工博会。
目前，通过改进智能手机上的LED(如摄像头、屏幕、闪光灯等)，是LiFi走向大众消费市场的最快路径。哈斯与波维创建了一家VLC(可见光通信)公司，并研发出一款智能手机应用，该应用使一对iPhone实现了低速率的数据传输。在拉斯维加斯举行的2012年消费电子展览会(CES)上，卡西欧发布了两部使用可见光进行数据传输的智能手机。 
  三星、西门子等电子巨头没有错过这场盛宴。三星在2010年就开始利用搭载LED背光的LCD平面显示器试验可见光通讯，西门子在2010年通过白色LED可见光通信，实现了最高500Mbps的通信速度。鉴于LiFi巨大的市场前景，卡西欧、三星甚至与NEC、松下电气、夏普、东芝与NTT等企业一道成立了可见光通讯联盟。 
3、LIFI技术的应用前景 
3.1LiFi的技术优势 
LiFi的技术优势主要在于 
（1）建设便利。灯泡这种设备在早百多年前被人类发明，并在这百多年来灯泡的技术越来越发达。人们可以利用已经铺设好的电灯设备电路，在需要接入网络的地方植入一个芯片即可。例如高速公路上的路灯（如图二），人们在高速行驶的车上能轻易的接收到路灯传来的信号。 
（2）高带宽，高速率。如图三所示，可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的10000倍。目前据报道，实验室测试最高速度可达1Gbps。这对于人们对速度的是个可喜的数据，人们可以随时随地的享受高速带来的体验。 
（3）绿色，低能耗。人们无时无刻都处在“光”这环境中，甚至可以说是光创造了人类，可见光对于人类来说是绿色的，无辐射伤害的一种物质。因此用光来作为无线通信的媒质，是一种对人类发展更健康，更可取的方向。同时用光来通信能减低能耗，因为不需要想基站那样提供额外的能耗。就算是在白天，只要把作为“热点”的灯的亮度降低人眼所觉察不到的程度即可，在夜晚的时候可以作为数据传输和照明的作用。
（4）安全。对于电磁波来说，其可以穿透物体进行传播，从安全角度上看，这可能会被截取而泄露信息。但对于LiFi来说，可见光只能延直线传播，不会穿透墙体的物体。数据只往人们所设定的方向传播，只有利于信息的安全性。 
（5）原料丰富折叠目前的无线电信号传输设备存在很多局限性，它们稀有、昂贵、但效率不高，比如手机，全球数百万个基站帮助其增强信号，但大部分能量却消耗在冷却上，效率只有5%。相比之下，全世界使用的灯泡却取之不尽，   
尤其在国内LED光源正在大规模取代传统白炽灯。只要在任何不起眼的LED灯泡中增加一个微芯片，便可让灯泡变成无线网络发射器。  
3.2LiFi与WiFi技术的比较 
 
 WiFi功能是所有手持设备用户的心头之好。数据显示，2011年，全球4.39亿家庭用户使用WiFi，经过WiFi认证的产品发货量超过了20亿部。   不过，由于每月全球50亿手机传输的高达6拍字节(1拍等于10亿兆)的数据，导致无线局域网和无线通讯网络的无线电频率所剩无几。作为无线数据传输的最主要技术，WiFi利用了射频信号。然而，无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分。而随着用户对无线互联网需求的增长，可用的射频频谱正越来越少。这直接导致越来越多的人抱怨无线信号不稳、网速太慢、经常掉线等。就没有东西能搞定这个难题吗？ 
  Herald Haas教授终于找到了替代技术：利用灯泡发出的光传输数据。他在普通灯泡中植入电子装置，利用光线强度发生的微弱变化传输数据。这种用光波取代无线电波传输数据的新技术叫做LiFi(光保真)技术。将可见光用于LiFi，要调制其输出以使其携带信息，就像WiFi路由器一样。 
不过这一技术也有着自身的局限。雅典Harokopio大学信息学讲师Thomas Kamalakis推荐了Haas的技术，但也表示该技术的潜力不应被高估。他表示：“一个明显的问题是，可见光无法穿透物体，因此如果接收器被阻挡，那么信号将被切断。” 
英国华威大学工程学院助理教授Mark Leeson也持相同看法。他提出：“问题在于，我们的手机如何使用可见光来通信？” 
Haas表示，这是两个现实问题，但他也有简单的临时解决方法。“如果光信号被阻挡，而你需要使用设备发送信息，你可以无缝地切换至射频信号。”他认为，可见光通信并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充的技术，这将有助于释放频谱空间。 
  
主要包括： 
1、产业链限制。从灯光通讯控制到芯片设计制造等一系列关键技术产品，都是研究人员‘动手做’，要真正像WiFi那样走进千家万户，需要通过一系列的产业化发展，还有很长的路要走。目前来讲，产业链里面还缺少重量级的公司加入。 2、技术局限 
同时，Lifi技术本身也有其局限性，例如若灯光被阻挡，网络信号将被切断等等。因此，它并不是WiFi的竞争对手，而是一种相互补充，有助于释放频谱空间。 3、行业规范 
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。 4、发展前景 
其未来，能否产生杀手锏式的应用，还依赖人们无限的想象力：汽车间依靠LED车灯来“对话”，飞机客舱里乘客利用头顶的LED阅读灯来上网„„
4、LIFI技术投入实际应用尚需解决的问题 
4.1LiFi存在两大瓶颈 
研究人员坦言，要想真正的量产应用，除了LiFi技术本身的局限性，例如灯光容易被阻挡等等原因，摆在他们面前的还有两大瓶颈。首先是数据的双向传输问题，上网不仅要下载还要上传，灯光照射在电脑上容易，但电脑或者手机要安装多大的灯泡才能回传数据？“总要有来有回，这才构成通信，我笔记本上安装一个大灯泡就觉得很不自然，回传是个大问题。”迟楠说。 
另一个瓶颈就是芯片，这也是最核心的问题。在迟楠的实验室，她的设备有两个笔记本那么大，如何让它们变成手机一样的大小？这就需要研发芯片。但研发需要大笔的钱，在Wi-Fi已然成熟的前提下，还会不会花大把钱搞一个未知技术的芯片？她认为，这项技术的推广，还要依靠在某个领域率先应用，LiFi要想真正普及，还有很长的路要走。