遲 楠，陳 慧

高速可見(jiàn)光通信的前沿研究進(jìn)展

遲 楠*，陳 慧

復(fù)旦大學(xué)通信科學(xué)與工程系電磁波信息科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200433

本文立足于通信領(lǐng)域近年來(lái)備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)——可見(jiàn)光通信，闡述了其研究背景和基礎(chǔ)系統(tǒng)架構(gòu)，圍繞材料器件、高速系統(tǒng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、水下可見(jiàn)光通信和機(jī)器學(xué)習(xí)等五個(gè)前沿研究方向展開(kāi)了對(duì)可見(jiàn)光通信研究進(jìn)展的探討，并概述了現(xiàn)階段高速可見(jiàn)光通信技術(shù)面臨的若干挑戰(zhàn)。最后展望了可見(jiàn)光通信的前景：在未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的智能時(shí)代，可見(jiàn)光通信將以其高速傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)成為通信網(wǎng)絡(luò)中不可缺少的一部分，與其它通信方式合作互補(bǔ)共同造福人類(lèi)生活。

可見(jiàn)光通信；材料器件；異構(gòu)組網(wǎng)；水下可見(jiàn)光通信；機(jī)器學(xué)習(xí)

1 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)(Internet of things, IoT)的興起以及人工智能的迅猛發(fā)展，人類(lèi)正邁向以“萬(wàn)物感知、萬(wàn)物互聯(lián)、萬(wàn)物智能”為特征的智能時(shí)代。在智能時(shí)代，移動(dòng)數(shù)字終端和通訊媒介的范疇將會(huì)發(fā)生革命性變化，由此產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對(duì)通信系統(tǒng)的高速率和低時(shí)延提出了更高要求，這些將給傳統(tǒng)通信接入網(wǎng)技術(shù)帶來(lái)巨大的考驗(yàn)。在這種背景下，一種具有拓寬頻譜資源、綠色節(jié)能、高速可移動(dòng)接入的新型通信方式——可見(jiàn)光通信(visible light communication, VLC)應(yīng)運(yùn)而生[1]，并被《時(shí)代周刊》評(píng)為2011年全球50大科技發(fā)明之一。

可見(jiàn)光通信是一種利用波長(zhǎng)在380 nm到790 nm范圍內(nèi)的可見(jiàn)光進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的無(wú)線光傳輸技術(shù)[2]。相比于傳統(tǒng)無(wú)線通信日益匱乏的頻譜資源，可見(jiàn)光的頻譜資源豐富，頻譜帶寬約為400 THz，是人類(lèi)有待研究的空白領(lǐng)域。此外，可見(jiàn)光通信兼具照明、通信和控制定位等功能，易與現(xiàn)有基礎(chǔ)照明設(shè)施相融合，符合國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略思想。在電磁敏感區(qū)域如核電站、礦井、加油站等和具有強(qiáng)電磁環(huán)境的特殊場(chǎng)所，如變電站、現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場(chǎng)等，可見(jiàn)光通信具有不受無(wú)線電干擾、無(wú)電磁輻射、高度保密性的優(yōu)勢(shì)，是解決無(wú)法使用傳統(tǒng)無(wú)線電通信時(shí)最有效的途徑之一[3]?？梢?jiàn)光通信最大的優(yōu)勢(shì)是高速，目前已有的VLC實(shí)驗(yàn)可以實(shí)現(xiàn)每秒十幾吉比特的傳輸速率，這一優(yōu)勢(shì)使得可見(jiàn)光通信成為未來(lái)智能時(shí)代B5G/6G超高速泛在光聯(lián)網(wǎng)中一種不可或缺的無(wú)線通信方式。由于具有眾多優(yōu)勢(shì)，可見(jiàn)光通信一經(jīng)問(wèn)世便成為各國(guó)政府支持的重要科學(xué)主題。日本在2003年成立了可見(jiàn)光協(xié)會(huì)(VLCC)；美國(guó)國(guó)家自然基金(NSF)成立了ERC中心和FIWIN中心研究可見(jiàn)光通信；歐盟的歐盟第七框架協(xié)議(FP7)、5G PPP(public private partnership)項(xiàng)目中都重點(diǎn)支持了可見(jiàn)光通信。與此同時(shí)，我國(guó)科技部將可見(jiàn)光通信列入重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中。復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體所、北京郵電大學(xué)、東南大學(xué)等科研單位在可見(jiàn)光通信技術(shù)方面開(kāi)展了多年研究并取得了一系列顯著的科研成果。

本文首先介紹了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，接著詳細(xì)分析了目前可見(jiàn)光通信領(lǐng)域的五個(gè)前沿研究方向，最后提出了對(duì)可見(jiàn)光通信未來(lái)的展望。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般由三個(gè)部分組成，包括可見(jiàn)光信號(hào)發(fā)射端、可見(jiàn)光信號(hào)傳輸信道和可見(jiàn)光信號(hào)接收端，圖1展示了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[4]?？梢?jiàn)光信號(hào)發(fā)射端包括調(diào)制模塊、驅(qū)動(dòng)電路、光發(fā)射器等。原始的二進(jìn)制信號(hào)首先經(jīng)過(guò)編碼、調(diào)制和預(yù)均衡等變換，得到的預(yù)處理信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器如LED(light emitting diode)以控制其光照強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到光信號(hào)的轉(zhuǎn)換。此外，在光發(fā)射器后加上光學(xué)透鏡和聚光杯可以進(jìn)一步提高接收端信號(hào)強(qiáng)度，從而增大傳輸距離。

經(jīng)過(guò)調(diào)制后的可見(jiàn)光信號(hào)在大氣或者水下等自由空間信道中傳播，到達(dá)可見(jiàn)光信號(hào)接收端?？梢?jiàn)光信號(hào)接收端包括接收天線、光電檢測(cè)器、解調(diào)模塊等。一般使用光電二極管PIN、雪崩光電二極管APD等光電檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。得到的電信號(hào)經(jīng)過(guò)后均衡、解調(diào)和解碼等數(shù)字信號(hào)處理后，恢復(fù)出原始發(fā)射信號(hào)。

3 前沿研究方向

目前研究學(xué)者對(duì)可見(jiàn)光通信的研究主要集中于五個(gè)方面，分別是材料器件、高速系統(tǒng)、異構(gòu)組網(wǎng)、水下可見(jiàn)光通信以及機(jī)器學(xué)習(xí)在可見(jiàn)光通信中的應(yīng)用。其中，材料器件主要包括新型光發(fā)射器件與光接收器件；高速系統(tǒng)介紹了可見(jiàn)光通信傳輸速率的發(fā)展情況；異構(gòu)組網(wǎng)圍繞著可見(jiàn)光通信組網(wǎng)展開(kāi)；水下可見(jiàn)光通信和機(jī)器學(xué)習(xí)，是目前可見(jiàn)光通信領(lǐng)域發(fā)展較為迅速和熱門(mén)的研究方向，也是本文介紹的重點(diǎn)。

圖1 可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

3.1 材料器件

可見(jiàn)光通信中用到的光發(fā)射器件有激光二極管LD(laser diode)、超輻射激光二極管SLD(super luminescent diode)和發(fā)光二極管LED。其中，LD屬于受激輻射，它發(fā)出的激光在頻率、相位、偏振狀態(tài)等方面完全一樣，相干性(coherence)高是其最大特點(diǎn)。LD不存在效率跌落效應(yīng)(droop effect)，具有大于1 GHz的3 dB調(diào)制帶寬，能夠適應(yīng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的長(zhǎng)距離VLC高速傳輸[5]。然而由于激光對(duì)人眼潛在的危險(xiǎn)性以及相干產(chǎn)生的散斑效應(yīng)，在一定程度上限制了LD的發(fā)展。SLD是一種介于LD和LED之間的半導(dǎo)體光源，具有寬光譜、弱時(shí)間相干性、低強(qiáng)度噪聲、高效率的特點(diǎn)[6]。它不存在反射形成的光學(xué)反饋，因此不會(huì)產(chǎn)生激光，對(duì)人眼安全。新型研制的基于InGaN的高功率藍(lán)光SLD實(shí)現(xiàn)了800 MHz左右的調(diào)制帶寬，而且不受散斑效應(yīng)的影響[7]。隨著未來(lái)制作工藝的日益完善，SLD將會(huì)是一種很有前景的光發(fā)射器件。LED是目前廣泛應(yīng)用的低成本光發(fā)射器。LED屬于自發(fā)性輻射發(fā)光，具有開(kāi)啟速度快、效率高、使用壽命長(zhǎng)、對(duì)人眼安全等優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)有商用LED的3 dB調(diào)制帶寬小于100 MHz，限制了其高速傳輸。因此，研究人員研制了相應(yīng)的LED芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)LED的高速傳輸。

在目前的高速VLC系統(tǒng)中，主要使用硅基LED(Si-LED)、微結(jié)構(gòu)LED(micro-LED)和表面等離子體LED(SP-LED)三種LED芯片。硅基LED芯片抗靜電能力強(qiáng)，使用壽命長(zhǎng)、生產(chǎn)效率高。南昌大學(xué)與復(fù)旦大學(xué)合作研制了一款基于GaN的共陽(yáng)極硅襯底LED芯片，圖2展示了此硅襯底LED的結(jié)構(gòu)[8]。芯片采用單面發(fā)光具有垂直結(jié)構(gòu)的硅襯底LED、具有垂直結(jié)構(gòu)的電機(jī)和特殊的量子阱結(jié)構(gòu)，有效提高了LED的調(diào)制帶寬?；诖诵酒奈迳玆GBYC LED在實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)了15.17 Gbps的水下VLC高速通信，這是目前基于LED的水下最高通信速率。Micro-LED具有壽命長(zhǎng)、頻率響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)照明即服務(wù)(lighting as a service, LaaS)和物聯(lián)網(wǎng)的一種潛在光源。Micro-LED因有較小的有源區(qū)域，可實(shí)現(xiàn)電流高密度注入，從而將調(diào)制帶寬驅(qū)動(dòng)至數(shù)百兆赫茲[9]。Ferreira等[10]研制了一種Micro-LED陣列，該陣列使用一個(gè)內(nèi)部和一個(gè)外部圓形Micro-LED，分別包含5 pixel和10 pixel，像素的有效面積是435mm′435mm和465mm′465mm。文獻(xiàn)[11]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該Micro-LED帶寬可達(dá)655 MHz，在低于前向糾錯(cuò)(FEC)閾值(7%)的情況下，實(shí)現(xiàn)了7.91 Gbps的傳輸速率。SP-LED能夠提高LED發(fā)光的內(nèi)量子效率和外量子效率。中國(guó)科學(xué)院團(tuán)隊(duì)[12]研制了一款基于GaN的SP-LED，其中Ag納米顆粒橫向沉積在多量子阱(MQWs)區(qū)域附近，這樣的結(jié)構(gòu)可以研究量子阱-表面等離子體(QW-SP)耦合效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明Ag納米顆粒的SP共振波長(zhǎng)接近QW發(fā)射波長(zhǎng)時(shí)，QW-SP耦合效應(yīng)顯著提高，當(dāng)使用較短波長(zhǎng)的光源時(shí)會(huì)進(jìn)一步提高自發(fā)射速率，這對(duì)于高速VLC系統(tǒng)的發(fā)展具有重要意義。

在可見(jiàn)光通信光接收部分使用的光電探測(cè)器一般為PIN和APD。PIN成本低但靈敏度不高，APD靈敏度較高但成本高于PIN，且偏置電路需要高壓，還會(huì)引入額外的噪聲。復(fù)旦大學(xué)研究了集成PIN平面陣列并首次設(shè)計(jì)了一種3×3的集成PIN陣列[13]。PIN二極管通過(guò)快速熱化學(xué)氣相沉積(RTCVD)技術(shù)制成[14]。此集成PIN陣列將PIN陣列、光電檢測(cè)器和相關(guān)電路同時(shí)集成到PCB上，集成的PIN陣列的尺寸小于5 cm×5 cm，每個(gè)PIN的帶寬為25 MHz，最終實(shí)現(xiàn)了1.2 Gbps的可見(jiàn)光通信，實(shí)驗(yàn)證實(shí)集成PIN陣列的使用可以提升可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的接收性能。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[15]實(shí)現(xiàn)了單輸入多輸出(SIMO)水下可見(jiàn)光通信系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)使用16QAM-OFDM調(diào)制，接收機(jī)采用2×2集成PIN陣列，實(shí)現(xiàn)了1.2 m的傳輸距離和1 Gbps的傳輸速率。表1總結(jié)了上述不同光發(fā)射與光探測(cè)器件各自的特點(diǎn)。此外，特殊的光電探測(cè)器如單光子探測(cè)器(single-photon avalanche diode, SPAD)價(jià)格昂貴，但由于其具有的超低噪聲以及超高探測(cè)靈敏度特性，也被研究學(xué)者們嘗試應(yīng)用于長(zhǎng)距離可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中。Wang等[16]使用SPAD作為光電探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了傳輸距離高達(dá)500 m的水下可見(jiàn)光通信仿真實(shí)驗(yàn)。Ji等[17]使用10 W LED發(fā)射光信號(hào)，采用NRZ-OOK調(diào)制格式，經(jīng)過(guò)室外1.2 km的傳輸距離，接收端使用SPAD作為光探測(cè)器，最終實(shí)現(xiàn)了傳輸速率為2 Mbps的實(shí)時(shí)可見(jiàn)光通信系統(tǒng)。文獻(xiàn)[18]利用SPAD能夠在惡劣環(huán)境中探測(cè)微弱信號(hào)的特點(diǎn)，將其用于車(chē)燈通信系統(tǒng)中并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)探討SPAD的性能。

圖2 硅襯底LED垂直結(jié)構(gòu)示意圖和表面紋理圖[8]

3.2 高速系統(tǒng)

與其它通信方式相比，可見(jiàn)光通信在理論上具有超大的通信容量。因此，可見(jiàn)光通信的最大優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速傳輸。為了進(jìn)一步提高可見(jiàn)光通信的傳輸速率，研究學(xué)者們從先進(jìn)調(diào)制技術(shù)、數(shù)據(jù)預(yù)均衡和后均衡等方面進(jìn)行了大量的研究，并取得了一系列突破性進(jìn)展。其中，先進(jìn)調(diào)制技術(shù)包括無(wú)載波幅度相位調(diào)制(carrierless amplitude and phase, CAP)、正交頻分復(fù)用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)和離散多音(discrete multitone, DMT)等。CAP調(diào)制通過(guò)有效設(shè)計(jì)的正交基函數(shù)脈沖，實(shí)現(xiàn)多維度高階調(diào)制，在有限帶寬的情況下實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的傳輸。然而，LED頻率響應(yīng)存在嚴(yán)重的高頻衰落，會(huì)影響單載波CAP信號(hào)接收頻譜的平坦度并帶來(lái)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_。OFDM調(diào)制利用相互正交的子載波，將發(fā)射端的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多路并行數(shù)據(jù)，可有效抵抗可見(jiàn)光系統(tǒng)的頻率衰落，最大化利用系統(tǒng)的頻譜資源，提升系統(tǒng)的頻譜效率。但是LED無(wú)法直接調(diào)制和發(fā)射復(fù)數(shù)信號(hào)，OFDM調(diào)制需將生成的復(fù)數(shù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù)表示，增加了系統(tǒng)成本。在DMT調(diào)制中，頻域信號(hào)經(jīng)過(guò)共軛鏡像對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生時(shí)域?qū)崝?shù)信號(hào)，從而避免時(shí)域產(chǎn)生復(fù)數(shù)信號(hào)，減少了發(fā)射端、接收端之間頻偏的影響，但會(huì)損失了一半的頻譜資源。表2總結(jié)了三種調(diào)制方式的優(yōu)缺點(diǎn)。數(shù)據(jù)預(yù)均衡[19-20]和后均衡[21-22]是為了補(bǔ)償接收發(fā)射器件、傳輸信道、噪聲等對(duì)信號(hào)帶來(lái)的失真，從而提高系統(tǒng)性能。圖3展示了高速LED可見(jiàn)光通信的部分重要研究成果，方括號(hào)中的為參考文獻(xiàn)序號(hào)。隨著關(guān)于可見(jiàn)光通信研究的不斷深入，具有超高傳輸速率的可見(jiàn)光通信必將在未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代扮演及其重要的角色，與其它通信方式合作互補(bǔ)，協(xié)同助力社會(huì)發(fā)展。

表1 不同光發(fā)射/探測(cè)器件比較

表2 三種調(diào)制方式優(yōu)缺點(diǎn)

圖3 高速LED可見(jiàn)光通信部分研究成果

3.3 異構(gòu)組網(wǎng)

可見(jiàn)光通信與其它通信方式的異構(gòu)組網(wǎng)是未來(lái)實(shí)際應(yīng)用中必須要解決的問(wèn)題。研究如何將可見(jiàn)光通信接入到現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)中，研究如何將多個(gè)可見(jiàn)光接入點(diǎn)(VLC access point, VAP)組成的可見(jiàn)光系統(tǒng)組網(wǎng)，以及在異構(gòu)組網(wǎng)中采用何種調(diào)制方式和接入?yún)f(xié)議、發(fā)揮可見(jiàn)光通信的優(yōu)勢(shì)并支持大規(guī)模高速通信，是可見(jiàn)光通信實(shí)用化的關(guān)鍵。

復(fù)旦大學(xué)在2014年研制了第一套PON(passive optical network)和VLC無(wú)縫組網(wǎng)的系統(tǒng)[34]。該系統(tǒng)基于奈奎斯特單載波頻域均衡(N-SC-FDE)調(diào)制的方法，經(jīng)過(guò)40 km的光纖傳輸和30 cm的可見(jiàn)光傳輸，實(shí)現(xiàn)了可供三個(gè)有線用戶接入的10 Gbps PON和可供一個(gè)無(wú)線用戶接入的500 Mbps VLC，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了可見(jiàn)光組網(wǎng)的可行性。次年，復(fù)旦大學(xué)驗(yàn)證了多個(gè)可見(jiàn)光接入點(diǎn)接入骨干網(wǎng)的可行性，如圖4所示[35]，實(shí)驗(yàn)采用光纖鏈路作為可見(jiàn)光接入網(wǎng)絡(luò)的主干路，利用32QAM-OFDM調(diào)制方式并經(jīng)過(guò)25 km的光纖傳輸和75 cm的可見(jiàn)光傳輸，實(shí)現(xiàn)了8 Gbps的吞吐量，可支持8個(gè)可見(jiàn)光接入點(diǎn)的高速無(wú)線接入。

此外，研究學(xué)者也研究了VLC與WiFi、VLC與RF以及VLC與IR(infrared)的異構(gòu)組網(wǎng)[36]。Shao等[37]提出了兩種VLC-WiFi集成系統(tǒng)來(lái)論證VLC與WIFI共存的可行性。在第一種VLC-WiFi集成系統(tǒng)中，VLC用于下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸，WiFi則用于上行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種VLC-WiFi集成系統(tǒng)比傳統(tǒng)WiFi系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率。為了進(jìn)一步利用VLC具有的高帶寬特性以及WIFI具有的高可用性，第二種VLC-WiFi集成系統(tǒng)使用綁定技術(shù)將VLC與WiFi信道結(jié)合一起，并在實(shí)驗(yàn)中展示了強(qiáng)魯棒性和大吞吐量的優(yōu)勢(shì)。Hammouda等[38]提出了一種VLC-RF系統(tǒng)旨在支持多種用戶需求的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。Alresheedi等[39]提出了一種快速自適應(yīng)波束引導(dǎo)紅外(FABS-IR)系統(tǒng)來(lái)增強(qiáng)接收的光功率信號(hào)，并減輕在高傳輸速率時(shí)的信道時(shí)延現(xiàn)象。在此系統(tǒng)中，IR用于上行鏈路傳輸，VLC用于下行鏈路傳輸，成像接收機(jī)用于提高系統(tǒng)性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)ABS-IR系統(tǒng)可以在室內(nèi)移動(dòng)場(chǎng)景中達(dá)到2.5 Gbps的傳輸速率，為VLC-IR在某些如飛機(jī)上通信、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信等特定場(chǎng)景的應(yīng)用提供了可能。

圖4 可見(jiàn)光多用戶接入網(wǎng)示意圖[35]

3.4 水下可見(jiàn)光通信

在未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的智能時(shí)代，水下物聯(lián)網(wǎng)是必不可少的組成部分。如圖5所示[40]，海洋觀測(cè)傳感器物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通及信息回傳、水下運(yùn)動(dòng)裝備與水面艦艇及通信浮標(biāo)等目標(biāo)的超高速非接觸數(shù)據(jù)通信、水下航行器集群及編隊(duì)組網(wǎng)通信、海底光纜網(wǎng)與水下無(wú)線光通信的無(wú)線融合組網(wǎng)等功能的實(shí)現(xiàn)，都需要水下通信技術(shù)作為支撐。

水下通信技術(shù)主要分為有線和無(wú)線兩大類(lèi)。水下有線通信主要是在海底鋪設(shè)使用光纖作為介質(zhì)的電纜進(jìn)行通信。由于光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、中繼距離長(zhǎng)、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，是目前大部分越洋數(shù)據(jù)的主要傳輸方式。然而，由于有線通信需要物理媒介傳輸信息，這將嚴(yán)重制約水下潛航器、傳感器等動(dòng)態(tài)通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性。水下無(wú)線通信技術(shù)則不需要借助光纖等傳輸介質(zhì)，目前主要基于聲波和射頻進(jìn)行水下通信。其中，聲波是應(yīng)用最廣泛的水下無(wú)線通信技術(shù)，聲波在海水中衰減小，能夠?qū)崿F(xiàn)低速率長(zhǎng)距離的水下傳輸。但是水聲通信帶寬窄、載波頻率低、時(shí)延大且安全性差。射頻傳輸適用于水下短距離高速率的通信。然而電磁波在海水中有趨膚效應(yīng)，穿透深度有限、數(shù)據(jù)傳輸速率低、發(fā)射功率高。因此，研制新型水下通信技術(shù)成為迫切需求。在1963年，Duntley等[41]在研究中發(fā)現(xiàn)海水對(duì)450 nm～550 nm波段內(nèi)藍(lán)綠光的衰減比其它光波段的衰減要小很多。這一物理現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)為水下可見(jiàn)光通信(underwater visible light communication, UVLC)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。相比于水聲通信和水下射頻通信，水下可見(jiàn)光通信具有成本低、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。

目前水下可見(jiàn)光通信主要包括基于LD的通信和基于LED的通信。表3展示了最近幾年水下可見(jiàn)光通信的部分研究成果[42-50]?；贚D的水下通信實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越遠(yuǎn)的傳輸距離。日本山梨大學(xué)在2015年利用64QAM-OFDM的調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)了1.45 Gbit/s的傳輸速率和4.8 m的傳輸距離[42]。臺(tái)北科技大學(xué)實(shí)現(xiàn)了10 Gbit/s的傳輸速率和10 m的傳輸距離[44]。NTUT利用波長(zhǎng)為450 nm的藍(lán)光LD和NRZ-OOK的調(diào)制方式，在60 m傳輸距離的情況下，實(shí)現(xiàn)了2.5 Gbps的傳輸速率[49]。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)在傳輸距離為100 m時(shí)獲得了500 Mbps的傳輸速率[50]。與此同時(shí)，基于LED的水下通信實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越高的傳輸速率。在文獻(xiàn)[46]中，作者提出了一種利用方形幾何整形(SGS)調(diào)制128QAM信號(hào)的方法，采用硅襯底藍(lán)光LED，實(shí)現(xiàn)了2.534 Gbps的傳輸速率和1.2 m的傳輸距離。文獻(xiàn)[48] 研制了一種新型硬件預(yù)均衡板，將傳輸速率提升至3.075 Gbps。文獻(xiàn)[8]實(shí)現(xiàn)了15.17 Gbps水下LED通信，這是目前水下可見(jiàn)光通信的最高速率。文獻(xiàn)[47]基于FPGA(field programmable gate array)，在傳輸距離10 m的水中實(shí)現(xiàn)了25 Mbps的實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)。

圖5 未來(lái)水下無(wú)線光網(wǎng)絡(luò)示意圖[40]

表3 水下可見(jiàn)光通信部分研究成果

在科研人員不斷地探索中，水下可見(jiàn)光通信實(shí)現(xiàn)了更高的傳輸速率和更遠(yuǎn)的傳輸距離。然而，由于水下環(huán)境惡劣，水中顆粒物對(duì)可見(jiàn)光的遮擋、衰減、散射，水溫變化以及水下氣泡、湍流等因素會(huì)嚴(yán)重干擾可見(jiàn)光通信信道狀態(tài)，增加水下可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能的不確定性。因此，水下可見(jiàn)光信道的建模至關(guān)重要。文獻(xiàn)[51]利用基于Henyey-Greenstein函數(shù)的蒙特卡洛方法模擬水下激光束多重散射效應(yīng)。文獻(xiàn)[52]提出了一種閉合雙伽瑪(closed-form double-Gamma)函數(shù)來(lái)對(duì)水下可見(jiàn)光信道脈沖響應(yīng)進(jìn)行建模。Zedini等[53]在2019年提出了一種統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)模型來(lái)表征在淡/咸水中存在氣泡、湍流和溫度階梯差異的情況下水下可見(jiàn)光信道衰落特性。在這個(gè)模型中，信道波動(dòng)幅度用混合指數(shù)廣義伽瑪(exponential generalized Gamma, EGG)來(lái)刻畫(huà)，利用期望最大化(EM)算法更新并估計(jì)模型的最大似然參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此數(shù)學(xué)模型的特性與實(shí)際水下信道的特性幾乎完全吻合，這是首個(gè)能夠解決由于氣泡和溫度梯度引起的水下光束波動(dòng)的信道模型。然而，目前對(duì)于水下信道完整建模的研究還比較少，需要研究學(xué)者在未來(lái)進(jìn)一步探索。

3.5 機(jī)器學(xué)習(xí)

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)(machine learning)的迅猛發(fā)展，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的方法已廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言處理等領(lǐng)域，在人類(lèi)生活中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠在基礎(chǔ)物理和數(shù)學(xué)難以分析或無(wú)法明確描述的情況下，有效地逼近和擬合任意復(fù)雜函數(shù)并提取和處理其隱含的特征。機(jī)器學(xué)習(xí)的目的是使系統(tǒng)從經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)，自主提高性能。具體到可見(jiàn)光通信領(lǐng)域的研究中，如圖6所示，機(jī)器學(xué)習(xí)可以用于系統(tǒng)非線性抑制和補(bǔ)償、光網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控、調(diào)制方式識(shí)別以及相位估計(jì)等任務(wù)中，是可見(jiàn)光通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。

目前，一些經(jīng)典的機(jī)器學(xué)習(xí)算法如K-means[54]、DBSCAN[55]等已被研究學(xué)者嘗試用于解決可見(jiàn)光通信中的難題?？梢?jiàn)光系統(tǒng)中的LED、發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路、接收放大電路等都會(huì)引入非線性，而非線性會(huì)嚴(yán)重?fù)p害系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[56]利用K-means算法補(bǔ)償系統(tǒng)非線性，并成功將誤碼率BER由2.4×10-1降低至3.6×10-3。

盧星宇等[57]研究了VLC系統(tǒng)中非線性對(duì)多帶CAP中不同頻帶的影響，提出了一種聚類(lèi)感知邊界(clustering algorithms perception decision, CAPD)算法來(lái)代替原有的標(biāo)準(zhǔn)星座點(diǎn)判定邊界，以減小多帶CAP VLC系統(tǒng)的非線性損耗。與純線性補(bǔ)償相比，VLC系統(tǒng)的Q因子提高了1.6 dB~2.5 dB。實(shí)驗(yàn)也對(duì)比了基于Volterra的非線性均衡器，CAPD比Volterra均衡器性能更好，BER至少降低10%，并且復(fù)雜度更低，此實(shí)驗(yàn)證實(shí)了作者所提出的非線性補(bǔ)償方案的可行性。在可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中會(huì)出現(xiàn)信號(hào)幅度抖動(dòng)的現(xiàn)象，這將會(huì)影響判決門(mén)限對(duì)于抖動(dòng)時(shí)間點(diǎn)附近信號(hào)的誤判。針對(duì)此問(wèn)題，文獻(xiàn)[58]提出了一種基于DBSCAN的時(shí)間幅度二維重新估計(jì)算法(2DDB)來(lái)區(qū)分有幅度抖動(dòng)的信號(hào)。該算法將原有的一維PAM信號(hào)擴(kuò)展出時(shí)間軸，將信號(hào)變?yōu)槎S，使用基于密度的聚類(lèi)DBSCAN算法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的重新分類(lèi)和判決，如圖7所示。

圖6 機(jī)器學(xué)習(xí)在可見(jiàn)光通信中的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明VLC系統(tǒng)的Q因子提高了1.6 dB~3.2 dB，證明了2DDB可以減小PAM8系統(tǒng)幅度抖動(dòng)所帶來(lái)的影響，這是DBSCAN算法首次成功應(yīng)用于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)中。針對(duì)水下可見(jiàn)光多輸入單輸出(MISO)通信系統(tǒng)中多個(gè)發(fā)射機(jī)存在的功率不平衡問(wèn)題，石蒙等[59]提出了一種基于DBSCAN的空間聚類(lèi)方法用來(lái)定位每個(gè)簇的實(shí)際中心點(diǎn)并區(qū)分PAM7信號(hào)的每個(gè)電平，最終實(shí)現(xiàn)了1.22 Gbps的水下可見(jiàn)光通信。文獻(xiàn)[60]等人利用概率貝葉斯學(xué)習(xí)(probabilistic Bayesian learning, PBL)回歸估計(jì)LED發(fā)射端功率-電流的非線性曲線，從而補(bǔ)償LED系統(tǒng)的非線性。文獻(xiàn)[61]將VLC系統(tǒng)的非線性均衡看作稀疏恢復(fù)(sparse recovery)的問(wèn)題。在實(shí)驗(yàn)中使用匹配追蹤(matching pursuit，MP)、正交匹配追蹤(orthogonal MP，OMP)和正則正交匹配追蹤(regularized OMP，ROMP)三種稀疏恢復(fù)方法來(lái)補(bǔ)償VLC的非線性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能夠顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜性。

近年來(lái)得益于大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的涌現(xiàn)，計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力得到了大幅提高，機(jī)器學(xué)習(xí)的重要分支——深度學(xué)習(xí)(deep learning)獲得了飛速發(fā)展。深度學(xué)習(xí)是一種深層的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，其深度體現(xiàn)在對(duì)特征的多次變換上。常用的深度學(xué)習(xí)模型為多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以直接把原始觀測(cè)數(shù)據(jù)作為輸入，通過(guò)多層非線性映射進(jìn)行逐級(jí)特征提取與變換，從海量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)規(guī)律?；谏疃葘W(xué)習(xí)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力，研究學(xué)者嘗試將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用到可見(jiàn)光通信領(lǐng)域中來(lái)解決如數(shù)據(jù)后均衡、信道模型估計(jì)等問(wèn)題，從而提升可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的性能。

文獻(xiàn)[62]提出了一種基于高斯核函數(shù)(Gaussian kernel)的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)GK-DNN用于水下可見(jiàn)光通信中的數(shù)據(jù)后均衡。高斯核的加入使得網(wǎng)絡(luò)收斂速度加快，訓(xùn)練次數(shù)減少了47.06%，成功實(shí)現(xiàn)了水下1.5 Gbps PAM8信號(hào)的傳輸。文獻(xiàn)[63]首次將長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)LSTM(long-short term memory)應(yīng)用于VLC系統(tǒng)中，并利用LSTM進(jìn)行數(shù)據(jù)后均衡，實(shí)現(xiàn)了1.15 Gbps PAM4信號(hào)的傳輸。相比于傳統(tǒng)的均衡方法，基于LSTM的均衡方法將系統(tǒng)Q因子提高了1.2 dB，傳輸距離延長(zhǎng)了三分之一，同時(shí)降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，提高了系統(tǒng)性能。通信實(shí)時(shí)性對(duì)于可見(jiàn)光通信系統(tǒng)具有重要的意義，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于可見(jiàn)光通信實(shí)時(shí)系統(tǒng)中最大的障礙之一是深度學(xué)習(xí)需要數(shù)量龐大的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)性能，因此需要考慮如何降低網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量同時(shí)保障網(wǎng)絡(luò)性能。在文獻(xiàn)[64]中，作者提出了一種異構(gòu)雙臂神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)TTHnet用來(lái)估計(jì)水下可見(jiàn)光信道模型。在圖8中，TTHnet由多層感知機(jī)MLP(multi-layer perception)和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)CNN(convolutional neural network)兩個(gè)分支網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，經(jīng)過(guò)歸一化的輸入信號(hào)分別輸入到兩個(gè)分支中。第一個(gè)分支CNN主要用來(lái)估計(jì)帶內(nèi)信道，第二個(gè)分支MLP加入了預(yù)處理層(hollow layer)，將輸入信號(hào)中間的信號(hào)去掉，這樣可以使其主要估計(jì)帶外信號(hào)。兩個(gè)分支的結(jié)合，使得TTHnet能夠準(zhǔn)確估計(jì)單載波和多載波可見(jiàn)光信道模型。與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需眾多的訓(xùn)練參數(shù)相比，TTHnet只有1932個(gè)訓(xùn)練參數(shù)，極大地降低了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的復(fù)雜度，為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于可見(jiàn)光實(shí)時(shí)通信系統(tǒng)中提供了可能。

圖7 2DDB原理[58]

圖8 TTHnet原理[64]

4 總結(jié)與展望

本文介紹了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，接著從材料器件、高速系統(tǒng)、異構(gòu)組網(wǎng)、水下可見(jiàn)光通信和機(jī)器學(xué)習(xí)等五個(gè)前沿研究方面展開(kāi)了對(duì)可見(jiàn)光通信發(fā)展的探討，并重點(diǎn)分析了本領(lǐng)域內(nèi)的部分研究方法與技術(shù)路線。在研究學(xué)者們共同的努力下，可見(jiàn)光通信已經(jīng)取得了一系列令人矚目的成果。然而，可見(jiàn)光通信目前仍面臨著各方面嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，例如現(xiàn)有的光發(fā)射和接收器件仍然限制了可見(jiàn)光通信系統(tǒng)性能的提升，未來(lái)將需要研究更多的新型器件來(lái)突破性能瓶頸；現(xiàn)有的可見(jiàn)光通信信道理論模型還沒(méi)有全面涉及實(shí)際信道中各種惡劣因素的影響，未來(lái)將需要研究實(shí)際且全面的可見(jiàn)光信道理論模型，為高速可見(jiàn)光通信提供理論指導(dǎo)；現(xiàn)有的可見(jiàn)光異構(gòu)組網(wǎng)還處于初級(jí)研究階段，未來(lái)將需要研究如何合理解決上行鏈路傳輸以及可見(jiàn)光與太赫茲通信、毫米波通信和微波無(wú)線通信等通信方式如何共存與兼容；現(xiàn)有的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)智能化，未來(lái)將需要研究更多的新型機(jī)器學(xué)習(xí)算法協(xié)同工作，共同實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光系統(tǒng)的智能化。

隨著可見(jiàn)光通信的不斷發(fā)展，我們有理由相信：可見(jiàn)光通信將會(huì)同其它通信方式一起，高效、智能地處理海量數(shù)據(jù)，服務(wù)于未來(lái)萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代，造福人類(lèi)生活。

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Progress and prospect of high-speed visible light communication

Chi Nan*, Chen Hui

Key Laboratory for Information Science of Electromagnetic Waves (MoE), Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China

Frontier researches of visible light communication

Overview:Visible light communication (VLC) is a wireless optical transmission technology that utilizes visible light with a wavelength in the range of 380 nm to 790 nm. It can realize high-speed data transmission by using LED (light emitting diode) with fast response characteristics as a transmitter. VLC has offered several advantages such as license-free, cost-effective, immunity to electromagnetic interference and high security, comparing with traditional wireless communication. The biggest advantage of VLC is high speed. The existing VLC experiment can achieve a transmission rate of more than ten gigabits per second. This advantage makes VLC inevitable in the future intelligent era B5G/6G ultra-high speed ubiquitous optical networking. With such advantages, VLC has become an important scientific theme supported by governments since its inception. This paper explores the research progress of VLC around five frontier directions: material chips, high-speed systems, multiplexing networks, underwater visible light communication and applications of machine learning in VLC. Among them, material chips mainly include new light-emitting devices and light-receiving devices; high-speed systems introduce the development of VLC transmission rates; multiplexing networks are built around VLC access networks; underwater visible light communication and machine learning are the rapid and popular research directions in the field of VLC currently. High performance materials including light transmitters and receivers are indispensable for high-speed VLC. Many researchers have been concentrated on the fabrication of new LED materials. In order to further improve the transmission rate of VLC, researchers have done a lot of research from advanced modulation technology, signal pre-equalization and post-equalization, and made a series of breakthroughs. Studying how to connect VLC to an existing communication network and how to build a visible light wireless system composed of multiple visible light access points (VAPs), are the keys to the practical use of VLC. Under the intelligent era of the Internet of Everything, the underwater visible light communication is an indispensable component. Along with the constant exploration of researchers, underwater visible light communication achieves higher and higher transmission rates. However, due to the harsh underwater environment, there are few relevant theoretical models for the effects of suspended matter and particulate matter, the influence of underwater turbulence on the VLC channel. These disturbances increase the uncertainty of the performance of underwater visible light communication systems and require further research in the future. Some classical machine learning algorithms such as K-means, DBSCAN, deep learning, etc. have shown great potential and been tried by researchers to solve the problems in VLC. Looking forward to the prospect of VLC: in the intelligent era of future, VLC will become an indispensable part of communication networks with its advantages of high-speed transmission, and cooperate with other communication technologies to complement human life.

Citation: Chi N, Chen HProgress and prospect of high-speed visible light communication[J]., 2020, 47(3): 190687

Progress and prospect of high-speed visible light communication

Chi Nan*, Chen Hui

Key Laboratory for Information Science of Electromagnetic Waves (MoE), Department of Communication Science and Engineering, Fudan University, Shanghai 200433, China

Based on visible light communication technology which has been a research hotspot in the field of communication, this paper reviews the background of visible light communication, illustrates the basic system architecture and explores the research progress of visible light communication around five frontier directions: material chips, high-speed systems, multiplexing networks, underwater visible light communication and machine learning. The challenges faced by visible light communication are analyzed. Finally, looking forward to the prospect of visible light communication: in the intelligent era of future, visible light communication will become an indispensable part of communication networks with its advantages of high-speed transmission, and cooperate with other communication technologies to complement human life.

visible light communication; material chips; multiplexing networks; underwater visible light communication; machine learning

TN929.1

A

10.12086/oee.2020.190687

: Chi N, Chen H. Progress and prospect of high-speed visible light communication[J]., 2020,47(3): 190687

2019-11-13；

2020-02-11基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFB0403603)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571133)

遲楠(1974-)，女，博士，教授，主要從事光通信系統(tǒng)的研究。E-mail：nanchi@fudan.edu.cn

遲楠，陳慧. 高速可見(jiàn)光通信的前沿研究進(jìn)展[J]. 光電工程，2020，47(3): 190687

Supported by National Key R&D Program of China (2017YFB0403603) and National Natural Science Foundation of China (61571133)

* E-mail: nanchi@fudan.edu.cn