基于LightFidelity的可见光无线通信方法研究

李晓坤 邵娜 陈虹旭 杨婧宇 郑永亮 杨磊

摘 要：可见光无线通信（LiFi）是一种以白光LED为基础进行数据传输的新型无线光通信技术，因成本低廉、不受电磁干扰、丰富的频谱资源、颇高的安全性和节约能源等优点，引起了国内外学者的高度关注和持续研究。LightFidelity利用可见光来实现无线通信，即利用电信号控制发光二极管（LED）发出肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息。据相关学者的调查研究发现，可见光无线通信拥有在实现照明功能的同时进行数据通信的一箭双雕的特性，将在未来的通信领域中占据极其重要的地位并产生深远影响，具有不可估量的市场潜力。该技术通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输，只要在室内开启电灯，无需WiFi也能轻松连接互联网，使得无线信号不稳定、上网速度慢、WiFi热点供不应求等问题得以缓解。本文对创建LiFi网络所需的要素和面临的挑战进行了简要概述，对基于LightFidelity的可见光无线通信方法进行了相关研究，主要介绍的方法有确定性方法和蒙特卡罗方法。

关键词： 可见光;无线通信;LED照明;确定性方法;蒙特卡罗方法

【Abstract】 Visible Radio Communication （LiFi） is a new type of wireless optical communication technology based on white LED. Because low cost， no electromagnetic interference， abundant spectrum resources， high security and energy saving， scholars at home and broad pay more and more attention and do sustained research on LiFi. LiFi uses visible light to communicate wirelessly， using electrical signals to control high-speed flickering signals from light-emitting diodes （LEDs） that are invisible to the naked eye. According to the investigation and research of relevant people， the visible wireless communication has the characteristics of "one kill two birds with one stone" in data communication： realizing illumination & wireless communication. It will occupy an important position and have far-reaching influence in the future communication field， and has immeasurable market potential. This technology transmits data by changing the flicker frequency of room lighting. As long as the lights are turned on indoors， it can easily connect to the Internet without WiFi， which alleviates the problems of unstable wireless signals， slow Internet access and short supply of WiFi hotspots. This paper gives a brief overview of the key elements and challenges in creating LiFi network， and studies the LightFidelity-based visible light wireless communication methods，the main methods introduced are deterministic method and Monte Carlo method.

【Key words】  visible light; wireless communication; LED lighting; deterministic method; Monte Carlo method

0 引 言

可見光无线通信（简称LiFi），又称“光保真技术”。是由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主任、德国物理学家Harald Hass，汉译哈拉尔德·哈斯教授发明的利用诸如灯泡发出的光的可见光波谱进行数据传输的新型无线传输技术。LightFidelity利用可见光来实现无线通信，即利用电信号控制发光二极管（LED）发出的肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息。借助LED灯等已铺设好的设备，通过在灯泡上植入一个微小的芯片形成类似于AP（WiFi热点）的设备，使终端随时能接入网络。该技术通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输，只要在室内开启电灯，无需WiFi也能轻松连接互联网，使得无线信号不稳定、上网速度慢、WiFi热点供不应求等问题得以缓解。

可见光无线通信是利用快速的光脉冲无线传输信息的。不同的传输速率在光中会有相对应的不同编码，使信息传输命令得以执行。例如LED开用1表示，关用0表示，快速开关的同时相应的信息得以传递[1]。由于LED的发光强度很强，人眼不会注意到光的快速变化，不同波长的光可用一个单独的数据通道进行传输，而同样波长的光波可以双向传输，大大提高了光传输数据的速率。

IR网络需要专用的基础设施，而VLC只需要修改现有的照明系统，从而可以节省成本。重要的是，人类用户所需的照明水平导致的链路余量比IR系统高出许多数量级，因而使用简单的组件就可以实现较高的数据传输速率和较大的覆盖范围。可见光无线通信的诸多优点推动了该领域的快速发展。

1 基于LightFidelity的可见光无线通信方法

1.1 LiFiAttocell Networks

LiFi Attocell（LAC）网络概念如图1所示。房间由许多灯具点亮，在灯光照明模式下为用户提供照明和光学AP。照明可以以房间主人不可见的高速调制，使用多种不同技术为每个灯具提供电力和数据，包括以太网供电（POE）和可编程逻辑操控器（PLC），提供光学下行链路[2-3]。通过用户设备（UE）上的发射器来实现光学上行链路，通常使用IR源（因此其对用户是不可见的），以及靠近灯具的接收器。每一个灯具都充当无线LiFi AP，由于来自单个光源照明受到高度限制，其可为小型区域提供高带宽密度。包含AP的灯具和仅供照明的灯具之间的平衡取决于网络的要求，但可能是所有灯具都包含AP。与单个AP无线热点系统相比，这种蜂窝系统可以覆盖更大的区域并允许多个UE同时连接。在蜂窝网络中，无线传输资源的密集空间可以用于实现高数据密度，以每平方米每秒的比特数（bps/m2）为计量单位。因此，使用相邻信道链路的相邻区域相互干扰，这被称为同信道干扰CCI[4]。图2显示出了光学Attocell网络中的CCI。

天花板上的灯充当形成移动网络的光学接入点。单个光源的接入点可以以双向的方式同时与多个终端通信。该系统具有移动性。当终端离开初始光接入点的覆盖区域并进入相邻接入点的覆盖区域时，启动切换。这意味着服务提供是无缝连接的。

先进的CCI缓解技术通常通过集中控制来操作多个LiFi AP，如软件定义网络（SDN）服务器内的“管理程序”[5]。中央控制器的主要任务是自动分配信号功率、频率、时间和波长资源;其它功能还包括实现多用户控制，以及移动终端从一个区域切换到另一个区域的过程等等。

与现有技术相比，LAC网络具有许多优势。首先，与在所有方向上都有辐射信号的全向RF天线不同，LED光源的构造方式是以固定的光功率进行定向辐射。因此，可见光信号的辐射被限制在有限的区域内。相比之下，RF毫米波系统需要复杂且昂贵的天线波束形成技术来实现相同的目标。其次，LAC网络可以通过修改现有的照明系统来实现。而构建具有相同AP密度的RF小型蜂窝网络会带来巨大的基础设施成本。此外，任何LAC网络都可以提供额外的容量，而不会干扰已经存在的RF网络。因此，LAC网络可以以经济有效的方式增强第5代（5G）蜂窝系统[6]。

从点到点的移动链接到基于可见光的全无线网络面临着一些挑战。在每个区域内，可以有许多用户，因此需要多种接入方案。必须考虑来自于在相邻区域中的通信信号的干扰，并且这很有可能是最显著的损害。提供上行链路（从UE到一个或多个AP的通信链路）需要与下行链路不同的方法。因为便携式设备需要的能耗低，并且设备上的上行链路可见光源可能会分散用户的注意力。

1.1.1 下行链路和上行链路传输

在蜂窝系统中，下行链路通信被定义为从AP到UE的数据传输[7]。LAC下行链路系统的基本设置如图 3所示。来自固定装置的照明由数据进行强度调制，并传播到UE上的接收器。通常，光学元件用于将辐射集中到光电二极管（PD）上，光电二极管产生进一步放大的电信号来恢复数据。对于上行链路，通常优选IR链路，因为上行链路和下行链路之间的波长间隔允许通过适当的光学滤波同时进行双向通信。另外，UE上的可见光源（通常是移动设备）会分散注意力。另一种可行的解决方案是使用传统的RF传输。研究表明，仅将VLC用于下行链路而RF用于上行链路的系统，显示出相对于仅使用RF网络的效率显著增益[8] 。

1.1.2 干扰缓解

具有强方向性可见光源的光辐射图案限制了AP的覆盖区域内大部分辐射光的功率。因此，可以主要在边界处预期CCI，但是由于光锥重叠，CCI可能十分严重。因此，CCI对具有一定密集空间的LAC网络中的下行链路提出了重要挑战。曾有学者提出了一种基于突发信令的干扰协调方案，将分集技术用于干扰管理。此外，还有关于分数频率复用（FFR）和联合传输（JT）以及用于LAC网络的角度分集发射机的研究。

1.1.3 多次访问

在一个蜂窝网络中，通常有多个UE位于同一个单元中。可以服务于多个UE。被称为多用户访问（MA）的技术已经在蜂窝中开发了许多多址技术系统，如时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）、更高级的正交分频多址（OFDMA）和非正交多用户接入（NOMA），已经获得了广泛关注。

现在，有很多实验来研究网络OWC系统中的MA。在TDMA中，给每个UE一个特定的时间进行传输。该方案可以直接用于基于强度调制（IM）/直接检测（DD）的LAC系统[9]。在CDMA中，每个UE的信号用唯一的正交码“加密”，该正交码用作密钥，并且所有信号在相同时间和频率的信道上发送。在接收器处，通过使用该特定链路的密钥从众多信号中过滤出所需信号。在LAC网络中许多正交码的设计可用于适应CDMA、例如光正交码、单极m序列和Walsh-Hadamard码。然而，在基于光学正交频分复用O-OFDM的LAC系统中，通过将不同组的正交子载波分配给多个UE，使用OFDMA可以更自然地完成这一任务。已有研究人员发现OFDMA在多用户VLC系统中胜过CDMA。如果相应的发射器由多色光源组成，则VLC的独特功能还可实现波分多址（WDMA）。在WDMA中，不同的UE由唯一的非干扰波长服务。

1.1.4 切换

切换是将正在进行的无线传输会话从当前AP转移到另一AP的过程。当移动终端移出当前AP的覆盖区域并移入到相邻AP的覆盖区域时，需要切换[10]。如果传输信道受到干扰而严重降级或当前区域满载，则还需要继续进行切换。这两种情况的切换通常被归类为在同一网络中的AP之間发生的水平切换。然而，通常存在多种接入技术，例如WiFi，LTE（long term evolution）和LiFi。这意味着在不同位置存在不同类型的接入节点异构网络。如果UE正在从室内移动到室外，其中可能没有LiFi覆盖，则将触发从LiFi到LTE的无缝切换[11]。不同系统AP之间的这种切换被归类为垂直切换。在这种混合系统中研究了具有切换的动态负载均衡方案。通常有2种类型的切换方案—硬切换和软切换。在硬切换过程中，UE在连接到下一个AP之前应与当前AP断开连接，这更容易实现并且具有更低的硬件复杂度。但该服务可能会被硬切换方案中断。在软切换过程中，UE保持连接到当前AP，直到成功连接到下一个AP为止。软切换提供更好的用户体验，但需要更多的无线传输资源[12]。随着区域面积的减小，预计切换频率会增加，增加的切换会话数会导致系统吞吐量的损失和服务质量的下降。在LAC网络中，切换开销特别重要，因为LAC网络由蜂窝网络中的最小区域构成。由于预期切换频率很高，为了拥有更好的服务质量，软切换是优选的，采用LAC网络的新的切换决策算法，可避免了乒乓效应。

1.1.5 回程连接

回程是AP与网络控制之间的通信链路。通常情况下，回程连接应能够提供可靠、高容量和低延迟的传输，以承载来自所有AP的无线接入流量。如果未来密集部署高速接入网络，回程容量需求将大幅增加。回程问题的直接解决方案是增加光纤的部署，提供最佳性能，但成本很高。本文除考虑了基于以太网供电（POE）和电力线通信（PLC）的经济高效的回程[13]外，还提出了许多无线回程解决方案，如毫米波、微波和自由空间光通信（FSO）。LiFi网络由单独的光学链路构成。

1.2 相关方法介绍

1.2.1 室内自由空间光传播

在室内空间中，如果发射器和接收器之间没有障碍物，则存在LoS信道。其次，由于室内墙壁和其它物体的反射，通道则由非视线（NLoS）部分组成[14]。

1.2.2 通道DC增益

1.3 调制

传输数据最简单方法是使用基于脉冲的方案，例如开关键控（OOK），其中二进制“1”表示有脉冲，而二进制“0”则表示无脉冲。然而，这不能有效地利用在较宽的频率范围内可用的SNR，而多级调制方案则实现了这一点。例如，可以通过使用OFDM等多信道传输来实现，这也是应用最为广泛的例子。因为在OFDM中，可以独立地处理每个正交子信道，并且借助最佳的比特负载和功率负载，可以接近达到最大可用信道容量。OFDM采用快速傅立叶变换（FFT）来复用多个并行信道。FFT的计算效率很高，从实用的角度看，其使OFDM成为一种非常有吸引力的技术。基于沃尔什-哈达玛变换等其它正交变换，研究人员提出了另一种多载波技术。另一类方法包括具有均衡的单载波调制、无载波幅度和相位（CAP）方案以及脉冲幅度调制（PAM）方案。这些方法在利用可见光的光纤传输中是非常有效的，最大特点就是其实现的简单性。

2 基于LightFidelity的可见光无线通信的实验分析

2.1 点对点链路级系统

2.1.1 发射机

可见光通常由白色LED或红绿色和蓝色（RGB）LED发光器的组合产生。低成本白光LED使用蓝色氮化镓（GaN）发射器，激发黄色无机磷光体。来自GaN器件直接发射的蓝光与黄光相结合以产生白光。虽然白光LED的调制带宽远远超过传统光源，但大面积发射器的大电容和黄色荧光粉的慢响应将白光LED的3 dB带宽限制在几MHz[17]。通过去除接收器侧由该黄色磷光体发射的信号，可以将3 dB调制带宽增加到10～20MHz的范围。

设计用于照明的LED相对坚固，并且可以通过增加一些电阻限制驱动电流来驱动电压源。偏压-T通常用于将交流（AC）数据调制与直流（DC）偏压相结合，这样可以产生所需的照明水平，并确保始终以净的正信号驱动LED。本方法中通过修改驱动电路来改善发射器带宽，模拟了预均衡和快速LED驱动器电路以及谐振均衡。实验发现，可以通过使用不同的结构来改变LED器件带宽，特别是减小LED的尺寸。比LED灯使用的有源区域小很多的有源区域的微LED可以显示几百MHz的带宽，同时发射mW的光功率。通过一系列调查发现，这些单个LED仅受接收器的限制，报告数据中速率最快的超过8 Gbps。如果能够克服这种限制，单个GaN微LED能够以11 Gbps的速度进行传输[18]。

虽然LED将提供绝大多数的普通照明，但是人们对基于激光照明和光源的研究兴趣也在日益增加。可以使用激光和小型荧光粉等为前灯和投影显示器创建极高亮度光源，由颜色的变换来控制照明。本实验还使用荧光板和激光以及钙钛矿颜色转换器论证了白色光源。尽管成本和复杂性都在增加，但RGB LED或激光源的使用为每个LED提供了独立调制的可能性和大幅提高数据速率的可能性，而且目前已经进行了许多高速率演示。

2.1.4 光电探测器和前置放大器

PD和前置放大器的组合设置了接收器的灵敏度及其带宽。在自由空间应用中，由于需要大面积收集尽可能多的光，PD的电容变得显著。因此，理想的前置放大器可提供高带宽并可承受高的输入电容。在IR应用的一些设计中已经解决了这些问题，并且在VLC中还必须考虑高动态的范围要求。PIN和雪崩光电二极管（APD）结构均已用于VLC实验，APD提供比其PIN更高的灵敏度（通常为10 dB）。探测器的选择涉及面积、电容、带宽效应和光谱反应。

由于大多数有用信号在蓝色光束中携带，因此在该区域中提高灵敏度是有利的。高水平的信号提供了高性能与更广泛的接收器设计，所以这是一个有很大提升空间的领域。在互补金属氧化物半导体（CMOS）电路中集成探测器和放大器是一个越来越受关注的领域，已经有报告使用线性模式APD和PIN结构的设计[23]。

除用作常规探测器的APD之外，单光子雪崩探测器（SPAD）也已用于VLC，使用基于脉冲和OFDM的调制方案。SPAD是光子计数探测器，与线性APD相比，产生的灵敏度提高一个数量级（对于类似的检测区域）。目前這些设备的死区时间、填充因子和暗噪声等问题使其仅能产生有限的收益。

2.2 光学无线信道

通信信道包括电信号将发送器上的数据调制成接收器处的电信号通道。通过单个信道的信噪比（SNR）来测量接收信号的质量。在有网络的情况下，信号与干扰加噪声比（SINR）用于表征通信链路。

2.2.1 带宽

2.2.2 实验分析

图 6显示了在上述实验结果中针对频率f的归一化信道增益。这些系统的3 dB带宽范围为10～60 MHz之间[24]。由于许多VLC系统的运行数据速率比3 dB带宽大许多倍，通道滚降速率的模型在确定整体性能时非常有用。对于LED，带宽取决于电流密度，因此当电流水平变化时，带宽也会发生动态变化。在接收器处，简单的一阶反应通常是较为合理的近似，但具有传输时间限制的高偏置的大面积检测器可以改变这一点。

利用具有恒定能量的隨机二进制相移键控（BPSK）符号组成的导频序列来执行信道估计。对于不同频率子载波，通过误差矢量幅度估计获得的相对信道增益和绝对SNR值在图6中示出。信道衰减紧跟μLED的频率分布，其在3d频率下发生3-dB衰减。系统中的其余元件保证具有至少500 MHz频率的平坦带宽。其中增益因子在子载波达到220之后突然下降，其对应于约540 MHz的频率。通信信道的估计SNR曲线紧跟估计的频率曲线。这表明系统中的加性高斯白噪声（AWGN）在通信带宽内是均匀分布的。低频子载波的SNR值略低于预期。这归因于来自环境光的低频噪声和基线漂移效应。然而，这些子载波上的SNR足以成功完成通信。

3 结束语

无线数据通信已成为私人和商业生活中必不可少的实用工具。有超过70亿智能手机主要用于个人通信，智能手表、健康追踪器和数字眼镜等可穿戴设备的数量正急剧增加。这些新兴科技将推动围绕虚拟现实（VR）、增强现实（AR）的高应用定义视频流的工业发展。未来，还将有1 000亿台物联网（IoT）设备巩固人们的智能家居和智能城市[25]。本文对基于LightFidelity的可见光无线通信方法进行了相关研究，主要介绍的方法有确定性方法和蒙特卡罗方法，对相关方法建立了模型并进行了相应的实验，得出了系统中的加性高斯白噪声（AWGN）在通信带宽内是均匀分布的结论。

随着节能型LED白光的出现，固态照明（SSL）在照明行业中越来越受欢迎。预计未来几十年，基于LED的照明基础设施将取代传统照明基础设施。这个趋势为创建新颖的组合照明和无线通信网络提供了机会。

参考文献

[1]张振中. LiFi可见光无线通信技术分析[J]. 湖南邮电职业技术学院学报，2015，14（3）∶19-21.

[2]NI Wei， LIU Renping， COLLINGS I B， et al. Indoor cooperative small cells over ethernet[J]. IEEE Communications Magazine，2013， 51 （9）：100-107.

[3]PAPAIOANNOU A， PAVLIDOU F N. Evaluation of power line communication equipment in home networks[J]. IEEE Systems Journal， 2009， 3 （3）： 288–294，

[4]MCDONALD V H. The cellular concept[J]. Bell Syst. Tech. J.， 1979： 15-49.

[5]SIMEONIDOU D E， NEJABATI R， CHANNEGOWDA M P.Software defined optical networks technology and infrastructure： Enabling software-defined optical network operations[C]// Optical Fiber Communication Conference/ National Fiber Optic Engineers Conference （OFC/NFOEC）. Anaheim， California United States：IEEE， 2013， 2013： 1-3.

[6]AYYASH M， ELGALA H， KHREISHAH  A， et al. Coexistence of WiFi and LiFi toward 5G： Concepts， opportunities， and challenges[J]. IEEE Communications Magazine， 2016， 54 （2）： 64-71.

[7]RAHAIM M B， VEGNI A M， LITTLE T D C. A hybrid radio frequency and broadcast visible light communication system[C]//  Proc. of 2nd IEEE Globecom 2011 Workshop on Optical Wireless Communications.Houston， Texas， USA： IEEE， 2011： 1-11.

[8]CHEN Zhe， SERAFIMOVSKI N， HAAS H. Angle diversity for an indoor cellular visible light communication system[C]//  2014 IEEE 79th Vehicular Technology Conference（VTC SPRING）. Seoul， South Korea：Spring， 2014： 1-5.

[9]LI Xuan， ZHANG Rong， WANG Jiaheng， et al. Network-centric and user-centric multi-user scheduling in visible light communication aided networks[C]// 2015 IEEE International Conference on Communications （ICC）. London：IEEE， 2015： 5120-5125.

[10]LI Baolong， WANG Jiaheng， ZHANG Rong， et al. Multiuser MISO transceiver design for indoor downlink visible light communication under per-LED optical power constraints[J]. IEEE Photonics Journal，2015， 7 （4）： 1-15.

[11]WANG Yunlu，HAAS H. Dynamic load balancing with handover in hybrid Li-Fi and Wi-Fi networks[J].Journal of Lightwave Technology ，2015， 33 （22）：4671-4682.

[12]TIPMONGKOLSILP O， ZAGHLOUL S， JUKAN A. The evolution of cellular backhaul technologies： Current issues and future trends[J]. IEEE Communications Surveys Tutorials， 2011，13 （1）： 97-113.

[13]GE Xiaohu， CHENG H， GUIZANI M， et al. 5G wireless backhaul networks： Challenges and research advances[J]. IEEE Netw， 2014，28 （6） ：6-11.

[14]PISCHELLA M， BELFIORE J C. Power control in distributed cooperative OFDMA cellular networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications，2008， 7 （5） ： 1900-1906.

[15]MARSHOUD H， KAPINAS V M， KARAGIANNIDIS G K， et al. Non-orthogonal multiple access for visible light communications[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2016， 28（1）： 51-54.

[16]LIN L，POPOOLA W O，XU X，et al. Performance evaluation of non-orthogonal multiple access in visible light communication[J]. IEEE Trans. Commun.，2016， 64 （12）： 5162-5175.

[17]MARSH G W， KAHN J M. Channel reuse strategies for indoor infrared wireless communications[J]. IEEE Transacions on Communications，1997， 45 （10）： 1280-1290，.

[18]DIMITROV S， HAAS H. Principles of LED Light Communications： towards Networked Li-fi[M]. Cambridge：Cambridge University Press， 2015.

[19]MIAO Guowang， ZANDER J， SUNG K W， et al. Fundamentals of Mobile Data Networks[M]. Cambridge， United Kingdom：Cambridge University Press， 2016.

[20]AHMED A， BOULAHIA L M， GAITI D. Enabling vertical handover decisions in heterogeneous wireless networks： a state-of-the-art and a classification[J]. IEEE Communications Surveys Tutorials，2014， 16 （2）：776-811.

[21]VERMA L， FAKHARZADEH M， CHOI S. Backhaul need for speed： 60 GHz is the solution[J]. IEEE Wireless Communications， 2015， 22 （6）：114-121.

[22]SCHULZ D， JUNGNICKEL V， ALEXAKIS C， et al. Robust optical wireless link for the backhaul and fronthaul of small radio cells[J]. Journal of Lightwave Technology， 2016，34 （6）：1523-1532.

[23]MINH H L， O'BRIEN D， FAULKNER G， et al. Won， 100-Mb/s NRZ visible light communications using a postequalized white LED[J]. IEEE Photonics Technology Letters，2009， 21 （15） ：1063-1065.

[24]MINH H L， O'BRIEN D， FAULKNER G， et al. High-speed visible light communications using multiple-resonant equalization[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2008， 20 （14）：1243-1245.

[25]TIAN Pengfei， MCKENDRY J J D， GU E D， et al. Fabrication， characterization and applications of flexible vertical InGaN micro-light emitting diode arrays[J]. Optics Express， 2016， 24 （1）： 699-707.

[26]RAPPAPORT T S， SUN Shu， MAYZUS R， et al. Millimeter wave mobile communications for 5G cellular： it will work！[J]. IEEE Access， 2013，1（1）： 335–349.

[27]JIANG Junyi， HUO Yongkai， JIN Fan， et al. Video streaming in the multiuser indoor visible light downlink[J]. IEEE Access， 2015， 3：2959-2986.

[28]KARP S， O'NEILL E L， GAGLIARDI R M. Communication theory for the free-space optical channel[J]. Proceedings of the IEEE， 1970， 58 （10）： 1611-1626.

[29]WANG Ke， NIRMALATHAS A， LIM C， et al. Full-duplex gigabit indoor optical wireless communication system with CAP modulation[J]. IEEE Photonics Technology Letters， 2016， 28 （7）：790-793.