视听科技动态分析报告：IEEE 802.11bb无线传输标准Li-Fi

科技动态 （视听科技动态分析报告） 2023年第2期 （2023年8月19日） 主办国家广播电视总局广播电视规划院 ————————————————————————— 专题：802.11bb无线传输标准Li-Fi 目录 一、Li-Fi发布的基本情况1 1.1Li-Fi基本原理1 1.2802.11bb标准4 二、Li-Fi的技术特性与特点6 2.1Li-Fi技术的特点和优势6 2.2Li-Fi技术的局限和挑战7 三、Li-Fi应用场景9 四、Li-Fi跟其他通信标准的关系11 五、Li-Fi的最新发展动态12 参考文献16 最近，电气和电子工程师协会IEEE正式签署802.11bb无线传输标准Li-Fi。IEEE802.11bb标准定义了使用光波进行无线通信的物理层规范和系统架构，为Li-Fi技术的广泛应用奠定了基础，使其能够与Wi-Fi无缝衔接，在家庭、办公室的高速安全互联网接入以及增强现实等应用中实现更优质的通信。 研究表明，Li-Fi利用可见光、紫外线和红外线等专属光谱，可以达到224Gbit/s的数据传输速率，而下一代Wi-Fi标准Wi-Fi7的传输速率大约只有30Gbit/s。Li-Fi在专用的光谱上工作，具有更高的可靠性，这意味着Li-Fi能够在飞机机舱、医院或军队等容易受到电磁干扰的区域发挥作用。不过，Li-Fi在保证特定范围内通信绝对速度和安全性的同时，也限制了其在大规模推广方面的普适性，因此，Li-Fi与Wi-Fi、5G等传统通信技术是互补而不是替代关系。 作为一项颠覆性的技术，MordorIntelligence报告显示，Li-Fi市场在2020年价值2.954亿美元，预计到2026年将达到41.5738亿美元。鉴于Li-Fi技术的颠覆性，该技术有望充分释放物联网的潜力，进一步推动工业4.0应用，并引领照明行业即将到来的光即服务 （LaaS）。 一、Li-Fi发布的基本情况 1.1Li-Fi基本原理 Li-Fi，全称为LightFidelity（光保真），是一种基于光波的无线传输技术，利用光源作为信号发射源，通过控制安装有特定芯片的 LED灯的通断，将光信号转化为普通电信号，实现与终端接收器的通讯。Li-Fi技术是以LED为载体，在不影响正常照明前提下，通过增加符合Li-Fi标准的调制解调器，将信息通过调制器进行调制后，将数字信号载频到LED灯具上，利用LED发出快速的光脉冲无线传输信息。接收端利用光电转换器（PD）接收含有信息的可见光，并转换为电信号，然后进行滤波、整形和放大，并从中解调出相应的模拟信息。如果需要双向传输（即下行和上行）或多路传输，则需要进行频谱区分或多路取样调制，并加入同步识别信号和同步检测信号。 Li-Fi通过头顶照明利用可见光进行数据传输。这可以通过使用 可见光通信（VLC）系统进行数据传输来实现。VLC系统有两个组件： （1）至少一个包含光电二极管的器件，以便接收光信号； （2）配备信号处理单元的光源，用于传输信号。 VLC光源可以是荧光灯泡或发光二极管（LED）的形式。LED灯泡是最理想的VLC光源，因为强大的Li-Fi系统需要极高的光输出率。普通日光灯和白炽灯灯泡发出的光，波长范围要宽得多，这使其成为比LED效率相对较低的光源。另一方面，LED可以发射波长非常窄的光，使其成为更有效的光源，如图1-1所示。 图1-1Li-Fi的工作原理 Li-Fi的概念最早由英国爱丁堡大学的教授哈罗德·哈斯（HaraldHaas）在2011年10月举办的全球科技娱乐设计大会（TEDGlobal）上提出，经过十多年的发展，最近被IEEE确定为一项无线通讯标准。 Li-Fi也是一种无线通信传输技术，与Wi-Fi和5G等传统技术相比，它使用光而不是无线电频率来传输数据。通过利用光谱，Li-Fi的数据传输速度更快，更可靠，更安全。而且延迟和抖动更低，光传播无法穿过墙壁，这可以减少信号干扰和窃听风险，并能实现厘米级精度的室内导航。 1.2802.11bb标准 7月12日，全球电气和电子工程师协会（IEEE）宣布正式将802.11Wi-Fi与802.11bb一起添加列为基于光传输的无线通信标准。如图1-1所示。 图1-2IEEE的802.11bb标准Li-Fi “802.11bb”全称为“LightCommunications802.11bb”，该标准制定工作组成立于2018年，主要由目前两家在Li-Fi研发领域的领军公司pureLiFi和FraunhoferHHI共同负责。光通信802.11bb任务组于2018年成立，由pureLiFi担任主席，并得到FraunhoferHHI的支持，这两家公司一直处于Li-Fi开发工作的最前沿。两个组织的目标是通过这些标准化工作，不仅在Li-Fi供应商之间，而且在Wi-Fi技术之间加速采用和互操作性。 IEEE802.11bb标准定义了使用光波进行无线通信的物理层规范和系统架构，该标准的出台，标志着Li-Fi技术已经初步成熟，这为 进一步普及，正式商业化奠定了基础，迈出了最重要的一步，是一个重要的里程碑。 pureLiFi标准化副总裁NikolaSerafimovski表示： "IEEE802.11bb标准的发布是无线通信行业的一个重要时刻，该技术吸引了众多相关行业从业者的兴趣，包括半导体公司到领先的手机制造商。我们与这些关键利益相关者合作创建了一个标准，该标准为Li-Fi日后大规模普及奠定了基础。” IEEE已经认证了第一个Li-Fi标准，这是一种红外(IR)、可见光和紫外（UV）光谱的高速数字通信标准。随着Li-Fi标准802.11bb-2023的认证，开启了局域无线通信的新时代。Li-Fi是指使用光而不是Wi-Fi使用的无线电波进行无线数据通信。它速度更快，不受电磁干扰，并且更难以拦截。它通过调制近红外、可见光或近紫外LED来工作，使任何LED光源都成为潜在的接入点，如图1-3所示。 图1-3Li-Fi在可见光谱以及近红外和近紫外范围内工作 二、Li-Fi的技术特性与特点 2.1Li-Fi技术的特点和优势 1.数据密度和传输速度 Li-Fi具有比Wi-Fi高1000倍的数据传输密度。在传输速度方面，Li-Fi的理论峰值可达224Gbps，远高于当前最强的Wi-Fi7的46Gbps。Li-Fi的优势在于它使用光进行传输，光波的传输速度远远快于电信号的传输速度，因此Li-Fi有着更高的数据传输效率。 2.功耗和发热量 与Wi-Fi相比，Li-Fi的功耗更低，发热量更小。由于Li-Fi使用的是光信号而非电信号，因此Li-Fi设备的发射功率较低，发热量也较少。这使得Li-Fi设备在传输过程中更加稳定，有助于提高传输速度和数据安全性。 3.安全性 Li-Fi在安全方面具备一定的优势。由于Li-Fi使用光传输数据，其使用范围被限定在光源照射的范围内，这种严格限定的网络连接范围可以提供更好的安全性保障。同时，光波对于墙体、绿植、人体等障碍物非常敏感，一旦有物体遮挡光源，Li-Fi网络连接会立即中断，降低了安全风险。另外，现有的大部分远程攻击手段对Li-Fi无效。4.频谱资源丰富 Li-Fi的一个重要优势是频谱资源极为丰富，光波的频谱无需监管机构批准即可使用。在IEEE的802.11bb标准中，Li-Fi甚至使用 了部分专有红外光谱进行传输，频率超过60Hz，肉眼无法察觉。相比之下，Wi-Fi的频谱资源已经非常有限，无线电频谱管理机构为了避免信号干扰，努力增加可用频段。Li-Fi的发展将为无线通信带来新的契机。 2.2Li-Fi技术的局限和挑战 回到当前，Li-Fi仍面临着一些技术性挑战，未来发展仍有很长一段路需要走。需要解决问题包括高频率高效能的LED光源（提高LED光源的响应速度）、利用电力线的数据传输技术（提升PLC的速率和抗干扰性能）以及高效能低功耗的光接收器（解决光源相互干扰和功耗问题）等，如图2-1所示。 图2-1成本和便捷性或许会成为Li-Fi技术暂时难以普及的痛点 此外，目前市场上可以兼容Li-Fi的无线设备数量有限，早期成本较高，与5G和Wi-Fi相比具有明显劣势。在市场接受度和应用成 熟度来看，Li-Fi同样面临挑战，目前5G和Wi-Fi已经在全球范围内广泛普及，市场渗透率极高。要想让Li-Fi在市场上占据一席之地，还需要解决诸多技术和成本问题。 1.网络覆盖范围受限 Li-Fi的传输范围较窄，限定在光源照射的锥形范围内，约为10米左右。相比之下，Wi-Fi的覆盖范围可以达到100米，在有阻挡物的情况下，Wi-Fi的穿透性也更强。这意味着在大型场所或复杂环境下，Li-Fi的网络覆盖可能受到限制。Li-Fi使用光传输信号在保密性好的情况下覆盖范围就被限制在视距范围内，这意味着它无法像Wi-Fi一样，一个路由器覆盖全家，甚至上网的时候便携设备的光接收器被遮挡也会影响信号接收。 2.成本和便捷性 布置Li-Fi网络需要对照明设备进行更换或增加新的Li-Fi设备，因此成本较高。此外，目前Li-Fi设备的选择相对较少，对于个人审美要求较高的照明设备来说，满足用户需求的Li-Fi设备还有待发展。此外，对于已有的照明系统，用户想要体验Li-Fi技术也需要增加额外的设备，增加了部署的工作量。目前市场上支持Li-Fi的设备远远少于支持Wi-Fi的设备。 3.干扰问题严重 光传输还可能面临多光源的干扰问题，比如家里多个灯具之间、灯具光源和非灯具光源之间的信号干扰等。 4.双向通信挑战 虽然Li-Fi下行传输速度非常快，但上行传输由于终端设备限制，难以采用光通信方式。目前还没有比较好的办法解决，常见的解决方案是下行用Li-Fi上行用Wi-Fi。 三、Li-Fi应用场景 尽管Li-Fi目前还面临一些挑战，但随着技术的不断进步和成本的降低，Li-Fi有望在未来的通信领域发挥重要作用。Li-Fi作为一种新的无线通信手段，在Wi-Fi、5G无法适用的环境中可以发挥作用，未来有着广阔的应用空间，如图3-1所示。 图3-1典型的Li-Fi接入点架构 1.室内无线通信 Li-Fi适用于室内无线通信，特别是在对安全性要求较高的场所，如政府机关、军事设施、金融机构等。限定的光传输范围可以提供更好的数据安全性保障。 2.高密度数据传输场景 由于Li-Fi具有高数据传输密度和速度的优势，可以应用于需要大量数据传输的场景，如高清视频传输、虚拟现实(VR)和增强现实(AR)应用等。 3.医疗与医院 在医疗领域中，Li-Fi可以用于安全传输医疗敏感信息，例如医疗记录、患者数据等。由于Li-Fi的安全性较高，可以避免数据泄露和干扰问题。某些大型医疗设备对电磁环境的要求极高，以免强电磁干扰影响设备的运行。因此，Wi-Fi可能并不适合在这些环境中使用。相反，Li-Fi由于基于可见光进行通信，在使用时不会产生显著的干扰。这使得Li-Fi能够在这些高要求的环境中，如核磁共振室等，发挥出更大的应用价值。 4.智能交通 Li-Fi的低发热量和低功耗特性使其在汽车通信领域具有潜力。Li-Fi可以用于车辆之间的通信，提高车辆之间的交通安全性和信息传输效率。汽车都装有LED头灯、尾灯，汽车可借此交换信息防止意外发生。LED交通信号灯也可以利用Li-Fi与汽车通信进行实时通信，实现更精细化的交通管制。例如，当前面的车突然刹车时，通过 Li-Fi传输刹车信息，且立即被后面的车接收，使得后方车辆立即自动减速刹车，从而提高道路安全性。 5.石化与矿山 有些场景下不能在石化工厂里使用无线电频率，它可能使天线产生火花，从而引发潜在爆炸危险。在这种环境中，使用Li-Fi光通信是更安全的选择。在较深的井下，Wi-Fi很难覆盖，有线成本太高，在照明部署的同时使用Li-Fi部署通信网络，下井人员在头盔设备上安装接收模块，可以实现矿下人员的实时定位监控与记录，随时掌握矿下人员分布状况，并实现广播通信。一旦发生矿难，可以及时