Lifi LED光源踢掉WiFi将引领可见光通信技术？ - 全文

　　近年来，随着白光发光二极管（LED）技术的大力发展，可见光通信（Visible Light Communication，VLC）成为新一代无线通信技术的研究热点之一。VLC也叫LiFi（Light Fidelity），2011年，来自爱丁堡大学的德国物理学家Hardal Hass教授在TED大会上发表了一个关于LiFi技术的演讲，首次将“VLC”称为“LiFi”。

　　LiFi是一种基于光（而不是电波）的新兴无线通信技术，结合了光的照明功能和数据通信功能，如图1所示。LiFi是在不影响LED照明的同时，将信号调制在LED光源上，通过快速开关产生人眼无法感知的高频闪烁信号来传送数据。

图1  LiFi是基于光的无线通信技术

　　LiFi的优势

　　相比于当前主流的WiFi通信技术，LiFi有如下优势：

　　（1）容量方面，无线电波的频谱很拥挤，而可见光的频谱宽度（约400THz）比无线电波多10000倍；

　　（2）效率方面，无线电波基站的效率只有5%，大多数能量只是消耗在基站的冷却上，而LiFi的数据可以并行传输，同时提高效率；

　　（3）实用性方面，无线电波只是在基站中获取，不能在飞机上、手术室或者加油站使用WiFi，而全球的每个灯都可容易地接入LiFi热点；

　　（4）安全性方面，无线电波很容易被侵入，而可见光不可以穿墙，甚至窗帘，提供了网络的隐私安全。

　　作为兼顾照明和通信的新技术，LiFi在追求高传输速率的同时，不能影响照明的质量和要求，尤其是在光源的研制上。LiFi的光源既要具备通信光源调制性能好、发射功率大和响应灵敏度高等优点，又要满足照明光源高亮度、低功耗和辐射范围广等特点。
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　　LiFi光源选择

　　1、LED

　　目前LiFi技术采用的光源大多数是白光LED，很大一部分的原因得益于LED技术的快速发展。而白光LED的实现方式主要有：蓝色LED芯片激发黄绿色荧光粉转换成白光（PC-LED）、紫外光或紫外LED激发三原色荧光粉产生白光和红、绿、蓝3种LED芯片封装在一起混合产生白光（RGB-LED）。现阶段商用的白光LED产品根据光谱成分的不同，主要分为两大类：PC-LED和RGB-LED，两类白光LED的光谱如图2所示。

　　
图2 两种白光LED光谱对比

　　LED的调制带宽决定了通信系统的信道容量和传输速率，研究LED器件的调制特性是提升新型LiFi系统性能的关键问题之一。LED调制带宽的定义是当LED输出的交流光功率下降到某一参考频率值的50%时（-3dB）的频率。由于PC-LED的黄色荧光粉光谱部分的光电响应比较滞后，如图3所示，导致LiFi光源的调制带宽限制在几个兆赫兹以内，从而限制了整个系统的通信速率，即使在接收端采用蓝色滤波片也未能明显改善该光源的缺陷。

图3 PC-LED实验中的归一化频率响应与频率的关系

　　因此，越来越多的LiFi研究将光源转向RGB LED，它能提供较高的调制带宽，在3种颜色的光波上用波分复用的方式提高信道容量，调制不同的数据并行传输，并在接收端通过各颜色的滤波片分别接收3种颜色，有效提高发送效率。但是RGB-LED中不同颜色的LED对于输出光通有不同的工作温度依赖性，为了实现工作温度独立的色点，需要对每个单色LED的反馈循环和驱动电流进行单独控制，这样对器件的制备带来了较高的成本和复杂的调制电路。

　　LED的调制带宽受响应速率限制，而响应速率又受载流子寿命的影响。除了设计调制电路，降低RC（resistance-times-capacitance）延时之外，常规提高器件调制带宽的方法是增加电子空穴的辐射复合速率，减少载流子自发辐射寿命。常用载流子复合ABC模型如公式（1）所示。

　　

　　式中，N表示发光有源层的载流子浓度，单位为cm-3，A表示Shockley-Read-Hall（SRH）介质缺陷复合系数，B表示自发辐射（双分子）系数，C表示Auger复合系数，BN2表示自发辐射速率。通过增加注入载流子浓度来减少载流子自发辐射寿命，而增加载流子浓度的方法有加大注入电流和Delta掺杂。大电流下，注入载流子浓度增加，因而激子复合几率增加，辐射复合载流子寿命降低，电光转换快速响应。Delta掺杂技术也实现了载流子的大量注入，从而降低了载流子寿命，实现相同电流密度下调制带宽的提高。

　　载流子浓度的变化会影响到LED的内量子效率，如公式（2）所示：

　　

　　式中，εrad是内量子效率。如表1所示，其中A、B、C的取值选取文献中实验的赋值，而理论的常规赋值中Auger复合系数比实验得到的结果小了4个数量级，可能的原因是杂质和声子作为中间介质参与Auger复合过程，使得C值实际中很大。另外一种可能是droop效应是由载流子溢出等作用的结果，与 Auger辐射无关。

　　

　　由载流子ABC模型能够获得测试设备很难测量的重要电光特性，如载流子浓度-内量子效率曲线，如图4所示。在理论值的计算上，内量子效率渐渐趋于 100%，但是实际中LED器件的内量子效率会出现上升到峰值再下降的droop效应，并且输出光通量与注入电流的关系也会有droop效应。LED的调制通常发生在工作区，在饱和区进行调制会带来很差的信噪比，所以要控制好注入电流的范围。

图4 载流子与内量子效率的关系曲线

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　　2、LD（激光二极管）

　　由于研究人员不满足LED调制达到的数据传输速率，LiFi的首次提出者HardalHass教授用激光二极管替换了现有的LED，利用激光器的高能量与高光效，传输数据的速率可以比LED快10倍。激光照明可以混合不同波长的光产生白色光，类似于RGBLED。虽然基于LED的LiFi可达到10Gb/s的数据传输速率，可以改善 WiFi中7Gb/s的数据传输速率上限，但是激光传输数据的速率可以很容易超出100Gb/s。最新的报道显示，美国亚利桑那州立大学电子、计算机和能源工程学院的研发团队研制出纳米级别的白光激光器，其可以更加便利地用作LiFi光源。

　　在通信方面，激光二极管相比于LED，具有更快的响应速度、可以直接进行调制和耦合效率高等优点。对于普通的电注入式半导体激光器，当注入电流超过某一值时，LD可以发射受输入电流控制的调制光，其调制特性如图5所示，该点电流称为阈值电流，阈值电流以上部分直到饱和区都属于LD的工作区，而调制范围最好在线性区域内进行，所以降低器件的阈值电流，获得较大的调制工作区显得很重要。

图5 半导体激光器的调制特性

　　阈值电流密度如公式（3）所示

　　

　　式中，Jth是阈值电流密度；e是电子元电荷；d是有源层厚度；Iinj是注入电流；N’是透明载流子浓度；αm和αi分别是镜面损耗和光学吸收损耗；Γg0是最大的模式增益；B和C分别是辐射复合系数和Auger复合系数。

　　垂直腔面发射激光器（Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers，VCSELs）就具有低阈值、宽调制和高光电转换效率等优势，美国PrincetonOptronics公司研制出集成多个VCSELs列阵的激光照明模块，连续输出功率超过650W，如图6所示。但是随着注入电流的增加，高功率的VCSELs就会激发出多重横模，导致器件用于通讯光源时误码率增大，所以要对高功率的VCSELs器件的出射模式进行偏振选择。

图6 Princeton Optronics研制的基于高功率VCSEL阵列的激光照明模块

　　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。
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　　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。
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