面向6G的可見光通信

（復(fù)旦大學(xué)，上海 200433）

(Fudan University, Shanghai 200433, China)

截至2019年年底，5G已經(jīng)開始商用部署，各個國家的機(jī)構(gòu)也逐步開始了6G的研究。早在2018年7月，國際電信聯(lián)盟就針對2030年及之后的通信系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展，成立了一個焦點(diǎn)小組。相比于現(xiàn)有的5G網(wǎng)絡(luò)，6G網(wǎng)絡(luò)能提供更好的性能，以滿足如工業(yè)4.0、個人健康服務(wù)、虛擬出席等新興且極具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用要求；因此，6G的目標(biāo)速度應(yīng)該比5G快1 000倍。從2G開始，一直到4G，一共有大約6 GHz帶寬的頻譜資源已被占用。5G通過整合24～100 GHz的頻譜資源，盡可能地提升了頻譜利用的效率[1]。而如今，研究者們發(fā)現(xiàn)目前的頻譜資源已經(jīng)逐漸滿足不了飛速增長的帶寬需求；因此，在6G的研究中，探索如何能夠進(jìn)一步擴(kuò)展100 GHz以上的頻譜資源，如何能夠?qū)さ貌煌念l譜來源顯得極為重要。

此外，不僅僅滿足于現(xiàn)有的“城市、車聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)”的5G覆蓋范圍，6G的覆蓋范圍將進(jìn)一步擴(kuò)充至偏遠(yuǎn)地區(qū)、水面、水下、空中乃至衛(wèi)星中，成為一個空天地一體化的網(wǎng)絡(luò)[2]，其概念圖如圖1所示。但這些場景的環(huán)境差異巨大，這意味著6G網(wǎng)絡(luò)將不再是一個使用單一通信手段的通信網(wǎng)絡(luò)，只有融合各種無線通信方法，發(fā)揮其各自優(yōu)勢，才能夠?qū)崿F(xiàn)一個一體化的網(wǎng)絡(luò)。

可見光通信作為一種頻譜無須授權(quán)的高速率通信方式，是常規(guī)無線局域網(wǎng)絡(luò)的一個很好的替代品。在室內(nèi)環(huán)境中，可見光通信有其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以實(shí)現(xiàn)高保密、人體無害、無電磁輻射的高速通信，能夠覆蓋人們近80%的活動范圍?？梢姽馔ㄐ旁谑彝獾孛嫱ㄐ胖幸灿泻芎玫膽?yīng)用場景，如車間通信很可能成為首個實(shí)現(xiàn)可見光通信的場景[3]?？梢姽馔ㄐ爬昧藦?00～800 THz的超寬頻譜，在圖1所示的6G網(wǎng)絡(luò)場景中，可以用于實(shí)現(xiàn)大氣內(nèi)外、水面水下等場景中的同環(huán)境設(shè)備之間以及不同環(huán)境設(shè)備間的通信。

本文中，我們主要針對6G中可見光通信的應(yīng)用，從器件、速率、組網(wǎng)和一些新的應(yīng)用方面來介紹可見光通信的研究進(jìn)展和挑戰(zhàn)，并展望了可見光通信在未來的研究。

1 可見光通信中的器件

可見光通信的基礎(chǔ)是單點(diǎn)對單點(diǎn)的系統(tǒng)[4]，多輸入多輸出（MIMO）的可見光通信系統(tǒng)也在隨著系統(tǒng)容量的增加而逐漸發(fā)展[5]。一個典型的可見光通信分為發(fā)射和接收兩個部分[6]，而這兩部分的關(guān)鍵器件在于發(fā)射部分中的電光轉(zhuǎn)換器件、接收部分中的光電轉(zhuǎn)換器件。其中，發(fā)射器件主要分為發(fā)光二極管（LED）、激光二極管（LD）和最新研發(fā)的超輻射二極管（SLD），接收器件主要分為光電二極管（PIN）、雪崩二極管（APD）、圖像傳感器，以及一些特殊應(yīng)用場景下的特種接收器，如日盲型光電探測器（日盲PD）和單光子探測器（SPAD）等。作為可見光通信系統(tǒng)的主要性能瓶頸，這些器件的發(fā)展極大地制約了可見光通信的發(fā)展。

1.1 可見光通信系統(tǒng)中的發(fā)射器件

上述3種發(fā)光器件的主要參數(shù)對比如表1所示。LED和LD為目前最常見的兩種發(fā)光器件[7-8]，而SLD是一種介于LED和LD之間的發(fā)光器件。SLD不僅結(jié)合了LD的光束方向性與LED大發(fā)散度的優(yōu)點(diǎn)，還具有大帶寬、高亮度和無斑點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。一種基于InGaN的高功率藍(lán)光SLD首先在2016年被提出，它擁有800 MHz的極高帶寬。隨著制造工藝逐步成熟，SLD將成為一種極有前途的可見光通信發(fā)光器件。

最常見的LED為通過藍(lán)光LED激發(fā)黃色熒光粉而產(chǎn)生白光的白色LED、通過紫外LED激發(fā)紅綠藍(lán)（RGB）熒光粉產(chǎn)生白光的白色LED，以及集成了紅綠藍(lán)3色LED的RGB LED。最近的研究表明，等離子體LED[9]和微LED（μLED）[10]擁有比普通LED更高的帶寬，因而也被應(yīng)用到可見光通信系統(tǒng)中。復(fù)旦大學(xué)與丹麥技術(shù)大學(xué)合作的表面等離子體LED，通過表面等離子體增大了載流子的自發(fā)發(fā)射速率，將LED的帶寬提升至201.13 MHz[9]。中山大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)合作的μLED陣列，像素大小為30～60 μm不等，無須預(yù)均衡即可達(dá)到600 MHz的帶寬，實(shí)現(xiàn)了單通道3 Gbit/s的高速傳輸[10]。

▲圖1 6G空天地一體化概念圖

表1 可見光通信中的發(fā)射器件對比

此外，硅基LED（Si-LED）因其抗靜電能力強(qiáng)、壽命長以及生產(chǎn)效率高[11]等特點(diǎn)，也逐漸在可見光通信中被大量使用。復(fù)旦大學(xué)與南昌大學(xué)合作的Si-LED使用基于表面紋理化的GaN，提高了發(fā)光效率，并配合Ag反射層和互補(bǔ)電極，降低了硅表面和電極對光線的吸收，改善了垂直LED單面發(fā)光的發(fā)光性能。復(fù)旦大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)使用該LED，實(shí)現(xiàn)了水下1.2 m、15.17 Gbit/s的高速傳輸[11]。

使用成品LED也是可見光通信系統(tǒng)的一個選擇，英國愛丁堡大學(xué)使用了價格低于50美分的成品LED，并在1.6 m的自由空間中創(chuàng)下了15.73 Gbit/s的可見光通信速率記錄[12]。

1.2 可見光通信系統(tǒng)中的接收器件

在可見光通信系統(tǒng)的接收器件中，PIN和APD是當(dāng)前主流的接收器。一般地，在高速可見光通信中使用PIN，因?yàn)镻IN擁有高至1 Gbit/s的接收速率，且其成本與APD相比較低。APD主要用于需要更高接收靈敏度的場景中。為了進(jìn)一步提升PIN的靈敏度，復(fù)旦大學(xué)提出了一個集成的3×3的PIN陣列，單個PIN的大小為3 mm×3 mm，帶寬為25 MHz，集成陣列的總大小小于5 cm×5 cm[13]。使用該P(yáng)IN陣列可以實(shí)現(xiàn)1.2 Gbit/s的可見光通信，并且極大地增加了接收端的視場角[14]。

太陽背景光是可見光通信系統(tǒng)的一大噪聲干擾源，過強(qiáng)的環(huán)境光會造成接收器飽和，以至于失去接收信號的能力?；贏lGaN的日盲PD便是針對強(qiáng)太陽光場景的接收器件，因其僅對太陽光中所不覆蓋的一部分紫外波段敏感，不會受到太陽光的影響。2005年，土耳其畢爾肯大學(xué)使用AlGaN肖特基二極管作為日盲PD，在日盲區(qū)可達(dá)0.147 A/W的響應(yīng)度[15]。2015年，日本東京大學(xué)研發(fā)出一種具有金屬-半導(dǎo)體-金屬（MSM）結(jié)構(gòu)的鈣鈦礦日盲PD，響應(yīng)度增至7.85 A/W[16]。然而，日盲PD作為通信接收器的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性仍待進(jìn)一步研究，其在通信中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)方法也十分缺乏。

針對靈敏度要求極高的特殊應(yīng)用場景，如水下長距離可見光通信，單光子檢測技術(shù)因其具有超高的靈敏度而被廣泛研究。2002年，A.A.VEREVKIN等研發(fā)出一種基于氮化鈮（NbN）的超薄膜超導(dǎo)單光子檢測器（SSPD）。該檢測器對405 nm波長的光有約10%的量子效率，并可達(dá)到10 GHz的光子計數(shù)頻率[17]。2015—2017年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與計數(shù)研究院（NIST）研發(fā)了針對紅外波段和紫外波段的硅化鉬（MoSi）超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD）[18-19]。SSPD和SNSPD相比于傳統(tǒng)的技術(shù)，具有高檢測效率、低暗計數(shù)和低定時抖動的優(yōu)勢；但對于復(fù)雜度極高的冷卻技術(shù)的需求是其在應(yīng)用中的一大缺陷。

聚焦用的光學(xué)元件在可見光通信系統(tǒng)中也是重要的一環(huán)。通過對接收到的光線進(jìn)行聚焦，可以提升接收信號的信噪比，從而提高傳輸速率；然而，這種信噪比的增加是以視場角的降低為代價的。因此，復(fù)旦大學(xué)提出了一款使用柔性納米材料的非成像光學(xué)聚焦器，將可見光轉(zhuǎn)換為接收器更敏感的紅外光，提高了接收器的靈活性，實(shí)現(xiàn)自由空間0.5 m、400 Mbit/s的可見光通信，速率提升了60%[20]。進(jìn)一步地，通過在雜化聚合物的基底上添加一個一維二元布拉格光柵，復(fù)旦大學(xué)實(shí)現(xiàn)了帶寬125 MHz、速率250 Mbit/s的可見光通信，速率提升了67%[21]。

目前的可見光通信仍主要面臨LED的帶寬限制、探測器的靈敏度低以及系統(tǒng)中的非線性問題，而面向6G的可見光通信要求將更高。未來的高速可見光通信系統(tǒng)需要基于新材料的新的光電、電光器件。新的光源應(yīng)具有更寬的調(diào)制帶寬和更高的光效率，而新的探測器應(yīng)具有更優(yōu)的可見光波段的靈敏度以及內(nèi)部和外部的量子效率。可見光通信的進(jìn)一步發(fā)展中還將引入更多先進(jìn)的光電子設(shè)備，如外調(diào)制器、光放大器、光開關(guān)、多路復(fù)用器及解復(fù)用器等。

2 高速可見光通信系統(tǒng)

相比于傳統(tǒng)的無線通信，傳輸速率高是可見光通信的一大優(yōu)勢，也是面向6G的可見光通信的一大特點(diǎn)；因此，研究人員將很大的精力放在了提升可見光通信系統(tǒng)的速率上。高速可見光通信系統(tǒng)可以分為兩種：離線系統(tǒng)和實(shí)時系統(tǒng)。離線系統(tǒng)使用示波器或其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備記錄接收到的信號，之后使用離線程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理；而在實(shí)時系統(tǒng)中，接收到的信號會被實(shí)時地進(jìn)行處理、解算為實(shí)際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)室中，研究人員們通常搭建離線系統(tǒng)來進(jìn)行新的技術(shù)研究。

2.1 可見光通信中的先進(jìn)調(diào)制技術(shù)

受制于LED的帶寬限制，高速可見光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵問題之一就是如何實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的高速傳輸。光電場的表達(dá)式如公式（1）所示：

同時，隨著可見光通信系統(tǒng)的不斷發(fā)展和完善，系統(tǒng)的信噪比已得到了顯著提升。高階調(diào)制的運(yùn)用可以進(jìn)一步增加系統(tǒng)的容量。如圖2所示，從開關(guān)鍵控法（OOK）調(diào)制一直到高階的正交振幅調(diào)制（QAM）調(diào)制，雖然系統(tǒng)的噪聲容限逐步下降，但每個符號所攜帶的信息量逐步增加，系統(tǒng)的傳輸速率自然也隨之增加。在信噪比允許的情況下，利用高階的調(diào)制方式可以進(jìn)一步增加頻譜效率。

另外，在可見光通信常規(guī)的波分復(fù)用方式中，為保證信號質(zhì)量，各個子帶之間的間隔頻率一般大于各子帶的帶寬，子帶之間存在保護(hù)間隔。這樣做可以減小子帶間串?dāng)_和碼間干擾，但并沒有充分利用頻譜資源。圖3展示了如何減少子帶間隔來提高頻譜效率。在奈奎斯特系統(tǒng)中，子帶之間的間隔頻率與子帶帶寬相等，在提高了頻譜效率的同時沒有引入更多的子帶間串?dāng)_和碼間干擾。在超奈奎斯特中，子帶間隔小于子帶帶寬，這進(jìn)一步提高了頻譜利用效率；但引入了子帶間的串?dāng)_和碼間干擾，需要使用如多符號判決等先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)來進(jìn)行接收端的處理。

因此，提升可見光通信系統(tǒng)中的通信速率主要有3個方向：從一維調(diào)制增加到多維調(diào)制，從二電平調(diào)制到多電平調(diào)制，以及從奈奎斯特調(diào)制到超奈奎斯特調(diào)制。近年來，可見光通信也逐步開始使用諸如概率整形（PS）、幾何整形（GS）和極化碼（PC）等新技術(shù)，進(jìn)一步地減少頻譜資源的浪費(fèi)。

表2 針對各維度的典型調(diào)制方式

▲圖2 高階調(diào)制

▲圖3 高頻譜效率調(diào)制

研究者們通過各種先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)，不斷地提升了可見光通信系統(tǒng)的頻譜利用效率。2015年，HUANG X.X.等研究應(yīng)用比特加載的正交頻分復(fù)用技術(shù)（OFDM），使用單個白色磷光LED實(shí)現(xiàn)了帶寬為600 MHz、速率為2.28 Gbit/s的1.5 m自由空間可見光通信傳輸[22]。2016年，WANG Y.等首次將超奈奎斯特技術(shù)引入可見光通信，使用分?jǐn)?shù)階傅里葉變換，提升了可見光通信系統(tǒng)中有限的帶寬頻譜利用效率[23]。進(jìn)一步地，2017年， ZHANG M.J.等研究并應(yīng)用了奈奎斯特的脈沖幅度調(diào)制（PAM8），在RGB LED上實(shí)現(xiàn)了4.05 Gbit/s的可見光通信傳輸，驗(yàn)證了奈奎斯特技術(shù)可以提高頻譜利用率；但會帶來嚴(yán)重的碼間干擾[24]。同年，CHI N.等研究應(yīng)用超奈奎斯特的無載波相幅調(diào)制（CAP），使用單個紅光LED實(shí)現(xiàn)了帶寬為350 MHz、速率為1.47 Gbit/s的1.5 m自由空間可見光通信傳輸，節(jié)省了20%的帶寬需求[25]。

2.2 可見光通信中的均衡技術(shù)

可見光通信信道的幅頻響應(yīng)曲線是一條隨著頻率增加而迅速衰落的曲線。為使得通信能夠利用盡可能大的帶寬，從而提升系統(tǒng)總速率，均衡技術(shù)也成為了可見光通信中十分重要的一環(huán)。通過均衡可以補(bǔ)償信號在高頻處的損失，使系統(tǒng)的整體頻率響應(yīng)變得平坦，從而提升高頻部分信號的信噪比。均衡技術(shù)可以分為加載在發(fā)射端的預(yù)均衡技術(shù)，以及加載在接收端的后均衡技術(shù)。均衡技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式可以分為通過電路實(shí)現(xiàn)的硬件均衡和通過先進(jìn)數(shù)字信號處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)的軟件均衡。其中，硬件均衡技術(shù)因電路參數(shù)固定，難以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，而軟件均衡技術(shù)則更為自由。

HUANG X. X.等使用了級聯(lián)的硬件預(yù)均衡，提升了可用帶寬，在單個白色磷光LED實(shí)現(xiàn)了1.6 Gbit/s的可見光通信[26]。ZHOU Y. J.等考慮了LED和PIN存在飽和的問題，比較了3種軟件預(yù)均衡曲線在不同參數(shù)下的表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了單個白光LED在自由空間1 m距離下2.32 Gbit/s的可見光通信的傳輸[27]。針對后均衡技術(shù)，WANG Y. G.等使用了線性均衡器、基于Volterra級數(shù)的非線性均衡器，以及DD-LMS均衡器混合級聯(lián)，將原本只有25 MHz的LED帶寬提升至320 MHz，在RGBY LED上實(shí)現(xiàn)了8 Gbit/s的高速傳輸[28]。ZHU X.等結(jié)合硬件預(yù)均衡技術(shù)和軟件后均衡技術(shù)，在RGBYC五色硅基LED上實(shí)現(xiàn)了1.2 m自由空間中總速率為10.72 Gbit/s的可見光通信傳輸，創(chuàng)下了當(dāng)時LED可見光通信速率的世界最高紀(jì)錄[29]。

2.3 實(shí)時可見光通信系統(tǒng)

實(shí)時的可見光通信系統(tǒng)能夠?qū)Ａ康氖瞻l(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理，這對于未來6G可見光通信的商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要；因此，實(shí)時系統(tǒng)的研究也十分重要。2018年，業(yè)界報道了一種基于不歸零開關(guān)鍵控調(diào)制（NRZ-OOK）的自由空間1.5 m下1 Gbit/s的實(shí)時可見光通信系統(tǒng)。在2019年，復(fù)旦大學(xué)與華為公司合作，使用離散多音頻調(diào)制（DMT）技術(shù)的2×2 MIMO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自由空間1.7 m下5 Gbit/s的實(shí)時可見光通信。這也是迄今為止，單顆LED實(shí)時可見光通信系統(tǒng)速率的世界最高紀(jì)錄[30]。

高速可見光通信技術(shù)不僅在器件材料上至關(guān)重要，在先進(jìn)的調(diào)制技術(shù)以及數(shù)字信號處理方面也充滿挑戰(zhàn)。如何提升系統(tǒng)帶寬，如何在有限的系統(tǒng)帶寬下進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量，不斷地逼近容量的極限，是面向6G的高速可見光通信的核心問題，也是一個極大的挑戰(zhàn)。

3 水下可見光通信技術(shù)

▲圖4 水下通信場景圖

在圖1所示的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，水下通信是不可或缺的一部分。海洋中的各類設(shè)備之間的超高速非接觸式數(shù)據(jù)通信，以及水面至水下設(shè)備之間的數(shù)據(jù)鏈路均需要水下通信技術(shù)的支持，如圖4所示。除了無線光通信之外，水下無線通信目前主要的手段包括聲波和射頻電波。聲波是目前實(shí)現(xiàn)水下無線通信最常見的方法，由于聲波在海水中衰減較小，可以實(shí)現(xiàn)極長距離的水下無線數(shù)據(jù)傳輸；然而，因聲波帶寬窄、載頻低且方向性差，它有著速率低、延遲大、安全性差的劣勢。射頻電波在水中的傳輸雖能實(shí)現(xiàn)比聲波高的傳輸速率，但因海水作為導(dǎo)體而存在的趨膚效應(yīng)，在海水中射頻電波的衰減十分巨大，傳輸距離非常有限，所需的發(fā)射功率也很高。由此可見，這兩種方式都無法滿足6G中水下通信的需求。而波長在450～550 nm的藍(lán)綠色可見光在水中的衰減遠(yuǎn)小于其他波段的衰減，這為水下可見光通信的發(fā)展奠定了天然的基礎(chǔ)。與上述兩種方法相比，水下可見光通信有著成本低、速率高、抗干擾強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，成為了水下無線通信國際競爭的焦點(diǎn)。

目前，水下的可見光通信主要使用LD和LED實(shí)現(xiàn)。相比于LED，LD可以實(shí)現(xiàn)更長的傳輸距離和傳輸速率，但對于對準(zhǔn)的要求十分苛刻。2018年，F(xiàn)EI C.等基于比特和功率加載的DMT技術(shù)，使用450 nm激光在水下實(shí)現(xiàn)了1.7 m、14.8 Gbit/s的通信[31]。LI C.Y.等使用包含了3個LD的垂直腔面發(fā)射激光器（VECSEL）在渾水中實(shí)現(xiàn)了5 m距離下25 Gbit/s的通信[32]。

基于LED的水下可見光通信也在飛速發(fā)展。2019年，復(fù)旦大學(xué)LI J. H.等使用2×2的PIN陣列擴(kuò)大LED水下可見光通信的接收范圍，利用單一藍(lán)色LED實(shí)現(xiàn)了水下1.2 m、1.8 Gbit/s的通信[33]。同年，復(fù)旦大學(xué)HU F. C.等基于波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)水下20.09 Gbit/s的LED可見光通信傳輸，刷新了水下LED可見光通信離線系統(tǒng)的最高速率記錄[34]。隨后，CHEN M.等實(shí)現(xiàn)了水下2.34 Gbit/s的實(shí)時水下LED可將光通信系統(tǒng)，這也是目前實(shí)時水下LED可見光通信的最高速率[35]。

隨著研究人員的不斷探索，水下可見光通信的距離和速率不斷增加；但在實(shí)際自然環(huán)境中，惡劣的水體環(huán)境會對通信造成極大的影響，散射、湍流和吸收是3大主要影響因素。對水下可見光通信信道模型的建立仍然是一個十分關(guān)鍵的問題。2019年，E.ZEDINI等提出了一個首次能夠描述淡水與咸水中氣泡、湍流以及溫差梯度導(dǎo)致水下可見光信道變化的模型[36]。然而，水下可見光信道的建模仍不完善，需要進(jìn)一步的研究和發(fā)展。復(fù)旦大學(xué)2018年首次將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用在水下可見光通信的信道建模中，提出利用高斯核輔助的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立信道損傷模型[37]，并于2019年提出雙支異構(gòu)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了水下可見光信道模擬器[38]。這些模型均經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到了完美的驗(yàn)證，為水下可見光通信信道建模開辟了新的重要研究方向。

4 可見光通信的異構(gòu)和組網(wǎng)技術(shù)

在面向6G的實(shí)際應(yīng)用中，可見光通信的組網(wǎng)技術(shù)需更深一步的研究，以滿足6G中多用戶以及混合架構(gòu)等場景的需求。例如，多址接入和全雙工的實(shí)現(xiàn)問題，如何實(shí)現(xiàn)接入靈活、服務(wù)質(zhì)量高、用戶體驗(yàn)好的低復(fù)雜度系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)價格的設(shè)計問題，如何設(shè)計基本網(wǎng)元結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；接入點(diǎn)的布設(shè)問題，如何在房間內(nèi)分配接入點(diǎn)數(shù)量，同時不會大幅度增加系統(tǒng)的復(fù)雜度；上行鏈路的設(shè)計問題，如何通過紅外或其他無線方式實(shí)現(xiàn)上行鏈路，提高用戶體驗(yàn)，減少干擾等等。

可見光通信與無線通信和光纖通信中現(xiàn)有的業(yè)務(wù)整合也是目前研究的一個熱點(diǎn)方向。2014年，WANG Y.Q.等實(shí)現(xiàn)了可見光通信與被動光網(wǎng)絡(luò)（PON）的整合，實(shí)現(xiàn)了自由空間中30 cm、500 Mbit/s的可見光通信與40 km、10 Gbit/s的PON結(jié)合的異構(gòu)通信[39]。該團(tuán)隊(duì)同年亦針對多用戶的可見光無線接入開展了研究，提出了一個以光纖作為網(wǎng)絡(luò)骨干、星型拓?fù)涞目梢姽馔ㄐ沤尤刖W(wǎng)[40]。2018年，SHI J. Y.等將基于紅光LED的可見光通信信號耦合到直徑為1 mm的特種光纖中，從而實(shí)現(xiàn)了5 m光纖中速率為3.1 Gbit/s、100 m光纖中速率為2 Gbit/s的可見光通信[41]。

在水下的可見光通信組網(wǎng)技術(shù)中，目前大多數(shù)的研究主要集中在物理層，缺少從系統(tǒng)級路由協(xié)議出發(fā)，設(shè)計具有擴(kuò)展邊界和高用戶容量系統(tǒng)的相關(guān)研究。這些研究對于水下可見光通信組網(wǎng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性具有著重要的作用。目前現(xiàn)有的研究主要基于陸地?zé)o線通信蜂窩網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，著重考慮海水的強(qiáng)衰減效應(yīng)以及環(huán)境對于通信鏈路的影響。受限于水下的特殊環(huán)境，為了適應(yīng)不同數(shù)據(jù)速率和通信距離的多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可見光通信與水聲通信結(jié)合的聲光混合網(wǎng)絡(luò)得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。對于各個節(jié)點(diǎn)來說，可見光通信具備高數(shù)據(jù)速率和低延遲的優(yōu)點(diǎn)，而水聲通信可以補(bǔ)齊長通信距離和魯棒性的系統(tǒng)短板。L. J. JOHNSON等的研究表明，使用聲光混合網(wǎng)絡(luò)模型的最大數(shù)據(jù)速率相較于傳統(tǒng)水聲鏈路擴(kuò)大了150倍[42]。水下聲光通信的異構(gòu)組網(wǎng)為系統(tǒng)提供了一定的自由度，可以根據(jù)負(fù)載和水質(zhì)情況選擇最佳的傳輸方法。

未來的6G通信將是一個使用各種通信手段的全頻譜網(wǎng)絡(luò)，從網(wǎng)絡(luò)中心、小區(qū)，一直到接入點(diǎn)和用戶，不同的通信方式將擔(dān)任不同的職責(zé)。面向6G的可見光通信需要有能力和如空間激光通信、毫米波太赫茲通信、微波無線通信和水聲通信等技術(shù)兼容并共存，這將是6G中研究的一個重點(diǎn)內(nèi)容。

5 可見光芯片高速光互聯(lián)

6G通信網(wǎng)絡(luò)的超高數(shù)據(jù)傳輸速率和超高數(shù)據(jù)吞吐量，將對作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)中心的容量和速率提出新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心中，信息通過老式的銅線進(jìn)行傳輸，不僅數(shù)據(jù)吞吐量受限，而且能耗巨大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足爆炸式的數(shù)據(jù)傳輸量增長。光作為一種新型的高速信息傳播載體，為信息傳播的性能帶來了歷史性的跨越。目前，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心的光互聯(lián)傳輸普遍采用的還是基于小型可插拔（SFP）標(biāo)準(zhǔn)的10 Gbit/s直接調(diào)制直接檢測方案，40 Gbit/s的光互聯(lián)則需要4路10 Gbit/s鏈路共同實(shí)現(xiàn)。然而，目前40 Gbit/s已經(jīng)不足以滿足數(shù)據(jù)中心對于帶寬的要求。針對未來更為高速的100 Gbit/s光互聯(lián)鏈路，各個光器件、芯片設(shè)備廠商已經(jīng)加大了研發(fā)力度，但在標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)上還沒有特定的具體方案。

現(xiàn)有高速數(shù)據(jù)鏈路發(fā)展的瓶頸主要在于大量光纖的使用帶來的巨大成本。大量的光線連接及其配套的發(fā)射接收設(shè)備不僅增加了建設(shè)成本，同時也大大增加了能源消耗，包括設(shè)備自身運(yùn)行以及空調(diào)散熱所需的能量；因此，既要實(shí)現(xiàn)超高速、超大容量的數(shù)據(jù)連接，又要實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能環(huán)保，那么如何提高單根光纖的數(shù)據(jù)容量，減少光纖連接數(shù)量，同時降低系統(tǒng)的能源消耗，成為了6G時代需要面臨的一大挑戰(zhàn)。

數(shù)據(jù)中心核心的高性能處理器芯片是設(shè)備能耗和發(fā)熱的主要部分。在主頻逐漸提高、芯片面積逐漸擴(kuò)大的情況下，芯片內(nèi)電互聯(lián)所固有的帶寬小、延時大、互聯(lián)密度低、串?dāng)_大、功耗高等缺點(diǎn)已成為高速芯片性能進(jìn)一步提高的瓶頸。芯片內(nèi)的光互聯(lián)，即使用光鏈路代替電鏈路實(shí)現(xiàn)芯片內(nèi)部的高速信號傳輸，是一種具有帶寬高、延時小、功耗低等諸多電互聯(lián)不可比擬的、有點(diǎn)的新興互聯(lián)方式。在未來，芯片內(nèi)的光互聯(lián)將是高性能處理器芯片中替代電互聯(lián)的普遍選擇。

世界上一些主要發(fā)達(dá)國家啟動了相關(guān)計劃開展片內(nèi)光互聯(lián)的研究，如美國DARPA的“硅基光電集成回路”項(xiàng)目、歐盟的“硅異質(zhì)結(jié)發(fā)射器”項(xiàng)目等。一些計算機(jī)領(lǐng)域的超級企業(yè)也啟動了相應(yīng)的研究計劃，如美國英特爾公司的“Teraflop Research Chip”項(xiàng)目、美國太陽微系統(tǒng)公司的“Super-Computer on a Chip”項(xiàng)目等。這些項(xiàng)目的研究熱點(diǎn)主要集中在硅基光器件、片內(nèi)光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)路由交換、調(diào)制、復(fù)用、器件兼容等方面。

在硅基電光調(diào)制器的研究方面，美國英特爾公司和美國康奈爾大學(xué)研制出了調(diào)制速率20 Gbit/s以上的電光調(diào)制器。在復(fù)用/解復(fù)用器的研究方面，加拿大北電網(wǎng)絡(luò)、IBM和美國麻省理工大學(xué)、美國太陽微系統(tǒng)公司等研制了出4信道復(fù)用/解復(fù)用器，美國Luxtera公司和新加坡微電子所研制出了8信道復(fù)用/解復(fù)用器。在節(jié)點(diǎn)路由交換器件的研究方面，美國康奈爾大學(xué)和美國耶魯大學(xué)實(shí)現(xiàn)了4端口的節(jié)點(diǎn)路由交換器件。在光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究方面，除二維Mesh網(wǎng)絡(luò)以外，美國亞利桑那大學(xué)2009年提出了用于分布和并行計算機(jī)系統(tǒng)的N維可重構(gòu)全光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，美國太陽微系統(tǒng)公司同年提出了用于片上超級計算機(jī)的光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

中國在硅基光子集成領(lǐng)域的研究雖起步稍晚，但發(fā)展迅速。中科院半導(dǎo)體所和中科院上海微系統(tǒng)研究所分別研制出了調(diào)制速率為10 Gbit/s的電光調(diào)制器，中科院半導(dǎo)體所研制出了信道間隔為100 GHz的4信道復(fù)用/解復(fù)用器，北京大學(xué)和浙江大學(xué)在電光調(diào)制器、偏振分束器和偏振旋轉(zhuǎn)器方面做出了很好的研究工作，中科院計算所和國防科技大學(xué)在光互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的研究基礎(chǔ)，上海交通大學(xué)和吉林大學(xué)在硅基光子集成方面也具有很強(qiáng)的研究基礎(chǔ)?？梢哉f，中國在硅基光互聯(lián)的部分研究已與國際高水平團(tuán)隊(duì)并跑。

6 可見光通信面向6G的挑戰(zhàn)與展望

在過去的十幾年間，可見光通信經(jīng)歷了一個飛速發(fā)展的時期?？梢姽馔ㄐ抛鳛橐环N新型的通信技術(shù)，吸引了全世界大量的研究人員，取得了可喜的進(jìn)展。除了室內(nèi)的短距離高速通信，可見光通信技術(shù)還可以應(yīng)用于從低速、高速到超高速的各種距離下的應(yīng)用，如低速的室內(nèi)定位、車聯(lián)網(wǎng)、船聯(lián)網(wǎng)，高速的醫(yī)療通信、高安全性通信、專網(wǎng)通信以及深空通信，超高速的室內(nèi)超高速接入網(wǎng)等。與其他通信手段相結(jié)合，可見光通信將是未來6G藍(lán)圖中十分重要的組成部分。相應(yīng)地，有關(guān)可見光通信的研究還需要深入發(fā)展。目前，6G中可見光通信實(shí)現(xiàn)集成化商用的挑戰(zhàn)主要有如下5個方面：

（1）LED器件的帶寬十分有限。帶寬極大地制約了系統(tǒng)的傳輸速率。在未來，應(yīng)該更多地針對可見光通信的應(yīng)用需求，研究使用新材料和利用新機(jī)制的超高帶寬光源器件。

（2）硅基光探測器在可見光波段靈敏度遠(yuǎn)低于紅外波段。接收器的靈敏度直接影響了接收信號的信噪比。使用基于AlGaAs的探測器，以及具有極高光電轉(zhuǎn)換效率的單光子探測器將可能成為針對這一問題的解決方案。

（3）缺少針對可見光通信基帶信號處理的專用集成電路（ASIC）?？梢姽馔ㄐ畔到y(tǒng)的小型化離不開ASIC的支持。ASIC集成了包括驅(qū)動芯片、跨阻放大器（TIA）的模擬前端（AFE）以及基帶數(shù)字信號處理在內(nèi)的三部分功能。

（4）可見光通信的主要結(jié)構(gòu)仍為單點(diǎn)對單點(diǎn)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量、增加用戶數(shù)量，基于發(fā)射器陣列和接收器陣列的MIMO通信系統(tǒng)將是未來可見光通信的趨勢。

（5）收發(fā)光學(xué)天線體積過大。目前常用的光學(xué)天線仍為較大的透鏡組，這也極大地影響了可見光通信系統(tǒng)集成化的進(jìn)展。菲涅爾透鏡和基于納米光學(xué)天線的波束控制將可能用于解決這一方面的問題。

此外，可見光通信系統(tǒng)的整體建模還亟待進(jìn)一步深入的研究。當(dāng)前的可見光通信信道模型僅基于LED或LD器件的光場分布和空間特性；但實(shí)際的可見光通信信道遠(yuǎn)比這些模型復(fù)雜，還包括了接收器的頻率響應(yīng)特性、光學(xué)天線參數(shù)、空間光場分布、湍流、背景光噪聲、散射、衍射和反射等等。對可見光通信信道建模將能夠有效地指導(dǎo)可見光通信理論研究，為未來6G中的高速空間通信和水下通信打下基礎(chǔ)。

可見光通信作為一種高速可靠的無線通信方法，將與6G中的其他技術(shù)融合形成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，共同提供大容量、高速率、穩(wěn)定可靠的傳輸。在這樣的一個網(wǎng)絡(luò)中，每個接入點(diǎn)可以支持以超過10 ms的切換時間持續(xù)地服務(wù)多個終端，上行鏈路速率可以超過10 Gbit/s，點(diǎn)對點(diǎn)的下行數(shù)據(jù)鏈路可以達(dá)到100～200 Gbit/s ?？梢姽馔ㄐ艦榱四軌蜻m應(yīng)未來6G系統(tǒng)中的復(fù)雜數(shù)據(jù)場景，亦應(yīng)引入機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能算法，并成為下一階段研究的重點(diǎn)。

7 結(jié)束語

本文中，結(jié)合目前可見光通信在器件、高速、組網(wǎng)和水下的最新研究進(jìn)展，我們介紹了面向6G的可見光通信的發(fā)展、未來挑戰(zhàn)和展望。研究人員已經(jīng)在可見光通信領(lǐng)域中取得一系列令人矚目的成果；但從專用的器件、光學(xué)天線的研究，一直到信道模型、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計，該領(lǐng)域仍有許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。機(jī)器學(xué)習(xí)在可見光通信中的應(yīng)用尚不深入，智能化可見光通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)還需要更多的機(jī)器學(xué)習(xí)算法的研究。通過各方面有針對性的研究，可見光通信將實(shí)現(xiàn)更快速的發(fā)展，并將會在6G中大放異彩。