lifi Lifi，什么样的光源才能用作可见光通信

简介:LiFi作为一种兼顾照明和通讯的新技术，在追求高传输速率的同时，尤其是在光源的发展上，可以不影响照明的质量和要求。LiFi光源不仅要具备通信光源调制性能好、传输功率高、响应灵敏度高的优点，还要满足照明光源亮度高、功耗低、辐射范围宽的特点。

近年来，随着白光发光二极管技术的蓬勃发展，可见光通信已经成为新一代无线通信技术的研究热点之一。VLC也被称为光保真。2011年，来自爱丁堡大学的德国物理学家哈达尔·哈斯教授在TED大会上发表了关于LiFi技术的演讲，并首次将LiFi称为“VLC”。

LiFi是一种基于光的新型无线通信技术，结合了光的照明功能和数据通信功能，如图1所示。LiFi在不影响LED照明的情况下调制LED光源上的信号，通过快速切换产生人眼不易察觉的高频闪光信号来传输数据。

其中c是光速，n是折射率。如果在LD的激射区忽略自发辐射，即σ=0，从公式可以发现调制带宽和注入电流密度是线性相关的，但实际的半导体激光器存在下垂效应，除了主模外，边模也有很强的弛豫振荡。因此，在微腔的微小体积中，自发辐射因子相对较大。普通激光器的σ为10-5 ~ 10-4，而微腔激光器的σ可提高到0.1以上，甚至接近1。

虽然LiFi可以选择激光二极管作为光源，2014年诺贝尔物理学奖获得者之一中村修二预测激光照明可能在未来取代LED照明，但目前的主流照明技术仍然推广高性价比、技术相对成熟的LED。针对LiFi光源的特点，开发高亮度、高效率、高速调制的LED器件，可以加速LiFi技术的商业化。

LiFi光源的颜色

与WiFi只注重提高通信性能不同，LiFi照明系统在保证照明质量的同时，必须考虑提高通信性能。所以LiFi的光源，不管是LED还是LD，都是输出白光的，白光的颜色质量对于照明很重要。

通过光谱功率分布可以计算出LED灯的颜色特征参数。SPD是输出强度分布相对于光波长的数学表达式，可以提供关于光谱成分的详细信息。在LiFi系统中，SPD会随着LED驱动电流的变化而偏离。偏离的SPD会导致感知的色点漂移并影响显色特性，而LiFi中的特殊调制技术更容易导致颜色质量下降。利用SPD模型测量驱动电流变化引起的SPD偏差，可以评价LiFi调制的色彩质量。

但用SPD模型表征LiFi的颜色质量有很多缺点:模型中需要大量的拟合参数，只能通过LED测试的经验获得；SPD模型设计是基于相对静态的条件，不能解释高频电流振荡下的LiFi很难用一个SPD模型适用于所有的LED类型，比如不能解释PC-LED中荧光粉材料的额外影响。另一方面，它可以实时检测LiFi在工作条件下的颜色特征。对于高亮度的LED产品，LED厂商需要提供不同驱动电流和调制频率下的颜色数据，如SPD、色坐标、显色指数。

由于LiFi在传输数据或空空闲状态时需要提供足够亮度的无闪烁照明服务，因此LiFi设备需要具备闪烁消除和亮度等级功能。在IEEE par 1789《LED照明闪烁的潜在健康影响》中，采用波动深度来评价闪烁问题。LiFi光源的调制频率至少是每秒百万次，所以LiFi光源的闪烁是无风险的。在亮度方面，除了开关键控和可变脉冲位置调制外，还有CSK调节。

2011年9月，制定了最高传输速度为95兆位/秒的可见光通信国际标准——IEEE 802 . 15 . 7，标准制定委员会的首要任务是推动“照明第一，通信第二”。

标准中，PHYⅰ和PHYⅱ分别支持OOK调节和VPPM调节，PHYⅲ采用CSK调制，支持多光源带宽。可见光分为七个波段，用三位来识别不同的波段ID号。CSK根据波段ID号，将数据调制在不同波长的光波上，并行传输，提高了光谱利用率。通过选择颜色ID来改变组合，达到亮度等级的目的。至于LED光源，PHYⅲⅲ只在RGB-LED器件下工作，适合短帧传输，所以CSK调整的LiFi光源可以选择RGB-LED或者RGB-LD，适合室内通信。

LiFi系统的光源布局

LiFi可广泛应用于智能照明、车辆交通、医院、办公室、飞机、国防安全、水下通信、室内定位、危险环境。).特别是室内定位，美国的ByteLight公司和中国的华策光通信开发了基于白光LED的室内定位系统，可以实现室内信息推送和定位服务的LiFi单向传输。

但是室内LiFi系统面临着很多技术问题，比如带来安全，如果光线被遮挡，信号会被破坏；LiFi的双向数据传输。HardalHass教授也认为LiFi不会取代WiFi。对于室内通信，LiFi可以很好的补充WiFi。但是在一些无线电波受限的地方，LiFi有很好的应用空。由于照明和防止阴影效应的影响，需要在室内安装多个发光二极管灯，因此光源的合理布局是影响照明和系统性能的关键因素。

为了满足室内照明的要求，光源的布置既要使室内照度和照度均匀性达到相应的标准要求，又要有利于人们活动的安全和舒适。光源应选择光效高、色温合适、寿命长、可靠的产品。室内照明布局需要考虑基本照明、重点照明、装饰照明和应急照明的要求。

考虑到LiFe系统中不同路径引起的符号间干扰、室内人员移动和物理阴影效应对通信系统的影响，可以采用正交频分复用方案来提高LiFe系统的整体性能，实现带宽资源的有效利用，同时兼顾强调照明中的LiFe通信。比如基于PC-LED的LiFi系统，通过滤除响应速度慢的荧光成分，可以扩大调制带宽，还可以抵抗多径效应，实现高速数据传输和通信。然而，这种系统是否能满足照明均匀性尚未得到证实。

总结

作为一种相对于WiFi的通信技术，LiFi吸引了越来越多的关注和研究。根据LiFi光源的要求，从当前光源选择、光源颜色、光源布局三个方面阐述了LiFi光源的研究现状。

在LiFi的光源选择中，从载流子注入的角度分析了影响LED调制特性的因素。目前RGB-LED比PC-LED有更好的数据传输速率，但需要降低成本，简化电路设计。当激光二极管用作LiFi光源时，从阈值电流以上的工作区域分析半导体激光器的调制特性。

分析了SPD模型和CSK调制对LiFi光源颜色质量的影响。在LiFi光源的布局上，既要通过OFDM调制降低LiFi系统的ISI，提高数据传输速率，又要注意室内照明的均匀性。

随着高亮度、高效率、高速调制的LED器件的发展，基于白光LED的LiFi技术将越来越成熟，这将给LED带来新的发展机遇。就像中村修二说的，LiFi可能会成为LED的另一个杀手。另外，随着激光照明研究的发展，未来激光照明是否会在LiFi技术中取代LED，值得期待。

本文转载自光通信网