基于Li—Fi面对面快传的应用与研究

王世博 代作晓

[摘 要]相比无线Wi-Fi接入技术的，灯光作为一种无处不在的无线通信媒介，在数据获取的便捷性、传输安全性、以及传输速度上有其独特之处，是提升工作效率的一种有效、低廉的上网方式。本文基于灯光上网Li-Fi的基本原理和现有技术，提出了一种实现数据面对面快传的可变长传输编码方法，设计了一个可抗杂光干扰的软硬件相结合的应用，不仅验证了编码方案的可行性，而且解决了杂光干扰对信息传输准确度的影响，并在进一步分析实验数据的基础上，提出了下一步的改进思路和方向。

[关键词]移动办公；灯光上网；无线通信；Li-Fi；

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）10-0235-02

1 引言

随着3G/4G移动通信技术的快速发展，移动互联网的无线接入变得越来越重要。现实生活中的灯光，作为一种无处不在的无线通信媒介，相比无线Wi-Fi技术，在数据获取的便捷性、传输安全性、以及传输速度上有其独特之处，是提升工作效率的一种有效、低廉的上网方式。“灯光上网”利用闪烁的灯光来传输数字信息，这个过程被称为可见光通信，又称为Li-Fi，以示区别目前Wi-Fi为代表的无线网络传输技术。

国际上，日本最早开始Li-Fi技术的研究，而在这个领域做得比较前沿的，则属德国物理学家哈拉尔德·哈斯。国内自2008年，开始研究室内红外通信及干扰、室外可见光短距离传输[1][2]。复旦大学计算机科学技术学院最早开始研究“灯光上网”通讯技术[3][4]。

2010年，任凤娟等比较了室内红外光LED和白光LED所受阴影效应的干扰。2011年，洛宏图等考虑到室内空间分布的复杂性和阴影效应的干扰。2013年，刘建余等对可见光数字短距离传输在室外的影响因素进行了研究。2014年，俞洋设计的可见光通信装置可在5m高度范围内进行准确有效的位置信息传输。2015年刘冰等设计了LED可见光的通讯系统，用函数信号发射器发射信号[5]。2016年，毛海涛等建立MIMO系统进行可见光传输实验时大大加强了系统的抗干扰能力。而陈晨在基于STM32的系统中对于0.5m以内可见光传输的误码率的变化进行实验[4]。2017年，赵苏晓和王辉对于室内非定向的可见光通信进行优化，考虑到了光的多径时散，更贴近现实的复杂情况。

基于灯光上网Li-Fi的基本原理和现有的研究技术，本文提出了一种实现数据面对面高速快传的编码方法和LED灯光实验方案，验证了所提出的数据面对面高速传输方法的可行性，并在分析实验数据的基础上，总结了下一步继续改进思路和研究方向。

2 LED灯光通信编码方式

现有的光通信技术采用八位二进制的编码传输原理，且为避免外界光线干扰，利用光纤作为光传导的介质。发射端编码1为亮，编码0为灭，接收端通过识别光脉冲产生的高低电平进行解码。这样的传输方式的不足：

1）误码率高：连续输出多个二进制数为1或0时，会造成发射端的持续发光或不发光，为解决误码率问题，不仅对时间同步要求极高，而且需要信息回传校验、重传机制来降低误码率，这个过程占用了大量的传输时间并降低传输速率。

2）便捷性差：光纤连接的通信，影响了面对面传输的效率，降低了移动办公的便捷性。

针对上述两个问题，提出了无线Li-Fi编码传输机制的改进方案，如图1。对于接收端误判问题，把原本的亮和灭，分别表示二进制1和0，变为单位时间内发射端闪烁次数的检测。如图1中，单位时间Δt内，闪烁9次，则接收端为9；闪烁3次，则接收端为3，这样一次可以传输8位二进制数0～255的数值。

3 LED灯光通信实验设计

3.1 实验装置

图2是利用Li-Fi面对面快传的实验装置，由一个发射端和一个接收端组成，其终端设备均为计算机。发射端和接收端的计算机上分别连接一个Arduino控制板，发射端控制板上接入一个三原色LED小灯，其发射频率由发射终端控制。接收端控制板上接入一个光电二极管，将生成的电脉冲输入接收终端计算机，计算机处理接收数据并显示结果。蓝色色光滤光片用于降低杂光干扰。

3.2 实验数据分析

实验测试了多次连续闪烁的接收情况，测试数据见表1。主要包含无杂光干扰、有杂光干扰、加滤光片的杂光干扰三种情况下的实验数据。

1）无杂光干扰：无外界杂光干扰的情况下，接收端能正确解码到发射端输入的数字。

2）有杂光干扰：在试验过程中，将系统置于相同位置，保持温度、气压、磁场、电场等因素基本不变，加入干扰光源，接收端的接收出现了对于发射端光信号无法分辨或分辨率低等问题。

3）加滤光片：上述杂光干扰问题，可通过在接收端使用滤光片的改进方案来改善。

3.3 问题和进一步改进方案

下一步改进方案将在十进制的基础上，进一步研究传输信息量过大和延迟问题，提出如下改进方案：

1）提升接收端光电二极管的转换速率，增强接收端的光电二极管单位时间内对于光信号的转化效率。

2）增加发射端和接收端的数量，使用多路传输的方式。具体传输形式为：使用三个发射端，根据所要传递的数据发出红绿蓝三原色光，三个接收端依次装配红绿蓝三原色滤光片。例如，红色光输出数字5，绿色光输出数字2，蓝色光输出数字1，接收端根据接收到的各色光脉冲数进行加法运算，计算出数据。比如发射端发送数字8，由于8=1×5+1×2+1×1，发射端在单位时间内红、绿、蓝三色光同时闪烁一次，接收端在单位时间内接收到三种色光各一个脉冲，进行加法运算1×5+1×2+1×1=8，从而得到所传输的数字。

3）将发射端信息发射最大速率限制在光信号传输速率以下，避免信息传输的延迟问题。

4 结论

本文在文献调研的基礎上，自主设计了全套面对面快传装置与具体实验操作过程。该装置包含一个发射端与一个接收端，利用Li-Fi通信原理，使用自主编写的程序，在一定程度上提升了数据传输的高效性与稳定性，并为下一步研究的改进打下基础。

参考文献

[1] 魏承功.基于白光LED的室内可见光通信系统研究[D].长春理工大学，2008.

[2] 王永波.室内可见光无线通信系统研究[D].浙江大学，2008.

[3] 梁姗姗.看复旦大学如何“灯光上网”[J].科学大众：中学生，2014（Z1）：20-22.

[4] 马亚宁.有灯光的地方，就可上网[N].中国文化报，2013-10-29（007）.

[5] 刘冰，薛德宽，黄兴洲等.LED可见光模拟通信实验系统的设计[J].电声技术，2015，39（9）：37-41.

基金项目

上海市青少年科学创新实践工作站实验项目，已获站内优秀，并推荐为上海市优秀。感谢中国科学院上海技术物理研究所提供实验设备和场地。