wifi及lifi发展

1、Wi-Fi及LiFi浅谈徐子婷西南大学电子信息工程学院，重庆 400715摘要：现今社会无线上网早已深入人们的心中，人们几乎每天都离不开Wi-Fi上网。然而随着用户对无线互联网需求的不断增长，可用的射频频谱越来越少。2013年复旦大学实现LiFi上网，将LiFi带入了人们的眼球。本文主要浅谈一下LiFi与Wi-Fi的发展以及LiFi是否能够替代Wi-Fi 。关键词：LiFi；Wi-Fi；ZigBee ；无线上网A brief discussion about Wi-Fi and LiFi Xu Ziting School of Electronic and Information Engine

2、ering, Southwest University, Chongqing 400715, PR China Abstract: Wireless Internet nowadays already deep into people's hearts, people can not surf on the internet without Wi-Fi access almost every day. But with the increasing demand for wireless Internet users ,the available radio spectrum whic

3、h can be used is less and less. After the researchers in Fudan university achieved connecting to the internet by LiFi in 2013, Li-Fi has attracted people's attention since then. This article mainly discuss about the development of LiFi and Wi-Fi ,And whether LiFi will alternative Wi-Fi or not. K

4、ey words: Wi-Fi; LiFi; Zigbee;Wireless Internet 第1章 导论一、背景2011年德国物理学家哈拉尔德·哈斯在一盏小小的 LED 灯上植入一个微型芯片，使之变成一个类似于AP 的设备，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讯，人们常把它亲切地称为“LiFi”。在一些对无线电敏感的场合下（例如飞机上），都可以使用LiFi 技术。目前，Wi-Fi 作为无线数据传输的主要技术，利用的是射频信号，随着用户对无线互联网需求的不断增长，可用的射频频谱越来越少。而可见光频谱并没有得到利用，其频谱宽度是射频频谱的1万倍，这意味着可见光通信能

5、带来更高的带宽。2013年，复旦大学信息科学与工程学院实验室宣布，他们已成功实现国际前沿通讯技术LiFi(Light Fidelity，灯光上网)。随之，世界各国科学家加入研究，并将提高传输速率作为科研工作中重要的一部分，最高传输速率几乎每个月都有刷新。LiFi能否革新目前的网络通讯技术，它能否投入实际应用并大规模普及，甚至取代Wi-Fi等一系列问题被悉数抛出。本文今天主要向人们介绍什么是Wi-Fi和LiFi,探讨一下Wi-Fi和LiFi的发展史以及其应用和前景。本文主要目的是在基于现行LiFi研究条件下，探讨LiFi是否可以替代Wi-Fi实现无线上网，还是说在一个较长的时间内LiFi需要Wi

6、-Fi相辅相成共同发展。第2章 正文二、Wi-Fi简述1、什么是WI-Fi?Wi-Fi，中文名无线保真 ，是一种可以将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术 ，事实上它是一个高频无线电信号。无线保真是一个无线网路通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。现时一般人会把Wi-Fi及IEEE 802.11混为一谈。甚至把Wi-Fi等同于无线网际网路。无线网络在无线局域网的范畴是指“无线相容性认证”，实质上是一种商业认证，同时也是一种无线联网技术，以前通过网线连接电脑，而无线保真则是通过无线电波来连网；常见

7、的就是一个无线路由器，那么在这个无线路由器的电波覆盖的有效范围都可以采用无线保真连接方式进行联网，如果无线路由器连接了一条ADSL线路或者别的上网线路，则又被称为热点。2、Wi-Fi的发展史自1997年现世至今，已有五代Wi-Fi标准了。第一代，1997年最早出现的802.11标准。第二代，1999年出现的IEEE 802.11b标准（也就是我们常说的Wi-Fi）。第三代，2002年左右推出的802.11g/a标准。第四代，从2007年开始一直沿用到现在的802.11n标准，无线传输速率从最初的2M提升至150M、300M、450M甚至是600M，无线技术正在飞速发展。第五代Wi-Fi，即80

8、2.11ac标准。802.11ac提供了3倍于802.11n的无线速率（目前可提供1.35Gbps的无线传输速率），并将功耗降低为以前的1/6；它还将带宽扩大了4倍（使用160MHz频道）；利用更高速的调制方案（256QAM）实现了高效率数据传送，同时降低了能耗；并利用波束成形实现了更高的可靠性、更长的传输距离和更大的覆盖范围。Wi-Fi出现以后，并不是一开始就像现在这样风靡并且几乎在城市中无所不在的，也并不是一开始就受到了各界青睐的，接下来我将介绍一下WI-Fi的市场发展史。20002002年是Wi-Fi市场起步阶段， Wi-Fi无线网络刚刚推出市场时，运营商并不感冒，倒是很多独立厂商最先体

9、验了一把。很多服务提供商本着为高端商业客户提供移动状态下高速的互联网接入服务的目的，以极大的热情投身到建设Wi-Fi无线网络热点的行列中。作为先行军的一支，MobileStar是最先倒掉的，除了因为802.11b的安全标准并不成熟外，作为独立运营的回传成本太高，用户侧定价不合理，热点的规模经济不能有效体现等也是造成运营失败的原因。由Intel和IBM支持的Cometa Network也随后宣布破产，独立运营的商务运营模式伴随着这些中小企业的纷纷破产而宣布失败。以后的几年内，以批发方式为主的Wi-Fi无线网络运营模式才逐渐被公众Wi-Fi市场所接受。服务提供商通过与其它服务提供商和场地运营商（如

10、星巴克、麦当劳等）签订协议来实现更大范围的热点使用20032007年是发展阶段，此时的运营商对Wi-Fi投入了极大的热情，其中尤以固定业务为主的电信运营商为代表。这是因为他们拥有优势的宽带ADSL，通过与固定宽带形成捆绑融合，将会增强固网用户在Wi-Fi无线网络覆盖区域内的移动体验。同时，运营商建设热点的方式也变得更加灵活，除了自己投资建设和合作建设外，具有鲜明互联网精神的社群建设模式也开始流行起来。除了提供互联网接入外，以UMA为特色的双模语音业务也相继推出。借此移动运营商试图通过将室内的移动话务从蜂窝网旁路到低成本的Wi-Fi无线网络上，可以大幅度节省在移动频谱上的投资和蜂窝网络的运营成本

11、，从而可以将授权频谱和资金运用到更需要扩充容量的区域。2008年至今为成熟阶段，在以FMC为理念的UMA发展陷入泥潭，Wi-Fi无线网络的发展举步为艰之时，3G高速发展带来的问题却又带给了Wi-Fi的大展拳脚的应用机会。事实上，伴随着3G的快速发展，越来越多的运营商正在推出（或考虑推出）允许Wi-Fi无线网络访问其PS域数据业务的服务，以缓解蜂窝网数据流量压力，在新的市场环境下，Wi-Fi无线网络的应用又迸发出新的活力。3、Wi-Fi应用及发展现今随着无线网络的覆盖范围越来越广泛，Wi-Fi早已应用于生活中的许多方面，譬如网络媒体、掌上设备、日常休闲、客运列车、我们在很多地方都习惯与用Wi-F

12、i上网来看视频、浏览网页、聊天、通讯，可以说利用Wi-Fi上网已经成为我们生活的一部分。而今天我将谈到的应用并非是平常我们所熟悉的一些应用，而是正在构建的一些设想跟研究。3.1以Wi-Fi和ZigBee联合定位的消防灭火救援系统目前消防部门和产业界对灭火救援移动系统研究较少。由于部分火灾发生时间、地点、形势具有不确定性的特点，现有各种网络可能覆盖不到事发区域，另外一些预先布置的监控检测系统可能受到破坏，导致事故现场无法提供实时数据的采集和传送，导致指挥员无法实时全方位的监控，对事故决策造成影响。Wi-Fi技术是当前生产和生活中广泛采用的无线局域网技术，具有覆盖面广 、组网灵活、传输速率高等优点

13、，Wi-Fi定位技术更是具有精度高、对网络变动适应性好的特点，因此在制定移动灭火救援方案时，应优先考虑 Wi-Fi作为基础定位技术。鉴于 Wi-Fi 的抗干扰能力比较差，在实际生产生活中，独立地使用Wi-Fi技术进行室内定位已不足以满足人们对实时准确定位的需求，特别是在处理移动灭火救援问题中。在定位领域应用广泛的就是ZigBee定位技术。ZigBee节点可进行数据采集并有自组网功能。ZigBee 节点具有能耗低、可靠性强、时延短、容量大等优点。其缺点是网络拓展性不强，只在特定范围内定位精度较高，另由于ZigBee传输速度较低，因此只能传输定位过程中的简单信息。因此若将ZigBee和 Wi-Fi

14、相结合，利用ZigBee进行局部范围的定位，利用Wi-Fi进行较大范围的定位，则可以弥补双方的缺陷，提供较好的定位效果，能够适应火场变化复杂的环境。在移动灭火救援中，还需要采集和传输数据量较大的图像、声音等信息。与 ZigBee 技术的低数据速率的传输相比，Wi-Fi优势凸显。因此， 为了满足移动灭火救援的具体需要，采用以Wi-Fi定位为主ZigBee为辅的火场定位方案，通过信息融合技术，将Wi-Fi和 ZigBee技术结合实现更加精确的实时定位；与此同时，还可利用 ZigBee技术组建无线传感器监测网络，监测和报警人员活动情况，传输小数据量的监测活动信息；利用Wi-Fi技术组建无线监测局域网

15、络，根据无线传感器监测网络监测的情况采集相关的图像或声音信息，传输大数据量的监测活动信息，同时提供好的系统扩展性。3.2基于Wi-Fi的协作学习环境的构建在我们身边,无线上网已成为人们生活、学习、娱乐的家常便饭,它克服了有线的束缚，随时随地地接入改变了人们学习方式，提高学习效率。基于Wi-Fi的协作学习环境有三个层次,校园层面的，教室层面的和协作小组层面 的.在校园层面,以校园网为依托,学生可以登录校园网的资源和管理系统,进行学习、交流或参与学校的活动；在教室内可以在教师指导下，通过Wi-Fi展开各种灵活的学习活动，完成每节课的任务；在协作小组间，可以展开协作学习，共同完成单元任务 。3.3

16、Wi-Fi网络实名认证互联网实名认证体系的核心思想是用户提供个人身份信息 进行实名认证。利用网名进行上网。用户在公安机关进行上网注册时采用真实信息，再经过一段时间的处理之后 ，经过身份审核后，公安机关会给每一个用户发一个唯一的网名用户可以利用这个唯一的网名在网络上进行各种信息的索取与其他网络相关操作。通过这个途径，任何单位、组织、或者个人都无法在互联网上通过网名获取用户的真实身份信息，同时也就保障了用户的个人身份信息不被泄露。另外，只有通过授权的罔家相关机构和人员才能够对用户的身份信息进行相关查询以及获取。并且，在查询或者获取的过程巾，操作人员的各项网络操作都会经过严格的审计和审查。在Wi-F

17、i网络的实名认证方法中。实名认证体系对认证基础设施提供的安全功能进行了服务化封装 ，与此同时，也在很大程度上屏蔽了安全认证基础设施的多种具体特性 。通过这种方法，在相同的认征服务接口 (一个自动化系统与另一个自动化系统或人之间的共享边界）下。根据下层使用的基础设计的不同。认征服务向广大用户们所提供的认证功能也可以进行相应的切换、除此之外,网络的实名认证系统采用的是可拓展的体系构架。因此，在Wi-Fi网络的实名认证系统中，可以动态地进行各种认证基础设施的插入等等操作。Wi-Fi网络的实名认证方法具体可分为以下几种：服务及标识符(SSID）、物理地址过滤(MAC)、有线对等保密(WEP)、Wi-F

18、i保护接入(WPA)、端口访问控制技术、支持用户名和手机方式的改进型Web认证、HTTP 拦截、以及HTTP重定向。除以上提出的三个应用外，还有变频空调器的Wi-Fi控制系统设计、基于Wi-Fi网络的建筑现场监测技术等应用讨论，此处不一一赘述。总而言之由于Wi-Fi的便捷性及其普遍性，其他领域关于Wi-Fi的应用探讨非常普遍，尤其是物联网领域。Wi-Fi在相当长的一段时间内仍将惠及我们，并且或许会更加惠及我们。三、LiFi简述1、为什么提出LiFi上网？作为无线数据传输的最主要技术，Wi-Fi利用了射频信号。然而，无线电波在整个电磁频谱中仅占很小的一部分。而随着用户对无线互联网需求的增长，可用

19、的射频频谱正越来越少。由于可见光频段的可用频谱范围极宽，资源非常充足，所以科学家在设计LiFi无线网络时，可以将通讯的信道宽度设得更大，并行的信道数目也可以设得更多，这样一来数据的传输速度就能达到极大的提升。因此各国研究团队都将提高传输速率作为科研工作中重要的一部分，最高传输速率几乎每个月都有刷新。与Wi-Fi相比，LiFi的好处有很多，所以各国都希望率先取得更多成果，在新的技术领域占得先机。Wi-Fi依赖看不见的无线电波传输，设备功率越来越大，局部电磁辐射势必增强；无线信号穿墙而过，网络信息不安全。而这些安全隐患，在可见光通信中就能被避免。2、什么是LiFi?Li-Fi(Light Fide

20、lity)是一种全新的无线数据传输技术，属于可见光通讯(Visible Light Communications，缩写为VLC)的范畴。光和无线电波一样，都属于电磁波的一种，传播网络信号的基本原理是一致的。研究者给普通的LED灯泡装上微芯片，通过微芯片控制LED灯泡的明灭变化，同时将二进制数据编码成光信号：灯亮表示1，灯灭表示0。由于频率太快，人眼根本觉察不到，光敏传感器却可以接收到这些变化并解调出来。就这样，二进制的数据就被快速编码成灯光信号并进行了有效的传输。 LED作为半导体器件，这种高速的亮灭即开关的通断能力是它的特性，而白炽灯因为在亮灭的变化过程中非常容易被损坏，且亮灭变化动作太慢，

21、不具备这种通信功能。3、LiFi的发展2011年德国物理学家哈拉尔德哈斯在一盏小小的 LED 灯上植入一个微型芯片，使之变成一个类似于AP 的设备，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讯，人们常把它亲切地称为“LiFi”，这就是LiFi的出现起始。2013年在复旦大学的实验室里，研究人员将网络信号接入一盏1W的LED灯珠，灯光下的4台电脑就能上网了，实验中，最高单向传输速率达到3.7G每秒，创造了可见光无线通信领域的单向传输速度纪录。实验中的实时系统平均上网速率达到150M，堪称当时世界最快的“灯光上网。随之，各国科学家都进入了LiFi领域的研究，并将提高传输速率作为科研工作

22、中重要的一部分，最高传输速率几乎每个月都有刷新。100 Gbps是LiFi能做到的网络传输速率，是现有Wi-Fi网络的十倍以上。据Spectrum报道，日前，牛津大学的研究团队已经设计了一套LiFi系统，实现了这个级别的网络速度。4、LiFI的优点第一、便利安全。这是可见光通信受追捧的最大原因之一。众所周知，LED有望成为最常见的照明工具，而依托LED的可见光通信技术将拥有覆盖广泛的网络基础，理论上只要在LED灯泡中植入一个芯片。即可实现无线通信。此外，可见光通信由于不能穿透物体传播，所以相比Wi-Fi(具有穿墙性)具有较好的安全性。第二、高带宽高效率。可见光的频谱带宽是目前电磁波带宽的100

23、00倍。据报道，当前实验室测试可见光通信的最高速度可达1G(实际应用往往是几兆到上百兆)，理论上能达到和Wi-Fi同等的传输速度，且在多台设备同时上网时不会影响无线传输速度。对于电磁波敏感的应用环境，如医院、军工设备等，也有相当的助益。第三、低碳绿色。可见光对于人类来说是绿色、无辐射伤害的物质。因此用光来作为无线通信的媒质，是一种对人类发展更健康、更可取的方向。同时，由于依托LED这种低能耗设备，可见光通信不需要额外使用Wi-Fi路由器等耗能设备。但是，在可见光通信拥有便利安全、高带宽高效率、低碳绿色等优点之外，人们亦不能回避其自身存在的问题及其对普及推广所产生的影响。5、LiFi发展的瓶颈L

24、iFi无线上网的实现还存在极大瓶颈。首先需要解决的便是光的传输问题。在通讯上，当电磁波的频率越低时，其抗干扰能力和穿透能力越强，允许的最大传输距离也就越大。对于可见光来说，由于其频率是Wi-Fi、蜂窝网络所用电磁波的几十万倍，其抗干扰能力、穿透能力与这两者相比也就大幅降低，只要在收发两点之间用东西挡住这些光线，信息传输就会立刻中止，更加不用说是穿墙而过了。其次LiFi技术另一问题则是反向通信。通信并不是单向的，只有有接收并且有反馈，才能称之为通信，上网不仅要做到数据的下载，还需要数据的上传。目前各国研究团队的技术都能够做到利用LiFi实现上网数据的下载，复旦大学针对数据上行，采用了两套系统，分

25、别是可见光上行和红外上行。所谓可见光上行，即需要在电子设备上安装一个灯泡，而红外上行虽然肉眼看不见，但是速率却较低，因此并不理想。故而可见光通信想要实现上网功能可能并不能推广，因为可见光通信并不适合做信息的双向传输，如果反向信号上网的话，每个灯必须接上网线。如果信号回传，接收设备也要安装灯泡，而且还要对得很准，否则速度上不来。故而单向传输更适合可见光通信，将可见光技术运用于不需要信息回传的地方，例如电视、收音机、交通灯等等，只需要做到信息从信息源下载，例如航班信息下载，广告信息下载等再次，LiFi技术最核心也最实际的问题，是芯片问题。在复旦实验室，研究人员实验所采用的设备有两个笔记本大小。想要

26、缩小设备，就必须将芯片缩小，需要有资金支持芯片技术的研发。然而现今LiFi技术还不成熟，要像Wi-Fi那样实现芯片的产业化是很不现实的。而且还有环境干扰的问题和通信距离问题。环境光源(如太阳光)很有可能对可见光通信产生干扰，致使通信不能完成或者不稳定。还有距离上虽然实验室环境能达到1G带宽，但实际环境中很难达到，正常带宽估计会在几兆至百兆范围内，而且随着距离加大，这个数字可能会快速降低。最后LED灯是可见光通信中的重要环节，如何让其从实验室走向千家万户是目前最主要的问题。而可见光通信对于LED灯的要求，究竟是以照明为主，还是以通信为主，仍旧是业界争论不休的问题。6、LiFi的未来展望较之Wi-

27、Fi，LiFi具有经济和速度快等明显优势。在哈斯的美好设想中，如果LiFi得到普及，那么全世界约140亿盏灯泡都可以成为触手可及的互联网接入点，几乎不需要新建任何新的基础设施。此外,“可见光频谱的宽度是射频频谱的1万倍”，这意味LiFi能提供更高的带宽和更快的网速。哈斯此前估算LiFi能带来高达1G的数据传输速度，而复旦大学研究中的最高速率达325G，牛津大学实现100Gbs,这对于追求效率的现代人来说，无疑是莫大的便捷。但是基于LiFi发展所遇到的这些瓶颈，可见光通信将不能完全取代无线通信，而在一些特定应用场景中，如医院、高铁、飞机机舱内、油气，矿井等，可见光无线通信系统则将成为最佳选择。在

28、医院，通信网络可依赖于LED照明系统提供用户端至接入点的短距离通信；在飞机内，旅客通过座位上方的阅读灯入网。在矿井，矿工们依靠头盔上已装配的LED照明灯可互换信息，亦可以通过隧道照明灯的接入，将信息传递至井外，方便矿工定位和井下实时监控。我个人认为不是用可见光通信去取代Wi-Fi，而是相互补充。就像复旦大学教授说的那样，LiFi有它独有的应用，找到发挥可见光通信的特点单向、中速、可控区域这三点加在一起的应用，就能真正让可见光通信发挥它的巨大作用。四、LiFi是否可替代Wi-Fi市场对可见光通信的热捧，很大程度上源于将可见光通信视为当前Wi-Fi传输的替代者。但从实际情况来看，即使未来可见光通信

29、技术上逐步成熟，产业界也不认为其能对Wi-Fi产生颠覆性革命。首先在于通信效果上LiFi并不比Wi-Fi有太多优势，反而因为可见光“不能穿透物体”等特性，导致其家庭应用很不方便，可见光通信目前还不具备发展条件，而且当前Wi-Fi已经非常成熟，LiFi靠什么去和Wi-Fi竞争，值得人们好好考量。其次在于传输速度,虽然可见光通信号称能达到上G带宽，但实际应用中的带宽不比Wi-Fi有优势。而据了解，Wi-Fi联盟正在制定的新传输标准，已有望达到上G的高速带宽。第三在于成本方面。由于依托LED灯光实现信息传输，节省了其他网络设备的费用，所以低成本是可见光通信的一个重要卖点。然而从当前情况看。成本是制约

30、可见光通信的很大因素。一方面，可见光通信设备目前比较昂贵。以上海宽带中心和复旦大学研发的LiFi来看，仅一套设备就要35万元，可见短期内无法实现商用。而且即便技术和产业化相对成熟，LiFi设备也需要更低的价格(如几元几十元)才能和Wi-Fi一较高下。据调查，目前家用Wi-Fi最便宜的可达数十元，能够覆盖多个房间。所以在成本无法展现相应竞争力的情况下，可见光通信在家庭应用方面很难推广；而反之，其推广范围不够大，集成有LiFi芯片的LED灯也就更难降低成本。另一方面，LED室内照明推广也并非一帆风顺。国家973计划项目首席科学家徐正元强调：与政府大量投入的室外道路照明不同，LED室内照明要想被千家

31、万户接受，还需进一步提高能效、降低成本。这表明，LED照明可能并非能在短期内普及。故而，作为一种新的无线网络传输技术，可见光通信虽然在节能性、安全性等方面存在一定优势，但相比Wi-Fi等现有无线通信技术，LiFi很难实现颠覆性的通信革命，而极可能成为现有无线通信技术的互补性解决方案。这一观点被从事LiFi研发的英国爱丁堡大学教授哈拉尔德·哈斯、复旦大学教授迟楠所认可。一方面，技术标准的成熟还需时漫长。要实现可见光通信成熟应用，意味着LiFi产品要同时符合通信和可见光的技术标准，这一过程将持续较长时间，业内专家指出， “可见光通信还存在很多关键问题没有解决。从实验室成功到真正应用阶段还

32、有很多未知因素。以当年光纤通信发展过程为例，其从实验室阶段到大规模应用用了近50年。可见光通信想要走出实验室，还有很长的路要走”。另一方面，国内可见光技术研究前景并不乐观。虽然可见光通讯技术标准仍在研发之中，但国内可见光研究远远落后于国外，尤其是当前主导和推动可见光通讯技术研发应用的组织一可见光通讯联盟，主要由卡西欧、NEC、松下电气、三星等国外电信厂商所垄断，他们正在积极推进形成可见光通信领域的标准。未来的可见光通信市场很可能继续由国外厂商所主导。然而需要注意的是这些结论也只是基于现今的实际情况得出的，至于最终的未来Wi-Fi和LiFi是相互补充还是LiFi最终替代Wi-Fi，虽然我个人更倾向于前者。然而或许有一天LiFi所遇到的这些瓶颈都可以解决，LiFi最终实现无线上网而替代Wi-Fi，实现灯泡上网。毕竟每一项技术的出现都不是一蹴而就的，而是经过无数科学家的研究，由量变实现质变，最终改变我们的世界的。第3章 结论五、结论自从1997年Wi-Fi现世至今，随着互联网的发展以及运营是商对Wi-Fi的研究，现在人们已经几乎可以随时随地的使用Wi-Fi进行无线上网了，寝室、超市、校园、各大公园广场、地铁站、火车站都遍布着Wi-Fi。Wi-Fi以其覆盖性，方便性深入千家百户