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(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(duì)其未來前景提出了展望。

關(guān)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(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(hào)進(jìn)行傳輸?shù)囊环N新型通信手段?？梢姽夤庾V帶寬約為400 THz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guān)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(gè)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(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)支持了可見光通信。在中國，科技部的重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃都將可見光通信列入其中[2]。世界各國對(duì)可見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B5G/6G的通信方式來臨之際，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(shí)現(xiàn)空氣、水域的遠(yuǎn)距離高速通信;可見光通信還可被運(yùn)用在如醫(yī)療、航空、工業(yè)制造的眾多特定場景中。可見光通信潛在的應(yīng)用領(lǐng)域多樣，用戶數(shù)量巨大，將會(huì)帶來非常大的經(jīng)濟(jì)效益，而如何實(shí)現(xiàn)更高速率的可見光系統(tǒng)也是當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

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(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)過信號(hào)處理電路完成編碼和調(diào)制之后，通過驅(qū)動(dòng)LED/LD來實(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(xué)天線把盡可能多的光學(xué)信息聚焦到探測器芯片表面上。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)處理過程之后，恢復(fù)出原始的發(fā)送信號(hào)。

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(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(jī)和接收機(jī)近年來被廣泛關(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?、安全性以及低成本，但是現(xiàn)有的廉價(jià)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(jī)主要是因?yàn)榧す饩哂邢喔尚?，所以天然地?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)天線帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。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(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)可見光通信系統(tǒng)器件上的突破，世界各國許多研究學(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LD[10-11]。總的來說，未來的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，為簡化光學(xué)天線，研究學(xué)者開始研究新型材料與結(jié)構(gòu)來替代傳統(tǒng)透鏡。復(fù)旦大學(xué)在2017年將柔性納米材料首次應(yīng)用為可見光通信系統(tǒng)的光學(xué)天線[13]，一定程度上簡化了可見光通信的瞄準(zhǔn)問題，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光通信面臨的核心科學(xué)問題和最大挑戰(zhàn)。

多維復(fù)用技術(shù)是進(jìn)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(hào)。同時(shí)，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(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高速可見光通信系統(tǒng)[8，14，15]。

但是，目前普通的波分復(fù)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(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)沒有到達(dá)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(yīng)用于可見光通信系統(tǒng)中，進(jìn)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(yīng)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(luò)、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(fù)旦大學(xué)于2014年實(shí)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(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(shí)際運(yùn)用當(dāng)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(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光的上行鏈路問題一直是人們?cè)诳紤]的問題。在室內(nèi)布設(shè)可見光接入點(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)性管理等問題。當(dāng)現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流到燈時(shí)，如何利用可見光通信順暢地與這些業(yè)務(wù)對(duì)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(xué)者在未來進(jìn)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(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(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(diǎn)經(jīng)常涉及到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，來自不同方向、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(shí)驗(yàn)室階段，所以如何在實(shí)際環(huán)境中實(shí)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(lán)圖的重要組成板塊，為進(jìn)一步拓寬未來可見光通信的應(yīng)用場景、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)未來高速可見光通信前景的展望。

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(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光吸收器。未來可見光通信系統(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、光開關(guān)、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(shí)際的可見光信道還包括接收機(jī)頻響特性、光學(xué)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(dǎo)，對(duì)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(shè)置合適的無線接入點(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(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(luò)，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(luò)等。為適應(yīng)未來系統(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、信道性能檢測與調(diào)制格式識(shí)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(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

本文中，我們?cè)敿?xì)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(duì)其未來發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議：（1）重點(diǎn)關(guān)注與發(fā)展可見光新機(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)水下無線光通信應(yīng)用場景，努力突破瓶頸;（4）重點(diǎn)研究可見光異構(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)未來全頻譜通信網(wǎng)絡(luò)。

目前，雖然可見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。高速可見光通信技術(shù)在未來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。