Lifi LED光源将引领可见光通信技术 Wifi已OUT？

　　半导体激光器的光输出能够直接调制，最常用的激光器输出调制是控制流经器件的电流进行幅度调制或脉冲调制。激光二极管的调制带宽B<ω0，其中ω0是类共振频率，而在阈值之上，调制带宽可以近似写作公式(4)

　　式中，τ是载流子寿命;τS是光子寿命;J是注入电流密度;J，是透明电流密度;σ是自发辐射因子;Γ是光限制因子，而

　　其中，c是光速，n是折射率。如果在LD的激射区域忽略自发辐射，即σ=0，从公式(4)发现调制带宽和注入电流密度就是正相关的线性关系，但是实际中的半导体激光器有droop效应，而且除了主模之外，边模也有很强的弛豫振荡。所以在微腔的微小体积中，自发辐射因子是较大的，普通激光器的σ=10-5～10-4，而微腔激光器的σ可能增大到0.1以上，甚至接近于1。

　　尽管LiFi的光源可以选择激光二极管，而且2014年诺贝尔物理学奖获得者之一中村修二也在预言未来激光照明可能要取代LED照明，但是当前的主流照明新技术还是推广性价比较高、技术相对成熟的LED，并且对于LiFi光源的特点，研发高亮度、高效率和高速调制的LED器件方向可以更快地推动LiFi技术的商业化。

　　LiFi光源的颜色

　　与WiFi只是关注通信性能的提升不同，LiFi的照明系统必须要考虑在提升通信性能的同时保证照明的质量。所以LiFi的光源不管是LED还是LD，都是要输出白光，而白光的颜色质量对于照明来说是非常重要的。

　　LED灯具颜色特征参数可以由光谱功率分布(SPD)来计算。SPD是相对于光波长的输出强度分布的数学表达，可以提供关于光谱组分的详细信息。在LiFi系统中，随着LED的驱动电流变化，SPD会有偏差。偏差的SPD能导致感知的色点漂移并且会影响颜色的显色特性，而LiFi中的特殊调制技术会更加容易受颜色质量退化的影响。通过用SPD模型测量驱动电流变化带来的SPD偏差，从而可以评价LiFi调制的颜色质量。

　　但是用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模型设计是建立在相对静止的条件，不能解释LiFi在高频电流振荡下的情况;很难用一个SPD模型来适用于所有的LED类型，例如不能解释PC-LED中的荧光粉材料产生的额外影响。另一方面可以检测LiFi在工作条件下的实时颜色特性，对于高亮度LED产品，LED的制造商需要提供不同驱动电流和调制频率下的颜色数据，如SPD、颜色坐标和显色指数(CRI)。

　　因为LiFi在传输数据或者空闲状态时需要提供足够亮度的无闪烁照明服务，所以LiFi设备需要具备闪烁去除和亮度调节的功能。在IEEE发布的IEEEPAR1789《LED照明闪烁的潜在健康影响(草案)》中采用了波动深度对闪烁问题进行评价。而LiFi的光源调制频率至少是每秒数百万次，所以LiFi光源的闪烁是属于无风险级别的。在亮度调节方面，除了OOK(开关键控)和VPPM(可变脉冲位置调制)，还有CSK(色漂键控)调节。

　　2011年9月，规定了传输速度最高为95Mbit/s的可见光通信国际标准IEEE802.15.7制定完成，而且标准制定委员会的首要任务是推行“照明第一、通信第二”。

　　标准中的物理层PHYⅠ和Ⅱ分别支持OOK调节与VPPM调节，而物理层PHYⅢ采用CSK调制，支持多光源带宽。将可见光划分为7段光带，用3位bit标识不同的光带ID号，CSK根据光带ID号将数据调制在不同波长的光波上并行传输，提高光谱利用率，通过选择颜色的ID标识改变组合，达到亮度调节的目的。对于LED光源，物理层PHYⅢ仅工作在RGB-LED器件下，并且适合短帧发送，所以采用CSK调节的LiFi光源可以选择RGB-LED或者RGBLD，适合用于室内通信。

　　LiFi系统的光源布局

　　LiFi以其独特的优点可以广泛地应用于：智能照明、车辆交通、医院、办公室、飞机上、国防安全、水下通信、室内定位和危险环境中(如矿井、电厂和加油站等)。尤其是室内定位，美国的ByteLight公司和国内的华策光通信都已经开发出基于白光LED的室内定位系统，能够实现LiFi的单向传输，用于室内的信息推送和定位服务。

　　但是室内LiFi系统面临着许多的技术难题，比如在带来安全性的同时如果光线被挡住了，信号就会断掉;LiFi的双向数据传输问题等。HardalHass教授也认为LiFi不会取代WiFi，对于室内通信，LiFi可以作为WiFi的良好补充，只是在某些无线电波受限的场所，LiFi有其不错的应用空间。由于照明和防止阴影效应影响等原因，需要在室内安装多个LED灯，因而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，光源的布局不仅要使得室内的照度和照度均匀度满足相应的标准要求，而且要有利于人的活动安全和舒适。光源要选择高光效、合适色温、长寿命和可靠性的产品。室内的照明布局需要考虑基础照明、重点照明、装饰照明和应急照明的要求。

　　考虑到LiFi系统中不同路径引起的码间干扰、室内人员走动和物理阴影效应对通信系统的影响，在照顾到重点照明部分的LiFi通信的同时，可以采用OFDM(正交频分复用)方案提高LiFi系统的整体性能和实现带宽资源的有效利用。比如基于PC-LED的LiFi系统，采用OFDM调制技术可以通过滤除响应速度较慢的荧光成分，拓展了调制带宽，还可以对抗多径效应，实现高速数据传播和通信，但是这样的系统是否满足照明的均匀性还尚未得到证实。

　　总结

　　作为相对于WiFi的一种通信技术，LiFi也受到人们越来越多的关注和研究。本文从LiFi的光源要求出发，分别从当前光源选择、光源的颜色和光源布局3个方面来阐述LiFi光源的研究情况。

　　在LiFi的光源选择上，从LED器件的载流子注入角度分析了影响LED调制特性的因素。目前来看，RGB-LED相对于PC-LED有很好的数据传输速率，但是需要降低成本，简化电路设计。对于激光二极管用于LiFi光源的情况，从阈值电流以上的工作区方面分析了半导体激光器的调制特性。

　　在LiFi的光源颜色上，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，不仅要通过OFDM调制来降低LiFi系统码间干扰，提升数据传输速率，而且要注意室内照明的均匀性问题。

　　随着高亮度、高效率和高速调制的LED器件的研发深入，基于白光LED的LiFi技术会越来越成熟，这会给LED带来新的发展机遇，正如中村修二所说，LiFi可能会成为LED的又一杀手锏。另外随着激光照明的研究不断推进，未来是否激光照明会在LiFi技术中取代LED，也非常值得人们期待。

编辑：bober