1. 引言
可见光无线通信(LIFI)技术概念是英国哈斯教授于2011年在TED (全球科技娱乐设计)大会上提出的，2012年成功实现了光传输数据的初步应用 [1]。2013年10月，复旦大学实验也成功的实现可见光在室内进行无线传输数据。通过这项技术，一盏LED的灯光就可供4台计算机正常上网，其最高速率可达3.25 Gb/s，平均上网速率达到150 Mb/s [2]。2015年11月，爱沙尼亚一家创业公司开发出可见光通信的超快网络传输技术，其使用的LiFi技术发送数据的最快速度可以达到1 Gb/s。2016年，我国可见光实时通信速率已提高至 50 Gb/s，通信速率全球领先 [3]。2017年，由于LiFi技术的兴起，提出了将LiFi应用于新能源汽车自动避让系统，提高了汽车在行驶过程中的安全性 [4]。同年，Pure LiFi公司发布了一个新型集成LiFi灯具，它一次支持8到16个用户联网，并以45 Mbit/s的速度进行数据的传输。针对水下机器人的各种问题，以及通过水声通信、光纤通信和电磁通信等方式的缺点，2018年6月，我国研究出通过LiFi通信来提高水下机器人的协同合作的灵活性、协调性和精准性 [5]。2019年11月，实现了通过可见光通信来完成智能广告系统的接收原理 [6]。对于LiFi技术的研发，国内外都有极大的关注，即使现阶段LiFi无法完全取代WiFi，但它的实用价值以及经济效益仍具有较大潜力。
2. LiFi技术工作原理
LiFi (Light Fidelity)是一种以可见光为传输载体的无线数据传输技术，其原理就是在发光二极管(LED)灯泡装上微型芯片，利用芯片来控制灯光的明暗变化，再根据灯泡的亮和灭分别表示二进制数据的“1”和“0”，使灯光变换的频率增大到人眼无法分辨明暗变化，这时，二进制的数据就被快速编码由光信号进行传输。通过将微型接入设备植入LED灯泡作为互联网接入点，使得家里的电脑等终端可以通过LED灯泡发出的可见光接入LED灯泡，从而连接互联网 [7]，LiFi技术原理图如图1所示。光探测器接收到微型芯片编码的光信号，再通过放大处理器将其转换为电信号，这就意味着，只要在有光的情况下，将电脑或手机放在灯光下，我们就可以下载视频、发微信、上网等等。LED是实现照明以及在自由空间高速可见光通信的潜在光源 [8]。
3. LiFi技术与WiFi技术对比分析
LiFi与WiFi本质上的区别在于，LiFi是利用光脉冲来实现数据的传输，而WiFi是通过无线电磁波来传输数据。
3.1. LiFi较之WiFi的优点
1) 不受电磁波影响。我们当前所用的WiFi技术是利用电磁波进行数据的传输，在传输的过程中会受到其他无线电磁波的干扰，以至于出现网络卡顿、信号不稳定、无法下载视频等情况。但是对于LiFi技术而言，它是通过LED灯光的不停闪烁来完成传输无线数据，这就不存在电磁波干扰的问题。
Figure 1. LiFi technical schematic diagram
图1. LiFi技术原理图
2) 安全性高。LiFi传输的数据是沿着光的直线传播的，遇到障碍物时进行反射，因此不会穿透，这就提高的上网的安全性，消除我们对“蹭网”、“中病毒”、“信息泄露”的担心。
3) 高效节能，绿色环保。WiFi无线通信的耗电量较大，能量转换率低。当手机连接热点时，其工作电流达到100 mA以上，同时手机发烫就是大量能量以热能的形式消耗了。而可见光通信技术是以发光二极管为光源，其为冷光源，不会发热消耗能量，消耗功率还不到发光功率的5% [9]，是近乎于零消耗的通信。普通的二极管成本很低，这符合现代绿色环保的理念。2018年我国工程院院士邬江兴在首届智博会上发布首款可见光通信芯片，该芯片组可支持每秒G比特量级的高速传输 [10]，这说明LiFi的传输速率比WiFi快很多。
4) 可灵活应用在各种场所。目前，WiFi在大型场所的应用很广泛，比如医院、商场和学校等。但WiFi易受干扰的缺点却体现的越来越明显，网络信号不稳定，数据传输中断，数据安全性低等。相对于WiFi而言，LiFi却能弥补WiFi的这方面的缺点。
3.2. LiFi较之WiFi的缺点
1) 应用区域受限。由于光被阻挡时，数据信号传输会中断，这就使LiFi只能局限于在特定的区域使用。当LiFi应用于室外的场所时，需要在范围限定内保证光源的分布。
2) 点对点单向传输。早期的LiFi不像WiFi一样可以双向传输，仅以点对点传输为主。目前对于LiFi双向传输的研究在不断改进，并有一定的进展，已实现一点对多点，多点对一点光通信 [11]。
3) 光线易受其他光的干扰和障碍物阻挡。在室外太阳光很强时，LiFi就会受到环境光的干扰，导致信号无法连续传输。当我们用手或者其他物品遮挡光线时，也会对信号的传输起到阻挡，信号也会中断。
4) 复杂的光电器件系统。LiFi技术需要应用到发射器、接收器、光电探测器和数据处理器等设备，如何使这些设备的技术参数相互之间的匹配度高对LiFi技术来说也是需要解决的一个问题。
4. 5G网络通信技术
5G，全称为“第五代移动通信网络”。随着人们对网络技术有着更高的要求，从2G时代过渡到3G，再从3G时代发展到4G时代普遍应用，然后再到如今5G时代的到来。5G的理论传输速度可达到每秒数十GB，比起4G网络传输速度提高数百倍 [12]。根据人们的需求，网络通信不仅仅是单方面的从速度来考虑，所以从4G到5G的过渡在速度上大大提高，而且还具有低延迟，稳定的特点。5G技术推动了智能化的进程，让无人驾驶变为现实，在未来，也许我们不再用为考驾照而发愁，直接在汽车中设定好程序，选定目的地就可以去我们想去的地方。智能家居也是5G技术发展很大的一个领域，一个按键就可以控制我们家中的所有电器。LiFi以光通信技术为基础，在未来的技术领域里，LiFi将占领一定的地位，被认为是5G网络及以上一个最有应用前景的解决方案 [13]。
5. LiFi技术的应用
近几年LiFi技术正逐步应用于各个领域，如物联网、航空、井下作业、安全项目、农业项目、室内定位等方面。虽然它也有本身的局限性，但如果能很好地利用它的优势，我们的通信技术就会有更好的发展。
1) 物联网方面。把LiFi需要的LED装在手机闪光灯位置，代替照明同时也可以连接网络，在没有WiFi热点的地方就可以打开闪光灯进行扫码付款，以LiFi为基础的支付技术已在国内尝试使用。
2) 井下作业方面。我们都知道煤矿开采是一项具有危险性的工作，当应用WiFi技术在井下工作时，由于WiFi信号穿透力变弱，数据信号传输不连续，易对矿工的精准定位造成影响，不利于安全生产。而利用LiFi技术在井下封闭空间也具有高速传输数据的优势。我们可以把带有微型芯片的LED灯，在矿场通道里每隔一段距离安装一个，同时将此类LED灯安装在工作人员的头盔上。通道上的灯检测到工作人员的位置、身份和当前时间等信息后，将信息传送给终端，再经处理后显示在电脑屏幕上。这样可以随时探测矿井内工作人员的生命迹象以及位置，减少伤亡。定位系统布局结构如图2所示 [14]。
Figure 2. Schematic diagram of positioning system layout [14]
图2. 定位系统布局结构示意图 [14]
3) 智能车灯方面。在汽车的车灯上安装带有微型芯片的LED灯，车灯作为接收信息的接收器，将解码芯片传输的光信号，并把信息通过显示屏显示在车主面前。当两辆车距离很近或者有行人经过时，车灯就会发出减速的信号提示车主，启动自动避让系统，从而有效避免发生交通事故 [4]。
4) 在航空方面。当飞机在空中飞行时，不能使用移动网络，因为手机信号的接收和发射会对飞机的飞行造成干扰，因此在飞机起降和飞行期间要求乘客关闭手机或打开飞行模式。如果应用LiFi技术后，就可能解决这个问题，通过客舱中安装特定的LED灯，能够正常进行数据传输，乘客就可以随时使用互联网，并不会对飞行造成影响。
6. LiFi技术的展望
LiFi作为面向LED照明、通信、物联网、智能汽车、航空等多领域交叉融合的高新技术，未来具有广阔的市场应用前景，LiFi将成为LED应用的一个新方向。LiFi作为一种新型技术，由于LED宽带限制以及光电探测器的灵敏度等问题，LiFi技术的开发还面临许多挑战。目前国家支持可见光通信领域关键技术的开发研究和创新应用，将加快突破可见光通信关键核心技术的瓶颈，积极地推进可见光通信技术的研发与产业化进展过程。当前LiFi和WiFi两者有各自的优缺点，如果将它们结合起来应用，将会使我们的生活更加便捷 [15]。
基金项目
2019年海南省基础与应用基础研究计划(自然科学领域)高层次人才项目(2019RC190, 2019RC192)；海南省自然科学基金(2018CXTD336, 618MS055, 618QN241)，海南省高等学校科学研究项目(Hnky2020ZD-12)资助。
NOTES
*通讯作者。