高速可見光通信技術(shù)的挑戰(zhàn)與展望

遲楠 胡昉辰 周盈君

摘要：目前，高速可見光通信（VLC）系統(tǒng)在器件、算法、組網(wǎng)等方面均存在著一定的技術(shù)瓶頸，需要有針對性地突破這些瓶頸，進一步提升其系統(tǒng)速率，使之在未來B5G/6G架構(gòu)中發(fā)揮重要作用。闡述了現(xiàn)階段高速可見光通信面臨的若干挑戰(zhàn)，并對其未來前景提出了展望。

關鍵詞：光通信;可見光通信;5G/B5G

Abstract： At present， high-speed visible light communication （VLC） systems have certain technical bottlenecks in terms of devices， algorithms， networking， etc. If these bottlenecks can be broken through in a targeted manner， the system speed will be further increased， and VLC will play a pivotal role in the future B5G/6G architecture. This paper describes several challenges and solutions for high-speed VLC at this stage， and proposes its future prospects.

Key words： optical communications; visible light communication; 5G/B5G

如今，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)大發(fā)展以及5G/B5G技術(shù)的標準化和產(chǎn)業(yè)化，通信技術(shù)不斷進行著翻新與再創(chuàng)造，隨之而來的是虛擬現(xiàn)實、智慧城市、云計算、自動駕駛等。這些大數(shù)據(jù)業(yè)務在飛速發(fā)展的同時，也對通信網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)承載能力提出了新的挑戰(zhàn)。但在無線接入方面，傳統(tǒng)的無線通信正陷入現(xiàn)有無線頻譜資源逐漸匱乏的困境中。在這種情況下，一種新型的通信方式——可見光通信出現(xiàn)在了人們的視野中[1]?？梢姽馔ㄐ攀抢貌ㄩL范圍在380 nm～760 nm的可見光作為信息的載體，調(diào)制信號進行傳輸?shù)囊环N新型通信手段。可見光光譜帶寬約為400 THz，遠遠大于現(xiàn)有的無線通信頻譜，如此巨大的帶寬資源使得可見光通信能夠具有高速通信的潛力。在現(xiàn)有5G/B5G頻譜的瓜分下，可見光通信技術(shù)的使用，能夠大大拓展現(xiàn)有的無線頻譜資源，有效緩解資源即將耗盡的燃眉之急。

可見光通信自問世起就得到了世界各國的廣泛關注。2003年，日本成立了可見光聯(lián)盟（VLCC），已經(jīng)發(fā)展成為一個研究可見光產(chǎn)業(yè)的國際組織。美國國家自然基金（NSF）成立的工程研究中心（ERC）也在研究可見光通信。與此同時，歐盟的歐盟第七框架協(xié)議（FP7）、5G基礎設施公私合作伙伴關系（5GPPP）項目中都重點支持了可見光通信。在中國，科技部的重點研發(fā)計劃都將可見光通信列入其中[2]。世界各國對可見光通信的重視是基于其在各個領域中的應用多樣性。例如，在未來B5G/6G的通信方式來臨之際，將照明與通信結(jié)合應用于路燈、車燈、室內(nèi)照明等領域，將為全社會構(gòu)建一個覆蓋范圍廣、成本低廉的泛在光通信網(wǎng)絡;在核電站等電磁敏感的區(qū)域中，可見光通信是一種不可或缺的無線通信方式;在軍用通信中，可見光通信可以抵抗無線電干擾，實現(xiàn)空氣、水域的遠距離高速通信;可見光通信還可被運用在如醫(yī)療、航空、工業(yè)制造的眾多特定場景中。可見光通信潛在的應用領域多樣，用戶數(shù)量巨大，將會帶來非常大的經(jīng)濟效益，而如何實現(xiàn)更高速率的可見光系統(tǒng)也是當前的一個研究熱點。

1 可見光通信系統(tǒng)的架構(gòu)

可見光通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)是點對點系統(tǒng)[3]，近些年隨著對通信容量的需求增大，可見光多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)[4]也在逐步發(fā)展中。目前的點對點可見光系統(tǒng)主要由發(fā)射和接收2部分構(gòu)成[5]，如圖1所示。發(fā)射部分分為電學部分與光學部分，電學部分主要包括信號處理電路與發(fā)射機驅(qū)動電路，光學部分則包括發(fā)射機光學芯片以及光學天線。2部分之間的光電子器件的就是可見光通信系統(tǒng)的發(fā)射機，目前主要是發(fā)光二極管（LED）與激光二極管（LD）[6-7]。信號經(jīng)過信號處理電路完成編碼和調(diào)制之后，通過驅(qū)動LED/LD來實現(xiàn)對LED/LD的強度調(diào)制，從而將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。接收部分同樣包括光學部分和電學部分。光學部分主要包括接收光學天線和探測器芯片，目前主流探測器芯片為光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。接收光學天線把盡可能多的光學信息聚焦到探測器芯片表面上。電學部分主要是信號處理模塊，光電探測器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，對信號進行解調(diào)制、解碼等信號處理過程之后，恢復出原始的發(fā)送信號。

雖然可見光理論上有超大的通信容量，但是其受限于現(xiàn)有發(fā)射接收機的材料器件、光學系統(tǒng)、數(shù)字信號處理算法等，因此進一步提升可見光通信系統(tǒng)的速率依舊充滿挑戰(zhàn)。

2 高速可見光通信面臨的挑戰(zhàn)

2.1 新材料與新器件

可見光通信的發(fā)射機和接收機近年來被廣泛關注，主要的挑戰(zhàn)如圖2所示。LED和LD是目前主流的發(fā)射機，LED 被用作發(fā)射機主要是因為它的易耦合性、安全性以及低成本，但是現(xiàn)有的廉價商用LED的3 dB帶寬小于100 MHz，無法滿足高速通信的需要。LD 作為發(fā)射機主要是因為激光具有相干性，所以天然地擁有大于吉咖（Giga）赫茲的帶寬，但是其在使用的時候耦合對準較難且具有散斑效應，同時對于人眼的安全性也存在潛在的威脅。在接收機方面，PIN是目前成本較低的主流探測器，但其靈敏度低，不能進行遠距離通信且響應帶寬有限。APD是利用雪崩效應以提供較大放大倍數(shù)的光電二極管。雖然它的接收靈敏度很高，但是引入的噪聲卻很大，不適用于對信噪比要求高的應用場景中。在目前商用的接收機中，如果想要增大接收機的調(diào)制帶寬，其噪聲系數(shù)必然增大，與此同時光敏面的面積也會相應縮小，這為接收機端的光學天線帶來了嚴峻的考驗。因此，需要研制新的適用于未來高速可見光通信的發(fā)射機與接收機，以滿足大帶寬、低成本、易耦合、高靈敏度等需求。

為了實現(xiàn)可見光通信系統(tǒng)器件上的突破，世界各國許多研究學者都做出了相應的研究。南昌大學研制的硅襯底LED[8]能有效提升發(fā)射機的調(diào)制帶寬。硅襯底LED單面發(fā)光，具有較好的一致性，垂直結(jié)構(gòu)電極降低了載流子壽命，特殊設計的量子阱結(jié)構(gòu)也提高了載流子的抽取效率。除此之外，基于InGaN的高功率藍光超發(fā)射二極管（SLD）是一種新型研制的光電二極管[9]，該種光電二極管有效結(jié)合了LED與LD的優(yōu)點，不僅可以實現(xiàn)800 MHz左右的調(diào)制帶寬，還能有效避免LD的散斑效應。但是目前這種器件的工藝還不成熟，只研制成功了藍光和綠光SLD。臺灣大學和阿卜杜拉國王科技大學（KAUST）采用新工藝和新材料實現(xiàn)了超高帶寬的可見LD[10-11]?？偟膩碚f，未來的VLC發(fā)射機逐漸朝著傳統(tǒng)器件更新化、新型器件完善化的方向發(fā)展。

在接收機方面，為提升PIN的靈敏度，集成PIN焦平面陣列成為很有潛力的研究方向。2015年，復旦大學首次設計了3×3硅基集成PIN陣列[12]，并實現(xiàn)了1.2 Gbit/s可見光通信。接收機端的光學天線一直是接收機集成化的一大阻礙，為簡化光學天線，研究學者開始研究新型材料與結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)透鏡。復旦大學在2017年將柔性納米材料首次應用為可見光通信系統(tǒng)的光學天線[13]，一定程度上簡化了可見光通信的瞄準問題，并將速率提升了60%。

2.2 先進的調(diào)制編碼和數(shù)字信號處理算法

高速可見光通信除了在器件材料方向面臨挑戰(zhàn)，先進的調(diào)制編碼和數(shù)字信號處理算法同樣至關重要。在有限帶寬下，不斷逼近通信容量極限是高速可見光通信面臨的核心科學問題和最大挑戰(zhàn)。

多維復用技術(shù)是進一步提升可見光通信容量的一種有效手段，如圖3所示。具體來說，傳統(tǒng)的相移鍵控（PSK）、頻移鍵控（FSK）等典型的一維調(diào)制需要向多維調(diào)制方式發(fā)展，融合振幅、頻率、相位、橫向空間分布、偏振等多維度調(diào)制信號。同時，在可見光通信系統(tǒng)的不斷優(yōu)化下，系統(tǒng)的信噪比也在進一步提升，運用高階調(diào)制，例如64 QAM、128 QAM等，可以進一步提升頻譜效率。波分復用、偏振復用等復用技術(shù)更是可以進一步提升系統(tǒng)容量。牛津大學、復旦大學、愛丁堡大學先后利用波分復用技術(shù)與先進的調(diào)制格式，分別實現(xiàn)了10.4 Gbit/s、10.7 Gbit/s、15.7 Gbit/s的多色LED高速可見光通信系統(tǒng)[8，14，15]。

但是，目前普通的波分復用（WDM）可見光通信系統(tǒng)并沒有充分利用頻帶資源，不同頻帶之間的帶隙浪費了頻譜資源。另外，不完美的調(diào)制和編碼方式，使得目前信道容量遠沒有到達香農(nóng)極限。近年來，超奈奎斯特調(diào)制、概率幾何整形、極化碼等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)并成功應用于可見光通信系統(tǒng)中，進一步提升可見光通信系統(tǒng)的頻譜利用率。

2.3 可見光異構(gòu)組網(wǎng)

在未來應用中，可見光通信與其他通信方式的異構(gòu)融合是必不可少的一步，如圖4所示，如何將可見光系統(tǒng)成功接入現(xiàn)有通信網(wǎng)絡、發(fā)揮其優(yōu)勢并支撐室內(nèi)多用戶大容量通信，是未來可見光發(fā)展的又一大挑戰(zhàn)。復旦大學于2014年實現(xiàn)了25 km光纖與75 cm可見光組網(wǎng)，通過32 QAM-正交頻分復用（OFDM）調(diào)制方式實現(xiàn)了8 Gbit/s總吞吐量，可同時支持8個用戶的接入[16]。這一實驗證明了可見光系統(tǒng)可以兼容目前的骨干網(wǎng)，成為接入網(wǎng)中一種大容量的無線通信方式。

但是在實際運用當中，可見光異構(gòu)組網(wǎng)依舊存在很多亟待解決的問題。首先是可見光通信的上行鏈路問題，若以可見光的方式回傳，對于移動端的功耗要求太高。此外，上下行光路之間可能會互相干擾，所以如何合理地解決可見光的上行鏈路問題一直是人們在考慮的問題。在室內(nèi)布設可見光接入點時，接入點數(shù)量要與用戶數(shù)匹配。在多接入點接入時，會遇到互相干擾、移動性管理等問題。當現(xiàn)有的業(yè)務流到燈時，如何利用可見光通信順暢地與這些業(yè)務對接，以及可見光與空間激光通信、太赫茲通信、毫米波通信和微波無線通信等通信技術(shù)如何共存和兼容，這些問題值得研究學者在未來進一步探索。

2.4 水下可見光通信

如圖5所示，隨著未來B5G/6G的發(fā)展，水下與陸上的通信網(wǎng)絡不再孤立存在，它們將會形成一個智能通信網(wǎng)絡，傳感器、水下機器人、人類都需要進行水下活動，并進行必要的通信互聯(lián)，所以水下無線通信的需求日益迫切。微波通信、聲波通信是目前比較常用的水下通信手段，但是微波信號（～100 MHz）在海水中里面的衰減極大，趨膚深度只有厘米級別。聲波通信在海水中的穿透能力極強，但是通信帶寬太低。所以為同時實現(xiàn)遠距離、高速率的水下無線通信，水下無線光通信逐漸發(fā)展起來[17]。目前水下無線光通信方式主要有兩種：LD通信與LED可見光通信。KAUST已經(jīng)實現(xiàn)了水下1.5 Gbit/s的20 m藍光激光通信[18]。復旦大學則實現(xiàn)了總速率14.6 Gbit/s的1.2 m水下LED通信[19]。

但是，水下無線光通信的挑戰(zhàn)依舊嚴峻。首先，水下環(huán)境惡劣，吸收、散射以及湍流是影響水下光通信的主要環(huán)境因素。其次，光通信器件復雜多樣，波長跨度從紫外波段、可見光波段到紅外波段，這些器件的物理光電特性都有很大區(qū)別。最后，水下通信節(jié)點經(jīng)常涉及到運動目標，來自不同方向、不同運動速度、連續(xù)非連續(xù)干擾等都會對于信息高速傳輸產(chǎn)生致命影響，水下環(huán)境中應考慮相對廣覆蓋和大視場角接收問題。此外，目前的長距離高速水下無線光通信大部分停留在實驗室階段，所以如何在實際環(huán)境中實現(xiàn)更長距離、更高速率的水下無線光通信，是未來水下可見光通信面臨的最大挑戰(zhàn)。

3 高速可見光通信的展望

可見光通信是未來B5G/6G藍圖的重要組成板塊，為進一步拓寬未來可見光通信的應用場景、提升其通信性能、突破應用瓶頸，本節(jié)從4個方面給出對未來高速可見光通信前景的展望。

3.1 新機理器件

為解決目前LED帶寬限制、探測器靈敏度低與非線性等問題，未來高速可見光通信系統(tǒng)還需要新型的光源、探測器和光電器件。新型可見光光源需要有更寬的調(diào)制帶寬、更高的光效，一些新型LED已經(jīng)初有成果，例如微結(jié)構(gòu)LED、表面等離子體LED以及超輻射LED。新型可見光探測器需要提高可見光的選擇性吸收、提升內(nèi)外量子效率和接收光通量，目前最新成果有復旦大學的3×3硅基集成PIN陣列和基于納米圖形熒光材料可見光吸收器。未來可見光通信系統(tǒng)作為一個獨立的通信體系，還需要更多的獨立光電器件，如外調(diào)制器、放大器、復用/解復用器、光開關、集成收發(fā)器等。

3.2 可見光信道建模

目前可見光信道建模都只是根據(jù)LED或LD器件本身光場分布與空間特性建立的。但是，實際的可見光信道還包括接收機頻響特性、光學天線、空間光場分布、大氣湍流、背景光噪聲、散射衍射反射等。結(jié)合這些信息的可見光信道建模將在未來給高速可見光通信提供理論指導，對空間無線可見光通信、水下無線可見光通信都有重大意義。

3.3 可見光協(xié)議組網(wǎng)

可見光通信作為一種理想的室內(nèi)通信方式，能夠根據(jù)室內(nèi)空間大小設置合適的無線接入點，同時結(jié)合動態(tài)配置與固定配置解決室內(nèi)多用戶造成的互干擾、移動問題。為減少用戶端的功率損耗，可見光上行鏈路可用紅外或者無線通信進行替代，在室內(nèi)組成混合網(wǎng)絡。為解決業(yè)務流到燈的問題，可以嘗試電力線、千兆以太網(wǎng)或者是光纖與燈相連，與局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)相連。

3.4 全頻譜智能通信

可見光通信將作為未來B5G/6G中一種可靠的通信方式，聯(lián)同其他通信方式，組成全頻譜網(wǎng)絡，在特定場景中提供大容量、高速率、穩(wěn)定可靠的無線傳輸。例如，智能可見光定位系統(tǒng)、室內(nèi)可見光、毫米波無線混合網(wǎng)絡等。為適應未來系統(tǒng)復雜的數(shù)據(jù)處理，機器學習智能算法應當成為重點研究的對象，并被作為一種先進的信號處理算法應用在可見光通信系統(tǒng)中。例如，深度神經(jīng)網(wǎng)絡可進行非線性抑制、信道性能檢測與調(diào)制格式識別等。因可見光和毫米波太赫茲通信都具有視距特性，未來網(wǎng)絡需要對融合接收端進行精準定位和多天線協(xié)作通信，集感知、通信、智能、計算一體化。

4 結(jié)束語

本文中，我們詳細闡述了高速可見光通信系統(tǒng)在器件、算法、組網(wǎng)等方面均存在著的技術(shù)瓶頸，并對其未來發(fā)展提出了幾點建議：（1）重點關注與發(fā)展可見光新機理器件，提升發(fā)射、接收機整體性能;（2）完善可見光通信系統(tǒng)理論基礎，建立傳輸信道的數(shù)學與物理模型;（3）針對水下無線光通信應用場景，努力突破瓶頸;（4）重點研究可見光異構(gòu)融合網(wǎng)絡，兼容現(xiàn)有通信網(wǎng)絡;（5）大力發(fā)展智能算法，適應未來全頻譜通信網(wǎng)絡。

目前，雖然可見光通信的商用尚待時日，但不可否認的是，它仍然具有非常重要的理論和實際應用意義。高速可見光通信技術(shù)在未來B5G/6G的應用前景是非常廣闊的，只要認清當前技術(shù)形式，制定合理穩(wěn)健的發(fā)展計劃，可見光通信技術(shù)必定能夠在人們未來的生產(chǎn)生活中大放光彩。