Discover Lifi Technology|A New Range Of LiFi Systems|Shifting 5G Technology|Li Fi Concept
探索 Lifi 技術|新的 LiFi 系統系列|轉變 5G 技術|Li Fi 概念
LpR 73 文章，第 54 頁：人們對 LiFi 存在很多誤解，LiFi 是一種使用紅外和可見光譜進行高速數據通信的無線通信技術。愛丁堡大學數字通信研究所移動通信教授 Harald Haas 教授將解釋光保真 (LiFi) 是什麼，並討論為什麼它是第 5 代 (5G) 技術。已經證明了來自單個光源的 8 Gbps 的峰值傳輸速度，並且已經創建了基於 LiFi 的完整蜂窩網絡。除了討論眾多誤解之外，還將解釋該技術可能對許多現有和新興行業產生的潛在影響，以及 LiFi 未來可以解鎖的新應用。
圖 1：蜂窩通信中數據速率提高 1,000,000 倍的主要因素：小蜂窩概念和新頻譜的分配。物理層技術...
在本文中，我們認為光譜可以以類似的方式改變無線網絡，以及為什麼隨著光纖通信的出現它改變了有線通信網絡。最近證明了 15.7 Gbps 的現成發光二極管 (LED) 的峰值傳輸速度。我們將解釋這些進步將如何用於構建支持用戶移動性的完整無線網絡。我們討論了許多誤解和用例。最後，我們說明了這項技術可能對新興行業產生的潛在影響。
介紹
LiFi 是一種無線通信技術，它使用紅外和可見光光譜進行高速數據通信。 LiFi 首次出現在 [1] 中，擴展了可見光通信 (VLC) 的概念，以實現高速、安全、雙向和完全聯網的無線通信 [2]。需要注意的是，LiFi 支持用戶移動性和多用戶訪問。紅外光譜和可見光譜的大小加起來大約是整個 300 GHz 射頻頻譜大小的 2,600 倍（圖 2）。文獻[3]表明，過去10年無線流量的複合年增長率（CAGR）為60%。如果這種增長在未來 20 年持續下去，這是一個合理的假設，因為物聯網 (IoT) xK-TV 和機器類型通信 (MTC) 的出現，這意味著假設相同的頻譜效率，需求是當前帶寬的 12,000 倍。例如，5.4 GHz 區域的工業、科學和醫療 (ISM) 射頻頻段約為 500 MHz，這主要用於無線保真 (WiFi)。該帶寬已經趨於飽和，這也是引入無線千兆聯盟 (WiGig) 的原因之一。 WiGig 使用 57 GHz – 66 GHz 之間的未授權頻譜，即最大帶寬為 9 GHz。然而，在 20 年後，未來無線系統的帶寬需求將達到 12,000 × 500 MHz，從而導致對 6 THz 帶寬的需求。整個射頻頻譜僅為 0.3 THz。這意味著與整個 RF 頻譜相比有 20 倍的不足。相比之下，6 THz 的帶寬僅佔整個 IR 和可見光光譜的 0.8%。有人可能會爭辯說，可以採用更積極的頻率資源空間重用來克服這種迫在眉睫的頻譜緊縮。這種方法在過去被非常成功地使用，並導致了“小基站概念”。事實上，它一直是提高數據速率的主要貢獻者，如圖 1 所示。蜂窩通信中的小區大小已顯著縮小。早期 2G 系統中的小區半徑為 35 公里，3G 系統中為 5 公里，4G 系統中為 100 米，5G 中可能約為 25 米，以便更有效地重用可用射頻頻譜並實現更高的數據密度。小細胞概念'。事實上，它一直是提高數據速率的主要貢獻者，如圖 1 所示。蜂窩通信中的小區大小已顯著縮小。早期 2G 系統中的小區半徑為 35 公里，3G 系統中為 5 公里，4G 系統中為 100 米，5G 中可能約為 25 米，以便更有效地重用可用射頻頻譜並實現更高的數據密度。小細胞概念'。事實上，它一直是提高數據速率的主要貢獻者，如圖 1 所示。蜂窩通信中的小區大小已顯著縮小。早期 2G 系統中的小區半徑為 35 公里，3G 系統中為 5 公里，4G 系統中為 100 米，5G 中可能約為 25 米，以便更有效地重用可用射頻頻譜並實現更高的數據密度。
然而，由於將這些分佈式接入點連接到核心網絡的回程和前程數據鏈路的基礎設施成本很高，因此更難以實現小區規模的進一步縮小。此外，隨著小區尺寸變小，干擾基站和用戶終端之間的視線的可能性增加。由此產生的干擾會顯著降低數據速率，並可能導致蜂窩網絡中的主要問題 [4]。因此，在體育場的座椅下方安裝了 WiFi 接入點，以利用人體作為射頻信號的衰減器並避免視線乾擾鏈路。顯然，這不是辦公室和家庭部署的可行解決方案。由於這些原因，可以想像，未來移動數據流量增長的貢獻將來自更多的頻譜而不是空間重用。尤其是光資源非常吸引人，如圖2所示，它們非常豐富，而且是免許可的。
圖 2：射頻 (RF) 頻譜只是整個電磁頻譜的一小部分。可見光譜和紅外 (IR) 光譜不受管制，並提供 780 THz 的帶寬
這些資源可用於數據通信，數十年來在使用激光的光纖通信中得到成功證明。隨著高亮度發光二極管 (LED) 的廣泛採用，出現了將可見光譜用於無處不在的無線網絡的機會。
傳統上，VLC 系統被認為是 LED 光源和接收器之間的單一點對點無線通信鏈路，該接收器配備有諸如光電檢測器 (PD) 之類的光電檢測設備。可實現的數據速率取決於所使用的數字調製技術以及照明技術。圖 3 總結了可用的照明技術。
圖 3： LiFi 中可實現的最大數據速率取決於實際光源的技術。這裡我們考慮採用磷塗層的單一藍籌技術；紅色、綠色和藍色 (RGB) LED；氮化鎵 (GaN) 微型 LED 和基於激光的照明
大多數商用 LED 由帶有磷塗層的藍色高亮度 LED 組成，可將藍光轉換為黃色。當藍光和黃光結合時，就會變成白光。這是當今產生白光的最具成本效益的方式，但熒光粉顏色轉換材料會減慢頻率響應，即較高的頻率會嚴重衰減。因此，這種類型的 LED 的帶寬僅在 2 MHz 左右。然而，通過在接收器處使用藍色過濾器去除緩慢的黃色成分，這些設備可以實現 1 Gbps 範圍內的數據速率。更先進的紅色、綠色和藍色 (RGB) LED 可實現高達 5 Gbps 的數據速率，因為白光是通過混合基色而不是使用顏色轉換化學品產生的。已經證明了使用單個微型 LED 達到創紀錄的 8 Gbps 傳輸速度 [5]，並且表明基於激光的照明達到 100 Gbps 是可行的 [6]。
LiFi 無線網絡層的主要優勢是：
• 三個數量級的增強數據密度 [7]；
• 增強物理層安全性的獨特屬性[8]；
• 在本質安全的環境中使用，例如經常禁止射頻的石化廠和石油平台；
• 隨著以太網供電 (PoE) 的出現及其在照明中的應用，有機會利用現有的數據網絡基礎設施實現光源與集成 LiFi 調製解調器和互聯網之間所需的回程連接.
LiFi網絡
圖 4 說明了 LiFi attocell 網絡的概念。房間由幾個燈具照亮。每個燈都由 LiFi 調製解調器或 LiFi 芯片驅動，因此也可用作光基站或接入點 (AP)。光基站通過高速回程連接連接到核心網絡。燈具還具有一個集成的紅外探測器，用於接收來自終端的信號。由 Mbps 和 Gbps 數據編碼產生的高頻閃爍遠高於計算機顯示器的刷新率，因此這些閃爍對房間內的人來說是不可見的。可以使用多種不同的技術為每個燈具提供電源和數據，包括 PoE 和電力線通信 (PLC) [9][10]。光上行鏈路是通過使用用戶設備 (UE) 上的發射器實現的，通常使用 IR 源（因此它對用戶不可見）。這些燈具中的每一個，同時充當無線 LiFi 接入點，創建一個非常小的單元，一個光學 attocell [11]。由於光在空間上受到限制，LiFi 可以通過創建半徑小於 5 m 的超小型蜂窩，同時利用光域中巨大的額外未授權光譜，將“小型蜂窩概念”提升到一個新的水平。包含 AP 的燈具和僅提供照明的燈具的平衡取決於網絡的要求，但可能所有燈具都可以包含 AP。與單AP無線熱點系統相比，這種蜂窩系統可以覆蓋更大的區域，並允許同時連接多個 UE [12]。在蜂窩網絡中，無線傳輸資源的密集空間重用用於實現非常高的數據密度 - 每平方米每秒比特數 (bps/m2)。因此，相鄰小區中使用相同信道的鏈路會相互干擾，這稱為同信道干擾 (CCI) [13]。圖 5 說明了光 attocell 網絡中的 CCI。圖 5 說明了光 attocell 網絡中的 CCI。圖 5 說明了光 attocell 網絡中的 CCI。
圖4： LiFi attocell組網支持移動終端；雙向通信鏈路；多個移動或固定終端連接到單個燈具以及高速回程
圖 5： CCI 發生在相鄰 AP 的相同光譜重疊的區域，並且這些 AP 使用相同的調製帶寬進行數據編碼時
從點到點鏈接到基於光的完整無線網絡的轉變帶來了一些挑戰。在每個小區內，可以有多個用戶，因此需要多種接入方案。上行鏈路的提供也可能需要與下行鏈路不同的方法。這是因為便攜式設備需要低能耗，設備上的上行可見光源容易分散用戶的注意力。因此，紅外光譜的使用似乎最適合上行鏈路。此外，高速上行鏈路的調製技術必須同時具有頻譜效率和功率效率。實現這一目標的兩種最近開發的調製技術是增強型單極 OFDM (eU OFDM) [14] 或頻譜和能量效率 (SEE OFDM) [15]。
需要干擾抑制技術來確保在強 CCI 區域內，移動站也可以實現高 SINR，這是一個重要的問題，涉及信號處理，例如連續干擾消除 [23]。替代的 CCI 緩解技術 [16] 包括使用智能資源調度程序。 “資源調度器”的主要任務是自適應地分配信號功率、頻率、時間和波長資源。通常，在信令開銷、計算複雜度、用戶數據速率、聚合數據速率和用戶公平性之間存在權衡，並且各個 CCI 緩解和資源調度技術的最佳選擇取決於實際用例和系統約束 [18][19] ]。中央控制器的其他功能包括實現多用戶、以及終端移動時從小區到小區的切換過程。切換在 LiFi 網絡中扮演著重要的角色。例如，切換控制器必須確保在用戶離開房間或房屋時保持連接。因此，可能會出現沒有 LiFi 覆蓋的情況。在這些場景中，為了避免連接丟失，我們利用 LiFi 與 RF 網絡互補的事實。為此，已經對混合 LiFi/RF 網絡進行了研究，得出了三個關鍵發現。為避免失去連接，我們利用 LiFi 與 RF 網絡互補的事實。為此，已經對混合 LiFi/RF 網絡進行了研究，得出了三個關鍵發現。為避免失去連接，我們利用 LiFi 與 RF 網絡互補的事實。為此，對混合 LiFi/RF 網絡進行了研究，得出了三個關鍵發現。
混合 LiFi/RF 網絡研究的三個主要發現：
• LiFi 網絡將顯著提高移動用戶的服務質量，
• 服務交付可以不間斷，以及
• WiFi 網絡顯著受益於 LiFi 網絡。後者是
因為精心設計的負載平衡將確保 WiFi 網絡
減少因
兩個或多個終端
競爭時發生的不斷重傳而導致的低效流量開銷[20]。
LiFi attocell 網絡與現有技術相比具有許多優勢。首先，與向所有方向輻射信號的全向 RF 天線不同，LED 光源由於其構造方式通常會定向輻射光功率。因此，可見光信號的輻射自然被限制在有限的區域內。相比之下，射頻毫米波系統需要復雜且昂貴的天線波束成形技術才能實現相同的目標。其次，可以通過修改現有的照明系統來實現 LiFi attocell 網絡。任何 LiFi attocell 網絡都可以提供額外的無線容量，而不會干擾可能已經存在的 RF 網絡。因此，LiFi attocell 網絡有可能以經濟高效的方式增強 5G 蜂窩系統 [21]。
LiFi 的一個獨特之處在於它通過使用相同的設備來傳輸數據和提供照明，從而將照明和數據通信結合起來。圖 a 描繪了一個帶有兩個燈的簡單房間場景。圖 b 顯示了桌面水平 0.75 m 處產生的照度。在特定示例中，燈的放置使得在桌面高度的平面內，基於給定的照明要求，90% 的區域達到 400 勒克斯的照度。圖 c 描繪了由此產生的信號干擾加噪聲比 (SINR)。光錐重疊的區域受強CCI影響，SINR顯著下降。有趣的是，SINR 可以在幾厘米內變化約 30 dB。這個例子還強調了峰值 SINR 可以在 50 dB 的範圍內，這比基於 RF 的無線系統中的峰值 SINR 高兩到三個數量級。可實現的數據速率很大程度上取決於接收器的位置以及接收器的視場 (FoV) [22]。需要注意的是，相鄰房間的兩盞燈被不透明的牆隔開，不會造成相互的 CCI。這與射頻網絡有根本的不同，射頻網絡的無線電信號穿過牆壁傳播並在大範圍內造成同信道干擾。由於射頻通信的這種特性，很難實現非常高的數據密度。需要注意的是，相鄰房間的兩盞燈被不透明的牆隔開，不會造成相互的 CCI。這與射頻網絡有根本的不同，射頻網絡的無線電信號穿過牆壁傳播並在大範圍內造成同信道干擾。由於射頻通信的這種特性，很難實現非常高的數據密度。需要注意的是，相鄰房間的兩盞燈被不透明的牆隔開，不會造成相互的 CCI。這與射頻網絡有根本的不同，射頻網絡的無線電信號穿過牆壁傳播並在大範圍內造成同信道干擾。由於射頻通信的這種特性，很難實現非常高的數據密度。
圖 6：一個 2.5 m × 5 m 大小的房間配備了兩個 LiFi 燈具，安裝在 3 m 高處，垂直向下。 LiFi 燈具由子圖 (a) 中的兩個藍色方塊表示。兩種燈具都使用相同的可見光譜來傳輸獨立的信息。假定接收器垂直向上指向 0.75 m 桌面高度。桌面高度處的照度在子圖 (b) 中說明。假設接收器 FoV 為 45° 的結果 SINR 在子圖 (c) 中描述。
光不通過不透明物體傳播的特徵也可用於增強數據安全性（圖 7）。我們的最新研究表明，與現有 WiFi 相比，物理層安全性可以提高 20 倍。
圖 7：光信號被牆壁阻擋。與 WiFi 網絡相比，此功能顯著增強了 LiFi 網絡的安全性。在沒有安裝 WiFi 路由器的房間（左圖）中，可以從房間外接收 WiFi 信號。相比之下，在牆壁不透明的房間裡，不可能從房間外接收 LiFi 信號（右圖）。同樣，來自房間內部的信號不會穿透到被牆隔開的相鄰房間
LiFi 的誤解
下面我們將特別討論關於 LiFi 的五個誤解。
LiFi 是一種視距技術
這也許是最大的誤解。通過使用正交頻分複用 (OFDM) 型強度調製 (IM)/直接檢測 (DD) 調製方案 [24]，數據速率與實現的信噪比 (SNR) 成比例。這意味著更高階的數字調製方案可以與 OFDM 結合使用，以利用可用的信道容量。由於使用了前向糾錯 (FEC) 編碼，因此通過使用自適應調製和編碼 (AMC)，可以以低至 -6 dB 的 SNR 傳輸數據。圖 8 顯示了在大約 3 m 的距離內向前方筆記本電腦的視頻傳輸，其中 LED 燈具指向與接收器位置相反的方向的白牆。因此，沒有直接的 LoS 分量到達前端的接收器，但視頻已成功接收。顯然，如果牆壁是暗的，則會吸收更多的光，這會影響接收器的 SNR。如果 SNR 低於 -6 dB 閾值，則無法實現無差錯的通信鏈路。然而，在弱光條件下，單光子雪崩二極管可用於接收器，這將接收器的靈敏度提高至少一個數量級 [26]。
圖 8：此圖顯示了 LiFi 鏈接在嚴格的非視距 (LoS) 條件下的操作（由 pureLiFi 提供）
LiFi 在陽光條件下不起作用
陽光構成用於數據調製的帶寬之外的恆定乾擾信號。LiFi 的工作頻率通常大於 1 MHz。因此，可以使用電子過濾器去除持續的陽光。陽光的另一個影響是增強的散粒噪聲，它不能被電子濾波器輕易消除。在一項研究 [27] 中，對散粒噪聲的影響進行了定性研究，發現數據速率降低了約 5%。通過結合使用自動增益控制算法和濾光器，可以避免飽和。事實上，我們認為陽光是非常有益的，因為它支持基於太陽能電池的 LiFi 接收器，其中太陽能電池充當數據接收器設備，同時收集陽光作為能量 [28]。
燈光不能調暗
有先進的調製技術，例如 eU-OFDM [14]，它使 LiFi 的運行接近 LED 的開啟電壓 (ToV)，這意味著燈可以在非常低的光輸出水平下運行，同時保持高數據率。
燈光閃爍
調製光的最低頻率在 1 MHz 範圍內。計算機屏幕的刷新率約為 100 Hz。這意味著 LiFi 燈泡的閃爍率比電腦屏幕高 10,000 倍。因此，沒有感知到的閃爍。
這僅用於下行鏈路
一個關鍵優勢是 LiFi 可以與 LED 照明相結合。然而，這並不意味著這兩個功能總是必須一起使用。這兩個功能可以很容易地分開（見關於調光的評論）。因此，LiFi 還可以非常有效地用於不需要照明的上行鏈路通信。因此，紅外光譜非常適合上行鏈路。我們進行了一項實驗，其中我們使用僅 4.5 mW 光輸出功率的 LED 在 10 m 的距離內以 1.1 Gbps 的速度發送數據。
LiFi 應用
LiFi 應用是多種多樣的。如圖 9 所示，路燈可以在未來的智慧城市中發揮重要作用。他們可以提供千兆雙向無線連接。有趣的是，有了 LiFi，這在白天也是可能的。如圖所示，LiFi 還可以解鎖智能交通系統，這是我們完全連接的智慧城市的一部分。由於汽車通常在前燈和尾燈中使用 LED 或激光器，因此這些燈可用於千兆位車間通信，以及與交通燈和路燈等街道設施的數據通信。
與射頻通信系統不同，LiFi 也將在水下工作，如圖所示。這將提供連接遠程操作車輛的新方法，也將允許潛水員相互交流。這將提高艱鉅的水下任務的安全性。已證明傳輸距離可達 100 m。目前正在研究新的探測器技術，例如單光子雪崩探測器 (SPAD)，以實現更高的距離。
圖 9：路燈可以成為未來城市 5G 網絡的支柱
圖 10： LiFi 將在水下工作，遙控車輛和水下無人機中用於照明的燈可用於在這些自主水下機器之間交換信息。可以創建網狀網絡在水下長距離發送信息，以創建用於環境監測的傳感器網絡
圖 11：汽車可以相互通信以避免事故，汽車之間的連接也將有助於“無人駕駛”汽車的趨勢。此外，汽車可以與交通燈和路燈等街道設施進行通信，從而在擁擠的城市中創建智能交通系統
另一個重要的應用領域是物聯網 (IoT)。物聯網可分為工業物聯網和通用物聯網。後者可能會將我們未來的電器（如烤麵包機、微波爐、冰櫃、烤箱和冰箱）連接到互聯網。事實上，LiFi 將使這些家電的 LED 狀態燈通過家庭照明系統連接到互聯網。這種連通性將成為我們未來事物的“神經系統”。假設嵌入式微處理器、傳感器、內存和機器學習算法，LiFi 將提供高帶寬、低延遲的連接以實現有意義的人工智能。例如，通過使用預測性維護，可以確定物品在不久的將來是否容易損壞。然後，該項目可以自動從 Internet 上自行訂購或按照用戶的指定（在它中斷之前）進行訂購，從而避免不方便的中斷並節省我們的時間。 LiFi 的另一個重要應用是室內定位和導航。通常，室內環境中有許多燈。光被限制在一個小區域內。可以利用此功能輕鬆確定人員和資產在幾米內的位置。
市場顛覆潛力
LiFi 是一種顛覆性技術，有望影響眾多行業。LiFi 是一項基本的 5G 技術。它可以解鎖物聯網、推動工業 4.0 應用、照明行業的光即服務 (LaaS)、啟用新的智能交通系統、在無人駕駛汽車越來越多的情況下提高道路安全、創建新的網絡-安全的無線網絡，為老齡化社會提供新的健康監測方式，提供新的解決方案來彌合數字鴻溝，並在未來的數據中心實現超高速無線連接。
LiFi 將對兩大行業的合併產生催化作用：
• 無線通信行業和
• 照明行業，如圖 12 所示
圖 12： LiFi 有可能成為最終導致無線通信行業和照明行業合併的過程的催化劑
圖 12 展示了 LiFi 如何導致無線通信行業和照明行業合併的願景。在照明行業，LiFi 提供了一種多樣化和開發新應用的手段，這將推動光即服務 (LaaS) 的趨勢。這將把照明行業拉入無線通信行業的市場。因此，照明行業將創造新的商業模式，因為 LED 燈泡的使用壽命為 20 年甚至更長。由於增強現實和虛擬現實以及移動電視等 5G 中的新服務，無線通信行業需要前所未有的數據速率和數量級更高的數據密度。此外，無線網絡將需要連接數十億台物聯網 (IoT) 設備。這將加速射頻頻譜緊縮，而“LiFi”將充當“壓力閥”，這意味著將有市場“推動”開發基於光的無線通信設備，這個市場通常由照明行業
25 年後，我們認為 LED 燈泡將服務於數以千計的應用，並將成為新興智慧城市、智能家居和物聯網不可或缺的一部分。 LaaS 將成為照明行業的主導主題，當 LED 燈使用 20 年或更長時間時，它將推動所需的新商業模式。因此，LaaS 與 LiFi 相結合，將為照明行業提供一種“拉動”商業模式，以進入傳統的無線通信市場。在無線行業，LiFi 有可能通過從厘米波通信轉向納米波通信來創造範式轉變。因此，可以想像無線行業和照明行業將合二為一。大規模採用 LiFi 技術的一個重要先決條件是標準的可用性。在此背景下，IEEE 802.15.7、IEEE 802.11 和 ITU-R 已開始努力標準化 LiFi 技術。值得注意的是，現在在 802.11bb 中有一個光通信任務組。
結論
可見光譜和紅外光譜一起提供比整個 RF 光譜多 2600 倍的帶寬。 LiFi 利用豐富的帶寬來實現新的無線網絡，從而增強現有的基於 RF 的無線網絡。這些網絡越來越受到帶寬短缺的困擾。使用當前市售的光學設備，可以實現多千兆位的雙向數據鏈路。 LiFi 將這些鏈接集成到一個完整的無線網絡中，該網絡增強了多用戶訪問、切換和 CCI 緩解等功能。本文試圖澄清一些關於 LiFi 的誤解。已經討論了一些選定的用例。事實證明，LiFi 有可能導致照明和無線通信行業的合併。所以，LiFi 已成為現實，這項技術將長期存在。
致謝：
Harald Haas 教授非常感謝工程和物理研究委員會 (EPSRC) 在 EP/R007101/1 撥款項下的支持。他還感謝沃爾夫森基金會和皇家學會的財政支持。
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