LiFi:可見光通信技術發展現狀與展望

遲 楠，石 蒙，哈依那爾，牛文清

(復旦大學通信科學與工程系電磁波信息科學教育部重點實驗室，上海 200433)

引言

可見光無線通信技術(light fidelity, LiFi)最早由德國物理學家Harald Hass(哈拉爾德·哈斯)教授提出，是一種利用發光二極管(LED)的快速響應特性實現高速數據傳輸的綠色信息技術，學術界一般稱之為可見光通信(visible light communication，VLC)技術。它作為一種拓寬頻譜資源、綠色節能、可移動的接入方式，為傳統接入網技術的發展帶來了新的思路。可見光通信利用LED作為光源，在LED照明的同時可以高速地通信。

可見光通信發展的驅動因素主要包括以下幾個方面：①隨著無線頻譜資源逐漸匱乏，VLC利用的可見光波段尚屬空白頻譜，無需授權即可使用，可以更有效地利用頻譜資源。②較之白熾燈和節能燈，LED燈具有效率高、價格低及壽命長等優點，這使其迅速占據了市場。因此在世界范圍內，傳統照明技術日漸被固態照明取代；固態照明的普及使VLC的光源無處不在。③可見光通信沒有電磁干擾、空間重復利用率高，與其他無線技術相比，擁有安全性高、保密性好等眾多優點，易與現有基礎設施融合[1]。

由于其獨特的優勢，可見光通信技術也很快成為了受各國政府的支持與重視的重大科學主題。早在2000年，慶應義塾大學便提出了可用于家庭網絡的白光LED可見光通信[2]；隨后日本成立了可見光通信協會(VLCC)。美國國家科學基金會(NSF)成立的照明系統研究與應用中心(LESA)成功研制了全球首個具有高速率、零誤差、可長距離傳輸特性的可見光全集成微芯片接收機鏈路。我國復旦大學、北京郵電大學、中科院半導體所、東南大學、華中科技大學等科研單位，在先進調制均衡技術和高速可見光傳輸方面取得了一系列顯著的成果。

本文接下來將從系統架構、前沿研究、面臨的問題與挑戰、總結與展望等四個方面展開對高速LED可見光通信系統的詳細介紹。

1 系統架構

可見光通信系統結構如圖1所示。可以看到，和傳統無線通信系統類似，可見光通信系統也分為三個部分：可見光信號發射機、自由空間可見光傳輸和可見光信號接收機。可見光發射機部分又分為兩個模塊，首先是信號的調制編碼模塊，主要是將原始的數據信號流進行編碼調制，同時針對可見光信道衰落進行預均衡處理。接下來經過預處理的電信號進入到LED發射模塊，經過放大器對信號進行放大，然后通過驅動器與LED驅動電流交直流耦合，從而將信號加載到LED光源上實現信號的電-光轉換。可見光通信系統中最常用的白光LED光源主要有兩種：藍光熒光粉LED(P-LED)和紅綠藍LED(RGB LED)。一般來說，為了提高接收端的光強、增加傳輸距離，還會在LED燈頭加上光學透鏡和聚光杯來減小光束的發射角。

圖1 高速可見光通信系統架構Fig.1 High-speed VLC system architecture

接下來可見光信號進入自由空間信道傳輸。自由空間信道分為室內信道和室外信道兩種，室內信道特性穩定，而室外信道容易受到環境的影響。可見光信號多以直射路徑(line-of-sight，LOS)到達接收端，同時存在少量的漫射、散射信號，自由空間中的噪聲主要來自于環境中的背景光噪聲。

經過自由空間信道傳輸后，可見光信號到達系統接收模塊。盡管光信號主要以直射的方式到達光電探測器，但為了提高接收端光照度、增加傳輸距離和接收信號信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)，需要在可見光光電探測器之前采用聚光透鏡進行聚焦。然后光信號由光電探測器接收，實現信號的光-電轉換。可見光通信系統中主要采用的光電探測器有PIN、APD和圖像傳感器(imaging sensor)三種，一般來說PIN和APD多用于高速可見光通信系統，而圖像傳感器可以用于低速多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)可見光通信系統中。在接收模塊后，電信號進入到接收端的信號恢復和處理模塊。通過采用先進的數字信號恢復和均衡算法，來消除系統損傷和噪聲的影響，最后對接收信號進行解調和解碼，從而恢復出原始發射信號。

2 前沿研究

圖2為LED可見光通信的研究脈絡圖，其中材料器件圍繞新型LED、新型超輻射LED、激光器LD以及探測器等方面展開；而高速系統的搭建將總結可見光發展歷程上速率及調制方式的進展，主要關注目前幾個高速系統的實現；異構組網的內容由可見光LED組網、可見光光纖接入組網以及可見光在特殊光纖中傳導組成；水下通信主要圍繞水下激光以及水下LED展開。

圖2 可見光通信前沿研究脈絡圖Fig.2 Frontier study of VLC

2.1 材料器件

1)新型光發射器件。LED具有效率高、壽命長、發熱少、開啟速度快等特點，同時也因其高安全性和免受電磁干擾等優點而被廣泛用于VLC系統中。但是LED的發光效率因為受“效率下降”效應的限制而不盡如人意，同時其高速性能也受到了相對較小的-3 dB調制帶寬的限制。

基于InGaN的高速可見光激光器(LD)具有被動與主動元件可以單片集成的特點，可以優化光學吸收、增益及放大性能，可用于VLC高速調制。LD雖然不存在“效率跌落”效應，并且-3 dB調制帶寬也較大，但是也受到散斑噪聲和安全問題的影響。而這促使人們尋求更好的光發射器解決方案。

近年來，超輻射發光二級管(SLD)作為一種高亮度、無散斑的固態照明光源得到廣泛的研究。與LED相比，在SLD中沒有觀察到俄歇復合和載流子泄漏[3]。由于SLD的放大自發輻射特性，在相對較高的電流密度下，SLD的外量子效率(EQE)是增加的。與LD相比，基于SLD的白光具有更好的CRI(顯色指數)[4]。研究者們嘗試著將SLD用于開關鍵控調制(OOK)的VLC系統中。實驗結果表明，在1.3 Gbit/s的數據速率下誤碼率低于3.8×10-3的前向糾錯(FEC)門限，證明高速SLD在VLC應用中具有顯著優勢。

表1總結了上述三種光發射器各自的特點，SLD結合了LED和LD的優點，其帶寬介于LED和LD之間，有效避免了LED和LD存在的問題。

表1 三種新型光發射器比較Table 1 Comparison of three new types of light emitters

現在用于高速VLC系統的新型光發射器LED芯片主要有3類：硅基LED(Si-LED)、GaN基的高帶寬微結構LED(Micro-LED)以及基于表面等離子體的LED(SP-LED)。接下來我們分別介紹這三種LED芯片。

(a)硅基LED(Si-LED)。與基于碳化硅材料的LED相比，Si-LED價格便宜、生產效率高，其LED芯片的成本明顯低于藍寶石襯底芯片。Si-LED芯片的抗靜電能力強，使用壽命長，能夠承受較高的電流密度[5]。一般有兩種常用的Si-LED：基于GaN的Si-LED和混色LED(CM Si-LED)。

基于GaN的Si-LED芯片為上下電極單引線垂直結構，在器件封裝時只有單電極引線，極大簡化了封裝工藝，降低了成本[5]。具有垂直結構的硅襯底LED單面發光，一致性好，并且發射光的方向性好；垂直結構的電機設計，降低了載流子壽命；同時，經過特殊設計的量子阱結構，提高了載流子抽取效率。在文獻[5]中，復旦大學研究團隊利用結構如圖3所示的Si-LED測量了水下VLC系統的誤比特率(BER)性能與信號帶寬，驗證了分別在32QAM、64QAM和128QAM調制格式下，系統的最高數據速率可以達到2.175 Gbit/s。

目前的LED白光照明模式一般是基于藍光LED的熒光粉顏色轉換，但發光效率和頻譜效率仍有很大的改善空間；同時，藍光的危害也引起了社會極大的關注，如果光譜設計合理，可通過混色(CM)LED將其危害最小化。在文獻[6]中，復旦大學研究團隊提出了利用沒有熒光粉的多色混合LED(CM-LED)來形成白光的一種發光方式，這讓我們在顯色指數(CRI)、色溫(Tc)和光效率之間取得了平衡；實現了在1 m自由空間傳輸數據最高速率可達 10.72 Gb/s 的WDM VLC系統。這是目前在高速VLC系統中實現的最高傳輸速率。

圖3 硅襯底LED剖面圖Fig.3 Silicon-substrate LED profile

(b)Micro-LED。GaN基的micro-LED具有功率效率高、壽命長和頻率響應快等優點，是實現照明以及在自由空間高速可見光通信的潛在光源[7,8]。與商用大功率LED相比，GaN基的micro-LED具有較寬的線性范圍，適用于峰均功率比高的一些調制方式(如OFDM)，能夠加深調制深度。調制帶寬的提高使LED可以承受更高的工作電流密度，實現更好的調制性能。

Sun等[9]在標準GaN LED外殼上生長250 nm厚的鋁摻雜氧化鋅透明電流擴散層(即AZO-TCL)，通過MOCVD 在c面藍寶石襯底上生長LED；并且設計制造了30～60 μm大小的μLED混合像素陣列。通過此方法在未使用預均衡的情況下，LED調制帶寬可達600 MHz；并在前向糾錯(FEC)閾值3.8×10-3的情況下，將32QAM OFDM信號加載到150 μm AZO-LED上實現了3 Gbit/s的數據速率(SNR = 20.89 dB)。

(c)SP-LED。表面等離子體(Surface Plasmon，SP)可以提高LED發光的內量子效率和外量子效率。在文獻[10，11]中，Fadil等人通過實驗驗證了SP高效的可見光光強增強效應。利用QW-SP耦合，提高LED的發光效率的同時，可有效提高調制帶寬而不增加電流注入密度，這對于高速VLC技術的發展具有重要意義。SP-LED器件的截面圖如圖4所示。

圖4 SP-LED器件的截面圖[12]Fig.4 SP-LED Profile[12]

文獻[10,11,16]中的實驗結果表明，QW-SP耦合提高了輻射復合速率，并且有效地縮短了載流子輻射復合壽命，LED帶寬提高了6倍，達到了200 MHz；其光功率是Grid-LED(沒有Ag NPs，作為對照)的1.96倍，是Grid-LED的2.75倍。這一研究成果說明在LED器件表面采用適當的Ag NPs粒徑可以獲得較高的光發射效率和調制性能。Ag NPs的SP效應可以有效的提高LED的光輸出功率。在16QAM-OFDM調制格式下，我們驗證了SP-LED能夠實現1.2 Gbit/s的數據傳輸速率。

2)新型光探測器。光探測器主要完成光電轉換以便后續的信號處理，射入探測器的光束使電子受激從價帶躍遷到導帶產生載流子，以光電壓或光電流的形式輸出，最后通過測量可探測到光波強度所攜帶的信號[13]。

以下介紹一種高速VLC集成PIN陣列探測器，以及用于提高可見光接收性能的柔性納米材料和基于納米HMM的有機顏色轉換器。

(a)3×3集成PIN陣列。PIN響應速度快、靈敏度高，具有較好的光電轉換線性度，后端處理電路的設計相對比較簡單。PIN光電二極管的制備方式如參考文獻[14]中所述，一般通過快速熱化學氣相沉積(RTCVD)技術制成。

通過設計光電探測器陣列能夠平衡PIN光電二極管的結電容與接收光功率之間存在相互制約這一問題[15]。在文獻[16,17]中，復旦大學研究團隊提出了一種新型的集成PIN陣列制備方法，工藝簡單，成本低。在該方法中，首先將PIN陣列通過傳統的引線鍵合技術直接集成到PCB上，然后將光電檢測器和電路同時集成在PCB上，對光路系統進行整體封裝。如此，不僅可以保護器件促進更好地散熱，還易于實現具有解碼和通信協議的電路進一步集成，以便接收模塊具有較強的可延展性。

圖5 集成PIN陣列Fig.5 Integrated PIN array

復旦大學研究團隊通過實驗證明了光敏面積為3 mm×3 mm的PIN單元性能最優，并以此為基礎設計了一種3×3的集成PIN陣列，并將其應用于可見光通信系統中以提升可見光通信系統的接收性能。每個PIN的帶寬為25 MHz，集成的PIN陣列的尺寸小于5 cm×5 cm。在實驗中對傳輸數據采用16QAM-OFDM調制，采用集成PIN陣列接收，整個可見光通信系統的傳輸速率可達1.2 Gbit/s[16]。在文獻[17]中，復旦大學研究團隊針對VLC系統中存在的二階互調失真和直流噪聲干擾問題，提出了一種基于空間平衡編碼和平衡探測的2×2成像MIMO-VLC系統，用以提高接收性能。以2個商用RGB-LED作為發射機，以集成PIN陣列作為接收機，實現了傳輸距離為2.5 m，1.4 Gbit/s的有效物理數據通信速率。據悉，這是在MIMO-VLC系統中采用集成PIN陣列作為接收機實現的最高數據速率和最長通信距離。此研究結果表明，集成PIN陣列在VLC系統的性能提升中具有巨大的應用前景。

(b)納米材料。①柔性納米材料可見光接收器。在可見光通信系統中，為了提高接收性能，人們經常使用聚焦光學器件，如透鏡或復合拋物面聚光器(CPC)。然而，由于在幾何光學中存在étendue限制，通常利用上述方法提高SNR會造成FoV的降低[18]。克服étendue限制的有效解決方案是使用名為LSC的非成像光學聚光器。LSC通常是用低折射率包層材料來包裹高折射率熒光材料制作而成。復旦大學Dong等[19]使用了一種由閃耀光柵構成的扁平CPC形狀LSC來解決提高光通信效率的挑戰。實驗結果顯示在0.5 m室內自由空間傳輸中，我們成功實現了納米圖形CPC形狀LSC的400 Mb/s的數據速率；這表明，使用納米圖案CPC形LSCs可以使數據速率提高60%。實驗驗證了通過納米壓印光刻在柔性基板上制造的納米圖案CPC形狀的LSC可以克服étendue限制，能夠在不影響光學增益的情況下實現大的FoV，進而提高VLC系統的效率，使其在與智能移動終端進行高速數據通信的研究方向具有廣闊的前景。②基于納米圖案雙曲線超材料(HMM)的有機顏色轉換器。白光LED中使用的色彩轉換熒光粉的調制帶寬嚴重限制了VLC的信道容量。雖然有很多相關研究已經證明了取代傳統熒光粉的各種顏色轉換器，并且帶寬已經提高了一個數量級以上。然而，這種提高也受到了分子結構的固有性質的限制。復旦大學研究團隊提出了使用納米HMM來實現高帶寬顏色轉換器的替代策略[20]。

文獻[20]中的實驗結果表明，對于納米圖形材料系統，125 MHz的帶寬可以實現250 Mbps的數據傳輸速率，誤碼率低于3.12×10-3；而均勻的Super Yellow(SY)薄膜的帶寬只有75 MHz，其相應的數據傳輸速率和誤比特率分別為150 Mb/s和2.89×10-3；可以得出結論：使用納米圖案，系統帶寬可以提高67%。與傳統的化學工程思路相比，該系統為高帶寬顏色轉換器提供了一條新的思路。從硬件角度來看，這兩種思路的組合無疑將為VLC系統中色彩轉換器帶寬的提高帶來重大突破。

2.2 高速系統

LED可見光通信由于其優點而受到世界各國的廣泛關注和支持。為了實現高速長距離的可見光傳輸，研究人員從先進調制技術、數字信號預/后均衡技術、系統收發器件等多方面進行了深入探索和研究，并取得了一系列突破性進展。表2總結了國內外在可見光通信領域的部分重要研究成果。2008年，日本在99里海灘利用燈塔上的LED作為發射機、圖像傳感器作為接收機，實現了通信距離達2 km的可見光通信系統實驗，傳輸速率為1 022 b/s[21]。同年，牛津大學Dominic O’Brien所領導的研究小組針對LED 光源窄帶寬的特性重點研究了多諧振均衡技術，把LED可用調制帶寬提高到45 MHz，實現了通斷鍵控(On-Off Keying, OOK)信號的40 Mb/s和80 Mb/s可見光傳輸[22]。

接著，各研究團隊竭盡所能刷新可見光通信系統的傳輸速率[22-32]，從最初的Mb/s數量級的傳輸速率提升到了目前最高的10 Gb/s。2015年，復旦大學研究團隊用RGBY LED燈做波分復用(WDM)系統，使用CAP調制格式，采用線性均衡和基于Volterra的非線性混合均衡，實現了1 m范圍8 Gb/s的傳輸速率[30]。同年，牛津大學研究團隊采用bit-loading的正交頻分復用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技術和三色WDM-VLC信道，實現了10.4 Gb/s的傳輸[32]。2018年，復旦大學研究團隊利用5色硅基LED燈，采用離散多音(DMT)調制，并使用預/后均衡的技術最終實現了1 m傳輸距離的10.72 Gb/s的可見光傳輸[6]，為目前最高傳輸速率的可見光通信系統。

表2 國內外可見光通信部分研究成果總結Table 2 A summary of research results of VLC systems at home and abroad

2.3 異構組網

可見光通信已經能實現達10 Gb/s的傳輸速率，下一步發展需要考慮實際應用場景。而可見光通信技術實用化進程中面臨的最為實際的問題是如何構建一個由幾十乃至上百個可見光接入點(VLC Access Point, VAP)組成的可見光無線接入網絡，從而能夠真正為大規模用戶提供高速無線接入服務。研究該網絡的組成架構以及在網絡中應該采用什么調制方式和接入協議是實現大規模高速可見光接入的關鍵。考慮到其在帶寬動態分配、子載波復用等方面的顯著優勢，實際上OFDM調制技術在可見光接入網絡中具有更高的應用價值。

圖6是可見光多用戶接入網絡架構示意圖。在網絡中采用了光纖鏈路作為主干，并將光纖與LED燈直接相連，來確保系統擁有足夠的帶寬資源。該方案為每個可見光接入點VAP分配一個不同中心頻率的OFDM子帶來進行信號傳輸。而在每個VAP內則采用了時分復用(TDM)方案，為LED燈下方的每個用戶分配不同的時隙來進行可見光數據傳輸，這樣就能夠令一個VAP內同時實現多個用戶的可見光接入。

圖6 可見光多用戶接入網絡架構示意圖Fig.6 The schematic diagram of multi-user access VLC network

在下行鏈路中，屬于不同VAP的信號首先在遠端的中心局(CO)中進行OFDM調制，并將其上變頻到其預先分配的子帶上然后進行合路，再通過光纖鏈路進行傳輸。到達該接入網后，下行信號首先通過一個光耦合器(OC)進行分路，將分路后的光信號分別送到各個VAP的LED燈處。該LED燈內集成了光纖收發器件以及可見光收發器件。每個VAP通過帶通濾波器選出只屬于自己的子帶信號，并利用混頻器將帶通信號下變頻到基帶。該基帶下行信號進一步被用來驅動LED，實現可見光調制。經過室內自由空間傳輸后，該下行信號到達用戶端。由于LED燈下方的用戶已經被分配好了相應的信號時隙，因此各個用戶只需要從預先分配給自己的時隙中選出自己的下行信號即可。最后通過用戶端的可見光集成收發機來實現信號的解調與恢復。

在上行鏈路中，在同一個VAP內的各個用戶首先將自己的上行OFDM信號調制到上行LED上，然后在預先分配給自己的時隙內傳輸該信號。信號由天花板上的LED燈內的可見光探測器接收，接下來將其上變頻到預先分配給該VAP的子帶上，并將上變頻后的信號利用光強度調制器調制到光載波上并送入上行光纖鏈路中。來自不同VAP的上行光信號通過光耦合器進行合路，經過光纖傳輸最后到達中心局端。在中心局內再利用下變頻和濾波實現對各個用戶數據的解調與恢復。

2014年，復旦大學研究團隊采用光纖鏈路作為可見光接入網絡的主干，充分利用其大帶寬的優勢實現吞吐量近10 Gb/s的可見光接入網絡系統。通過32QAM-OFDM調制方式將100 MHz的帶寬分成8個子載波，分配給8個VAPs，進行25 km的光纖傳輸和75 cm的可見光傳輸，吐量達8 Gb/s，實現了32用戶的高速無線接入，從而對可見光接入網絡方案的可行性進行了實驗驗證[33]。

另外，針對可見光無法穿透墻體等遮擋物問題，復旦大學研究團隊設計了特殊的低損耗光纖，把可見光接入低損耗光纖中傳輸，特殊光纖作為可見光傳輸的連接，實現了可見光的跨墻體傳輸，對于ULEAPS(ultra-large effective area pure silica)光纖傳輸5 m距離總數據量達到3.1 Gb/s，傳輸100 m距離總數據量達2 Gb/s[34]。

2.4 水下光通信

地球表面的72%被水覆蓋，隨著社會的發展，水下活動的開展需求也日益增加。水下通信技術也成為重要研究方向，目前水下通信技術主要基于聲波與射頻技術。而近年來，水下可見光通信以其光源成本低、傳輸高速、穩定、抗干擾能力強等優勢，在國際研究組織中獲得了廣泛的關注，并進行了一些基于激光和LED燈的水下光通信實驗。

沙特國王大學研究團隊進行了水下實驗的研究，以藍光激光器為光，在水箱1.5 m×8次反射，實現有效傳輸距離12 m，傳輸速度1.5 Gb/s[35]。臺灣大學研究團隊采用16AQM-OFDM調制，以120 mW藍光LD為發射光源，在2.7 GHz帶寬、1.7 m傳輸距離情況下，實現了14.8 G/s的傳輸速率[36]。

同樣，還有基于LED的水下可見光通信進展。2018年，復旦大學與南昌大學研究團隊使用硅襯底綠光LED進行水下實驗，發射端采用DMT 64QAM調制，調制帶寬287.5 MHz，采用南昌大學硅襯底綠色LED作為發射器，采用雙差分接收以及等增益合并算法，實現1.2 m水下傳輸距離1.725 Gb/s的傳輸速率[37]。文獻[5]中，復旦大學研究團隊提出了一個水下可見光通信系統，系統發射端為600 μm×600 μm的硅襯底綠色發光LED，峰值發光波長在521 nm。采用64QAM-DMT調制，通過多PIN接收機實現MRC(maximum ratio combination)接收，實現了2.175 Gb/s的傳輸速率。

3 面臨的問題與挑戰

如前文所述，可見光通信已成為國際學術組織研究的熱點，大量的成果與研究進展不斷顯示出其可觀的前景。然而，由于LED帶寬限制、探測器靈敏度限制以及非線性問題的制約，可見光通信的發展依舊面臨著許多亟待解決的問題與挑戰。

首先，由于LED的頻率響應特性，高頻部分衰減嚴重，LED帶寬較窄，通常限制在10 MHz。其解決途徑有：使用集成封裝照明通信兼容LED芯片。采用均衡技術，可提高帶寬至80 MHz。采用微結構LED、表面等離子體LED也可以克服LED 帶寬較窄的問題。復旦大學與中山大學合作研制的微結構LED, 直徑30—60 μm。能夠提高電流密度，降低載流子壽命，其無均衡帶寬高達600 MHz，單燈珠速率3 Gb/s[9]。復旦大學和丹麥技術大學合作研制的表面等離子體LED，量子阱與表面等離子體耦合，可以提升輻射復合速率。帶寬提升6倍達200 MHz，同時可以提供高光效[12]。國際上，日本中村修二課題組、沙特國王大學等在超輻射LED和超輻射激光器、可見光激光器方面也做了前沿研究。

其次，硅基探測器主要在紅外波敏感，藍光效率低，使得探測器對于LED接收的靈敏度較低。其解決方法有：使用基于摻AlGaAs材料的探測器，提高對藍光的探測效率。并且目前發射和接收電路基本都是分立電路，缺乏專用芯片，需要開發可見光通信處理專用芯片。LED和探測芯片為單芯片，效率較低，在未來發展中，需要LED陣列和探測器陣列以提高可見光通信系統的效率。復旦大學在2015年研制出國際上首例單元3 mm×3 mm集成PIN焦平面陣列，采用MRC加權合并，以此提高傳輸性能[15,16]，并在2017年研制出基于納米圖形熒光材料可見光吸收器，實現柔性曲面接收400 Mb/s信號[12]。

由于發射天線和接收天線需要透鏡組，會使得系統體積龐大，不利于集成。其解決方法為：采用菲涅爾透鏡，并加藍光濾膜，以此來提高系統的集成度。

由此可見，作為獨立通信體系，可見光通信還需要更多光電器件。其發展方向也將朝著集成化演進。

4 總結與展望

本文介紹了高速LED光通信系統的原理、結構與實現。我們分析了該技術的研究背景，介紹了高速LED光通信系統的系統架構、前沿研究，包括材料器件、高速系統、異構組網和水下可見光通信技術；并著重分析了該領域典型研究方案與技術路線，研究了限制高速LED光通信技術進一步發展可能會面臨的問題與挑戰，及其現有的解決方案與前沿技術。

在即將到來的6G時代，高速LED光通信系統將參與通用系統設計，與射頻通信、毫米波等進行多個波段之間的協調，實現全波段集中架構，資源多樣化使用以服務于所有場景。并且，預想的全頻譜光通信系統需要機器學習技術在頻段分配、系統運行、信號分析與估計方面優化系統性能。