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在第五代通訊系統中同時使用WiFi與LiFi之概念、機會,與挑戰 Coexistence of WiFi and LiFi toward 5G: concepts, opportunities, and challenges
Moussa Ayyash
2016/02/11
IEEE Communications Magazine
0163-6804
10.1109/MCOM.2016.7402263
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=7402263&newsearch=true&queryText=Coexistence%20of%20WiFi%20and%20LiFi%20toward%205G:%20concepts,%20opportunities,%20and%20challenges
能夠連網並且傳遞多媒體訊號的行動裝置的數目正在不斷的增加當中,而觀看高解析度串流影音與存取雲端服務為這些裝置的主要應用。這些應用大部分的發生在室內環境例如家中或是交通工具內。這些應用將會繼續增加並且導致而外的頻譜需求,其中也包括光通訊。在網路技術方面,異質網路(Heterogeneous Networks ; HetNets)扮演著很重要的角色整合不同的頻譜以達到高品質服務的目的,尤其在室內的環境這種現象特別顯著。我們可預見一個整合多項通訊技術的異質網路,包括大型蜂巢(Macrocell)、小型蜂巢(RF small-cells ; RF-SC)、可見光通訊(LiFi)。
無線網路(WiFi)通常在室內無線通訊中能夠提供良好的訊號強度,以達到高速與穩定的網路連線。在一個有各種不同的牆壁與障礙物,而且傳輸距離較長的建築物中,WiFi訊號的強度將會嚴重衰減,因而影響傳輸速率與穩定性。針對WiFi技術的進一步發展,使用更高的頻段(如60GHz)是主要考量之一,如標準IEEE802.11ad將三個頻段(2.4GHz、5GHz、60GHz)皆列入。再者,使用多天線(MIMO)與多用戶傳輸(Multiuser)也將會是進一步增加傳輸率的重要技術發展。另一方面,可見光通訊在光源密集與充分的環境中提供良好的無線通訊介質。我們預期在無線異質網路中,多一個階層的網路傳輸將會被應用提供更高的傳輸容量,而LiFi將扮演這個腳色。對於一個單一WiFi熱點(Access Point ; AP)或跨多個AP而言,將部分傳輸資料卸載(off-load)給LiFi能夠有效提升效能。另外,這種WiFi+LiFi的傳輸模式也能夠增強安全性並加強室內定位。再者,根據營運商的資料,80%的行動通訊(mobile communication)發生在室內的環境,因此,WiFi+LiFi的模式能夠成為5G網路相關技術的一部份。
整合可見光通訊與目前研究活動的異質網路
設計並實現一個WiFi+LiFi系統最大的挑戰包括如何將用戶裝置(User Device ; UD)連結至網路、如何在UD從蜂巢移動至另一個蜂巢時或是另一個網路時支援移動性(mobility)、以及如何容納多個UD。接下來將討論一個能夠提供無線接取以及有效分配資源的WiFi+LiFi網路。由於光線是在人的生活空間廣泛分布,我們一般會看到多於一個光線來源。這個概念可以被LiFi用來實現多通道接收器(multichannel receiver)。對於用戶來說,連結到多了光通道是增加傳輸速率的好方法。另外,我們需要針對光線的廣泛分布對於WiFi與LiFi間與不同光源間的換手(handover)有極為重大的影響,因此需要更細節的探討。
系統雛型與概念驗證結果
本文作者實現了一個概念驗證的WiFi+LiFi異質網路系統雛型。接下來將描述這個系統的重要元件,並展示實現結果與系統效能。本文描述的系統使用高速LiFi傳送接收器(transceiver)元件,而該元件使用傳統的LED光源,並同步實現照明與資料傳輸。我們使用LED驅動(driver)實現類比調變,並達到180MHz的頻寬。在接收器方面,我們使用了大面積的光二極體(photodiode)。除此之外,我們使用數位基頻單元(digital baseband unit ; BBU)將乙太網(Ethernet)封包(packet)轉換至頻寬為70MHz的正交分頻多工(orthogonal frequency division multiplexing ; OFDM)訊號。BBU使用先導(pilot)訊號的方式進行通道偵測(channel estimation)及頻率軸的等化(frequency domain equalization),以回復接收到的訊號。基於這個平台,本文進行了室內與室外的通訊實驗以量測可達到的傳輸速率,而傳送與接收端的距離為2-15公尺(室內)以及2-10公尺(室外)實驗。實驗結果顯示當傳輸距離為2公尺時的傳輸速率為74Mb/s,而當傳輸距離為5公尺時的傳輸速率為25Mb/s。另外,本文實現了一個驗證概念的WiFi+LiFi系統,其中包含一個WiFi AP與一個LiFi AP。
未來研究
針對WiFi+LiFi異質網路,以下是有可能的未來研究方向。首先,LiFi與WiFi技術在未來幾年中都將面臨重大的技術演進。LiFi將利用更高的頻寬、LED、雷射、MIMO達到更高的傳輸速率,而WiFi將升級至配備更多天線與更高的頻寬。另外,LiFi與OFDMA共存的網路也會是重要的研究議題。最後,為了進行更多關於LiFi以及LiFi與其他系統結合的研究,我們將需要一個更為整的實體驗證平台與系統。

結合WiFi與LiFi異質網路系統是一個新的研究領域。本文討論這兩項重要技術的特點,及他們共存的可能性。本文顯示了整合WiFi與LiFi異質網路能夠讓WiFi網路的流量分散到LiFi,使得更多行動裝置用戶能夠使用。本文也描述了概念驗證的系統雛型,也進行實驗證明對單一使用者而言,傳輸速率提升了三倍。最後,本文也點出了未來可能的研究方向。
沈中安
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