基于LiFi 技術(shù)的復(fù)合光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

李若冰

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010080）

0 引 言

近年來(lái)，隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，ZigBee、藍(lán)牙、WiFi 等短距離無(wú)線通信技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。隨著物聯(lián)網(wǎng)、多媒體、人工智能、智能家居、大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)有無(wú)線通信技術(shù)存在的速度慢、卡頓、安全性差等問(wèn)題凸顯，發(fā)展高速、寬頻、低時(shí)延無(wú)線通信技術(shù)的需求日益迫切。

ZigBee 是基于IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信技術(shù)，IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的物理層有兩個(gè)頻段，分別是2.4 GHz（全球頻段，16 個(gè)信道）和868（歐洲頻段，1 個(gè)信道）/915 MHz（美國(guó)頻段，10 個(gè)信道）頻帶。2.4 GHz 通信速率達(dá)250 Kb/s，915 MHz 和868 MHz 的通信速率分別為40 Kb/s 和20 Kb/s[1]。

藍(lán)牙是基于IEEE 802.15 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線通信技術(shù)，選用2.4 GHz 的ISM 波段，以時(shí)分方式進(jìn)行全雙工通信，采用跳頻和短分組技術(shù)減少干擾和信號(hào)的衰減，傳輸速率為24 Mb/s[2]。

WiFi 又稱無(wú)線高保真技術(shù)，2.4 GHz 有14 個(gè)信道，帶寬為20 MHz，可以擴(kuò)展為40 MHz；5 GHz 有201 個(gè)信道，頻帶寬度為40 MHz、80 MHz、160 MHz，傳輸速率最高可以提升至9.6 Gb/s[3-4]。

無(wú)線通信技術(shù)表見(jiàn)表1 所列。

表1 無(wú)線通信技術(shù)表

綜上分析可知，與ZigBee、藍(lán)牙等無(wú)線通信方式相比，WiFi 擁有更高的頻寬和更快的傳輸速率。自IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)推出以來(lái)，WiFi 技術(shù)發(fā)展迅速，逐漸成為主要的短距離無(wú)線通信方式。本文將以WiFi 作為構(gòu)建復(fù)合無(wú)線通信系統(tǒng)的通信技術(shù)之一。

1 LiFi 的優(yōu)勢(shì)和局限性

可見(jiàn)光通信又稱光保真技術(shù)（Light Fidelity, LiFi）。LiFi使用專用微芯片調(diào)制信號(hào)，控制LED 通斷，發(fā)射可見(jiàn)光信號(hào)，再通過(guò)光敏傳感器接收信號(hào)，利用解碼芯片復(fù)原、發(fā)射同樣的信號(hào)。LED 通斷頻率可達(dá)每秒數(shù)百萬(wàn)次，理論傳輸速率高達(dá)3 Tb/s，IEEE 802.11ax 定義WiFi 最大傳輸速率為9.6 Gb/s，LiFi 的傳輸速率遠(yuǎn)高于WiFi。LiFi 采用可見(jiàn)光波通信，可見(jiàn)光的頻譜為430 ～770 THz，是射頻電磁波頻寬的10 000 倍以上，相比頻譜有限的ISM 電磁波，頻譜資源更豐富。WiFi、ZigBee 和藍(lán)牙的通信頻率均為2.4 GHz，相互之間存在干擾，而LiFi 為光波通信，不會(huì)和電磁波發(fā)生干擾，能在需要兼顧電磁兼容的場(chǎng)合使用。因此，LiFi 是一項(xiàng)極富發(fā)展前景的無(wú)線通信技術(shù)，能滿足高速、寬頻、低時(shí)延的無(wú)線通信要求[1-5]。

相比無(wú)線電磁波通信，可見(jiàn)光通信存在較大的局限性。可見(jiàn)光通信具有單向性，光信號(hào)的發(fā)射和接收均為單向，沒(méi)有形成反向通信；光信號(hào)在傳輸過(guò)程中，遇到障礙物體會(huì)被遮擋；在強(qiáng)光環(huán)境下或多個(gè)可見(jiàn)LED 光源的情況下，存在較大干擾，影響信號(hào)傳輸過(guò)程的正常進(jìn)行[6]。

2 LiFi 發(fā)展?fàn)顩r研究

由于可見(jiàn)光通信為單向通信，對(duì)LiFi 技術(shù)的研究多限于單向通信方面的應(yīng)用，如空間定位[6-11]、導(dǎo)航[12]、智能交通[13-14]、水下通信[15]等方面，主要利用LiFi 的優(yōu)勢(shì)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、定位方法、通信算法、編碼技術(shù)等方面取得了進(jìn)展，涉及雙向通信的研究較少，未能解決單向通信的問(wèn)題。

可見(jiàn)光通信的瓶頸還包括光信號(hào)遇障礙物被屏蔽、易受強(qiáng)光干擾等。自LiFi 概念提出以來(lái)，針對(duì)可見(jiàn)光通信的瓶頸做了很多研究，如LED 光源研制、光源布置、光通信元件研發(fā)、系統(tǒng)小型化、高頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)制技術(shù)、編碼技術(shù)、通信算法、多用戶接入技術(shù)等方面[16-21]，這些研究有助于改善光通信系統(tǒng)的傳輸速率、傳輸功率、接收能力、糾錯(cuò)和抗干擾能力，但未能從根本上解決光信號(hào)遇障礙物被屏蔽、易受強(qiáng)光干擾的問(wèn)題。

需要強(qiáng)調(diào)的是，可見(jiàn)光通信概念自提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)多年的研究，未能獲得發(fā)明者預(yù)期的進(jìn)展，發(fā)展勢(shì)頭甚微，甚至有被淘汰的可能，根本原因在于LiFi 技術(shù)存在的局限，而這些局限是物理學(xué)基本規(guī)律客觀作用的結(jié)果。因此，在未能解決LiFi 技術(shù)存在的瓶頸問(wèn)題前，不能把LiFi 作為一種獨(dú)立的無(wú)線通信方式，應(yīng)把LiFi 作為其它無(wú)線通信方式的補(bǔ)充[6,22-23]。

2011 年，LiFi 技術(shù)的發(fā)明者哈羅德·哈斯在TED 大會(huì)展示了LiFi 的技術(shù)概念和應(yīng)用前景，描述了一個(gè)由幾十億支LED燈泡充當(dāng)無(wú)線熱點(diǎn)的未來(lái)世界。在回答如何克服單向通信問(wèn)題時(shí)，哈斯指出，LiFi 技術(shù)需要與其它無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，形成互補(bǔ)。哈斯研究團(tuán)隊(duì)提出一種LiFi-WiFi 混合網(wǎng)絡(luò)模式，設(shè)想通過(guò)優(yōu)化的負(fù)載均衡算法和用戶切換機(jī)制解決單向通信問(wèn)題[23]。

綜上分析，本文提出了基于LiFi 技術(shù)的復(fù)合光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，研究將LiFi 嵌入WiFi 無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建完整、高速的無(wú)線光通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。

3 復(fù)合系統(tǒng)工作原理

3.1 復(fù)合系統(tǒng)組成

復(fù)合無(wú)線通信系統(tǒng)由下傳通道和上傳通道組成，下傳通道和上傳通道對(duì)稱，每條通道由LiFi 和WiFi 通道并列組成。發(fā)射光通信模塊、LiFi 發(fā)射模塊、LiFi 接收模塊和接收光通信模塊組成主通信通道；發(fā)射光通信模塊、WiFi 發(fā)射模塊、WiFi 接收模塊和接收光通信模塊組成輔助通信通道。發(fā)射光通信模塊負(fù)責(zé)LiFi 和WiFi 信號(hào)的編制，LiFi 發(fā)射模塊完成光通信設(shè)備的識(shí)別碼、測(cè)速碼的生成和復(fù)合光信號(hào)的發(fā)射，WiFi 發(fā)射模塊完成識(shí)別碼的生成和信號(hào)發(fā)射；LiFi 接收模塊負(fù)責(zé)復(fù)合光信號(hào)的接收、識(shí)別光信號(hào)的發(fā)射裝置和檢測(cè)光信號(hào)的接收速率，WiFi 接收模塊負(fù)責(zé)信號(hào)的接收、發(fā)射裝置的識(shí)別和信號(hào)強(qiáng)度的檢測(cè)，接收光通信模塊完成LiFi 和WiFi信號(hào)的解碼和復(fù)原。

圖1 中，實(shí)線代表各部件通過(guò)實(shí)際線路連接；虛線表示各部件通過(guò)無(wú)線方式連接。

圖1 復(fù)合光通信系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

3.2 復(fù)合系統(tǒng)種類

根據(jù)使用場(chǎng)景的不同，可以組成以下具有實(shí)際意義的復(fù)合光通信系統(tǒng)，本文討論第一類復(fù)合光通信系統(tǒng)。復(fù)合光通信系統(tǒng)組合表見(jiàn)表2 所列。

表2 復(fù)合光通信系統(tǒng)組合表

3.3 復(fù)合系統(tǒng)編碼

復(fù)合系統(tǒng)傳輸?shù)墓庑盘?hào)由識(shí)別碼、測(cè)速碼、傳輸信號(hào)組成。系統(tǒng)對(duì)每一臺(tái)LiFi 設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，用于識(shí)別發(fā)出信號(hào)的LiFi 裝置，識(shí)別碼即為設(shè)備編號(hào)；通常情況下，信號(hào)的接收速率隨系統(tǒng)的工作狀態(tài)變化，測(cè)速碼提供一組信號(hào)做為檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)接收速率的依據(jù)。工作時(shí)，光通信模塊將要傳輸?shù)男盘?hào)編碼形成適合發(fā)射的光信號(hào)，LiFi 發(fā)射模塊每隔一定的時(shí)間間隔在要傳輸?shù)墓庑盘?hào)前加上識(shí)別碼和測(cè)速碼，組成復(fù)合LiFi 光信號(hào)。復(fù)合LiFi 光信號(hào)圖示如圖2 所示。

圖2 復(fù)合LiFi 光信號(hào)圖示

復(fù)合系統(tǒng)傳輸?shù)腤iFi 信號(hào)由識(shí)別碼和傳輸信號(hào)組成。系統(tǒng)對(duì)每一臺(tái)LiFi 設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，用于識(shí)別發(fā)出信號(hào)的WiFi 裝置，識(shí)別碼即為設(shè)備編號(hào)。工作時(shí)，光通信模塊將要傳輸?shù)男盘?hào)編碼，形成適合發(fā)射的信號(hào)，WiFi 發(fā)射模塊每隔一定的時(shí)間間隔在要傳輸?shù)男盘?hào)前加上識(shí)別碼，組成復(fù)合LiFi 信號(hào)。復(fù)合WiFi 信號(hào)圖示如圖3 所示。

圖3 復(fù)合WiFi 信號(hào)圖示

3.4 復(fù)合系統(tǒng)指標(biāo)

3.4.1 光通信指標(biāo)

可見(jiàn)光通信與LiFi 接收模塊接收信號(hào)的速率有關(guān)。遇障礙物體和處于強(qiáng)光環(huán)境下，光信號(hào)的接收速率會(huì)發(fā)生變化，使通信過(guò)程受到影響。反映信號(hào)強(qiáng)度的指標(biāo)有信噪比（SNR）、平均功率等，但這些指標(biāo)不能直觀反映光信號(hào)接收數(shù)量的變化，因此本系統(tǒng)采用信號(hào)接收速率Q作為反映光信號(hào)強(qiáng)度的指標(biāo)。

LiFi 接收模塊內(nèi)置有測(cè)試裝置，用于檢測(cè)接收到的測(cè)速碼的數(shù)量。設(shè)LiFi 發(fā)射模塊發(fā)射的測(cè)速碼的長(zhǎng)度為Ms，傳輸速率為Qs，檢測(cè)到的測(cè)速碼的數(shù)量為M，檢測(cè)時(shí)間為t。

信號(hào)接收速率Q為：

式中：Q反映系統(tǒng)接收光信號(hào)的實(shí)際能力；M/Ms反映在發(fā)射和接收過(guò)程中光信號(hào)損失的情況。設(shè)復(fù)合系統(tǒng)要求的最小接收速率為Qmin，則光通信工作條件為：

LiFi 識(shí)別碼若未檢測(cè)到，系統(tǒng)視Q＜Qmin。由于終端性能不同，接收信號(hào)的能力存在差異，最小接收速率Qmin也會(huì)不同。

3.4.2 WiFi 通信指標(biāo)

選擇信噪比（SNR）作為反映WiFi 信號(hào)強(qiáng)弱的指標(biāo)，WiFi 的工作條件為：

3.5 復(fù)合系統(tǒng)最優(yōu)選擇

3.5.1 LiFi 最優(yōu)選擇

LiFi 接收裝置周圍可能有多個(gè)LiFi 發(fā)射裝置，因與接收裝置距離不同，障礙物體遮擋和強(qiáng)光干擾情況不同，每個(gè)LiFi 發(fā)射裝置信號(hào)被接收的速率會(huì)不同。LiFi 接收模塊每隔一定時(shí)間間隔檢測(cè)周圍的LiFi 信號(hào)，選擇信號(hào)接收速率最大的發(fā)射裝置通信。

3.5.2 WiFi 最優(yōu)選擇

WiFi 接收模塊每隔一定的時(shí)間間隔就會(huì)檢測(cè)周圍的WiFi 信號(hào)，在LiFi 信號(hào)接收速率Q＜Qmin的情況下，選擇信噪比最大的WiFi 發(fā)射模塊通信。

3.6 復(fù)合系統(tǒng)工作原理

復(fù)合光通信系統(tǒng)有兩種通信方式，LiFi 為主通信方式，WiFi 為輔助通信方式，兩種通信方式依據(jù)LiFi 信號(hào)接收速率的變化交替工作。若接收速率Q＞Qmin，系統(tǒng)采用LiFi 方式傳輸信號(hào)；若接收速率Q＜Qmin，系統(tǒng)采用WiFi 方式傳輸信號(hào)。

LiFi 接收模塊內(nèi)置信號(hào)接收速率檢測(cè)裝置，每隔一定的時(shí)間間隔就會(huì)檢測(cè)周圍LiFi 信號(hào)的接收速率。系統(tǒng)處于LiFi通信狀態(tài)下，若信號(hào)接收速率Q＞Qmin，選擇信號(hào)接收速率最高的LiFi 發(fā)射模塊通信，維持LiFi 傳輸方式；若接收速率Q＜Qmin，LiFi 接收模塊向光通信模塊發(fā)出請(qǐng)求，采用WiFi通信方式工作，選擇信號(hào)強(qiáng)度最大的WiFi 發(fā)射模塊通信，維持通信的連續(xù)性。

系統(tǒng)處于WiFi 通信狀態(tài)下，LiFi 接收模塊每隔一定的時(shí)間間隔檢測(cè)周圍LiFi 信號(hào)的接收速率。若信號(hào)接收速率Q＜Qmin，選擇信噪比最大的WiFi 發(fā)射模塊通信，維持WiFi傳輸方式；若信號(hào)接收速率Q＞Qmin，LiFi 接收模塊將向光通信模塊發(fā)出請(qǐng)求，采用LiFi 通信方式工作，選擇信號(hào)接收速率最高的LiFi 發(fā)射模塊通信。復(fù)合光通信系統(tǒng)邏輯框圖如圖4 所示。

圖4 復(fù)合光通信系統(tǒng)邏輯框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 Q ≥Qmin 情況的通信驗(yàn)證

設(shè)系統(tǒng)光信號(hào)發(fā)射速率為128 Mb/s，信號(hào)接收速率Qmin為54 Mb/s，實(shí)際接收速率Q為55 Mb/s，驗(yàn)證光通信系統(tǒng)是否有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際接收速率Q＞54 Mb/s 的情況下，系統(tǒng)采用LiFi 通信方式傳輸信號(hào)，符合設(shè)計(jì)要求。

4.2 Q＜Qmin 情況的通信驗(yàn)證

設(shè)系統(tǒng)光信號(hào)傳輸速率為128 Mb/s，信號(hào)接收速率Qmin為54 Mb/s，實(shí)際接收速率Q為53 Mb/s，驗(yàn)證光通信系統(tǒng)是否有效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 Q＜Qmin 情況下的WiFi 信號(hào)傳輸

實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際接收速率Q＜54 Mb/s 的情況下，系統(tǒng)采用WiFi 通信方式傳輸信號(hào)，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

光通信技術(shù)具有高速、頻寬、頻譜資源豐富、安全性高、抗干擾等優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景?；贚iFi 技術(shù)的復(fù)合無(wú)線光通信系統(tǒng)既可以發(fā)揮光通信傳輸速度快的優(yōu)勢(shì)，又可以解決光通信技術(shù)自身單向傳輸、易受障礙物體和強(qiáng)光干擾的問(wèn)題，是一種行之有效、具有實(shí)際意義的設(shè)計(jì)方法。