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1、可見光通信任務組技術研究報告2022 年年 9 月月 版權聲明版權聲明 Copyright Notification 未經書面許可 禁止打印、復制及通過任何媒體傳播 2022 IMT-2030（6G）推進組版權所有 前前 言言 可見光通信主要工作在 380-780nm 之間的可見光頻段，其頻譜資源范圍是現有常用無線頻段的萬倍左右，具有綠色節能、安全可靠、無電磁干擾、高速高信噪比等優點。在地基網絡領域，可見光通信被認為是在室內，交通，醫療等場景中實現 Tbps 數據速率的關鍵推動因素；在天基網絡領域，可見光通信由于第三代寬禁帶半導體的抗輻照特性，激光波長短傳輸距離遠和超大功率特性，未來有望實現星

2、間激光鏈路；在?；W絡領域，水下透射窗口恰好位于可見光藍綠波段，高速大容量低延時是水下無線光通信技術突出優勢。因此可見光通信契合 6G 高能源效率、高可靠性、空天地海一體化泛在接入等多個關鍵維度，具有廣闊的應用前景?？梢姽馔ㄐ虐l展十余年來，尚未形成大規模產業化的應用，只是在部分應用場合開展了一些試點運營。主要原因在于以下三個方面，一是若干關鍵技術問題尚待繼續突破，包括專用器件，傳輸體制，組網模式等；二是標準化建設需要進一步加強；三是產業生態需要進一步培育。按照當前可見光通信應用開展的程度，可以將典型應用領域分為三種類型，分別具有如下特征：（1）第一類的技術和條件相對成熟，已經開展了一些實際的試

3、點應用，主要指室內的定位導航；（2）第二類已經形成了試驗系統，并在特定應用領域開展了相關實驗研究，例如室內光通信網絡、水下通信、電磁嚴控環境等；（3）第三類提出了應用概念，主要以理論研究為主，試驗系統的研發還處在初始搭建和驗證階段，包括智能交通與車聯網等?？梢姽馔ㄐ女斍靶枰タ肆楆P鍵技術，包括信道建模，調制技術，編碼技術，均衡技術，多址與復用技術，MIMO 技術等。在可見光通信中，通信鏈路格局、路徑損耗、多徑色散產生的時延等都會影響通信信道的特性。這些信道特性決定了如調制、編碼技術、發射功率、接收靈敏度等方面的通信系統設計?？梢姽馔ㄐ畔到y的調制帶寬十分有限，商用 LED 燈的 3dB 帶寬一

4、般只有幾 MHz。除了從 LED 結構、驅動鏈路的設計上考慮，選擇合適的調制方式也可提升傳輸速率。為了提高信道編碼需要滿足帶寬要求和復雜性要求，提高編碼增益，保證傳輸誤碼率使編碼效率達到最佳，能糾正隨機錯誤、突發錯誤以及兩者混合的錯誤。均衡技術從實現方法可以分為數字均衡和模擬均衡。數字均衡為使用數字信號處理的方法完成均衡，而模擬均衡則是進行模擬均衡電路的設計。從在通信鏈路實現的位置看，可以分為預均衡和后均衡。預均衡是在發送端對 LED 頻響特性進行預均衡，后均衡則是在接收端進行干擾的均衡。利用可見光通信具有寬光譜特性和大規模接收陣列的特點，可設計實現多域多維的光信號的復用增益。常用的復用技術有

5、頻分復用、時分復用、碼分復用、波分復用等。MIMO技術通過空間復用可以實現在有限帶寬上進行高速通信，使用多個發射機發送數據和多個接收機接收數據，在不增加頻譜資源的同時擁有更高的傳輸容量，是未來高速可見光通信的重要技術。經過近十余年的深入研究，可見光通信技術的基礎理論研究已基本完成。該項技術正處于理論研究向技術應用轉化的關鍵時期。在系統設計方面，主要考慮多網融合問題。未來的網絡架構是既包含現有的無線接入技術，又包含新的可見光接入方式的異構網絡。因此，在引入全新的可見光接入方式的同時，還將支持現有的包括5G、4G、3G、2G及無線局域網等在內的多種網絡的傳輸。面向6G的異構融合網絡，如何使不同類型

6、、不同層次、相互重疊覆蓋的可見光通信網絡和各種無線通信網絡融合到一起協同工作，形成端到端的技術體系仍需深入研究，比如同步流程、隨機接入流程、小區切換流程、多連接、控制面和用戶面的協議棧等內容。在產業化方面，根據國際標準制定企標、行標等，早日開始可見光的試點規?；瘧?，占領應用產業鏈結構的上游與先機。后期推動可見光通信的大規模應用，全面引導產業技術發展方向，培育產業生態環境，全面促進可見光通信產業成熟和商用。1 目 錄 目 錄.1 圖目錄.3 表目錄.4 第一章 概論.5 第二章 可見光通信概念及應用.7 2.1 地基通信應用場景.7 2.1.1 室內高速接入.7 2.1.2 工業應用.7 2.

7、1.3 室內導航.7 2.1.4 醫療.7 2.1.5 飛機艙內接入.8 2.1.6 交通應用.8 2.2 天基通信應用場景.8 2.2.1 星間通信.8 2.2.2 星地通信.9 2.3 ?；ㄐ艖脠鼍?9 2.3.1 水下通信.9 2.4 本章小結.9 第三章 國際國內科學研究形勢.10 3.1 國際研究形勢.13 3.2 國內研究形勢.14 3.3 本章小結.15 第四章 國際國內產業發展現狀.16 4.1 可見光通信國際產業化現狀.16 4.1.1 室內光無線網絡.16 4.1.2 智能交通與車聯網.17 4.1.3 室內定位導航.17 4.1.4 水下環境.18 4.1.5 電磁嚴

8、控環境.18 4.2 國內可見光通信產業化現狀.19 4.2.1 室內光無線網絡方面.19 4.2.2 智能交通與車聯網.20 4.2.3 室內定位導航.21 4.2.4 水下環境.22 4.2.5 電磁嚴控環境.22 4.3 本章小結.22 第五章 可見光通信關鍵技術.23 5.1 可見光通信信道模型.23 2 5.1.1 LED 工作特性.23 5.1.2 信道建模.26 5.2 調制技術.30 5.2.2 單載波調制.31 5.2.3 多載波調制.31 5.2.4 無載波調制.34 5.2.5 顏色調制.35 5.3 編碼技術.38 5.4 均衡技術.40 5.4.1 線性均衡器.40

9、5.4.2 非線性均衡器.42 5.5 多址與復用技術.44 5.5.2 頻分復用與頻分多址.44 5.5.3 時分復用與時分多址.45 5.5.4 波分復用與波分多址.46 5.6 MIMO 技術.49 5.6.1 MSD-MIMO48.49 5.6.2 像素化 MIMO.50 5.6.3 非成像 MIMO51.50 5.6.4 成像 MIMO.51 5.7 本章小結.52 第六章 可見光通信面臨的問題與挑戰.53 6.1 新材料與新器件.53 6.2 可見光通信異構組網.54 6.3 先進的調制編碼和數字信號處理算法.56 6.4 可見光通信信道建模.56 6.5 可見光通信芯片研制.57

10、 6.6 可見光通信市場應用.57 6.7 可見光通信標準制定.59 6.8 本章小結.59 第七章 未來發展規劃.60 7.1 系統設計.60 7.2 產業.60 7.3 本章小結.61 總 結.62 參考文獻.64 3 圖目錄 圖 4-1 低功耗短距離可見光物聯網系統.20 圖 4-2 暨南大學研制的地下停車場導航系統.22 圖 5-1 白光 LED 頻率響應.24 圖 5-2 光譜分布.24 圖 5-3 伏安特性曲線.25 圖 5-4 P-U 曲線.25 圖 5-5 可見光通信直射模型2.27 圖 5-6 可見光通信多次反射模型2.27 圖 5-7 陣列光源.28 圖 5-8 多色光源.

11、28 圖 5-9 可見光空間傳輸模型.29 圖 5-10 PAM 信號.31 圖 5-11 PPM 信號.31 圖 5-12 OFDM 信號示意圖.32 圖 5-13 OFDM-VLC 系統框圖18.34 圖 5-14 CAP 調制原理框圖24.35 圖 5-15 CIE 1931 顏色坐標.36 圖 5-16 色移鍵控系統27.37 圖 5-17 CIM-MIMP 系統框圖28.38 圖 5-18 自適應 DFE 均衡結構示意圖36.42 圖 5-19 不同數字均衡算法下的星座圖36.42 圖 5-20 復用示意圖.44 圖 5-21 頻分復用示意圖.45 圖 5-22 時分復用示意圖.46

12、 圖 5-23 時隙分配.46 圖 5-24 波分復用原理圖42.47 圖 5-25 RGB-LED 頻譜43.47 圖 5-26 MSD-MIMO 鏈接阻塞示意圖47.49 圖 5-27 像素化 MIMO 系統示意圖47.50 圖 5-28 非成像和成像 MIMO 系統示意圖47.51 圖 5-29 非成像 MIMO 可見光系統框圖52.51 圖 5-30 成像 MIMO 可見光系統框圖52.52 圖 6-1 高速可見光通信系統在器件上的挑戰.53 圖 6-2 高速可見光通信系統在異構組網上的挑戰.55 圖 6-3 可見光通信信道建模.57 4 表目錄 表 5-1 可見光通信系統傳輸實驗統計

13、2.30 表 5-2 IEEE 802.15.7 物理層標準13.39 表 5-3 復用技術.48 表 5-4 幾種多址技術的比較4446.48 表 7-1 主要貢獻單位.67 5 第一章 概論 在 IMT-2030 推進組的統一安排下，6G 無線技術工作組可見光通信任務組提交此可見光通信關鍵技術報告。隨著無線技術在各行業的廣泛應用與不斷發展，6G將有望在5G基礎上，跨越人聯、物聯，邁向萬物智聯，這也帶來了傳輸容量十倍甚至百倍的提升訴求。但隨之而來的問題是，現有的無線頻譜資源已經難以滿足日益增長的無線頻譜需求。新型頻譜載波資源（太赫茲、可見光、紫外和紅外波長）以其超大帶寬的優勢，為通信與感知注

14、入了無限可能。其中，可見光通信（Visible Light Communication，VLC），其工作的可見光波段（400-800THz）尚屬空白頻譜，無需授權即可使用，對無線通信而言具有巨大優勢。與此同時，VLC 又將照明和通信相結合，具有無電磁干擾、綠色環保等多個優勢，被多個國家的多個 6G 白皮書認為是 6G 關鍵技術之一。目前，現有的短距離無線通信以射頻技術為主，但是，基于射頻的無線通信技術的進一步發展受到頻譜帶寬和電磁干擾等因素的限制，這將影響到新興業務的廣泛應用。隨著 LED 照明技術的廣泛應用推廣，基于可見光 LED 的通信日益受到關注。與傳統照明光源相比，可見光 LED 不僅

15、光電轉換效率高、使用壽命長、綠色環保，而且具有調制性能好、響應時間短等優點。利用 LED 這些特性，在用作照明的同時，還可以把信號調制到 LED 可見光束上進行傳輸，實現光媒質的無線通信技術，即LED 可見光通信技術。使用 LED 可見光通信與傳統的無線通信技術相比較，它有以下優點：(1)可見光LED 基礎設施分布廣泛；(2)可見光對人體安全；(3)發射頻率高，傳輸速率快；(4)無電磁干擾；(5)頻譜較寬，且無需頻率許可。由此可以看出，LED 可見光通信技術提供一種全新的數據通信方式，并具有多領域，多場景，多行業的應用發展前景，已引起國內外的廣泛關注和研究。本技術報告力圖從基本概念、技術、產業

16、等角度，給出可見光通信的發展的整體輪廓，從研究和產業角度介紹可見光通信的整體現狀；從發射部件、接收部件和光學天線給出可見光通信的關鍵器件，分析可見光通信發展的關鍵技術；同時提出在不斷創新的應用下可見光通信的問題、挑戰與未來發展規劃。本技術報告的發布，旨在分享我們在可見光通信領域的研究成果，呼吁共同推動6 可見光通信的發展。7 第二章 可見光通信概念及應用 可見光通信的主要應用場景將涵蓋 6G 空天地海泛在接入的三大場景，包含：室內高速接入、車車通信以及車路通信、飛機艙內通信、醫院等干擾受控、商場等信息推送場景、水下通信、工廠自動化等高密接入干擾受控、室內導航、星間通信等。2.1 地基通信應用場

17、景 2.1.1 室內高速接入 可見光通信在室內高速接入中有著很大的需求，目前隨著 AR/VR、以及全息應用的發展，無線通信速率已經向著 100Gbps的需求邁進，目前只有光介質有著豐富的頻譜資源，這樣通過利用光介質提供無線接入，才能滿足日益增長的高速無線接入需求。2.1.2 工業應用 在工業應用中，由于光的干擾可控，特別是一些高可靠場景，工廠自動化場景等，通過局域控制和設計光無線接入方法，能提供更好的無干擾環境，提供可靠安全的接入網絡，為工業應用提供安全接入保障。2.1.3 室內導航 可見光定位可以用在室內 GPS 上，該系統可以在任何環境下部署：購物商場，電影院，辦公室，公司等。在商場環境中

18、，客戶可以通過智能手機接收相關商品信息，以便進行銷售和廣告推送；整個系統的中心節點知道每個可見光節點的安裝位置（建筑物的 3D 地圖），并且了解每個移動設備上有對應的位置服務應用程序，可以根據設備的位置信息來進行廣告和促銷活動?？梢姽獾亩ㄎ痪?，相比其它方案，精度可以大幅度提升；這將為可見光導航應用提供了更大的機會。另外，除了商場環境外，博物館等場景也有很好的應用，當用戶設備靠近博物館展覽品的附近時，展覽品的信息就可以很好的顯示在用戶設備上。2.1.4 醫療 因為 WiFi 存在干擾的問題，在醫院環境中造成的干擾限制了 WiFi 和智能手機的使用。在手術室或診斷空間中，因為醫療機器與手機等設備

19、都同時使用了無線電波，8 所以會相互干擾，這導致無線系統的使用受到很大限制，例如：輸液泵的磁共振成像掃描儀，通過 WiFi 工作，結果出現頻率重疊問題等；但是可見光通信可以在醫院的走廊、病房和手術室等環境使用，而不受到無線電波的約束；可見光通信可以用于監控各種醫療器械和設備，例如心跳、血壓、葡萄糖水平、腦電圖儀、眼電圖等，由傳感器收集的數據并且通過可見光通信的方式傳送到后端網絡。特別是像 MRI 等對無線信號非常敏感，需要對特定頻率范圍的靈敏度進行調諧，并且線圈會拾取該范圍內的任何信號，這可能會導致產生明顯的錯誤圖像，所以需要可見光通信這類系統。2.1.5 飛機艙內接入 大多數航空系統，特別是

20、飛機系統，禁止使用 WiFi，所以可見光通信可能成為飛機上的無線通信的解決方案，可見光通信能夠很容易的將娛樂信息和其他信息發送給乘客，并且利用飛機上已有的網絡和設備，降低布線重量，提升航空公司的服務，因為是局域網絡，還可以確保座艙內的通信安全，防止客艙內的黑客入侵；可以將通信的光源集成到設備中（電腦、筆記本等），包含調制器/解調器系統、發射和檢測設備，同時保持每個乘客的單獨通信和照明；在每個乘客的閱讀燈中部署通信功能，同時還要處理不同照明之間的干擾問題，目前空中客車公司已經啟動了一個機上可見光通信的重要項目，目的是展示機艙可見光通信的優勢。2.1.6 交通應用 主要是為了滿足日益增長的車輛以及

21、車路通信的需求，解決道路交通事故、自動駕駛等問題，目前自動駕駛主要涉及車輛檢測以及識別和跟蹤所有周圍障礙物（是否已固定或正在移動），根據目標和交通情況確定最佳路徑，以及檢測并跟蹤障礙物，并了解其運動情況等；從通信角度看，車車通信和車路通信有交大需求，可以根據安全性或便利性來修改車輛的路線，更好的提供導航服務；目前涉及的技術包括紅外、VLC 等技術，新出現的技術有高精度相機、激光雷達等，同時可以配合圖像處理等技術；自動架勢將嵌入更多的信息處理技術，可見光通信將起到至關重要的作用。2.2 天基通信應用場景 2.2.1 星間通信 由于太空中遮擋極少，接近真空的環境對光信號的傳輸干擾極小，早在上世紀7

22、0 年代，一些發達國家就開始了對星間光通信的研究。目前較為成熟的星間光通信系統采用 1550nm 波長激光器，在紅外波段傳輸相干光信號，通信速率可以達到 Gbps9 級別。但可見光器件理論上有著更大的發射功率和更遠的傳輸距離，有望利用可見光頻段實現星間光通信系統。2.2.2 星地通信 由于可見光通信的抗電磁特性，衛星與地面站之間的通信也可以通過可見光通信來實現。此外利用可見光通信可以與其他無線通信體制一同組成異構的全天候通信，降低天氣環境對星地通信的影響。2.3 ?；ㄐ艖脠鼍?2.3.1 水下通信 主要是通過傳感器將水中的數據上報，傳感器組在水中進行部署并檢測水下環境，主要包括：水質監測、

23、棲息地監測、深海探索、自然以及人為災難、礦山和潛艇監視應用、輔助導航等；水下通信存在三種通信系統：聲波、RF 通信、光通訊；無線電波在水下環境中因為衰減的問題，水下環境中的重度衰減（由于水的導電性質）嚴重制約短距離實時通信的用途，需要高發射功率和復雜的天線設計，應用受限；聲波通信主要是遠距離通信（海洋深度監測和探索），因為速率較低的原因，只能在一些特殊場景應用；光波主要特點是高帶寬，中等距離，主要影響因素有：水下傳播受溫度，粒子束散射和反射等傳播效應的影響水，以及光學系統和光束聚焦等影響，同時，在接收器端，需要收集信號，以及需要進行光束轉向和光學補償等。2.4 本章小結 由于頻域資源豐富、抗電

24、磁干擾、保密性高等優勢，可見光通信的應用極其廣泛，將涵蓋 6G 空天地海泛在接入的三大場景。本章簡述了可見光通信的地基通信、天基通信和?；ㄐ艖脠鼍?。10 第三章 國際國內科學研究形勢 作為支撐可見光通信（VLC）的硬件系統，白光光源和光電探測器的研制備受矚目。高性能的光源與光電探測器不僅能從本質上直接提升系統性能，更是能對光通信無線技術發展提供硬件支持，從根本上決定了光信號的發射、傳輸、接受與轉換，是影響整個可見光通信系統的數據傳輸的關鍵。目前主流的光源是發光二極管（LED）和激光二極管（LD），LED 包括熒光粉型LED 與 RGB 型 LED。熒光粉型 LED 是使用最廣泛的白光 LE

25、D，其原理是利用藍光激發黃色熒光粉產生白光。這種 LED 結構簡單、成本低、易于商業化。但是由于黃色熒光粉的長熒光壽命導致其調制帶寬限制在 3MHz 左右，這是限制 VLC 系統傳輸速率的主要原因。因此提高熒光粉型 LED 的調制帶寬和系統傳輸速率成為研究者們的研究重點。首先，在接收端增加藍色濾光片可以將響應速率慢的黃光分量濾除，使熒光粉型LED 的調制帶寬從 3MHz 擴展到 10MHz。此外，用響應速度快的熒光材料代替黃色熒光粉也是一種提高帶寬的方法。2014 年牛津大學的 Chun 等人通過使用黃色熒光聚合物代替黃色熒光粉結合GaN-LED獲得了帶寬超過了100MHz的白光LED光源，其

26、數據傳輸速率高達 1.6Gbit/s。RGB-LED是通過將紅、綠、藍三色LED芯片封裝在一起并將它們發出的光混合在一起得到白光。由于其芯片的獨立調制性，RGB-LED 具有較高的調制帶寬，有利于高速 VLC 信號的傳輸。2011 年 Franuhofer 研究所使用 RGB-LED 的 VLC 系統其帶寬達到了20MHz。但是RGB-LED的調制復雜度相對較高，控制三個芯片保持光穩定性有待研究。此外，LED光源芯片的帶寬受限于RC時間常數和載流子自發輻射速率，因此可以通過減少 RC 時間常數和減小載流子壽命提高 LED 的帶寬。小尺寸的 LED 因其電容小、電流密度高，從而導致其調制帶寬大。

27、2010年英國思克萊德大學的McKendry通過制備了小于100m的“LED”來增加這些設備的帶寬，其光帶寬超過了百MHz。但LED 尺寸過小會導致光功率的降低，不利于其在可見光通信中的應用。小尺寸高光效LED 也是 VLC 速率的保障，河源眾拓光電科技有限公司研制的 70mil70mil 的微尺寸LED 光效高達 190lm/w，和國際照明龍頭企業 Cree 公司的最高水平一致。此外，制備新型微尺寸 LED 陣列是一種擴寬 LED 光源帶寬和保持大光功率的有效方法。減小載流11 子壽命是另一種有效的提高 LED 的帶寬的方法，且不會受到芯片尺寸的限制，減小載流子壽命的方法主要有制備諧振腔 L

28、ED、表面等離子體 LED 和新結構 LED 等。2013年佐治亞理工學院的 Moudakir 等在分別在 n/p-GaN 前后分別插入 GaN/AlGaN 和SiO2/ZrO DBR 層，使兩層形成一個光學諧振腔，用于減小了載流子自發輻射壽命增大帶寬。2015年中科院半導體研究所的趙麗霞課題組通過納米Ag顆粒修飾的納米柱LED將其帶寬提高了 2 倍。2018 年華南理工大學李國強團隊設計了一種垂直結構的硅襯底上淺阱+多量子阱LED能夠有效提升調至帶寬，其主要原因是垂直多阱結構導致載流子的高抽取率和短壽命。由于 LD的受激發射過程會縮短載流子壽命，因此 LD比 LED具有更窄的光譜線寬和更高的

29、調制帶寬。2016 年阿卜杜拉國王科技大學的 Boon 等研制一種新型的基于 InGaN 的高功率藍光超發射二極管（SLD），該種光電二極管有效結合了LED 與 LD 的優點，不僅可以實現 800MHz 左右的調制帶寬，還能有效避免 LD 的散斑效應。2019 年，Shen 等人使用 DMT 高階調制，使用 SLD 實現了 3.4Gbit/s 的高速通信。目前 SLD 的工作波長主要集中在藍綠光波段。2021 年，南昌大學在硅基 LED 的基礎之上研制多超晶格結構，進一步增加了硅基 LED 的-10dB 帶寬至 400MHz，復旦大學通過對比研究，使用優化的多超晶格結構硅基 LED 實現了單色

30、 3.37Gbit/s 的高速通信，使用八波長的波分復用，同時刷新了 LED 可見光通信的短距離和中距離世界最高速率：1.2米距離下 24Gbit/s，20 米距離下 2.02Gbit/s。在 VLC 接收系統中，發揮主要作用的是光電探測器，其工作原理是基于光輻射與物質的相互作用所產生的光電效應。光電探測器依據其結構分為 PIN 光電二極管、雪崩二極管（APD）、金屬-半導體-金屬光電探測器（MSM-PD）、超晶格雪崩二極管（SAPD）、波導型光電探測器（WPD）和諧振腔增強型光電探測器（RCEPD）等。使用的材料包括 Si、Ge、InP、GaN、ZnO 等，覆蓋波段包括紫外波段、可見光波段、

31、近紅外波段和中遠紅外波段等。由于 Si 材料的探測波段為 400-1100nm，硅基光電探測器在 VLC 中被廣泛應用。目前主流的商用探測器是硅基 PIN 光電二極管探測器和硅基APD 雪崩二極管探測器。PIN光電二極管探測器結構簡單、制備流程少，在大規模生產和集成中有較大的優勢。PIN光電二極管探測器是目前成本較低的主流探測器，但其靈敏度相對較低，不能進行遠距離通信且響應帶寬有限。為了提升PIN光電二極管探測器的靈敏度，集成PIN平面陣列成為很有潛力的研究方向。2015 年，復旦大學首次設計了 33 硅基集成 PIN陣列，并實現了 1.2Gbit/s 可見光通信。此外，優化 PIN 光電二極

32、管探測器的量子效率的研究也在一直進行，2010 年，中國臺灣國立中央大學的 Hsin 課題組報道了一種交替12 N阱P阱型結構的 PIN 光電探測器，其在850nm波長實現了8.7GHz的 3dB 帶寬，同時擁有接近 100%的量子效率。APD 雪崩二極管是利用雪崩效應以提供較大放大倍數的光電二極管，其具有高靈敏度，低暗電流的特點。雖然它的接收靈敏度很高，但是引入的噪聲也同樣很大，不適用于對信噪比要求高的應用場景中?；诟哽`敏度，APD 可以探測到單光子量級，此時被稱為單光子雪崩二極管（SPAD），其代表了探測器靈敏度的極限。盡管 SPAD具有很高的靈敏度，但是其 VLC 傳輸速率只有 200

33、Mb/s（2015 年牛津大學 Collins 團隊報告）。此外，由于 Si 基 APD 探測器藍光靈敏度低的缺陷在很大程度上限制其在可見光通信中的應用，因此提高Si基APD探測器藍光波段的靈敏度勢在必行。2018年長春理工張晶等通過優化器件表面增透膜系統，將 Si 基APD探測器在 400nm 處的響應度提高到 110A/W。此外，由于 Si 材料的抗輻射能力弱，這限制了 Si 基探測器在極端條件下的應用。第三代半導體 InGaN 材料因帶隙可調，使得 InGaN 探測器能夠覆蓋整個可見光波段的探測，實現與 LED 光源發射的光信號的匹配，能夠高效的接收光信號，滿足集成于同一個 VLC 系統

34、芯片的要求。2017 年，華南理工大學李國強團隊研制的 InGaN 基 PIN 光電探測器，其僅對藍光波段敏感且響應速率高達 0.08ps-1，有利于VLC 接收機的發展。2017 年阿卜杜拉國王科技大學的 Boon團隊將共用同一個 InGaN/GaN 量子阱的 LD和波導光電探測器（WPD）集成，其探測器帶寬高達 230MHz。2018 年該團隊又以超短載流子壽命的 InGaN/GaN 量子阱 PIN 探測器為基礎，所搭建的可見光系統傳輸速率達到3.2Gbit/s。隨著零偏壓自驅動探測器研究的開展，InGaN 基探測器的工作電壓可以降到非常低，甚至能夠實現零偏壓自驅動工作，這使得器件的功耗非

35、常低，更符合現代社會對節能環保的要求。2019 年印度科技學院的 Krupanidhi 等人報道了一種在 580nm處響應達 9.64A/W 的 InGaN/AlN 自供電探測器，這為應用于 VLC 系統的 InGaN 藍光探測器的發展提供了一個方向。MSM 型光電探測器以其高速特性和易于集成的特點被廣泛關注，但由于 MSM 光電探測器表面的金屬對光有強烈的吸收，金-半接觸的勢壘高度直接影響探測器的性能，內部增益低等限制了 MSM 探測器在 VLC 系統的應用。因此，對用于 VLC 系統的MSM 型的光電探測器的研究一直在進行。華南理工大學李國強團隊研制的 InGaN 基MSM 型光電探測器，

36、在 425nm 處展現出較強的響應，為 VLC 系統中可集成的接收機提供了良好的基礎?？偟膩碚f，現階段的 VLC 的器件方面 LED 光源的帶寬需要繼續擴展、探測器靈敏13 度、響應度等需要提高。未來的 VLC 的收發兩端器件的發展逐漸朝著傳統器件更新化、新型器件完善化的方向發展。3.1 國際研究形勢 可見光通信屬于產業關聯度高、帶動能力強、應用領域廣的前沿尖端技術，因此在國際上也備受關注。據國際權威機構統計，未來可見光通信技術應用的產業規?？蛇_萬億級別。日本作為最早進行可見光通信研究國家之一，其早在 2003 年就在中川正雄教授的牽頭下吸引了包括，NEC、Sony、Toshiba 等一批研究

37、單位和企業，成立了日本可見光通信聯合體，目前在可見光通信領域取得了很大進展?？梢姽馔ㄐ偶夹g在日本的應用主要包括室內定位系統，重點是協助視覺障礙人群的室內導航、進行超市人流統計以及精確位置測量等，通過可見光圖像傳感器實現定位，精度可達到1毫米。值得一提的是，2012 年慶應大學的 Nakagawa 實驗室推出了一套 VLC ID 系統開發工具包，其包含一對發射器和接收器組件，滿足 JEITA（日本電子和信息技術行業協會）定義的 VLC ID系統標準，目的是增加人們對 VLC 認識，使得各種各樣基于 VLC ID 的應用程序開發簡單化。2008 年，美國國家科學基金會，召集了包括倫斯勒理工學院，波

38、士頓大學，新墨西哥大學等在內的多所高校，投入 4000萬美金，計劃用 10年的時間從事智能照明系統的研究。目前，已成功研發出四色多通道可見光傳輸系統及室內可見光定位系統，且即將應用于沃爾瑪超市。此外，UC-Light 也是進行可見光通信研究的重要機構，其依托于加州大學的4 所分校和 1 個美國國家實驗室，其研究人員的研究背景涉及建筑學、無線通信、網絡、照明、光學、器件等領域。UC-Light 成立的目的是開發一種基于LED 照明的高速通信和定位系統。2008 年，歐盟設立了家庭 G 比特接入計劃（OMEGA），對可見光通信展開了深入的研究。OMEGA 計劃由歐洲的 20 多家大學科研單位和企業

39、組成，它的目標是發展出一種全新的能夠提供寬帶和高速服務的室內接入網路，構建家庭區域寬帶通信網絡，集成可見光通信、無線通信和電力線通信，使得通信速率達到 1Gbps。2012 年 10 月，英國工程和物理學研究委員會啟動了一個為期 4 年耗資近 500 萬英鎊的項目研究“超并行的可見光通信”，協作方包含，斯特拉斯克萊德大學、愛丁堡大學、圣安德魯斯大學、牛津大學和劍橋大學等，主要研究 VLC 的空間分集傳輸。其中，英國斯特拉思萊德大學的學者們開發的 LED 新模型僅僅是 1 平方微米的大小，比14 現有商用的 LED 小近 1000 倍，被稱為 micro-LED 或者微米級 LED。這意味著在常

40、規LED占用的同樣的空間內，能放置超過1000個LED，除了它的大小，micro-LEDs可以比現有商用的 LED 閃爍速度快 1000 倍。因此，從理論上講，單位面積上 1000 個micro-LEDs 以 1000 倍的閃爍速率閃爍，可以把數據傳輸率提升一百萬倍。2013 年 10月，愛丁堡大學的哈斯教授創立的 Pure LiFi（原名為 Pure VLC）公司向美國一家醫療機構售出第一套 LiFi 設備，價值 5000 歐元（人民幣約 4.1 萬元）。這場交易標志著 LiFi的實用商業價值正式被認可。此外，包括 LVX System，Rise，Gallium Lighting，Sobal

41、 Corporation，Outstanding Tech，Casio，Intel Corporation 在內的企業，也都加入到 VLC 的研究。阿爾卡特朗訊貝爾實驗室也非?？春每梢姽馔ㄐ诺陌l展前景，阿爾卡特朗訊在全球范圍舉辦的 2011 年創業訓練營競賽中，獲得中國區第一名的團隊創業提案的技術主題就是可見光通信。Intel 的研究者從 2008 年開始研究，通過 LED 發出的可見光可以打造一個廉價的車聯網，汽車本來就具有頭燈、尾燈，所以只要把這個機制引入新的系統，就可以形成車輛間溝通。CISCO的報告中更是指出基于可見光通信的LiFi將是5G蜂窩網絡標準的組成部分之一。3.2 國內研究形

42、勢 與日歐美等國相比，中國可見光通信技術研究起步相對較晚。2008 年，中國科學院半導體研究所整合所內優勢研發力量，在中國科學院的支持下，啟動了基于可見光通信的“半導體照明信息網”（Solid State Lighting Information Network，S2-link）的研究，研究范圍覆蓋材料、器件、協議和系統。2013 年，國家 863 計劃設立了“可見光通信系統關鍵技術研究”項目，項目由解放軍信息工程大學牽頭，東南大學、北京大學、清華大學、北京郵電大學、上海交通大學、復旦大學、中科院半導體所、工信部電信傳輸所、上海寬帶技術及應用工程研究中心等共同承擔，旨在開發可見光（波長380n

43、m-780nm）新頻譜資源，研究可見光通信系統在復雜信道條件下非相干光散射畸變檢測、調制編碼、光電多維復用與分集、最佳捕獲檢測等關鍵技術，建立可見光通信實驗系統并開展典型應用示范，為可見光通信這一新型綠色信息技術的產業化奠定基礎。同年，國家 973 計劃項目“寬光譜信號無線傳輸理論與方法研究”啟動，由中國科學技術大學、北京理工大學、清華大學、東南大學、北京大學、北京郵電大學、中科院半導體所共同承擔。項目面向國家發展“新一代信息技術”的重大需求，重點圍繞開拓新的光譜資源的核心目標，旨在從本質上揭示寬光譜信號無線傳輸機理，建立15 寬光譜信號無線光通信的基礎理論與方法，挖掘從紅外光延伸至可見光和紫

44、外光波段的光譜資源，適應多場景、多應用需求，實現信息在空間的可靠、高效傳輸，解決日益嚴重的無線通信頻譜和無線覆蓋的瓶頸問題，滿足未來寬帶大容量移動通信的需求，為人口密集區域的信息基礎設施建設提供高速大容量有效解決方案，為國防安全領域提供可靠安全的通信手段，并輻射至電磁敏感行業、礦山智能化、交通管理、物聯網等應用領域。經過十余年的努力，我國科研人員在可見光通信領域已經取得了與世界發達國家和地區的同等水平，在其中某些方向處于領先地位。3.3 本章小結 本章闡述了可見光通信的國際國內科學研究形勢，總的來說，現階段的 VLC 的器件方面 LED 光源的帶寬需要繼續擴展、探測器靈敏度、響應度等需要提高。

45、未來的VLC 的收發兩端器件的發展逐漸朝著傳統器件更新化、新型器件完善化的方向發展。在國際方面，日本、美國、歐盟等國家大力發展可見光通信產業；相比之下，我國可見光通信技術研究起步相對較晚，經過十余年的努力，我國科研人員在可見光通信領域已經取得了與世界發達國家和地區的同等水平，在其中某些方向處于領先地位。16 第四章 國際國內產業發展現狀 4.1 可見光通信國際產業化現狀 可見光通信發展十余年來，尚未形成大規模產業化的應用，只是在部分應用場合開展了一些試點運營。主要原因在于以下三個方面，一是若干關鍵技術問題尚待繼續突破，包括專用器件，傳輸體制，組網模式等；二是標準化建設需要進一步加強；三是產業生

46、態需要進一步培育。按照當前可見光通信應用開展的程度，可以將典型應用領域分為三種類型，分別具有如下特征：（1）第一類的技術和條件相對成熟，已經開展了一些實際的試點應用，主要指室內的定位導航；（2）第二類已經形成了試驗系統，并在特定應用領域開展了相關實驗研究，例如室內光通信網絡、水下通信、電磁嚴控環境等；（3）第三類提出了應用概念，主要以理論研究為主，試驗系統的研發還處在初始搭建和驗證階段，包括智能交通與車聯網等。4.1.1 室內光無線網絡 由于室內光無線網絡面向大眾市場和室內照明網絡普遍存在這兩個特點，室內光無線網絡是受到業界比較公認的可見光通信的最大潛在市場。當前，室內光無線網絡產業化方面主要

47、研究的是無線局域網（Wireless Local Area Network，WLAN）的組網方式，光蜂窩網只限于一些理論研究成果。愛丁堡大學哈斯教授團隊于 2012 年借鑒了 WiFi（Wireless Fidelity）思想，提出了LiFi（Light Fidelity）概念，并開辦了 PureVLC 公司，后將公司更名為 PureLiFi。其公司主要產業化成果有 2018 年推出的基于 802.11 協議的 PureLiFi（LiFi-ASIC PL0300）芯片，支持 16 用戶的全雙工傳輸，毛速率達到 86.4Mbps。同年，PureLiFi 公司著眼將該芯片技術進一步集成并與筆記本電

48、腦或平板電腦等終端設備對接，研發了產品級設備LiFi-XC。LiFi-XC 設備包括終端和網絡節點兩部分，終端部分由基于 USB 接口的可見光通信插卡和現有移動終端設備組成，網絡節點部分主要由內嵌收發芯片的 LED 燈泡組成，該設備支持 Windows、MacOS 和 Linux 等操作系統。2018 年，PureLiFi 展示了首款集成 LiFi 功能的筆記本電腦。蘇格蘭南艾爾郡 Kyle 學校開設了第一個基于 LiFi-XC 的小型實驗網，用于網絡數據傳輸。該網絡包含在天花板上安裝的 8 個支持 LiFi 的 LED 燈泡，將 LiFi-XC 插卡設17 備與筆記本電腦連接，利用燈光實現高

49、速數據通信。此外，Firefly LiFi公司開發了相關可見光通信設備，其產品SecureLink適用于需要保密會議室等辦公環境，該公司于 2019 年被昕諾飛（Signify）公司收購。據 2019 年 9月最新報道，昕諾飛在德甲漢堡足球俱樂部的體育館 Volkspark 安裝了其研發的 LiFi 系統，使漢堡成為世界上第一個使用 LiFi 系統的足球俱樂部，記者可在其新聞中心使用這種新型無線通信方式進行互聯網連接。在國際上，基于可見光通信的物聯網逐漸受到重視，歐盟于 2019 年 8 月成立Enlightem 實驗室，面向國際招募研究人員，主要研究基于低功耗可見光通信的物聯網技術與應用。4

50、.1.2 智能交通與車聯網 在國際已有的智能交通可見光通信研究中，一般利用交通指示燈、汽車前后燈和路燈作為發射端，以實現車輛與交通指示燈、路基設備以及車輛與車輛之間通信。來自日本的研究團隊在這一研究領域較為活躍。2013 年，日本 LAMP SERVE LED 路燈通過實際測試，實現了通信速率為 100 Mbps 的可見光通信系統，有效通信距離可達200 米。2013 年，日本豐田中央研究實驗室與靜岡大學研究的室外 VLC 系統，實驗通信速率可達 15Mbps。該研究團隊在 2014 年采用 LED 陣列作為發射端和圖像傳感器作為接收端，實現了 10 Mbps 的汽車間通信系統。4.1.3 室

51、內定位導航 對于基于可見光通信的定位與導航而言，一般可以對現有燈具和帶有攝像功能的移動終端進行改裝就可完成系統搭建，是一種相對簡單的應用場景。業界比較公認，室內導航定位是可見光通信條件比較成熟的應用場景，一些國際巨頭公司開展了這方面的產品化研究，并開展了一定規模的試用。早在 2012 年，美國丹賴安(Dan Ryan)和亞倫甘妮科(Aaron Ganick)開創了ByteLight 公司，研發了基于 LED 的室內定位系統，定位精度為米量級。Bytelight 公司將這項服務與移動終端應用程序 APP 結合，在室內公共場所（如博物館、車站、機場及商店）實現導航服務。ByteLight 的主要思

52、路通過大范圍安裝特制 LED 燈具，采用智能手機的攝像頭（手機里面已安裝 ByteLight 的 APP 程序）作為接收端，通過手機內APP 分析處理光信號以確定終端位置并進行實時路徑規劃。2013 年，韓國第一企劃韓國-復興實驗室(Cheil Worldwide Korea Revival Labs)18 為超市Emart開發出一款智能手機APP，隨即推出了利用可見光通信技術的便捷購物導航服務。具體流程為通過安裝在房頂上的 LED 燈，利用可見光通信技術向安裝在購物車上的移動智能設備發送信號，提供店面地圖服務，以實現實時路徑導航服務。飛利浦也在倡導可見光通信室內導航定位技術。2015 年，飛

53、利浦在法國家樂福超市的一個旗艦店采用可見光通信方式實現了超市室內導航服務。2017 年，荷蘭埃因霍溫市中心的萬得城電器（MediaMarkt）旗艦店也推出依托飛利浦 LED 照明室內定位系統的“購物導航”應用程序（Store Guide App），幫助顧客借助智能手機快速定位商品位置并提供引導服務。高通 Qualcomm 也開展了可見光定位和導航的相關工作。2016，旗下高通創銳訊(Qualcomm Atheros)與Acuity Brands展開密切合作，聯手布建采用Acuity Brands的LED照明燈具和服務以及高通 Lumicast 技術提供各種室內定位功能與服務。高通公司基于VLC

54、 的定位技術可以實現 3D 位置服務，水平誤差 10cm，方向性精度在 5 度左右，首次定位時間在 100ms 內，更新頻率為 10Hz。4.1.4 水下環境 水下可見光通信大多涉及軍事通信領域，規?；瘧貌渴鹎闆r鮮見于公開報道。下面介紹幾個實驗系統研發情況。早在上世紀 70 年代美國就提出海洋水下無線光通信的設想，并啟動了相關的研究工作。隨后美國開始為海軍的艦船、潛艇探索使用這種新的水下無線通信方式，母艇與飛機之間的可見光通信也在 20 世紀九十年代由美國海軍進行了測試。2015 年，英國 Sonardyne 公司研制的 Bluecom 系統可以實現通信距離 200m、傳輸速率 20Mbps

55、 的性能；美國 Ambalux 公司研制的 Ambalux 系統在 40m 范圍內可實現10Mbps 的傳輸速率。日本太陽誘電與東洋機電公司合作，聯合研制的基于大功率藍光 LED 的水下可見光通信系統實現了最高 50Mbps 的速率。日本中川實驗室研發的水下可見光通信系統實現了 0.41TFU 濁度下 30 米內的可見光通信實驗系統。4.1.5 電磁嚴控環境 英國愛丁堡大學哈斯教授分別研發了機艙內、醫院手術室等電磁嚴控環境下可見光通信的實驗系統。哈斯教授創立的 PureLiFi 公司于 2013 年 10 月向美國一家醫療機構出售第一套 LiFi 設備，價值 5000 歐元，這場交易標志著可見

56、光通信在電磁嚴控環境下19 的實用商業價值得到認可。2015 年 7 月，美國國家航空航天局與美國可見光通信企業LVX 公司簽訂了太空行動協議，共同研發 VLC 在航天領域的應用。4.2 國內可見光通信產業化現狀 國內可見光通信產業化發展和國際情況具有一定趨同性，在室內光無線網絡和室內定位導航等方面發展較快，面向室內應用的可見光通信專用芯片組已經發布，許多公司開展了小規模的室內定位導航試點應用；電磁嚴控環境下的若干系統已經搭建，并完成了相關測試工作；水下環境也開展了一些理論和實驗研究，處在初步探索階段；智能交通與車聯網應用主要以理論研究為主，正在設計初始驗證性實驗系統。4.2.1 室內光無線網

57、絡方面 早在 2008 年，暨南大學陳長纓教授團隊開發了一種利用燈光上網的實驗系統，速率達到 4Mbps，傳輸距離為 2.5 米；2010 年，中科院半導體所在上海世博會展示了2Mbps 的燈光上網系統和智能家居系統。此后，國內包括戰略支援部隊信息工程大學、中國科學技術大學、復旦大學、東南大學、北京大學、清華大學、深圳光啟、勤上光電等高校、企業、研究機構均投入力量研究室內可見光無線網。但是，限于產業生態比較復雜與技術成熟度不夠高等原因，目前國內室內光無線網絡研發狀況均處于實驗室系統開發與示范試點應用階段。解放軍信息工程大學于 2013 年 3 月牽頭承擔了國家 863 計劃“可見光通信（VLC

58、）系統關鍵技術研究”，并具體負責了課題三“室內可見光通信與多用戶高速接入實驗系統”的研究工作，實現了 1 臺資源服務器、5 個接入點（Access Point，AP）、15 個終端組成的實驗系統，最高速率可達 480Mbps。該研究團隊主要著眼于室內光無線通信網絡的應用，于 2016 年啟動可見光通信專用芯片的研發工作，并于 2018 年 8 月研制成功并發布了可見光通信專用芯片組（CVLC820A、CVLC820D），最高傳輸速率可達1Gbps，全面兼容主流中高速接口協議標準。該芯片組除了為室內光無線通信網絡提供支撐外，還可用于高速無線數據傳輸、室內定位導航服務、水下高速無線信息傳送、特殊區

59、域移動通信等應用場景。2017 年，清華大學基于可見光通信與電力線通信相融合的網絡架構，與國網信息通信產業集團有限公司、國網河南省電力公司鄭州供電公司合作，在鄭州市耿河變電力隧道實施了可見光語音通訊與定位網絡工程示范。示范段長度約500米，網絡中有通信/定位功能的燈具 51 盞，燈具安裝間距約為 10 米。數據傳輸干線峰值速率最高20 3.0Mbps，燈具數據率 250Kbps，終端距離燈具 3 米以內網絡可實時定位移動終端位置，并可支持最多 5 個移動終端同時通話，便攜終端接入時間小于 1.5s。2015 年 12 月，中國科學院半導體研究所搭建的人口密集區燈光上網系統通過了工信部中國泰爾實

60、驗室的第三方測試，該系統包括3個100M燈光上網接入點和12個10M燈光上網接入點。2018 年 7 月 19 日-20 日，100M 燈光上網系統在深圳市民中心，實時傳輸 60FPS 的 8K 視頻。在室內物聯網應用方面，中國科學院半導體研究所團隊的可見光智能家居系統于 2019 年通過了信息產業專用材料質量監督檢驗中心的檢測，在燈光照度 20lx 下能實現對多個物聯網執行器的遙控。2019 年 5 月，該系統在公眾科學日活動上公開發售。在基于可見光通信的室內物聯網方面，2018 年天津濱海新區信息技術創新中心聯合重慶思柏高科技有限公司共同研究并實現了一種低功耗短距離可見光物聯網，最大可支持

61、50625個節點，可與無線網絡技術無縫對接，目前正在推動相關標準化的工作。圖4-1 低功耗短距離可見光物聯網系統 4.2.2 智能交通與車聯網 國內很多團隊包括中國科學技術大學、復旦大學、清華大學、暨南大學、河南大學等高校研究了可見光通信在智能交通與車聯網中的應用技術，但是公開報道多見到的是一些學術文章，從事開發完整實驗系統的工作還鮮見報道。中國科學技術大學研究團隊采用車燈實現了室外 25Mbps、60 米長距離的靜態可見光傳輸。為了滿足室外復雜動態環境下可見光通信的需求，提出了一種采用高速相機和二維轉臺分別進行單個目標光源檢測與光源對準的方法。通過使光源在滑軌上往返移動模擬目標移動場景，并且

62、采用線性軌跡預測方法，初步實驗驗證了所提出方法的有效性，可支持跟蹤角速度為 18/s。復旦大學研究團隊使用商用車燈，在室外100米長的靜態條件下進行了可見光通信21 的測試。為了滿足各種天氣工況條件下的可見光通信傳輸，對晴、陰、雨等天氣條件進行了測試，并測試了日間與夜間的區別。在沒有雨水影響的夜間，實現了 10 米2.81Gbit/s、50 米 753Mbit/s、100 米 362Mbit/s 的高速車聯網通信速率。4.2.3 室內定位導航 在基于可見光通信的室內定位導航領域，華策科技公司、全電智領公司、清華大學、解放軍信息工程大學、暨南大學、TCL 等團隊開展了相關研究。2014 年，深圳

63、洲明科技公司與珠海華策科技公司合作推出了基于 LED 燈光通信的U-Beacon 定位系統，開發了手機上的“易逛”軟件，定位精度可達到 1 米以內。2018年，珠海華策科技公司開發的基于可見光定位的智能購物車在深圳沙井天虹試點商用，2019 年升級系統在北京天虹新奧店試點商用。2015 年開始，北京全電智領科技有限公司相繼推出了基于專用傳感器的智能手機博物館展覽講解系統、基于手機攝像頭傳感器的精準定位系統。2018 年以可見光網格信標為基礎，融合慣導技術、運動積分、磁場偏角糾正、運動模式智能運算等技術，實現了更加精準、穩定、平滑的室內定位應用，定位精度達到亞米級。目前該系統已經在物美超市、華潤

64、集團、海淀科技中心、海淀美術館、中糧廣場地下停車場、京東方集團地下停車場等場景投入運營。東莞信大融合創新研究院與解放軍信息工程大學也開發了基于可見光通信的定位產品，終端使用現有商用 PAD 改造而成，并已于 2017 年在河南省焦裕祿博物館投入試點運行。TCL 半導體光源研究院與中山大學、偉志集團公司聯合成功推出可見光高精度定位系統，基于光源陣列測量技術，定位精度達到厘米級。2015 年以來，該系統在卜蜂蓮花、友阿家潤多、昌大昌等多個30005000平方左右的大型超市展開商業試點應用。暨南大學基于市售 LED 燈和商業手機研發了基于可見光通信的室內定位導航系統，系統的平均定位精度為 7.5 厘

65、米，平均定位時間為35.7毫秒，可支持行人、行駛車輛、室內機器人、智能運載裝備等物體在移動速度不超過 5 米/秒（18 公里/小時）下的實時定位導航。已經建設了包括中心機房、企業辦公區、暨南大學辦公樓、暨南大學地下停車場等四處場景的應用示范，可以支持車輛泊車導航等功能。22 圖4-2 暨南大學研制的地下停車場導航系統 4.2.4 水下環境 國內很多高校開展了大量的水下可見光通信研究工作，主要包括：中國海洋大學、浙江大學、清華大學、華中科技大學、電子科技大學、暨南大學、解放軍信息工程大學、復旦大學等。研究范圍主要集中在海水光學特性測量、信道模型以及不同水質下的系統設計等。已開展的實驗研究主要聚集

66、在魚缸、游泳池等測試環境下，利用藍光 LED 光源，在水中加入氫氧化鋁等試劑模擬海水狀態，開展傳輸速率、距離等的測試?？傮w而言，目前水下可見光通信的產業化應用鮮見公開報道，應還處在理論探索和實驗驗證階段。4.2.5 電磁嚴控環境 公開報道的電磁嚴控環境下的應用主要在煤礦井下環境開展。2015 年，解放軍信息工程大學與河南省平頂山市政府、平煤神馬集團等在平頂山開展煤礦井下新型綜合信息系統應用研究?；诳梢姽馔ㄐ诺娜?IP（Internet Protocol Version6）煤礦井下綜合信息系統采用可見光通信作為無線通信方式，與寬帶電力線通信、光纖通信等有線通信方式緊密結合，實現語音實時通信、人

67、員定位導航、高清視頻監視、設備遠程控制、疏散警報等語音泛在播報、危機警報/傳感數據/人員位置等信息即時回傳等功能。4.3 本章小結 本章主要闡述了可見光通信國際國內產業發展現狀，國內發展情況和國際具有一定趨同性。目前尚未形成大規模產業化的應用，只是在部分應用場合開展了一些試點運營，本章主要介紹了室內光無線網絡、智能交通與車聯網、室內定位導航、水下環境和電磁嚴控環境等產業發展情況。23 第五章 可見光通信關鍵技術 5.1 可見光通信信道模型 20 世紀初，可見光通信的概念首次被提出，人們利用發光二極管（LED）作為光源，在實現照明的同時進行通信。與其他光源（如白熾燈、熒光燈等）相比，白光 LED

68、具有更高的調制帶寬和響應靈敏度。白光 LED 燈，可以結合照明和數據傳輸的特性，促進了可見光通信技術的發展。5.1.1 LED 工作特性（1）調制特性LED 是可見光信道的重要組成部分，其頻率響應特性通過有效帶寬影響 VLC 系統的傳輸性能。根據光譜組成特性，LED 可分為兩大類：i.藍光 LED 發出的藍光激發熒光粉發出黃綠光，與透射的藍光混合產生白光。由于黃色熒光粉響應較慢，LED 調制帶寬受限。ii.紅、綠、藍三色LED芯片混色產生白光。這種混合型白光LED具有較高的光譜帶寬，但考慮到成本和電路復雜度問題，未廣泛應用于 VLC 系統設計。LED 的調制特性，主要體現在最大調制速率，一般用

69、 3dB 帶寬來描述。目前實驗所使用的 LED 以第一類 LED 為主，頻率響應如下圖 5-1 所示。由于熒光粉響應速度的限制，此類 LED 的 3dB 帶寬一般只有 1-10MHz，而單色 LED 的帶寬可以達到10-100MHz。由于熒光粉激發時間相對較長，LED 的調制帶寬不高，白光 LED 應用于通信時，可通過在光電探測器件前端加藍光濾光片，以提高通信帶寬。與此同時，濾波片帶來了光功率的衰減，可以通過增加透鏡來增強聚焦接收的光束。24 圖5-1 白光LED頻率響應（2）光譜特性目前市場上商用的白光 LED 以第一類白光 LED 為主，光譜分布如圖 5-2 所示。此LED 芯片及熒光粉激

70、發的光譜分布在 410nm-760nm 內，LED 芯片的峰值波長處于藍光波段內，450 nm 熒光粉激發的光譜在 490 nm-760nm。圖5-2 光譜分布（3）伏安特性LED實際上是一種特殊的二極管，與二極管具有相似的伏安特性曲線，圖5-3顯示了其兩端的電壓和產生的電流間的關系，反映了LED燈的轉換效率。從圖5-3中可以看出 LED 具有一定的開啟電壓，當電壓超過某個閾值后，LED 進入工作區，此時電流和電壓可近似認為成正比關系。在搭建可見光通信鏈路時，需要提供合適的電壓的驅動電路，并且保證 LED 正常照明時的光照強度。25 圖5-3 伏安特性曲線（4）電光轉換特性在 LED 的可見光

71、通信中，P-U 曲線特性對通信鏈路的設計，尤其對于高階調制和多載波調制方式，具有重要的影響，反映了電光轉換效率。圖 5-4 為普通商用 LED 的P-U 曲線，可以看出其具有線性區和非線性區，LED 燈的線性區為 25V30V，非線性區為 23V25V，驅動電壓最大不超過 31V，以免損壞 LED 燈。在實際使用時，需要選擇最佳工作點與最佳的信號動態范圍來盡量減小非線性的影響。圖5-4 P-U曲線 描述 LED 非線性的模型，可以被分為兩大類：記憶性模型和非記憶性模型。非記憶模型主要采用非記憶多項式模型，平滑的瞬時非線性傳遞函數可以由泰勒級數展開。由于 LED 的頻率選擇性衰落，記憶性不可忽略

72、。沃爾泰拉（Volterra）模型、記憶多項式模型、Wiener 模型、Hammerstein 模型等為常用的記憶性模型。沃爾泰拉級數的系數個數隨非線性級數和記憶長度的增加呈指數增長，因而最大的限制就是其復雜度。為了降低其復雜度，簡化的沃爾泰拉級數形式被提出，記憶多項式模型就是其中一種。Wiener 模型也是沃爾泰拉模型的一個子集，由線性時不變系統和無記憶非線性系統組成，信號先經過一個線性時不變系統模塊再通過無記憶非線性模塊。26 Hammerstein 模型剛好與此相反，是先通過一個無記憶非線性模塊，再經過線性時不變系統。Hammerstein 模型和 Wiener 模型有相同的復雜度，但在

73、某些特定的模型中，Hammerstein 模型復雜度會 Wiener 模型更低1。非線性模型還分為靜態和動態模型。靜態模型是指不考慮非線性隨著時間、溫度等的改變。在 VLC 的應用中，會有調光控制的需要；不同的光照水平導致溫度變化，進一步帶來非線性動態變化。目前，大部分的研究基于靜態模型的，忽略溫度對其的影響。LED 的調制能力可以由圖 5-4 所示 P-U 曲線描述，LED 的調制深度 m 定義為：0UmU(1-1)其中0U為偏置電壓，U為峰值電流和偏置電壓之差。光調制深度是對交流信號與直流偏置間關系的描述，調制深度越大，光信號越容易被探測到，所需的光功率越低。目前大多數實驗，可以達到百分之

74、幾到十幾的調制深度度。但并非調制深度越大越好，調制深度高可能會導致調制帶寬降低，影響系統性能。5.1.2 信道建模 在室內可見光通信中，通信鏈路格局、路徑損耗、多徑色散產生的時延等都會影響通信信道的特性。這些信道特性決定了如調制、編碼技術、發射功率、接收靈敏度等方面的通信系統設計。此外，發射光束形態、接收濾波器、接收面積及接收視角等條件參數，也需要參考信道特性來確定。因此，室內可見光通信信道的特性分析是實現高速率、高可靠的通信鏈路不可缺少的一部分。在室內可見光通信系統中，LED 固定在天花板上，在提供照明的同時進行數據傳輸。直射式視距鏈接和漫射非視距鏈接是它具有的兩種通信鏈路形式。在直射式視距

75、鏈路中，接收端和發射端是對準的，較高的功率利用率是這種鏈路的優點。但同時也具有局限性，一旦傳輸路徑中出現障礙物，通信就會阻斷。因此，這種方案適用于無障礙物下的點對點通信。在漫射非視距鏈路中，接收機要求較大的視場角，以此來減小陰影效應的影響，降低收發端對準的要求，但是鏈路中的多徑效應會限制信號傳輸速率。根據場景不同，信道模型可以分為直射模型、多次反射模型、陣列光源模型和多27 色光源模型。（1）單次直射模型在可見光通信中，當接收機和發射機之間沒有障礙物阻擋，那么通常只考慮視距鏈路，即使用單次直射模型描述該場景下的光信道。在單次直射模型中，來自光源的所有光信號被認為在同一時間到達接收機處。由于發射

76、機與接收機的距離遠大于接收機中光電探測器的尺寸，通常認為光電探測器表面各處的接收光強近似相等，信道增益由光電探測器的器件特性和光源的朗伯發射模式決定。圖5-5 可見光通信直射模型2（2）多次反射模型當接收機和發射機之間視距鏈路被障礙物阻斷時，LED 發出的光通過室內墻壁或障礙物的多次反射，即非視距鏈路，被接收機探測到。此時，常用多次反射模型來描述非視距鏈路。在反射模型中，認為上一個反射點為服從朗伯模型的假設光源，認為下一個反射點為接收機，光源與接收機間的信道增益可由直射模型獲得。因此，第k次反射的信道沖擊響應，由前 k-1 次反射的信道沖擊響應獲得，然后對不同反射次數的信道沖擊響應相加，最終獲

77、得多次反射模型的信道沖擊響應。圖5-6 可見光通信多次反射模型2 28（3）陣列光源模型單個光源由于覆蓋區域有限，常常使用多個光源組成陣列，來實現無縫照明覆蓋。當陣列光源中光源顆粒的間距遠小于陣列光源與接收機間的距離時，整個陣列光源可等價于單個點光源。此時陣列光源與接收機間的信道模型，可簡化為單次直射模型或多次反射模型。但是，在該模型中陣列光源中每個光源由于位置不同帶來的時間色散被忽略。若需要對陣列光源信道進行準確建模時，需要根據直射鏈路模型或多次反射模型，獲得陣列光源中每個光源與接收機間的信道沖擊響應，最終對所有光源與接收機間的信道沖擊響應求和，獲得系統的信道沖擊響應。圖5-7 陣列光源（4

78、）多色光源模型多色光源組成的可見光通信系統中，接收機對不同顏色可見光的光電轉換效率不同。不同顏色的可見光在室內墻壁或障礙物的反射率也有所不同。在對多色光源組成的可見光通信系統進行建模時，對于每個不同顏色光源，根據直射鏈路模型或多次反射模型，計算光源與接收機之間的信道沖擊響應，最終得到系統的信道沖擊響應。圖5-8 多色光源 各種可見光信道模型基本可以由上述四種信道模型描述，運用這些建模方法，可以獲得貼近實際的信道參數。相關研究指出，到達接收端的總功率中，LOS直射鏈路的功率可占95%左右3。當只考慮直射鏈路下的信道特性時，信道增益可看做一個衰減系數，常用朗伯輻射模型進行計算，如圖 5-9 所示。

79、29 21cLEDAPD圖5-9可見光空間傳輸模型 2(1)cos()()()cos(),0(),20,mscopcA mTghtd(1-2)其中 A 為 APD 探測面積，()sT為光學濾波器因子，()g為光學透鏡增益。220,().,0sincccgn(1-3)在室外交通環境中，由于天氣等因素會造成光功率的衰減，需要對上式做一些修正，可在上述()opht上再乘以一個和天氣有關的衰減系數4。此外，對信道噪聲的建模也是信道模型中十分重要的一部分。對于發送功率為TP的可見光通信信號，其接收功率RP和信號功率S為 022RTRPHSPrP(1-4)其中，0H為信道功率傳輸模型，r為 PD 響應度。

80、則噪聲功率即可表示為 22222222232381622shotthermalshotRbgthermalkkmNqrIkkP BqITAI BTA I BGG(1-5)式中，2shot表示散粒噪聲，2thermal表示熱噪聲。30 5.2 調制技術 可見光通信系統的調制帶寬十分有限，商用 LED 燈的 3dB 帶寬一般只有幾 MHz。除了從 LED 結構、驅動鏈路的設計上考慮，選擇合適的調制方式也可提升傳輸速率。從實現復雜度角度，開關鍵控（On Off Keying，OOK）調制、脈沖位置調制（Pulse Position Modulation，PPM）等具有較大的優勢；從頻譜利用率和克服多

81、徑效應上，正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM）調制及無載波振幅相位（Carrierless Amplitude Phase Modulation，CAP）調制表現最佳；在 IEEE 802.15.7 中提出了色移鍵控（Color Shift Keying，CSK）來提高數據速率，這是其他調制方案達不到的5。表 5-1 為近幾年可見光通信不同調制方式下的傳輸實驗統計。表5-1 可見光通信系統傳輸實驗統計2 LED 調制方案調制方案 速率速率 距離距離 研究單位研究單位 白光 OOK-NRZ 1022b/s 2000m 可見

82、光通信聯盟 白光 OOK-NRZ 40 Mb/s,BER-6102m 牛津大學 藍光 OOK-NRZ 80 Mb/s,BER-6100.1m 牛津大學 白光 OOK-NRZ 100 Mb/s 3m 中川實驗室 藍光 OOK-NRZ 100 Mb/s,BER-9100.1m 三星電子 藍光 DMT-QAM 200 Mb/s,BER-3102m 弗朗霍夫研究所 白光 DMT-QPSK 220 Mb/s,BER-3101m 牛津大學 藍光 DMT-QAM 513Mb/s,BER-32 100.27m 西門子 RGB DMT-WDM 803 Mb/s,BER-32 100.12m 弗朗霍夫研究所 RG

83、B DMT 806 Mb/s,BER-32 100.08m 弗朗霍夫研究所 RGB OFDM 875 Mb/s,BER-33.8 100.66m 復旦大學 藍光 DMT-QAM 1 Gb/s,BER-31.5 100.1m 圣安娜高等研究學院 白光 MIMO-OFDM 1.1 Gb/s,BER-32 100.05-0.12m 牛津大學 50um 氮化鎵 OFDM 3 Gb/s,BER-32 100.005m 愛丁堡大學 RGB QAM-WDM 3.25 Gb/s,BER-33.8 100.01m 復旦大學 RGB QAM-WDM 3.25 Gb/s,BER-3100.1m 圣安娜高等研究學院

84、31 白光 CAP 1.1 Gb/s,BER-3100.23m 國立交通大學 RGB DMT-WDM 3.4Gb/s,BER-3100.1m 國立交通大學 5.2.2 單載波調制 脈沖幅度調制（Pulse Amplitude Modulation，PAM）和脈沖位置調制（PPM）是通過脈沖的幅度和位置進行信息調制。脈沖幅度調制是一種常見的調制方式，信息調制于脈沖幅度，如圖 5-10 所示。調制系統設置強度等級，LED 不同的光強表示不同的幅度。工作電流的大小以及工作溫度會影響 LED 的光色，因而在 MPAM 調制中，不同驅動電流導致的色溫漂移是需要考慮的問題6。開關鍵控（OOK）可以看作 2

85、PAM，有兩種幅度值，每個符號攜帶 1bit 信息。OOK 調制方式簡單，實現復雜度低，可作為低速可見光通信系統的候選方案。脈沖位置調制（PPM）是通過將一個符號周期分成若干個時隙，在不同時隙傳遞脈沖來表示不同的信息，如圖5-11所示。PPM信號中沒有直流偏置，與OOK相比，平均功率低7，且沒有低頻干擾8，但帶寬效率不高9-10。由于脈沖位置的正確檢測需要進行嚴格的符號同步，將帶來系統復雜度的增加1112。為了增加同步信息，可以將 4B6B編碼與PPM 結合使用13。此外，這兩種調制技術與均衡技術相結合，可以有效對抗符號間干擾，即PAM調制技術與頻域均衡技術相結合以及PPM調制技術與判決反饋均

86、衡相結合。圖5-10 PAM信號 圖5-11 PPM信號 5.2.3 多載波調制 正交頻分復用（OFDM）是典型的多載波調制技術，可以應用于可見光通信，實現32 高速數據傳輸，如圖5-12所示。由于OFDM 信號并行傳輸，碼元持續時間較長，能有效抵抗符號間干擾（Inter Symbol Interference，ISI）。相比于 OOK 和 PPM，OFDM 具有較高的頻譜利用率。在傳統的無線通信中，信號可以是雙極性復信號，但可見光通信系統采用 IM/DD（Intensity Modulation/Direct Detection）的方式，要求傳輸信號是非負實信號。因而滿足 VLC 系統的 O

87、FDM 傳輸方式被提出：DCO-OFDM（DC-biased Optical OFDM）14，ACO-OFDM（Asymmetrically-clipped Optical OFDM）1516，ADO-OFDM（Asymmetrically Clipped DC Biased Optical OFDM），X-OFDM（Mixed OFDM）。DCO-OFDM 采用快速傅里葉反變換（Inverse fast Fourier transform，IFFT），將頻率數據轉換為時域數據。為了使信號變成單極性，采用在交流信號上疊加直流偏置，不足之處是會導致發送功率的增加，需要尋求最優的直流偏置，增加了系

88、統的計算復雜度。ACO-OFDM 調制方式，不需要直流偏置。通過子載波映射時，只在奇數下標的子載波上調制數據，偶數下標的子載波不調制數據，OFDM 信號的負值部分直接削去，得到單極性的 OFDM 信號?？梢宰C明限幅不會造成傳輸數據的丟失，限幅產生的噪聲只存在于偶數子載波，奇數子載波上的數據只發生幅度的變化，幅度變為原來的一半。ACO-OFDM 調制頻帶利用率較低，因為數據也要滿足共軛對稱性，只有四分之一的子載波可進行傳輸數據。使用奇數子載波的限制，使得需要進行比特分配的系統無法使用該調制方式。圖5-12 OFDM信號示意圖 ADO-OFDM 則結合了 ACO-OFDM 和 DCO-OFDM 兩

89、種方式，即奇數子載波調制ACO-OFDM 信號，偶數子載波調制 DCO-OFDM 信號17。33 X-OFDM 是一種新型的 OFDM 波形，分為兩類。第一類 X-OFDM 波形通過將奇數子載波與偶數子載波分別做 IFFT 變換后，將得到的四組對稱部分各取出一半，兩兩相加得到。而第二類 X-OFDM 波形則是將四組對稱部分中的三部分兩兩相加，最后一部分獨立傳輸。如此，對于相同長度的符號，X-OFDM相比ACO-OFDM調制方式，頻譜效率更高。與 ACO-OFDM 相比，PAM-DMT 的系統性能基本一致，但頻帶利用率更高。在相同的 SNR 和調制階數下，模擬方式多載波復用的性能最差，ACO-O

90、FDM 方式性能最佳。從子載波使用率上看，模擬方式多載波復用使用了全部調制子載波，DCO-OFDM和 PAM-DMT 使用了 1/2 的調制子載波，PAM-DMT 只使用了虛數維度，ACO-OFDM使用了 1/4 的調制子載波。在相同子載波數目下，想要達到相同數據傳輸速率，采用ACO-OFDM 方式的調制階數需為采用 DCO-OFDM 方式和 PAM-DMT 方式階數的 2 次方，模擬方式多載波復用階數的 4 次方。PAM-DMT 適用于調制階數不高時；隨著調制階數的增加，DCO-OFDM的優勢逐漸顯現。而兩類X-OFDM波形均無需直流偏置，因而相比于ACO-OFDM有更好的PAPR表現，此外

91、，在功率效率上，兩類X-OFDM的表現均優于 ACO-OFDM，且第二類 X-OFDM 優于第一類 X-OFDM。所以，對于帶寬受限系統，可以通過增加發射功率、提高調制階數來提升性能，可以優先考慮 DCO-OFDM 方式或 X-OFDM 方式；對于功率受限系統，可以使用ACO-OFDM 方式、PAM-DMT 方式或者 X-OFDM 方式，以減小發射功率和調制階數。OFDM-VLC 系統結構框圖如圖 5-13 所示。在發送端，為滿足光路傳輸需要，數據經過 QAM 映射后，構造 Hermitian 對稱，通過 IFFT 產生實 OFDM 信號。經過數模轉換器（DAC）變換生成模擬信號，若采用 DC

92、O-OFDM 方式，可以通過 Bias-Tee 在交流信號上疊加一個直流偏置，最后加載于 LED 進行發送。在接收端，光電二極管（PD）將光信號轉換成電信號，通過放大器、濾波器等后，用模數轉換器（ADC）進行采樣,完成信號同步后進行 FFT（Fast Fourier Transform）、信道均衡等數字信號處理，相應的頻域數據被解調出，最后通過 QAM 反映射，得到接收數據的比特流。34 圖5-13 OFDM-VLC系統框圖18 5.2.4 無載波調制 20 世紀 70 年代，貝爾實驗室提出無載波幅度相位調制（CAP），這種高階調制方式本質上是變種的 QAM 調制。相比 QAM 調制，CAP

93、調制不需要本地晶振，只需要在系統中加入數字 FIR 濾波器即可，稱為無載波幅度相位調制。CAP 的調制和解調只需一對濾波器，同向濾波器和正交濾波器滿足時域正交條件，組成一對希爾伯特變換對，因此具有較低的復雜度。與 OFDM 相比，CAP 不需要 FFT 和 IFFT 操作，且具有較小的峰均比（Peak to Average Power Ratio,PAPR）19。與 PAM 調制相比，實現傳輸相同比特速率情況下，CAP 信號處理速度為 PAM 一半，因此硬件實現復雜度更低20，因為 CAP 是二維調制，而 PAM 是一維調制。CAP 調制應用于可見光通信，有助于系統頻譜和能量效率的提升21-2

94、2?；诓捎肐M/DD 的可見光通信系統，要求信號為非負實信號，利用 DCO-CAP 及 Flip-CAP 和U-CAP 三種調制方式，將雙極性的實值信號轉換為單極性正值信號。單極性處理的方法一般有以下三種23：1）DCO-CAP：在交流信號上添加直流偏置，仍為負值的信號可以通過做限幅處理變換為單極性信號；2）Flip-CAP：將一幀信號擴展為兩幀，第一幀為“正模塊”，保留正值，負值歸零，第二幀中將負值翻轉、正值歸零，稱之為“負模塊”；3）U-CAP：對信號進行極性編碼。用兩位編碼來表示一位時域值，一位是數值位，即原信號的絕對值，另一位是符號位，可以用 0 所處為位置來表示。例如，0 位于數值

95、位后面，代表正值；0 位于數值位前面，代表負值。被編碼后的信號進入數模轉換35 器（D/A）變為模擬信號，加載到 LED 上進行傳輸。CAP 調制技術原理框圖如圖 5-14 所示，利用兩個正交的濾波器將兩組不同的數據流合并傳輸。數據經過 QAM 星座圖映射后，進行上采樣，轉化成 I、Q 兩路實數信號，I、Q 兩路數據流分別通過對應的同向濾波器和正交濾波器進行成形濾波，最后兩路數據在時域進行疊加。與 OFDM 相比，CAP 具有以下優勢：由于將信息調制到兩路正交信號上，調制簡單；發送信號為兩路之和使其峰均值比低；不需要完成 FFT/IFFT 計算，系統復雜度低。不足之處在于，CAP 的抗頻率選擇

96、性衰落能力不高，均衡器受信道變化影響較大。圖5-14 CAP調制原理框圖24 5.2.5 顏色調制 顏色調制包括色移鍵控（CSK）和顏色強度調制（Color Intensity Modulation，CIM）等，是利用多色光源不同波長的光同時攜帶多個數據流來獲得系統數據率的提升。（1）CSK 調制在 VLC 研究早期，白光 LED 主要是通過單色 LED 芯片加熒光粉來合成白光。這種白光 LED 制作簡單，價格便宜，被普遍使用。不足之處是，白光 LED 的帶寬受限于熒光粉。第二類白光 LED 就是 RGB LED，這種 LED 通過封裝紅、綠、藍三色 LED 芯片，將發出的紅、綠、藍三色光混合

97、成白光。RGB LED 由于沒有熒光粉參與發光，發光狀態轉換速率更快，使得VLC系統有更高的傳輸速率。與熒光LED相比，RGB LED最大的缺點就是價格昂貴，但是隨著工藝和技術的發展，它的制作成本正逐漸下降。對 RGB LED 中的三種顏色實現單獨控制，是 CSK 調制方式實現的基礎。36 CSK 作為第三種調制方式，成為 IEEE 802.15.7 近距離可見光通信標準，最高速率為 96Mbps。CSK 調制是使用 RGB LED 光源中三種顏色的強度來實現的。CSK 取決于顏色空間色度圖，如圖 5-15 所示。色移鍵控系統的示意圖如下圖 5-16 所示。信號經過預均衡輸入到 RGB 三種

98、LED 燈中，混合 RGB 3 色，LED 燈輸出更加均勻的顏色。CSK 不同于傳統的基于強度調制的 IM/DD 調制方式，不同的符號通過不同的顏色進行表示，每個符號都由一組色度值來表示。CSK 系統的調制過程包括兩個部分。首先是顏色編碼（Color Coding），數據流中的每個符號按照星座圖映射關系轉換成相應的色度值。針對于每一種顏色的色度值，計算得到其對應的三色刺激值。在色度圖中，在選定的三點所構成的三角形內部其余顏色，均可通過選定的這三種顏色按照一定比例混合出來。RGB LED 內部含有三原色，通過計算得到各自的發射功率。信號經過信道，進行濾波輸出后，被 3 個接收器接收，通過符號檢測

99、估計出發送符號2526。LED中不同顏色光按不同比例混合后，可以獲得不同顏色的光。室內照明要求是一定顯色度的白光，也有一些場合會要求照明光偏紅色或者偏藍色。在通信的情況下，信號變化的速度遠高于人眼對顏色變化的速度，故在星座圖的設計時只需對符號 RGB 3 色的平均值進行限制即可。圖5-15 CIE 1931顏色坐標 37 圖5-16 色移鍵控系統27（2）CIM 調制CIM 又稱光學相機通信（Optical Camera Communication，OCC）或圖像傳感器通信（Image Sensor Communication，ISC），與前面的調制方式不同，它適用于采用LED 陣列光源或屏幕

100、發射，并通過 CMOS 傳感器接收光信號的可見光通信系統。由于發送端和接收端都是陣列，CIM 調制的可見光通信系統實際上是多維度 MIMO 通信系統?？紤]系統在 RGB 色域上分別支持(,)RGBLLL階強度的信號調制，共有()RGBLLL階調制強度，構成頻帶效率為2log Mbit/s/Hz的輸入信號。CIM-MIMP系統框圖如圖5-17所示。在發射端，將同步序列和訓練序列經串并聯轉換后插入數據流，再由單片機將調制后的信號加載到 LED 陣列中。在接收端，智能手機的圖像傳感器用于連續捕獲圖像。由于智能手機的計算能力有限，捕捉到的圖像會被無線發送到云端進行各種處理。連接云和智能手機的無線通道可

101、以是 WiFi 或蜂窩網絡鏈接。在云計算中，數據符號經過霍夫圓檢測、透視校正、信號檢測、幀同步和訓練序列檢測后實時解調。然后，云將解調信息無線發送到智能手機，智能手機實時顯示解調信息。通常 OCC 系統的傳輸速率較低，但是采用高分辨率的 CMOS、傳感器，OCC 系統的傳輸距離可以達到公里級。此外，由于收發端器件都是不以通信作為目標的，它們各自的電氣特性及器件噪聲將較大地影響通信系統性能。38 圖5-17 CIM-MIMP系統框圖28 5.3 編碼技術 編碼的內容主要包括三個方面：i.差錯控制編碼（Error-control Coding），又稱為信道編碼（Channel Coding），保證

102、數字信息傳輸和處理的可靠性；ii.信源編碼（Source Coding），提高信息傳輸、存儲處理的有效性；iii.加密編碼（Data Encryption），目標是增加數字信息傳輸、存儲的安全性。為了提高通信質量，在無線可見光通信中也需要編碼技術。在可見光通信中，信道編碼需要滿足帶寬要求和復雜性要求，提高編碼增益，保證傳輸誤碼率使編碼效率達到最佳，能糾正隨機錯誤、突發錯誤以及兩者混合的錯誤?，F有研究已經將常用的信道編碼如 RS（Reed Solomon）碼、卷積碼、Turbo 碼和LDPC（Low Density Parity Check，LDPC）碼等應用到可見光通信中，也有研究聯合 RS碼

103、和卷積碼，形成級聯碼，作為可見光通信的信道編碼29。從糾錯性能來說，Turbo 碼和LDPC碼優于RS編碼和卷積碼；從實現角度看，RS編碼和卷積碼的解碼器結構復雜度低，運行速度快，實時性好，能夠滿足可見光通信的要求3132?？梢姽馔ㄐ艠藴蔍EEE802.15.7 的 PHY I 層規定信道編碼：外碼為卷積碼，內碼為 RS 碼的級聯碼；PHY II 層規定的信道編碼為 RS 碼，PHY III 層的信道編碼是 1/2 RS（64,32）碼。39 表5-2 IEEE 802.15.7 物理層標準13 Modulation RLL code Optical clock rate FEC Data r

104、ate Outer code(RS)Inner code(CC)OOK Manchester 200kHz(15,7)1/4 11.67kb/s(15,11)1/3 24.44 kb/s(15,11)2/3 48.89 kb/s(15,11)none 73.3 kb/s none none 100 kb/s VPPM 4B6B 400kHz(15,2)none 35.56 kb/s(15,4)none 71.11 kb/s(15,7)none 124.4 kb/s none none 266.6 kb/s 為了使可見光通信系統在各種典型的應用場景、不同譜段下獲得相應的最佳性能，除了考慮 BCH

105、/Turbo/LDPC 等編譯碼方法其錯綜復雜的交織機理和對編碼調制系統性能影響，還需要綜合傳輸距離、誤碼性能、吞吐率、延時、復雜度等多方面在可見光通信系統中的要求，通過最優化理論得到包括最優調制和編碼方式的選擇、星座圖旋轉角度的大小、碼字的構造等整體最優的自適應編碼調制方案。在室內可見光通信中，關于信道編碼，尚未形成相應的標準，信道編碼影響著可見光通信系統的傳輸能力、LED 非線性的補償能力。由于 LED 由多燈芯疊加傳輸的結構，LED 燈芯數目不同、傳輸效率差異，對信道編碼提出了碼率自適應調整、編碼增益大等要求。以下為兩種適合 VLC 前端編碼要求的編碼方式。i.二元域多速率 Hadama

106、rd 變換陪集碼?；?Hadamard 變換的陪集編碼方式，進行系統各燈芯的編碼速率自適應改變來適應電信號處理過程，從而提升系統的有效性。接收端基于邏輯似然率的軟輸入軟輸出的迭代譯碼方式，進一步提升系統的可靠性。ii.二元域塊 Markov 疊加傳輸塊馬爾科夫疊加傳輸 BMST（Block MarkovSuperposition Transmission）方式33。分組馬爾科夫疊加傳輸是一種新型的高性能傳輸技術，思想是利用信息論中多用戶場景下疊加編碼的思想，將其應用于單用戶的點對點場景中，也就是利用簡單碼或者增益很大的好碼。二元域塊和 Markov 疊加疊加傳輸具有很多優勢，如性能下界簡單，

107、碼率在線可調，多元碼適用，多種信道和多種調制方式適用等。因而，可以基于以上編碼方式研究適用于可見光通信技術的編碼方式。在線路編碼方面，mBnB碼是一種高效率的冗余二進制分組碼，具有功率譜形狀較40 好、直流分量小、沒有基線漂移問題、提供可靠的誤碼監測和字同步手段等優點。關于室內可見光通信的分組編碼方式，需要通過進一步研究以提高系統性能。5.4 均衡技術 白光 LED 的調制帶寬窄的問題嚴重限制了信號傳輸速率及信道容量，成為可見光通信發展的瓶頸。為了克服 LED 的低通特性造成的帶寬限制，學者們進行了多方面的研究。均衡技術從實現方法可以分為數字均衡和模擬均衡。數字均衡為使用數字信號處理的方法完成

108、均衡，而模擬均衡則是進行模擬均衡電路的設計。從在通信鏈路實現的位置看，可以分為預均衡和后均衡。預均衡是在發送端對 LED 頻響特性進行預均衡，后均衡則是在接收端進行干擾的均衡。當通信鏈路中所使用的器件確定時，LOS 鏈路的信道響應也是確定的。因此，根據己測得的信道響應，預均衡算法可以按照要求選定?，F有的預均衡技術有兩種設計方案：使用模擬電路補償信號的衰減或者利用數字信號處理模塊設計符合要求的 FIR濾波器34。后均衡技術，又分為時域均衡和頻域均衡。時域均衡從時域的沖激響應考慮，使整個系統的沖激響應（包括均衡器），滿足無符號間干擾的條件；頻域均衡從頻域響應考慮，使包括均衡器在內的整個系統的總傳輸

109、函數，滿足無失真傳輸條件。系統接收端的自適應均衡一般是用有限長濾波器來實現的。濾波器根據輸出與輸入的關系，可分為線性和非線性均衡。線性均衡結構下，濾波器的輸出僅與輸入信號存在線性關系，例如線性橫向均衡器和線性格型均衡器。非線性均衡結構下，濾波器的輸出與輸入信號存在非線性關系，例如判決反饋均衡器與最大似然序列均衡器。在線性橫向均衡器上加入反饋均衡成為判決反饋均衡器（DFE）22，而基于最大似然準則（MLSE），把信號空間中與其距離最小的信號序列判為輸出的為最大似然序列均衡器。在信道頻率響應比較平坦，碼間干擾較小的情況下，可以優先選用復雜度較低的線性均衡器；在非平坦信道或者碼間干擾比較嚴重的信道，

110、采用非線性均衡器效果更佳。5.4.1 線性均衡器 線性均衡器中三種比較經典的算法，包括維納濾波（Wiener）、歸一化最小均方誤差方（NLMS）和最小遞歸二乘法（RLS）35。41 Wiener 是一類基于矩陣運算的線性最優離散濾波器，實現復雜度很高。均衡的目標是使得發送信號與均衡后信號的均方差誤差最?。?min()()2()()()()()()()TTHTeeeE J nE sns n hn x nhn x n xn hn(1-6)對上式求偏導后，可以直接推導出均衡器的矩陣形式如下。1()exxsxh nRR(1-7)其中xxR是接收信號的自相關矩陣，即均衡器輸入信號的自相關矩陣，sxR是期

111、望信號和輸入信號的互相關系數。NLMS，本質是一種性能改良的 LMS 均衡器，算法簡單，易于硬件實現，并且克服了傳統 LMS 算法中，當輸入向量變大時的誤差放大的缺點。NLMS 是歸一化的 LMS算法，梯度下降步長向量相對于抽頭輸入向量的平方歐式范數進行了歸一化，可以NLMS 看做變步長參數的 LMS。對于不相關數據和相關數據，NLMS 都要比 LMS 有更快的收斂速度。均衡系數的更新，采用的是反向傳播算法梯度下降原理，即在每一個位置求出當前位置的代價函數的梯度，每次都順著坡最陡的方向往下走一步。(1)()()eeh nh nJ n(1-8)其中()eh n為均衡抽頭向量，為步長，()J n誤

112、差梯度。RLS 算法利用了數據相關矩陣的逆，相當于對輸入數據進行了去相關，本質是最小二乘法的迭代求解形式，收斂速度較 LMS 快一個數量級，這些性能的改善以算法的復雜度為代價。和 NLMS 算法一樣，RLS 也是迭代算法，但是 RLS 和 NLMS 最大的區別是 RLS 的代價函數是均方誤差的指數加權和。22111min()()()()()nnn in iTeiiJ ne is nhn x n(1-9)其中為遺忘因子，是誤差函數加權因子，引入它的目的是，以不同的權值n i來表示不同時刻的誤差，越接近當前時刻，權值越大。因此對于變化較快的輸入信號，該算法具有較好反應能力，且具有較快的收斂速度。取

113、值范圍為01，越接近 1 信號越平穩，越小適應非平穩信號的能力越強。RLS 和 NLMS 算法的不同之處在于，RLS 是基于最小二乘法的快速迭代算法，而LMS/NLMS 是基于隨機梯度下降思想。隨機梯度下降及高斯牛頓下降法收斂速度慢，因此RLS比LMS/NLMS具有更快的收斂速度，NLMS由于歸一化因子的存在，比LMS收斂得更快。42 5.4.2 非線性均衡器 DFE 是一種非線性結構均衡器，有較好的 ISI 去除能力，目前已在無線通信中得到了廣泛的應用。一個典型的自適應 DFE 均衡器結構如下圖 5-18 所示，它是由前饋結構和后饋結構兩部分構成，兩者本質是兩個橫向的均衡器，輸入的符號和反饋

114、回來的判決后的符號作為均衡器的輸入，構成環路。前饋結構用于去除信道引入的 ISI，后饋結構用于后向符號引起的ISI。VLC信道是緩慢變化的，故采用的是一個自適應的DFE均衡器器，由于系數更新模塊的存在，均衡系數隨著誤差的變化而自適應調整36。圖5-18 自適應DFE均衡結構示意圖36 圖5-19 不同數字均衡算法下的星座圖36 Volterra 級數是一種泛函級數，可以看作是一個帶有記憶能力的 Taylor 級數，經常被用于時不變非線性系統的建模和分析。在可見光通信中，可以在信號處理過程中引入 Volterra 級數，來處理 LED 的非線性高次諧波失真。Volterra 級數利用核函數與系統

115、43 輸入的高階卷積級數獲得系統的輸出，將非線性系統的辨識問題轉化為如何求解各階Volterra 核系數的值，進而可以利用線性系統中所用到的方法來解決非線性系統中的問題。以上提到的自適應均衡技術，均為帶訓練序列的均衡技術，但訓練序列會占用部分信道容量。為提高帶寬利用率，盲自適應均衡技術被關注。盲自適應均衡不需要訓練序列，僅利用所接收到的信號完成對信道的均衡。與傳統的自適應均衡技術相比，盲均衡算法的不同之處在于以非凸函數為代價函數，而傳統的均衡技術以 MSE 為代價函數。與 MSE 相比，非凸代價函數的條件更弱，可以在所有發射信號未知時，通過特定信號獲得發射信號的統計最小值。非凸代價函數很好的描

116、述了碼間干擾的程度。盲均衡算法代價函數與自適應均衡算法的代價函數不同，因而兩類算法極值點不同，對于盲均衡算法而言，最小化 MSE 的抽頭位置不準確，性能無法達到最優。盲均衡算法實現形式很多，盲均衡算法大致可以分為以下三類37：1)基于隨機梯度的 Bussgang 盲均衡算法；2)基于信號高階或循環統計特性的盲均衡算法；3)利用最大似然函數、熵或散度，基于信息論中最大互信息量的盲均衡算法。在以上三種盲均衡算法中，基于最大似然的盲均衡算法和基于高階或循環信號統計的盲均衡算法，計算復雜度大，但是性能較好。由于可見光通信的信道相對比較穩定，采用 Bussgang 盲均衡算法即可達到不錯的性能，是兼顧性

117、能和復雜度的不錯選擇。對于可見光通信信道而言，如果傳輸的信號帶寬遠遠大于 LED 的 3dB 帶寬，將會導致嚴重的碼間干擾。一般而言，常用的時域均衡主要有線性橫向均衡、判決反饋均衡、分數間隔均衡以及自適應均衡。對于 OFDM 系統，接收端一般采用頻域均衡，信道響應在一個符號內保持不變，可以保證設計系統時循環前綴的長度大于信道的最大多徑延遲，即單抽頭結構的頻域均衡就是其最佳的均衡器。此時均衡的本質是，通過循環前綴的加入和移除操作，將信道矩陣轉換為循環矩陣，只需在頻域上進行對信道直接補償即可恢復出發送端的頻域信號。因此，OFDM 的均衡包括信道估計和信道補償兩個部分?？梢姽庑盘杺鬏敃r可利用時間、空

118、間、波長、碼字等多維資源，但也由于傳輸環境造成的畸變，使得信號在接收端檢測變得困難。針對可見光信號無線多維傳輸信道，需要分別針對時域、頻域、空域碼間串擾的均衡和信號檢測方法3839。在時域44 中，由多徑效應造成的碼間干擾，可以采用時域均衡算法消除；對于多載波 OFDM 調制和傳輸信道在各頻段的響應中的干擾，可以采用頻域的多通道均衡；對于空間MIMO 多維子信道，可以利用接收端多路信號的矩陣結構化信息，進行矩陣空間的均衡，降低相關性。聯合面向多維資源的均衡方法和信號檢測方法，可以實現綜合優化。5.5 多址與復用技術 復用技術是在互不干擾的前提下，讓多個信息源共同使用同一個物理資源（比如一條物理

119、通道）。利用可見光通信具有寬光譜特性和大規模接收陣列的特點，可設計實現多域多維的光信號的復用增益。常用的復用技術有頻分復用（Frequency Division Multiple，FDM）、時分復用（Time Division Multiple，TDM）、碼分復用（Code Division Multiple，CDM）、波分復用（Wavelength Division Multiple，WDM）等。圖5-20 復用示意圖 多址技術，用來區分不同用戶的一種技術，用戶的地址之間互不干擾，滿足相互正交。與復用技術對應，常用的多址接入方式有頻分多址（Frequency Division Multipl

120、e Access，FDMA）、時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）、正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）、波分多址（Wavelength Division Multiple Access，WDMA）等。多址和復用的不同之處在于，多址技術是用不同的地址來區分用戶，這個地址可以是時隙、頻率、波長、碼字等，復用是指用戶利用資源的方式。簡單來說，復用針對資源而言，多址針對用戶而言，但多址需要復用來

121、實現。5.5.2 頻分復用與頻分多址 頻分復用，指發送端將所發送的信號調制到不同的載波頻率上，將不同頻率的數據合成在同一信道發送，在接收端再將其分離。由于正交性，使得不同信號的干擾得45 以避免。在可見光通信中，就是將 LED 的帶寬劃分為不同的子頻帶，不同的子頻帶按照一定的分配準則，分配給不同的用戶。每個用戶分配到一定的頻帶后，通信時一直占據著自己的頻帶，即每個用戶占用的是不同的帶寬資源（帶寬資源指的是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。在頻分多址技術中，每個用戶占用不同的頻段，通過頻率來區分用戶，因為各個用戶使用著不同頻率的信道，所以相互沒有干擾，多用戶可以同時通信。由于其易應用、信道分配復雜

122、度低的優勢，被第一代移動通信系統應用。OFDMA 技術，利用了 OFDM 子載波的正交性，具有比 FDMA 更高的頻譜利用率，能夠有效抵抗碼間干擾。OFDMA 技術廣泛應用于第四代移動通信系統中。圖5-21 頻分復用示意圖 5.5.3 時分復用與時分多址 時分復用，是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀，每個幀又等分成時隙給用戶使用，每個時隙周期性地出現，信號在不同的時隙中進行傳輸。每個時隙由多個發送端中的一個發送端傳輸信號，其周期就是時分復用幀的長度。相比較頻分復用，時分復用是在不同的時間占用相同的頻帶寬度。由于各個時隙間是正交的，因此這些信號之間干擾被消除。時分復用的傳輸機制如圖 5-22

123、和圖 5-23 所示。46 圖5-22 時分復用示意圖 由時分復用的概念可知，當某段時間內，時分復用的某個時隙暫時無數據傳輸時，則會該子信道（時分復用幀中的時間片）空閑，這樣就會浪費線路資源，如下圖5-23所示。從圖中可以看出，第一個時分復用幀中時隙A、B被使用，第二個時分復用幀中時隙B、C 被使用，第三個時分復用幀中只有時隙 C 被使用，第四個時分復用幀中時隙 A、D 被使用，資源利用率低。圖5-23 時隙分配 TDMA 技術，每個用戶通過分配不同的時隙，來區分不同用戶的信息，不同用戶只能在不同時間內分別通信，其缺點是同步開銷大，信道均衡要求高。應用于第二代移動通信系統。5.5.4 波分復用

124、與波分多址 多色光源可以通過融合多種原色光，使得 LED 發出不同顏色的光。白光就可通過紅綠藍三原色合成。通過在不同波長的光上調制不同的數據，在接收端經過不同波段47 的濾波片后，將不同波段的信號進行分離，實現波分復用增益4041。波分復用原理示意圖如圖 5-24 所示。圖5-24 波分復用原理圖42 三個不同光源的信號，經過放大器后，在Bias-Tee處混合上直流偏置后，加載到不同顏色的 LED 上，三種不同顏色的光在空間混合產生白光，經過不同波長的濾光片濾波之后，由光電轉換器轉換成電信號以后由 ADC 采樣，然后由后端或者離線處理。紅綠藍的三色頻譜和接收端信號的頻譜如下圖 5-25 所示，

125、三色光譜可以通過不同波長的濾光鏡（380nm-480nm，480nm-580nm，580nm-780nm）濾光進行分離。濾光片的要求包括：帶內頻響平坦、帶外插入損耗變化陡峭、有效隔離其它顏色、高透射率等。濾光片的性能對于整個系統是至關重要，直接關系到系統不同信道之間的串擾能否得到有效抑制。圖5-25 RGB-LED頻譜43 同樣為滿足照明的需求，多色 LED 在調制多路信號在空間混合時，混合光需要滿足整體合成光的色調。麥克亞當橢圓描述了人眼對于色品的分辨力，人眼無法區分同一麥克亞當橢圓中的兩個顏色。在設計時可以通過將不同顏色 LED 上合成光不超出麥48 克亞當橢圓邊界這一約束，來滿足對合成光

126、的要求。在接收端，不同顏色光的光電轉換效率存在差異，接收信號能量不同，可在解調過程中通過給不同顏色的光賦予不同的權重，來提高系統性能。WDMA 技術，通過不同的波長來區分每個用戶，在接收端可以分別接收解調。值得注意的是，頻分復用所復用的是時隙、空間和碼，劃分的是載波帶寬（頻率上區分信道），即在同一時隙、同一空間、同一個正交碼的情況下，將一個載波帶寬劃分為相互區別的、多個不同頻點的子信道，分別傳送不同的信號。對于其余幾種復用方式相似。表5-3 復用技術 類型類型 可復用的資源可復用的資源 正交資源正交資源 頻分復用 時隙、空間、碼 頻率 時分復用 頻率、空間、碼 時隙 碼分復用 時隙、頻率、空間

127、 正交碼 空分復用 時隙、頻率、碼 空間 下面是對幾種多址接入技術的優缺點做了一個總結。表5-4 幾種多址技術的比較4446 多址技術多址技術 FDMA TDMA CDMA OFDMA WDMA 容量 小 中 高 高 中 挑戰 低靈活性 同步開銷大 效率較低 高復雜度 資源分配 復雜 標準 AMPS GSM WCDMA；CDMA2000 4GLTE 基于包括TDMA、FDMA、CDMA在內的電復用和包括 WDMA、SDMA的光復用多址接入技術，可根據用戶所在位置、角度、用戶密度、移動性等，基于實時測量和統計信息，構建多用戶行為和信道變化的預測模型，在多光源、多區域協同場景下，探索多用戶效用理論

128、極限和干擾協調機制，進一步探索最佳的多址接入方案，以實現連續均勻無縫覆蓋。49 5.6 MIMO 技術 MIMO 技術通過空間復用可以實現在有限帶寬上進行高速通信，是未來高速可見光通信的重要技術。MIMO 技術使用多個發射機發送數據和多個接收機接收數據，在不增加頻譜資源的同時擁有更高的傳輸容量。MIMO 技術在很大程度上可以克服由于可見光通信較強的方向性，造成的通信鏈路被室內人員走動、家具阻礙而中斷通信的問題。在可見光通信中，關于 MIMO 系統的研究包括多點漫射（Multisport-Diffuse,MSD）MIMO、像素化 MIMO、非成像接收機 MIMO 和成像接收機 MIMO47。5.

129、6.1 MSD-MIMO48 MSD-MIMO 是一個混合的系統，聯合利用了視距鏈路和非視距鏈路的特性和優勢，因而不需要發射機與接收機的嚴格對齊，可以抵抗遮擋引起的鏈路中斷，但需要的發射功率相對較高。在室內可見光通信中，使用漫射鏈路的 MIMO 系統傳輸數據時，由于表面的反射，漫射鏈路的性能會由于時間彌散而變差49。在 MSD-MIMO 系統中，發送端發射多個窄波束照亮某個小區域，來自視場角內不同漫射點的光信號，被多單元方向分集接收器接收。通過適當的設計，MSD-MIMO 鏈路是單一路徑的漫射點，不受多徑信號影響。由于系統中的鏈路使用來自墻面或者天花板的漫射鏈路，為非視距鏈路，因而需要較大的發

130、射功率。圖5-26 MSD-MIMO鏈接阻塞示意圖47 由于這樣特殊的通信方式，MSD-MIMO 通信系統的收發機具有特殊要求。發射器中微單元需要有均勻的照明度和大的偏轉度來保證良好的覆蓋區域。這兩個要求可以通過在鏈路中加入聚光器和光帶通濾波器實現。聚光器起到增加接受光功率的作用，帶通濾波器用來濾除噪聲。接受器總的視場角則需要保證足夠大以確?？梢愿采w足夠的漫射點，使得部分漫射鏈路阻斷時，依然可以保持通信。對于單個接收器而言，視場角則越窄越好，使得光噪聲得以抑制。50 5.6.2 像素化 MIMO 點到點的 MIMO，也就是像素化 MIMO，發送端通過二維光陣列發送編碼成像序列來傳輸高速率數據，

131、接收端通過成像檢測器來獲取二維圖像。全息圖像存儲、二維條碼以及 MIMO 無線光鏈接等都是二維光強度信道的應用50。圖 5-27 為像素化 MIMO系統示意圖。圖5-27 像素化MIMO系統示意圖47 發射器為空間光調制器，輸出光強度空間分布。傳輸圖像幅度要受到非負和功率的聯合約束，即發射信號的光強度為非負值以及圖像的最大平均幅度受平均光功率的限制。接收機捕獲發射器圖像，輸出一個描述接收端光功率空間分布的電信號，可以通過成像棱鏡在檢測器陣列表面形成聚焦的圖像。像素化 MIMO 傳輸和檢測包含大量像素的一系列圖像，可以提供短距離、高速率無線光鏈接。像素化無線光信道可以提高頻譜效率，它利用了發射器

132、和檢測器像素之間固有的空間自由度。像素化無線通信也可以應用在可見光通信中，由于其高頻譜效率，像素化無線光鏈接在短距離室內光通信中十分具有前景。5.6.3 非成像 MIMO51 非成像接收機 MIMO 系統如圖 5-28 左圖，使用多個發射 LED 和多個接收 PD，原理框圖如圖 5-29 所示。系統的輸入為串行的數據流，在接收端轉換為與發射器數目一致的并行數據流。在接收端，接收機的信號都包含視距和非視距兩種信號。非成像接收機 MIMO 系統特點是配置直接、簡單，它的缺點就是在發射 LED 對稱的區域內MIMO 信道的相關性較強，破壞了 MIMO 的空分復用特性。51 圖5-28 非成像和成像M

133、IMO系統示意圖47 圖5-29 非成像MIMO可見光系統框圖52 5.6.4 成像 MIMO 使用非成像 MIMO 系統時，得到的信道矩陣 H 是對稱的，而不是可逆的矩陣，這是不實際的52。此外，非成像系統接收端每個接收單元使用一個聚光器，成本高、體積大，故而提出成像分集光 MIMO 系統，如圖 5-28 右圖。成像 MIMO 系統框圖如圖 5-30 所示，通過光學成像方式實現收發端的分集復用，接收機通過成像圖上的像素點完成多數據流的接收。由于發射機和接收機一一對應，因此并可以直接進行 MIMO 的解復用，不需要額外的數字信號處理算法。不足之處在于，接收端與發射端需要嚴格的對準，但是傳輸距離

134、的改變或者角度的改變，都會導致接收端不能正確解調數據，因而對于移動性較大的系統來說是巨大的挑戰52。當一個成像接收器信號無法恢復時，可以從空間其余發光單元中獲得解碼數據，因為可以使用成像接收機保證 H 矩陣可逆。MSD-MIMO 和像素化 MIMO 系統都有很大概率因陰影而導致通信中斷；像素化MIMO 系統適用于二維信號的傳輸，即圖像傳輸和圖像檢測；非成像接收機 MIMO 信道矩陣不是滿秩，無法解調出原始信號，無法實際應用。當前的研究主要集中在成像52 接收機 MIMO 系統，以解決信道矩陣不滿秩和系統復雜性問題。圖5-30 成像MIMO可見光系統框圖52 在可見光通信中，通常采用強度調制與直

135、接探測（IM/DD），隨著對數據傳輸速率要求的提升，碼間干擾的影響日益顯著，系統的性能嚴重惡化。由于 LED 的調制帶寬較低，單個 LED 無法實現高速通信，自然地，我們將 MIMO 技術應用到可見光通信中，以實現在不增加頻帶的情況下實現高速的數據傳輸。因而在高速通信中，使用MIMO-OFDM 調制技術，以減少碼間串擾5455。由于忽略了信號的頻率和相位信息，接收端檢測器的尺寸遠大于波長，使得 MIMO 信道的空間相關性較強，造成信道矩陣嚴重缺秩，難以獲得空間復用增益，影響傳輸速率?？梢姽庑盘柧哂懈呦嚓P性、發散性以及光源之間干擾較強等特點。因此，如何在接收端結合光學處理和光電接收陣列檢測器，設

136、計空間解相關算法，獲得高的空間復用增益，是需要攻克的難點。目前，大規模 MIMO 技術是可見光通信中進行超高速率傳輸的備選技術之一，通過發送端的大規模 LED 陣列和接收端大規模 PD 陣列，實現數百 Tbps 的傳輸速率。但是由于光信道的特殊性，有別于傳統的無線通信，可見光通信具有以下兩個特殊問題，即信道相關性高和傳輸信號、信道元素非負性的特點，需要快速有效的編碼和檢測算法。5.7 本章小結 本章主要闡述了實現可見光通信的關鍵技術，包括可見光通信信道建模、調制技術、編碼技術、均衡技術、多址與復用技術以及 MIMO 技術。隨著可見光通信關鍵技術的突破，可見光通信速率飛速提升，產業化進程加快。5

137、3 第六章 可見光通信面臨的問題與挑戰 可見光通信技術是一項前沿的學科間交叉技術。該技術的發展有著自身的特點：一是發展歷程長，二是廣泛應用難。自 2000 年日本學者提出利用 LED 燈作為通信基站的室內通信系統以來，可見光通信已歷經近二十年的開拓期。對比當前普及的 WiFi 和藍牙技術，可見光通信在市場價值上依然未得到合理的體現和產業化發展，根本原因是可見光通信技術依舊面臨幾個重大挑戰。6.1 新材料與新器件 在可見光通信中，LED 的響應頻率決定了系統的調制帶寬。LED 的調制帶寬主要受有源區載流子復合壽命和 PN 結電容的影響。LED 燈珠在 10dB 帶寬為小于 20MHz，而且有很強

138、的非線性效應。如何提高 LED 的響應頻率和拓展其帶寬是實現高速可見光通信必須解決的難題之一。當前的商用大功率白光 LED 主要用于照明領域，內部結構相對簡單，并沒有考慮通信系統的需求。而且，LED 的調制帶寬主要受自身結構所限，不同廠家在 LED 生產所用材料和生產工藝不同，因此調制特性存在較大差異。因此未來如何研發和生產出兼顧發光效率和帶寬的大功率 LED,是可見光通信大規模應用的重點之一。圖6-1 高速可見光通信系統在器件上的挑戰 可見光通信的發射機和接收機近年來被廣泛關注，主要的挑戰如圖 6-1 所示。LED和LD是目前主流的發射機，LED被用作發射機主要是因為它的易耦合性、安全性以及

139、低成本，但是現有的廉價商用 LED 的 3dB 帶寬小于 100MHz，無法滿足高速通信的需要。LD 作為發射機主要是因為激光具有相干性，所以天然地擁有大于 Giga 赫茲的帶寬，但是其在使用的時候耦合對準較難且具有散斑效應，同時對于人眼的安全性也存在潛在的威脅。54 在可見光通信接收器件中，光電探測器實現光電信號的轉換。光電探測器的選取包括靈敏度、響應度和量子效率等參數，也包括性價比，可靠性和與硅微電子的兼容性等性能特點。PIN光電二極管是目前成本較低的主流探測器，但其靈敏度低，不能進行遠距離通信且響應帶寬有限。APD 雪崩二極管是利用雪崩效應以提供較大放大倍數的光電二極管。雖然它的接收靈敏

140、度很高，但是引入的噪聲也同樣很大，不適用于對信噪比要求高的應用場景中。在目前商用的接收機中，如果想要增大接收機的調制帶寬，其噪聲系數必然增大，與此同時光敏面的面積也會相應縮小，這為接收機端的光學天線帶來了嚴峻的考驗。單片集成硅光接收器因為波長響應范圍和工藝方面的諸多優勢成為硅光電探測器的主流。對于可見光通信，硅基探測器靈敏區域位于紅外波段，藍光波段光電效率低。高速可見光通信亟待實現光電芯片層面的物理性進展。因此，需要研制新的適用于未來高速可見光通信的發射機與接收機，以滿足大帶寬、低成本、易耦合、高靈敏度等需求。二維材料是一種新型材料，涵蓋了從導體、半導體、超導體到絕緣體，性能應用也從最初的電子

141、輸運性質,拓展到光電器件、自旋電子器件和新興柔性微納電子器件、谷電子器件、量子器件，一直到后來的傳感器、可穿戴設備、光通訊、新能源等諸多方面。在可見光通信中，二維材料既可以應用在發射器件中，也可以應用在接收器件中。在發射器件中，二維材料可以作為 LED 的電極或外延生長緩沖層以提高 LED 的性能，可以用于 LED 的散熱以提高 LED 的穩定性，還可以用于制備微型、柔性、高集成化的新型光發射器件。在接收器件中，二維材料也可以用于制備微型、柔性、高集成化的新型光接收器件。二維材料在可見光通信領域的應用仍然有著很大的提升空間，同時也存在著諸多的挑戰，不論是材料的制備還是器件的設計優化以及應用的開

142、發。6.2 可見光通信異構組網 在未來應用中，可見光通信與其他通信方式的異構融合是必不可少的一步，如圖6-2 所示，如何將可見光系統成功接入現有通信網絡、發揮其優勢并支撐室內多用戶大容量通信，是未來可見光發展的又一大挑戰。復旦大學于 2014 年成功實現了 25 km 光纖與 75 cm 可見光組網，通過 32QAM-OFDM 調制方式實現了 8Gb/s 總吞吐量，可同時支持8個用戶的接入。這一實驗證明了可見光系統可以兼容目前的骨干網，成為接入網中一種大容量的無線通信方式。55 圖6-2 高速可見光通信系統在異構組網上的挑戰 但是在實際運用當中，可見光異構組網依舊存在很多亟待解決的問題。首先是

143、可見光通信的上行鏈路問題，若以可見光的方式回傳，對于移動端的功耗要求太高。此外，上下行光路之間可能會互相干擾，實用化光通信在鏈路上需要兩個基本條件：上下行鏈路完整性以及鏈路穩定的暢通性。首先，LED 可見光雙向通信的信道包括上行和下行。下行鏈路采取非定向傳輸。如果采用同樣的可見光方式，因發射的 LED 光不需要照明所以功率較低。因此下行鏈路對上行方向的光覆蓋和干擾，以及聚焦準直方面都會產生影響。在通常的應用中，上行信號需要采用紅外，射頻等其他技術來實現。其次，在鏈路暢通方面，可見光不能像 WiFi 那樣繞射和穿墻。在可見光通信系統中，為避免由于人和物體的遮擋在接收機表面形成陰影，通常需要多個光

144、源。但單純地增加 LED 燈的個數，卻并不能使系統的通信性能達到最佳。這是因為不同的光源與接收端之間具有不同的光路徑，繼而引起多徑延遲產生碼間干擾。因此如何合理地解決可見光的上行鏈路問題一直是人們在考慮的問題。在室內布設可見光接入點時，接入點數量要與用戶數要匹配。在多接入點接入時，會遇到互相干擾、移動性管理等問題。當現有的業務流到燈時，如何利用可見光通信順暢地與這些業務對接，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如何共存和兼容，這些問題值得研究學者在未來進一步探索。同時，組網也需要考慮單接入點最多可以同時支持幾個終端接入的問題。目前可見光通信還局限于“點對點”

145、通信；在未來需要針對“一對多”、“多對多”等應用場景，研究網絡光通信專用協議和編碼，突破信道干擾抑制技術、信道自適應優化技術等難題，結合現有通信規范，針對光纖、微波、電力線載波、無線電波等跨介質接入對象，研究制定具有普適性的協議及相應硬件模塊，實現異構融合組網的互聯互通。56 6.3 先進的調制編碼和數字信號處理算法 先進的調制編碼和數字信號處理算法對于高速可見光通信至關重要。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問題和最大挑戰。多維復用技術是進一步提升可見光通信容量的一種有效手段。具體來說，傳統的相移鍵控（PSK）、頻移鍵控（FSK）等典型的一維調制需要向多維調制方

146、式發展，融合振幅、頻率、相位、橫向空間分布、偏振等多維度調制信號。同時，在可見光通信系統的不斷優化和改善下，系統的信噪比也在進一步提升，運用高階調制，例如64QAM、128QAM 等，可以進一步提升頻譜效率。波分復用、偏振復用等復用技術更是可以進一步提升系統容量。牛津大學、復旦大學、愛丁堡大學先后利用波分復用技術與先進的調制格式，分別實現了 10.4Gb/s、10.7Gb/s、15.7Gb/s 的多色 LED 高速可見光通信系統。但是，目前普通的 WDM 可見光通信系統并沒有充分利用頻帶資源，不同頻帶之間的帶隙浪費了頻譜資源。另外，不完美的調制和編碼方式，使得目前信道容量遠遠沒有到達香農極限。

147、近年來，超奈奎斯特調制、概率幾何整形、極化碼等新技術不斷涌現并成功應用于可見光通信系統中，進一步提升可見光通信系統的頻譜利用率。6.4 可見光通信信道建模 可見光在信道傳輸中，受到很多環境因素的影響，光通信器件復雜多樣，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別。最后，可見光通信信道在應用中還可能涉及到運動目標，來自不同方向、不同運動速度、連續非連續干擾等都會對于信息高速傳輸產生致命影響，同時應考慮相對廣覆蓋和大視場角接收問題。尤其在水下可見光通信中環境惡劣，吸收、散射以及湍流會極大程度影響水下光通信的傳輸距離。目前的可見光信道建模僅僅都是根據LED或LD器件

148、本身光場分布與空間特性建立的。但是，實際的可見光通信系統信道還包括了接收機頻響特性、光學天線、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，對空間無線可見光通信、水下無線可見光通信都有重大意義。57 圖6-3 可見光通信信道建模 6.5 可見光通信芯片研制 可見光通信產業鏈主要環節包括：電力線載波、LED 燈、可見光通信收發芯片及配套的光電器件、有線通信（光纖、同軸線、電話線電力線等）與無線通信（WiFi/3G/4G等）網絡等，目前世界上可見光通信的商業系統仍局限于模塊化產品，沒有見到芯片級報道?？梢姽馔ㄐ畔到y沒有專用芯片

149、組，發射和接收電路通常采用分立電路；若采用通用芯片又會造成性價比的浪費，因此在應用技術服務的二次開發和制造成本方面都存在一定的障礙。未來的可見光通信技術要求在 LED 材料、器件、封裝、模塊等多方面更好的優化，如開發可見光通信編解碼芯片以替代手機和筆記本電腦上現有的 IrDA紅外通信和藍牙通信。深圳市在 LED 顯示屏和封裝行業優勢明顯；但是，產業鏈高端環節比較薄弱，核心關鍵設備及芯片企業數量少，規模偏小有可能成為制約可見光通信發展的瓶頸之一。芯片的研究處于整個產業鏈的核心部分，國內外暫時還沒有成熟芯片組設計出現。針對芯片組的設計可以沿著可見光通信基礎特性的研究路線，即針對低速率不同典型應用場

150、景的專用芯片設計，再到高速率高需求應用場景下的要求。6.6 可見光通信市場應用 無論國外還是國內，對于可見光通信的具體應用大多數處于實驗室研究階段，并未形成規?；脑噾?。從產業結構上來看，待技術成熟到一定階段后，早日開始可見光的試點規?；瘧?，可以占領應用產業鏈結構的上游與先機。具體的來說現在可以面向礦下通信與定位、地下停車場車輛定位、大型樓宇室內人員三維定位、超市物品展示與導購、博物館展品無線講解、手機安全支付等典型行業應用需求，充分挖掘可見光通信的核心價值，搶占通信與定位芯片上游產業鏈，積極培育可見光通信產業的初級市場發育。后期在面向針對我國家庭信息網絡綠色節能、高速傳輸、移動接入、智能

151、物聯的典型需求，以可見光通信新一代綠色信息技術為牽引，遵循綠色照明58 與綠色通信共生發展的原則，在室外三網融合的基礎上，依托泛在的電力網與移動通信網，實現室內末端網絡的深度融合，構建未來新型家庭綠色信息網絡應用示范系統，促進可見光通信這一戰略性新興產業的快速發育。雖然可見光通信研究業界一直在努力開掘一些新市場，包括電磁嚴控環境下的光通信和水下高速傳輸。但是，目前人們所能想象到的可見光通信主流市場還是比較傳統的市場，往往是其他先發技術已占據的市場。例如，基于 LiFi 技術的室內光通信網絡就是如此，WiFi 已占據該市場，而且還在快速發展，這在一定程度上減弱了可見光通信的競爭力。此外，企業研發

152、投入不足，缺乏拳頭產品和核心競爭力，未來產業技術發展方向缺乏足夠的引導。目前雖然國內可見光企業具有一定數量的專利，但是能夠和國際大廠競爭的核心專利技術不多。因此，如何突破國外的專利壁壘是可見光產業發展面臨的一個重大問題。其次，除個別企業能夠針對市場自主研發可見光通信應用產品外，大多數可見光企業生產的產品檔次還不夠高，缺乏具有核心技術的、具有市場競爭力的拳頭產品。技術研發人才不足，發展后勁不夠強是可見光企業普遍存在的問題。另外，有些地區的企業對未來的產業技術發展方向感到很迷茫，接下來如何發展沒有思路。產業集聚度還較小，龍頭企業還不夠突出，雖然在某些領域已經有些企業顯示出龍頭的實力，但總體上說還缺

153、乏能夠帶動整個行業的龍頭企業。部分地區信息流通不暢，對政府扶持政策和技術發展趨勢認識不深。一些企業主要靠自己的力量在市場上打拼，對政府的扶持政策、項目資金支持等不夠了解，對周圍企業的發展、市場和技術發展趨勢等也不夠了解。另外，有些企業反映對專利的查詢有困難。缺乏產品標準體系，存在惡性競爭行為現在還沒有形成衡量 VLC 產品的客觀標準，有些企業為了降低成本，采用低質材料降低了產品質量和可靠性，影響了產品的進一步推廣，使得 VLC 產業市場發展混亂。缺少檢測認證平臺缺乏能夠得到大家公認的檢測認證系統，一些產品必須拿到國外去做認證才能進入國外市場產品必須拿到國外去做認證才能進入國外市場，增加了成本，

154、耽誤了寶貴的時間?？梢姽馔ㄐ旁诋a業化推廣中被認為會取代現有的無線通信技術，并被取名為與 WiFi 類似的 LiFi。然而，目前 WiFi 和 4G 均十分成熟，熱點和基站建設日益密集，用戶體驗越來越好，這就使得可見光通信在民用領域的應用意愿并不強烈。市場重合導致需求牽引不足，還需要人們從市場深度細分和應用創新融合兩個方面更多地發揮想象力和創造性，才能推動可見光通信技術快速健康成長。59 6.7 可見光通信標準制定 絕大多可見光通信的應用中，需要遵循的包括：（1）通信標準；（2）具體應用中相對應的其他標準，如人眼安全標準，照明標準或交通運輸標準等。這是可見光通信與其他通信方式的顯著區別；也為標準

155、的制定機構的協作提出了挑戰。目前可見光通信目前國際標準尚未成熟。日本可見光通信協會 Visible Light Communication Consortium（VLCC）于 2007 年在日本電子信息技術產業協會（JEITA）發布了 2 項標準，分別是：可見光通信系統標準（Visible optical communication system,JEITA:CP1221），該標準確定了 VLC 使用的范圍、波長、通信方法、頻率劃分、通信范圍、測試方法和安全性等要求；以及可見光 ID 系統標準及修訂版，該標準使用分層結構進行信息傳輸，其中物理層通信速率為 4.8kbps 調制方式為 4PPM，

156、采用 128位數據幀。2008 年日本 VLCC 還在紅外線標準協會（IrDA）物理層協議基礎上擴展出一個新的可見光通信系統規格標準。2011 年美國的電氣電子工程師協會提出了802.15.7 標準，此標準對短距離 VLC 的物理層和介質訪問控制層 Media Access Control（MAC）進行了定義，目標是為短距離 VLC 設備互聯提供全球性標準。而我國作為擁有世界最大規模的 LED 產業大國，和擁有華為、中興、中移動等領軍企業的通信業強國，在該方向目前尚處于空白階段。因此，通過建立統籌機構，制定適合多行業的兼容性標準體系非常必要。專利布局方面國內也比較被動，急需積極構建專利池以保護

157、知識產權?？梢姽馔ㄐ诺牡湫蛻脠鼍吧胁磺逦?，所以可見光通信系統將使用不同的發射器件、接收器件、光學器件以及通信關鍵技術，而且不同的應用場景確實需要不同的器件來組成通信系統。因此，國際國內標準組織應聯合企業、高校、研究機構、運營商等制定完整全面的可見光通信標準，推動可見光通信標準化工作。6.8 本章小結 本章主要闡述了可見光通信發展面臨的巨大挑戰：新材料與新器件、可見光通信異構組網、調制編碼和數字信號處理算法、信道建模、芯片研制、市場應用以及標準制定等。由于這些問題，可見光通信在市場價值上仍未得到合理的體現和產業化發展。60 第七章 未來發展規劃 可見光通信在寬帶高速、泛在覆蓋、安全兼容、融合包

158、容、綠色節能五大方面等具備獨特的優勢。它提供一種全新的數據通信方式，并具有多領域，多場景，多行業的應用發展前景，比如室內高速上網、室內光定位、水下通信、電磁敏感場景比如核磁共振、飛機內部上網、核電站等，已引起國內外的廣泛關注和研究。目前，可見光通信產業化正處于研究向商業化試點和推廣的關鍵時期。國內較完整的 LED 照明升級產業鏈，為可見光通信奠定了較好的發展基礎，同時也存在市場定位尚不清晰、產業鏈缺乏合作協同等問題。為此，我們對可見光通信的未來發展規劃從系統設計和產業方面提出一些建議：7.1 系統設計 經過近十余年的深入研究，可見光通信技術的基礎理論研究已基本完成。該項技術正處于理論研究向技術

159、應用轉化的關鍵時期。然而，可見光通信是照明技術與通信技術的深度耦合，產業鏈長，技術問題縱橫交錯。在系統設計方面，主要考慮多網融合問題。未來的網絡架構是既包含現有的無線接入技術，又包含新的可見光接入方式的異構網絡。因此，在引入全新的可見光接入方式的同時，還將支持現有的包括 5G、4G、3G、2G 及無線局域網等在內的多種網絡的傳輸。面向 6G 的異構融合網絡，如何使不同類型、不同層次、相互重疊覆蓋的可見光通信網絡和各種無線通信網絡融合到一起協同工作，形成端到端的技術體系仍需深入研究，比如同步流程、隨機接入流程、小區切換流程、多連接、控制面和用戶面的協議棧等內容。7.2 產業 可見光通信是照明與通

160、信的深度耦合，產業鏈長，涉及產業環節多，未來爆發式的增長將極大促進通信、半導體照明、集成電路、電力設備、電力線通信、微電子、環保、廣告等多個相關產業的變革和發展，推進已有產業的轉型升級。此外，可見光通信技術的應用將打破傳統的通信運營商、電力運營商、通信系統集成商、各種銷售商等的盈利模式，并催生新型行業，如 LED 電視相關的隱式廣告、超市導購，AR/VR和混合現實。61 可見光通信的通照兩用的優勢大大簡化了通信網絡的建設，為廣泛解決通信末端介入和深度覆蓋問題提供了一種便捷而自然的方式。但是目前產業鏈尚未成型，行業間缺乏統一的融合標準，缺少協同，離產業化距離較遠。要想真正實現產業化，更多需要跨行

161、業、跨廠商之間的協同與融合：（1）根據國際標準制定企標、行標等，早日開始可見光的試點規?；瘧?，占領應用產業鏈結構的上游與先機。具體的來說現在可以面向室內精確定位系統、旅游景點講解、移動支付等典型行業應用需求，建立可見光試驗網，充分挖掘可見光通信的核心價值，搶占通信與定位芯片上游產業鏈，積極培育可見光通信產業的初級市場發育。（2）后期推動可見光通信的大規模應用，全面引導產業技術發展方向，培育產業生態環境，全面促進可見光通信產業成熟和商用。（3）芯片的研究處于整個產業鏈的核心部分，國內外暫時還沒有成熟芯片組設計出現。從技術上看，低速和中速可見光通信產品會逐漸成熟并迅速占領市場，其主要可應用于定位

162、與低速通信領域，可以滿足未來市場基于位置信息方面的服務；而高速可見光通信需要在技術和成本都有較大突破的情況下，才會被市場接受。因此針對芯片組的設計可以沿著可見光通信基礎特性的研究路線，即針對低速率不同典型應用場景的專用芯片設計，再到高速率高需求應用場景下的要求。由于可見光通信國際標準化工作制定尚未完成，可見光專用芯片還未研發上市和量產，該技術本身所具有的成本優勢將因為通用芯片的高昂價格而暫時無法體現。芯片行業應綜合考慮可見光通信典型應用場景以及提供的主要功能，研發可見光通信專用芯片。7.3 本章小結 可見光通信在寬帶高速、泛在覆蓋、安全兼容、融合包容、綠色節能五大方面等具備獨特的優勢，已引起國

163、內外的廣泛關注和研究。目前，可見光通信產業化正處于研究向商業化試點和推廣的關鍵時期，本章針對系統設計和產業兩個方面為可見光通信未來發展規劃提供一些建議。在系統設計方面，主要考慮多網融合問題。在產業方面，制定產業標準、培育產業環境、研發可見光通信專用芯片等。62 總 結 可見光通信的主要應用場景將涵蓋 6G 空天地海泛在接入的三大場景，包含：室內高速接入、車車通信以及車路通信、飛機艙內通信、醫院等干擾受控、商場等信息推送場景、水下通信、工廠自動化等高密接入干擾受控、室內導航、星間通信等。使用 LED 可見光通信與傳統的無線通信技術相比較，它有以下優點：(1)可見光LED 基礎設施分布廣泛；(2)

164、可見光對人體安全；(3)發射頻率高，傳輸速率快；(4)無電磁干擾；(5)頻譜較寬，且無需頻率許可。由此可以看出，LED 可見光通信技術提供一種全新的數據通信方式，并具有多領域，多場景，多行業的應用發展前景，已引起國內外的廣泛關注和研究?？梢姽馔ㄐ女斍靶枰タ肆楆P鍵技術，包括信道建模，調制技術，編碼技術，均衡技術，多址與復用技術，MIMO 技術等。在可見光通信中，通信鏈路格局、路徑損耗、多徑色散產生的時延等都會影響通信信道的特性。這些信道特性決定了如調制、編碼技術、發射功率、接收靈敏度等方面的通信系統設計?？梢姽馔ㄐ畔到y的調制帶寬十分有限，商用 LED 燈的 3dB 帶寬一般只有幾 MHz。除

165、了從 LED 結構、驅動鏈路的設計上考慮，選擇合適的調制方式也可提升傳輸速率。為了提高信道編碼需要滿足帶寬要求和復雜性要求，提高編碼增益，保證傳輸誤碼率使編碼效率達到最佳，能糾正隨機錯誤、突發錯誤以及兩者混合的錯誤。均衡技術從在通信鏈路實現的位置看，可以分為預均衡和后均衡。預均衡是在發送端對 LED 頻響特性進行預均衡，后均衡則是在接收端進行干擾的均衡。利用可見光通信具有寬光譜特性和大規模接收陣列的特點，可設計實現多域多維的光信號的復用增益。常用的復用技術有頻分復用、時分復用、碼分復用、波分復用等。MIMO 技術通過空間復用可以實現在有限帶寬上進行高速通信，使用多個發射機發送數據和多個接收機接

166、收數據，在不增加頻譜資源的同時擁有更高的傳輸容量，是未來高速可見光通信的重要技術。經過近十余年的深入研究，可見光通信技術的基礎理論研究已基本完成。該項技術正處于理論研究向技術應用轉化的關鍵時期。在系統設計方面，主要考慮多網融合問題。未來的網絡架構是既包含現有的無線接入技術，又包含新的可見光接入方式的異構網絡。因此，在引入全新的可見光接入方式的同時，還將支持現有的包括 5G、4G、3G、2G 及無線局域網等在內的多種網絡的傳輸。面向 6G 的異構融合網絡，如何使不同類型、不同層次、相互重疊覆蓋的可見光通信網絡和各種無線通信網絡融合到一起協同工作，形成端到端的技術體系仍需深入研究，比如同步流程、隨

167、機接入流63 程、小區切換流程、多連接、控制面和用戶面的協議棧等內容。在產業化方面，根據國際標準制定企標、行標等，早日開始可見光的試點規?；瘧?，占領應用產業鏈結構的上游與先機。后期推動可見光通信的大規模應用，全面引導產業技術發展方向，培育產業生態環境，全面促進可見光通信產業成熟和商用。64 參考文獻 1 Ying K,Yu Z,Baxley R J,et al,“Nonlinear distortion mitigation in visible light communications,”IEEEWireless Communications,vol.22,no.2,Apr.2015.2

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194、ased on subcarrier multiplexing of multiple-input-single-output OFDM,”Opto-Electronics and Communications Conference,pp.745-746,2012.67 貢獻單位 表7-1 主要貢獻單位 序序號號 主要貢獻單位主要貢獻單位 1 復旦大學 2 國家數字交換系統工程技術研究中心 3 中國科學技術大學 4 華南理工大學 5 華為技術有限公司 6 中國移動 聯系方式郵箱：COPYRIGHT2022 IMT-2030(6G)PROMOTION GROUP.ALL RIGHTS RESERVED.微信公眾號