高速可見(jiàn)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(jiàn)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(duì)性地突破這些瓶頸，進(jìn)一步提升其系統(tǒng)速率，使之在未來(lái)B5G/6G架構(gòu)中發(fā)揮重要作用。闡述了現(xiàn)階段高速可見(jiàn)光通信面臨的若干挑戰(zhàn)，并對(duì)其未來(lái)前景提出了展望。

關(guān)鍵詞：光通信;可見(jiàn)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(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)大發(fā)展以及5G/B5G技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化，通信技術(shù)不斷進(jìn)行著翻新與再創(chuàng)造，隨之而來(lái)的是虛擬現(xiàn)實(shí)、智慧城市、云計(jì)算、自動(dòng)駕駛等。這些大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在飛速發(fā)展的同時(shí)，也對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)承載能力提出了新的挑戰(zhàn)。但在無(wú)線接入方面，傳統(tǒng)的無(wú)線通信正陷入現(xiàn)有無(wú)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(jiàn)光通信出現(xiàn)在了人們的視野中[1]。可見(jiàn)光通信是利用波長(zhǎng)范圍在380 nm～760 nm的可見(jiàn)光作為信息的載體，調(diào)制信號(hào)進(jìn)行傳輸?shù)囊环N新型通信手段。可見(jiàn)光光譜帶寬約為400 THz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的無(wú)線通信頻譜，如此巨大的帶寬資源使得可見(jiàn)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(jiàn)光通信技術(shù)的使用，能夠大大拓展現(xiàn)有的無(wú)線頻譜資源，有效緩解資源即將耗盡的燃眉之急。

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

1 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的架構(gòu)

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的基本架構(gòu)是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)[3]，近些年隨著對(duì)通信容量的需求增大，可見(jiàn)光多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)[4]也在逐步發(fā)展中。目前的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)可見(jiàn)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(xué)部分與光學(xué)部分，電學(xué)部分主要包括信號(hào)處理電路與發(fā)射機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，光學(xué)部分則包括發(fā)射機(jī)光學(xué)芯片以及光學(xué)天線。2部分之間的光電子器件的就是可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)，目前主要是發(fā)光二極管（LED）與激光二極管（LD）[6-7]。信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)處理電路完成編碼和調(diào)制之后，通過(guò)驅(qū)動(dòng)LED/LD來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)LED/LD的強(qiáng)度調(diào)制，從而將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。接收部分同樣包括光學(xué)部分和電學(xué)部分。光學(xué)部分主要包括接收光學(xué)天線和探測(cè)器芯片，目前主流探測(cè)器芯片為光電二極管（PIN）和雪崩光電二極管（APD）。接收光學(xué)天線把盡可能多的光學(xué)信息聚焦到探測(cè)器芯片表面上。電學(xué)部分主要是信號(hào)處理模塊，光電探測(cè)器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)制、解碼等信號(hào)處理過(guò)程之后，恢復(fù)出原始的發(fā)送信號(hào)。

雖然可見(jiàn)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(jī)的材料器件、光學(xué)系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理算法等，因此進(jìn)一步提升可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的速率依舊充滿挑戰(zhàn)。

2 高速可見(jiàn)光通信面臨的挑戰(zhàn)

2.1 新材料與新器件

可見(jiàn)光通信的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)近年來(lái)被廣泛關(guān)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(jī)，LED 被用作發(fā)射機(jī)主要是因?yàn)樗囊遵詈闲浴踩砸约暗统杀荆乾F(xiàn)有的廉價(jià)商用LED的3 dB帶寬小于100 MHz，無(wú)法滿足高速通信的需要。LD 作為發(fā)射機(jī)主要是因?yàn)榧す饩哂邢喔尚裕蕴烊坏負(fù)碛写笥诩В℅iga）赫茲的帶寬，但是其在使用的時(shí)候耦合對(duì)準(zhǔn)較難且具有散斑效應(yīng)，同時(shí)對(duì)于人眼的安全性也存在潛在的威脅。在接收機(jī)方面，PIN是目前成本較低的主流探測(cè)器，但其靈敏度低，不能進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信且響應(yīng)帶寬有限。APD是利用雪崩效應(yīng)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(duì)信噪比要求高的應(yīng)用場(chǎng)景中。在目前商用的接收機(jī)中，如果想要增大接收機(jī)的調(diào)制帶寬，其噪聲系數(shù)必然增大，與此同時(shí)光敏面的面積也會(huì)相應(yīng)縮小，這為接收機(jī)端的光學(xué)天線帶來(lái)了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，需要研制新的適用于未來(lái)高速可見(jiàn)光通信的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，以滿足大帶寬、低成本、易耦合、高靈敏度等需求。

為了實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)器件上的突破，世界各國(guó)許多研究學(xué)者都做出了相應(yīng)的研究。南昌大學(xué)研制的硅襯底LED[8]能有效提升發(fā)射機(jī)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(shè)計(jì)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(lán)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(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)800 MHz左右的調(diào)制帶寬，還能有效避免LD的散斑效應(yīng)。但是目前這種器件的工藝還不成熟，只研制成功了藍(lán)光和綠光SLD。臺(tái)灣大學(xué)和阿卜杜拉國(guó)王科技大學(xué)（KAUST）采用新工藝和新材料實(shí)現(xiàn)了超高帶寬的可見(jiàn)LD[10-11]。總的來(lái)說(shuō)，未來(lái)的VLC發(fā)射機(jī)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(jī)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(fù)旦大學(xué)首次設(shè)計(jì)了3×3硅基集成PIN陣列[12]，并實(shí)現(xiàn)了1.2 Gbit/s可見(jiàn)光通信。接收機(jī)端的光學(xué)天線一直是接收機(jī)集成化的一大阻礙，為簡(jiǎn)化光學(xué)天線，研究學(xué)者開(kāi)始研究新型材料與結(jié)構(gòu)來(lái)替代傳統(tǒng)透鏡。復(fù)旦大學(xué)在2017年將柔性納米材料首次應(yīng)用為可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的光學(xué)天線[13]，一定程度上簡(jiǎn)化了可見(jiàn)光通信的瞄準(zhǔn)問(wèn)題，并將速率提升了60%。

2.2 先進(jìn)的調(diào)制編碼和數(shù)字信號(hào)處理算法

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

多維復(fù)用技術(shù)是進(jìn)一步提升可見(jiàn)光通信容量的一種有效手段，如圖3所示。具體來(lái)說(shuō)，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(hào)。同時(shí)，在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的不斷優(yōu)化下，系統(tǒng)的信噪比也在進(jìn)一步提升，運(yùn)用高階調(diào)制，例如64 QAM、128 QAM等，可以進(jìn)一步提升頻譜效率。波分復(fù)用、偏振復(fù)用等復(fù)用技術(shù)更是可以進(jìn)一步提升系統(tǒng)容量。牛津大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、愛(ài)丁堡大學(xué)先后利用波分復(fù)用技術(shù)與先進(jìn)的調(diào)制格式，分別實(shí)現(xiàn)了10.4 Gbit/s、10.7 Gbit/s、15.7 Gbit/s的多色LED高速可見(jiàn)光通信系統(tǒng)[8，14，15]。

但是，目前普通的波分復(fù)用（WDM）可見(jiàn)光通信系統(tǒng)并沒(méi)有充分利用頻帶資源，不同頻帶之間的帶隙浪費(fèi)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(yuǎn)沒(méi)有到達(dá)香農(nóng)極限。近年來(lái)，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(yīng)用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中，進(jìn)一步提升可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的頻譜利用率。

2.3 可見(jiàn)光異構(gòu)組網(wǎng)

在未來(lái)應(yīng)用中，可見(jiàn)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(jiàn)光系統(tǒng)成功接入現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)、發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)并支撐室內(nèi)多用戶大容量通信，是未來(lái)可見(jiàn)光發(fā)展的又一大挑戰(zhàn)。復(fù)旦大學(xué)于2014年實(shí)現(xiàn)了25 km光纖與75 cm可見(jiàn)光組網(wǎng)，通過(guò)32 QAM-正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)了8 Gbit/s總吞吐量，可同時(shí)支持8個(gè)用戶的接入[16]。這一實(shí)驗(yàn)證明了可見(jiàn)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(wú)線通信方式。

但是在實(shí)際運(yùn)用當(dāng)中，可見(jiàn)光異構(gòu)組網(wǎng)依舊存在很多亟待解決的問(wèn)題。首先是可見(jiàn)光通信的上行鏈路問(wèn)題，若以可見(jiàn)光的方式回傳，對(duì)于移動(dòng)端的功耗要求太高。此外，上下行光路之間可能會(huì)互相干擾，所以如何合理地解決可見(jiàn)光的上行鏈路問(wèn)題一直是人們?cè)诳紤]的問(wèn)題。在室內(nèi)布設(shè)可見(jiàn)光接入點(diǎn)時(shí)，接入點(diǎn)數(shù)量要與用戶數(shù)匹配。在多接入點(diǎn)接入時(shí)，會(huì)遇到互相干擾、移動(dòng)性管理等問(wèn)題。當(dāng)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流到燈時(shí)，如何利用可見(jiàn)光通信順暢地與這些業(yè)務(wù)對(duì)接，以及可見(jiàn)光與空間激光通信、太赫茲通信、毫米波通信和微波無(wú)線通信等通信技術(shù)如何共存和兼容，這些問(wèn)題值得研究學(xué)者在未來(lái)進(jìn)一步探索。

2.4 水下可見(jiàn)光通信

如圖5所示，隨著未來(lái)B5G/6G的發(fā)展，水下與陸上的通信網(wǎng)絡(luò)不再孤立存在，它們將會(huì)形成一個(gè)智能通信網(wǎng)絡(luò)，傳感器、水下機(jī)器人、人類都需要進(jìn)行水下活動(dòng)，并進(jìn)行必要的通信互聯(lián)，所以水下無(wú)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(hào)（～100 MHz）在海水中里面的衰減極大，趨膚深度只有厘米級(jí)別。聲波通信在海水中的穿透能力極強(qiáng)，但是通信帶寬太低。所以為同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高速率的水下無(wú)線通信，水下無(wú)線光通信逐漸發(fā)展起來(lái)[17]。目前水下無(wú)線光通信方式主要有兩種：LD通信與LED可見(jiàn)光通信。KAUST已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了水下1.5 Gbit/s的20 m藍(lán)光激光通信[18]。復(fù)旦大學(xué)則實(shí)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(wú)線光通信的挑戰(zhàn)依舊嚴(yán)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(fù)雜多樣，波長(zhǎng)跨度從紫外波段、可見(jiàn)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(diǎn)經(jīng)常涉及到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，來(lái)自不同方向、不同運(yùn)動(dòng)速度、連續(xù)非連續(xù)干擾等都會(huì)對(duì)于信息高速傳輸產(chǎn)生致命影響，水下環(huán)境中應(yīng)考慮相對(duì)廣覆蓋和大視場(chǎng)角接收問(wèn)題。此外，目前的長(zhǎng)距離高速水下無(wú)線光通信大部分停留在實(shí)驗(yàn)室階段，所以如何在實(shí)際環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)距離、更高速率的水下無(wú)線光通信，是未來(lái)水下可見(jiàn)光通信面臨的最大挑戰(zhàn)。

3 高速可見(jiàn)光通信的展望

可見(jiàn)光通信是未來(lái)B5G/6G藍(lán)圖的重要組成板塊，為進(jìn)一步拓寬未來(lái)可見(jiàn)光通信的應(yīng)用場(chǎng)景、提升其通信性能、突破應(yīng)用瓶頸，本節(jié)從4個(gè)方面給出對(duì)未來(lái)高速可見(jiàn)光通信前景的展望。

3.1 新機(jī)理器件

為解決目前LED帶寬限制、探測(cè)器靈敏度低與非線性等問(wèn)題，未來(lái)高速可見(jiàn)光通信系統(tǒng)還需要新型的光源、探測(cè)器和光電器件。新型可見(jiàn)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(jiàn)光探測(cè)器需要提高可見(jiàn)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(fù)旦大學(xué)的3×3硅基集成PIN陣列和基于納米圖形熒光材料可見(jiàn)光吸收器。未來(lái)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)作為一個(gè)獨(dú)立的通信體系，還需要更多的獨(dú)立光電器件，如外調(diào)制器、放大器、復(fù)用/解復(fù)用器、光開(kāi)關(guān)、集成收發(fā)器等。

3.2 可見(jiàn)光信道建模

目前可見(jiàn)光信道建模都只是根據(jù)LED或LD器件本身光場(chǎng)分布與空間特性建立的。但是，實(shí)際的可見(jiàn)光信道還包括接收機(jī)頻響特性、光學(xué)天線、空間光場(chǎng)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(jiàn)光信道建模將在未來(lái)給高速可見(jiàn)光通信提供理論指導(dǎo)，對(duì)空間無(wú)線可見(jiàn)光通信、水下無(wú)線可見(jiàn)光通信都有重大意義。

3.3 可見(jiàn)光協(xié)議組網(wǎng)

可見(jiàn)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(shè)置合適的無(wú)線接入點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合動(dòng)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(dòng)問(wèn)題。為減少用戶端的功率損耗，可見(jiàn)光上行鏈路可用紅外或者無(wú)線通信進(jìn)行替代，在室內(nèi)組成混合網(wǎng)絡(luò)。為解決業(yè)務(wù)流到燈的問(wèn)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(jiàn)光通信將作為未來(lái)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(luò)，在特定場(chǎng)景中提供大容量、高速率、穩(wěn)定可靠的無(wú)線傳輸。例如，智能可見(jiàn)光定位系統(tǒng)、室內(nèi)可見(jiàn)光、毫米波無(wú)線混合網(wǎng)絡(luò)等。為適應(yīng)未來(lái)系統(tǒng)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，機(jī)器學(xué)習(xí)智能算法應(yīng)當(dāng)成為重點(diǎn)研究的對(duì)象，并被作為一種先進(jìn)的信號(hào)處理算法應(yīng)用在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中。例如，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可進(jìn)行非線性抑制、信道性能檢測(cè)與調(diào)制格式識(shí)別等。因可見(jiàn)光和毫米波太赫茲通信都具有視距特性，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)融合接收端進(jìn)行精準(zhǔn)定位和多天線協(xié)作通信，集感知、通信、智能、計(jì)算一體化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文中，我們?cè)敿?xì)闡述了高速可見(jiàn)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(duì)其未來(lái)發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議：（1）重點(diǎn)關(guān)注與發(fā)展可見(jiàn)光新機(jī)理器件，提升發(fā)射、接收機(jī)整體性能;（2）完善可見(jiàn)光通信系統(tǒng)理論基礎(chǔ)，建立傳輸信道的數(shù)學(xué)與物理模型;（3）針對(duì)水下無(wú)線光通信應(yīng)用場(chǎng)景，努力突破瓶頸;（4）重點(diǎn)研究可見(jiàn)光異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，兼容現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò);（5）大力發(fā)展智能算法，適應(yīng)未來(lái)全頻譜通信網(wǎng)絡(luò)。

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