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1、6G 可見光通信技術白皮書中國移動通信有限公司研究院前前言言隨著通信需求的不斷提高，移動通信網絡需要更多的頻譜，由于 6GHz 以下的頻譜已經分配殆盡，26GHz、39GHz 等毫米波頻段也已經分配給 5G 使用，因此需要研究更高頻段的通信，如太赫茲通信和可見光通信，以滿足更高容量和超高體驗速率的需求?？梢姽馔ǔＶ割l段 380790THz（波長為 380790nm）的電磁波，有約 400THz 候選頻譜，具有大帶寬的特點，易于實現超高速率通信，是未來移動通信系統的一個潛在補充。本白皮書旨在探討可見光通信在6G中的潛在應用場景以及有望滿足的通信需求， 并提出了可見光通信面臨的挑戰和關鍵技術研究方

2、向，以引發業界的討論與思考。本白皮書的撰寫得到了復旦大學、北京郵電大學、東南大學等高校合作團隊的支持，感謝復旦大學沈超研究員、遲楠教授，北京郵電大學唐盼博士、張建華教授，東南大學王家恒教授等老師對本白皮書的貢獻與幫助。1目錄1.概念.11.1可見光通信特點.11.2國內外研究現狀.22.可見光應用場景及需求.42.1移動通信場景.42.1.1熱點高容量場景.42.1.2小型室內場景.52.2垂直行業通信場景.52.2.1交通場景.52.2.2電磁嚴苛場景.62.3可見光通信需求.63.可見光通信的挑戰.83.1信道建模.83.2材料與器件.83.3空口傳輸.103.4組網.104.可見光通信的

3、關鍵技術.124.1信道建模.124.1.1可見光信道建模研究現狀.124.1.2基于理論的可見光信道建模.124.1.3基于實測的可見光信道建模.144.2關鍵器件.154.2.1發射端.154.2.2接收端.174.3傳輸技術.194.3.1傳輸理論.194.3.2調制波形.204.3.3均衡技術.2124.3.4VLC-MIMO 技術.224.4組網技術.244.4.1無線光融合組網.244.4.2可見光超密集組網.265.總結與展望.28參考文獻.29中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）11. 概念概念可 見 光 通 信 (Visible Light Communicatio

4、n,VLC) 利 用 發 光 二 極 管 (LightEmitting Diode，LED)等可見光光源發出肉眼難以分辨的高速明暗變化的光信號來傳輸信息，再通過光電探測器（Photoelectric Detector，PD）等光電轉換器將接收到的光信號轉換為電信號來獲取信息， 是一種照明通信一體化的無線通信方式1。 VLC 作為一種照明和通信結合的新型模式，是現有無線射頻通信的有效補充手段。1.1 可見光通信特點可見光通信特點與傳統射頻通信相比，可見光通信的優勢主要在于：1)頻譜豐富：傳統無線通信可使用的頻譜資源只有約 300MHz，而可見光候選頻譜帶寬將近 400 THz。 因此 VLC 可

5、有效解決頻譜資源日益緊張的問題。圖 1-1 頻譜資源示意圖2)部署簡單：VLC 的發射與接收器件可以基于產業已經非常成熟的照明、顯示、成像等領域的器件進行升級改造，并結合照明的需求，實現低成本超密集部署，滿足高流量密度需求。3)綠色節能：VLC 兼具照明與通信等功能，具有低功耗高能效的優勢，符合國家節能減排戰略。4)電磁免疫：可見光和射頻信號之間不會相互干擾，因此 VLC 非常適用于飛機、醫院、工業控制等電磁敏感領域，有效避免電磁干擾，保證設備正常運行。然而，VLC 也存在著一些短板。由于可見光存在易受阻擋、傳播損耗大等特點，并且現階段商用的可見光器件的帶寬較低，目前 VLC 主要應用于短距離

6、點對點中低速率通信場景。 另一方面， 終端發光在日常使用中會帶來很大的不便，中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）2因此可見光上行鏈路的應用場景受到限制。1.2 國內外研究現狀國內外研究現狀VLC 技術在中國萌芽，由日本拓展深化23。香港大學的 Grantham Pang 于1999 年首次提出 VLC 的概念， 而后日本慶應義塾大學的 M. Nakagawa 研究團隊提出了 LED 可見光通信的接入方案，自此 VLC 技術在產學業成為了研究熱點。日本于 2003 年成立了可見光通信聯盟 （Visible Light Communication Consortium，VLCC） ，涌現

7、出了諸如局域網高速互連、智能交通系統、智能燈塔等大量 VLC應用形式。歐洲在 2008 年啟動了 OMEGA (the Home Gigabit Access)計劃，致力于開發出 1Gbit/s 傳輸速率的室內互連技術，VLC 是研究重點之一。同年美國政府啟動了智慧照明計劃，探索 VLC 系統中關鍵技術的改進方案和創新。我國在可見光通信領域的研究起步較晚，經過十余年的努力，已經追趕上并達到了與世界發達國家同等的水平，更是在某些方向處于領先地位。在學術界，國內主要有復旦大學、清華大學、北京郵電大學、東南大學、中國科學院半導體研究所、臺灣交通大學等參與 VLC 研究，研究方向包括調制技術、OFDM

8、 技術、LED 均衡技術、VLC 信道特性、光源布局等4。在產業界，國家和各地政府都對 VLC 的產業發展加大了投入力度，市場上的 VLC 應用產品覆蓋室內定位、APP 應用、安全通信、支付和車聯網等眾多領域。VLC 在標準化方面的進展緊隨業界腳步。 美國電氣電子工程師學會(Instituteof Electrical and Electronics Engineers, IEEE)是國際上最早制定 VLC 技術標準的組織，該組織于 2009 年成立 VLC 工作組，并于 2011 年發布了第一版可見光通信標準 IEEE 802.15.7-2011，該標準在 VLC 調制方式、組網架構、物理層

9、設計等方面作出了詳細規范。而在我國，全國信息技術標準化技術委員會的無線個域網標準工作組在 2016 年發布了可見光通信標準化白皮書 ，開始制定中國的可見光通信標準，并于 2018 年開始陸續發布了 GBT36628信息技術系統間遠程通信和信息交換可見光通信系列標準。中國移動正在與復旦大學、清華大學、北京郵電大學、東南大學等國內高校一起成立聯合創新項目， 在面向 6G 的可見光核心器件、 無線與可見光融合組網、中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）3可見光空口傳輸方案、可見光信道建模與原型驗證系統等方面開展研究。中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）42. 可見光應用場景及需求可

10、見光應用場景及需求2.1 移動通信場景移動通信場景隨著移動網絡業務不斷深入，入網設備種類不斷豐富，海量的數據需要由空口接入核心網絡， 而可見光以其 THz 數量級的頻譜資源為未來 6G 通信提速提供了可能性。超大帶寬可以支持更加靈活的時頻資源分配方式，支持多用戶、多業務的傳輸模式，不但可以形成一種全新的熱點高容量場景解決方案，還可以在小型室內場景支持用戶高速接入，提升用戶體驗速率。與現有的可見光通信應用場景不同，移動通信場景需重點考慮用戶的移動性以及環境的變化，可見光通信需要為用戶提供連續的服務體驗。2.1.1熱點高容量場景熱點高容量場景圖 2-1 典型熱點高容量場景熱點高容量場景主要包括人流

11、稠密的交通樞紐、商場、體育場、大型會議室等， 目標群體以手持移動設備的用戶為主。這種場景面臨的主要挑戰在于光波束追蹤與協同管理、光噪聲與光干擾消除等方面。中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）52.1.2小型室內場景小型室內場景圖 2-2 典型小型室內場景小型室內場景主要包括個人房間、小型辦公室、小型會議室等。此類場景面積較小，用戶移動范圍有限，光波束方向不需要頻繁切換，控制信息占用的資源相對較少，可以將更多的通信資源分配給用戶數據傳輸。這種場景面臨的主要挑戰是譜效提升、資源調度優化等。2.2 垂直行業通信場景垂直行業通信場景隨著未來產業進一步優化升級，垂直行業在安全、保密、可靠性等方

12、面對通信指標提出了更高的要求?？梢姽馔ㄐ抛鳛橐环N與照明融合的新型技術，在現有照明節點的基礎上進行網絡搭建， 可避免大功率射頻信號對垂直行業自身業務造成影響， 提高安全性。 另一方面， 可見光頻段與微波頻段之間存在巨大頻率間隙，在通信過程中可避免與現有微波系統之間的干擾，提高通信的魯棒性。2.2.1交通場景交通場景圖 2-3 交通照明融合場景交通照明融合場景主要包括地面、航空、航海三類場景。該場景主要利用交通系統中現有光源進行通信，降低移動網絡搭建成本。由于可見光通信同時還可兼具定位功能，在高速交通場景中可以實時獲得準確的道路信息，進而實現智能中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）6交通

13、管理， 保障通信安全。 此類場景中的主要挑戰為可見光組網、 移動性管理等。2.2.2電磁嚴苛場景電磁嚴苛場景圖 2-4 電磁嚴苛場景電磁嚴苛場景主要包括醫院、工廠、飛機等場景。此類場景對于電磁功率與頻段有著嚴格的限制。通過可見光通信設備與照明設備的集成，并對光功率進行限制， 可以在提供必要照明的同時有效避免電磁干擾， 實現安全可靠的無線通信。此類場景中的主要挑戰為光功率控制等。2.3 可見光通信需求可見光通信需求面向 2030 年及未來，6G 網絡將在智享生活、智賦生產、智煥社會三個方面催生全新的應用場景，比如孿生數字人、全息交互、超能交通、通感互聯、智能交互等。這些場景將需要太比特級的峰值速

14、率、亞毫秒級的時延體驗、厘米級定位精度以及數十倍的網絡能效提升等5，如圖 2-5 所示。圖 2-5 6G 通信總體需求可見光通信依托其巨大的頻譜潛力，成為 6G 關鍵候選技術之一，有望助力6G 網絡在用戶體驗速率、峰值速率、流量密度、網絡能效、定位精度等方面的中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）7有效提升。但是不同場景對于通信的需求存在差異，比如熱點高容量場景需優先滿足流量密度指標與移動性要求； 小型室內場景需重點提高用戶體驗速率與峰值速率； 交通照明融合場景則需要較高的定位精度；電磁嚴苛場景則對發射功率與射頻泄露功率有嚴格限制。為滿足未來 6G 的場景需求，可見光通信首先要滿足移動

15、性要求，與傳統的射頻通信（如中低頻、毫米波、太赫茲等）一起，能夠支持移動用戶連續的高速率通信業務，從而可以更好的支持消費者終端的應用，擴大可見光通信的產業規模；其次，在通信性能上，需達到如表 2-1 的通信指標。表 2-1 可見光通信指標關鍵指標數值調制帶寬5GHz峰值速率50Gbps覆蓋距離5m流量密度100Mbps/m3中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）83. 可見光通信的挑戰可見光通信的挑戰為了使可見光通信技術能更好地滿足 6G 通信的需求，當前可見光通信技術主要面臨以下幾個挑戰。3.1 信道建模信道建模信道是對信號在物理環境中傳播的抽象表達。研發可靠、高效的通信系統以及對其

16、進行性能評估與優化都需要準確的信道建模。 可見光信道建模需要考慮信道的頻率、衰落、空間、時間等特性?？梢姽忸l段遠高于目前應用的微波頻段。 由于信道特性與載波頻率密切相關，可見光信道模型無法沿用現有 100GHz 以下的移動信道模型。在損耗特性方面，頻率升高不但會加劇信號的傳播損耗，還會在大氣中產生原子吸收效應，增加額外的雨衰、霧衰，使得衰落模型更加復雜。此外，頻率升高還會降低光信號的繞射能力，致使陰影衰落加深，使以往按照距離建模的路徑損耗模型誤差加大，影響系統評估的準確性。在空間特性、時間特性方面，光信號受限于光源的半功率角與傳播損耗，形成了以視距（Line-of-Sight, LOS）傳播為

17、主，以反射非視距（Nonline-of-Sight, NLOS）傳播為輔的傳播方式，LOS 徑占據大部分接收功率，導致角度擴展、時延擴展大幅降低。這雖然減小了多徑干擾，但是在場景覆蓋方面卻不得不付出更多的成本。 可見光信道建模中還有一種特殊的特性必須得到關注噪聲特性。由于前端入射功率較小，真實環境中普遍存在的背景噪聲、散彈噪聲、接收電路噪聲等均會對信號接收產生影響。由于噪聲具有隨機性，并且會受到光通信器件的影響，因此通過實驗進行量化分析和建模較為困難，給信道建模帶來了全新的挑戰。3.2 材料與器件材料與器件當前主流的光發射機使用 LED 和激光二極管（Laser Diodes, LD） 。LE

18、D 具備更好的安全性，造價也相對低廉，但其頻率響應并不理想，現有商用 LED 的3dB 帶寬普遍小于 100MHz，遠無法滿足 6G 所需要的高速率；另一方面，LED中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）9器件具有非線性，隨著發射功率的提高，其非線性趨勢也越發明顯。而 LD 發出的光為激光，具備很好的相干性，帶寬也可以達到 1GHz 以上，滿足高速通信的速率需求，但耦合過程需要對準，對空間環境的穩定性提出了很高的要求，而且大功率發射的激光也對人眼有著潛在的風險。在接收端，可見光信號主要由光電探測器進行接收，目前較為常用的是 PIN（ Positive-Intrinsic-Negativ

19、e ） 光 電 二 極 管 與 雪 崩 光 電 二 極 管 （ AvalanchePhotodiodes,APD） 。PIN 的成本相對低廉，但其靈敏度與頻響帶寬均有限，無法滿足需要高速率遠距離的可見光通信系統。APD 利用二極管的雪崩效應能對激發的光電流成倍地放大，但同時也會將引入的噪聲放大，因此難以實現高信噪比傳輸?？偟膩碚f，面向 6G 的可見光通信對器件提出了很高的要求，新一代的光發射機與接收機需要滿足帶寬大、覆蓋廣、成本低、耦合便利、安全性好、靈敏度高等需求，器件的制造材料與制造工藝亟需進一步突破。為了加速器件的研發與選型，建立可見光通信器件的指標體系具有重要指導意義。對光源器件，需重

20、點關注通信指標，兼顧照明指標。通信相關的核心指標包括調制帶寬、功率、線性度等。其中，調制帶寬往往是系統帶寬的瓶頸，與光源結構、驅動等諸多因素有關，是最為重要指標。高速可見光通信系統多要求光源調制帶寬達到數百 MHz 甚至 GHz 級。 此外， 光源功率對系統工作距離影響較大，也是重要的選型依據。照明相關的指標包括以伏安特性為代表的電學指標、熱學指標以及一系列光學指標，例如驅動電壓與電流、發光效率、亮度、色溫、頻閃等。其中，驅動電壓與電流決定了驅動電路設計，還會影響調制帶寬、線性度等其他指標，是較為關注的指標。發光效率直接反映光源的能效，還會影響結溫等特性，也是較為重要的參數。對于探測器件，主要

21、關注帶寬、靈敏度、光譜響應分布等指標。此外，驅動電壓、 暗電流等因素在一定情況下也需要考慮。探測器帶寬直接影響系統通信性能，目前業界探測器件帶寬可達數百 MHz，未來隨著高速可見光通信系統的發展， 對高帶寬探測器的需求將進一步加強。 探測器的靈敏度也是較為重要的指標，其對系統工作距離影響較大，尤其是遠距離可見光通信系統需要 APD 等高靈敏度探測器。 此外， 探測器對不同頻率光譜的響應分布對系統性能也有一定的影響，中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）10需要在可見光頻段同時具有高靈敏度和大帶寬。3.3 空口傳輸空口傳輸由于可見光收發器件的帶寬面臨著巨大挑戰，為了進一步提升帶寬利用率，

22、需要選擇一套合適的調制方案6。開關鍵控（On-Off Keying, OOK）調制、脈沖位置調制、 脈沖幅度調制等單載波調制方式實現復雜度低， 但是頻譜利用率不高。正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）調制是一種高頻譜效率的調制方案，而且能夠對抗多徑效應?，F有的用于可見光的 OFDM調制方案種類繁多，各有優劣，如何針對不同的通信場景與通信信道選擇調制方案是需要解決的問題。此外，可見光通信使用高階調制會出現以下問題：系統對噪聲反應靈敏，需要進一步提升信噪比；空間位置發生改變，導致正交信號接收功率不均等；可見光發射器件的非線

23、性效應使得信號的星座圖變形。這些問題需要對可見光波形與調制技術進行優化。此外，可見光收發器件的頻響特性也會影響可見光收發器件的帶寬。針對高低頻段頻響特性差異大的問題， 目前常見的解決方案包括均衡和比特能量加載等。均衡技術可以使整個帶寬的頻率響應幾乎一致； 比特能量加載技術將整個帶寬分為多個子頻帶，且每個子頻帶的功率一致，通過針對子頻帶選擇最優調制階數實現容量的最大化。多輸入多輸出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技術是未來可見光通信的一項重要技術， 在帶寬有限的條件下， MIMO 通過空間復用的方式提高整體的通信速率。MIMO 系統擁有多個發射機和多個

24、接收機，一方面通過空間復用，實現更高的容量，提高數據傳輸速率；另一方面可以解決可見光通信中的用戶移動與環境復雜導致的遮擋問題。然而在可見光 MIMO 系統中，由于可見光接收器的尺寸遠大于信號波長， MIMO 信道的空間相關性較大， 多個光源之間的信號很容易相互干擾，影響整體傳輸速率。因此，如何在接收端設計相應合理的空間解相關算法，是需要攻克的一大關鍵問題。3.4 組網組網可見光通信可利用其低功耗、低成本、易部署等特點，與照明功能結合，通中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）11過可見光基站節點超密集部署實現更廣泛的覆蓋。 然而， 相比于傳統的射頻通信，可見光接入點的密度更高，接入點和用

25、戶之間的距離更近。若可見光網絡采用移動通信中常見的蜂窩架構， 將存在切換頻繁、 頻譜效率低和干擾管理復雜等問題。另一方面，可見光節點的超密集部署，也增加了前傳/回傳的需求與部署難度。此外，可見光通信存在上行難實現、下行易中斷且移動性較差的問題，這極大地限制了獨立可見光通信的應用場景。 需要考慮將可見光通信作為移動蜂窩通信網絡的一部分，實現可見光通信與傳統射頻通信在蜂窩網中的融合，從而具備支持移動服務的能力，形成產業規模。中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）124. 可見光通信的關鍵技術可見光通信的關鍵技術4.1 信道建模信道建模4.1.1可見光信道建模研究現狀可見光信道建模研究現狀可

26、見光通信鏈路的等效基帶模型可以用以下方程來表述：其中，信道沖激響應可以用來表征信道特性，也可用來分析和對抗信道失真的影響，表示噪聲。根據建模方式不同，可以把可見光信道建模分為基于理論的信道建模和基于實測的信道建模。4.1.2基于理論的可見光信道建?；诶碚摰目梢姽庑诺澜Ｐ诺罌_激響應的理論模型分為兩大類： 確定性信道模型和隨機性信道模型13。確定性模型是對特定傳播環境、信道場景以及收發端位置和方向的詳細描述，具有較高的準確性。相比于確定性模型，隨機性信道模型降低了計算復雜度，具有更高的靈活性，但是同時，準確性較低。在確定性模型中，遞歸模型最早用來刻畫無線紅外通信（Wireless Infrar

27、edCommunication， WIRC） 高次反射路徑的信道沖激響應 （Channel Impulse Response，CIR） ， 后被擴展應用于可見光非視距鏈路的表征。 它使用朗伯輻射模型刻畫 LED的發光模式：把信道的整體脈沖響應分為直射路徑脈沖響應和高次反射路徑脈沖響應之和：直射路徑脈沖響應用一系列延遲的沖擊函數來表示：中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）13在高次反射路徑脈沖響應的計算中，把反射面拆分成小的朗伯反射單元 ，并把每個反射單元分別當作接收單元與發送單元，遍歷得到高次反射路徑結果：遞歸模型為可見光信道的表征提供了很好的思路，準確性較高，但由于其復雜度高，運算

28、時間長，在可見光理論建模中應用較少。迭代模型在遞歸模型的基礎上，改變了高次反射路徑中卷積運算順序，減少了計算量：由于迭代模型具有較高的準確性，且運算時間相對較少，是可見光信道的理論建模中常用到的方法14。除此之外， 基于射線追蹤的幾何確定性建模利用射線追蹤軟件， 如 Zemax15等，基于幾何光學和一致性繞射理論，在所創建的場景下，進行信道特性分析。射線追蹤技術保證了所創建環境的幾何形狀、 家具及表面材料的反射特性以及收發端天線規格的精準性。與迭代模型相比，射線追蹤軟件需要對傳播環境的詳細描述，因此不能輕易地推廣應用到其他場景；但能夠更加準確地還原真實場景，更加靈活地進行復雜場景的建模。在隨機

29、性模型中，有基于幾何的隨機性模型和非幾何的隨機性模型?；趲缀蔚碾S機性模型中，球形模型用于刻畫多次反射路徑，在可見光信道的噪聲建模中應用較多；除此之外，還有規則形狀的幾何隨機性模型、Carruthers 模型。非幾何的隨機性模型，包括蒙特卡洛算法（Monte Carlo Algorithm，MCA） 、改進的蒙特卡洛算法（Modified Monte Carlo algorithm，MMCA） 、改進的天花板彈跳模型（Modified Ceiling Bounce Model，MCBM）等。中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）14可見光信道中存在著三種噪聲：散射噪聲、熱噪聲和放大器噪

30、聲。散射噪聲又分為與信號相關的相關散粒噪聲和獨立于信號的散射噪聲。目前，可見光信道的噪聲建模有兩種典型方法：一是把等效噪聲源法，把熱噪聲和放大器噪聲統一等效為電路熱噪聲16；二是把三種噪聲分別建模17。兩種方法都常用于可見光鏈路的系統性能分析中，但對于兩種噪聲模型的準確性與適用性，仍需要進一步的驗證。4.1.3基于實測的可見光信道建?；趯崪y的可見光信道建模圖 4-1 可見光信道測量平臺基于實測的信道建模利用可見光信道測量平臺采集真實場景中的測量數據，基于偽隨機序列相關原理，發送端發射偽隨機序列信號，采用 OOK 或 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）等調

31、制方式，利用 LED 強度變化進行信息傳遞。接收端通過光電二極管檢測信號強度，解相關獲得信道沖激響應。由于信道沖激響應可由時域響應直接獲得或由頻域響應進行逆傅里葉變換后得到，所以可見光信道測量平臺也大體分為兩類。進行時域探測時，發送端利用任意波形發生器發送 PN 碼，接收端使用示波器采集時域信號，通過解相關獲得 CIR。 進行頻域探測時， 發送端采用矢量網絡分析儀的一個端口發送掃頻信號，信號通過信道后又流入矢量網絡分析儀的第二個端口， 這樣可以得到系統的信道頻率響應（Channel Frequency Response，CFR） ，經逆傅里葉變換也可得到 CIR。對于可見光信道的測量，已經開展

32、了一些研究工作。文獻18在停車場場景下進行了毫米波與可見光信道特性的對比， 發現毫米波信道頻率響應易受停車場結構柱和周圍車輛的影響，而可見光信道頻率響應受二者影響不大，可見光測量平臺性能主要是受器件性能影響。文獻22研究了室內場景下人體遮擋對接收功中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）15率和均方根時延的影響。文獻23進行了室內場景信道沖激響應和路徑損耗的測量。文獻24、25研究了車對車場景下不同天氣對可見光通信系統的影響。目前，基本上沒有針對可見光信道噪聲的測量工作，缺少對于可見光信道噪聲理論模型相對應的實測驗證。真實可見光通信系統中噪聲的分布情況，也是需要繼續解決的問題。4.2 關

33、鍵器件關鍵器件4.2.1發射端發射端目前可見光通信中的發射端主要應用白光光源，分為 LED、LD 和超輻射管（Superluminescent Diodes，SLD） 。發光二極管發光二極管LED 的調制帶寬是可見光通信系統信道容量和傳輸速率的決定性因素，為了滿足面向 6G 的可見光通信需求，新一代的 LED 需要提升調制帶寬。熒光粉型白光 LED 是目前可見光系統中通常用到的 LED，利用藍光激發熒光粉產生黃光，從而混合得到白光。這種類型的白光 LED 受限于其熒光粉（如Ce:YAG）熒光壽命，導致其帶寬一般被限制在 2MHz 左右。為了緩解熒光壽命長帶來的影響，可以在探測器前加上一層藍光濾

34、波片，使得只有芯片本身輻射的藍光到達探測器，提升器件帶寬。但是由于只有部分光到達探測器，降低了探測器接收到的光功率，限制了通信距離。多色芯片白光 LED 也可提升調制帶寬，其將多種顏色芯片封裝到一起形成白色光源， 較為常見的是 RGB 三色芯片。 多色芯片不存在熒光壽命過長的問題，且利用波分復用技術，對白光器件中各單色光芯片分別進行調制，并行傳輸多路信號，可大幅提升信道容量。但同時也會增加驅動設計的復雜度，還會影響合路后白光的色溫。除了利用不同單色光提升器件的通信速率， Micro-LED 作為可見光系統的發射源也可以大幅度提升器件的調制帶寬， 其主要原因是有源區面積減小大大增加了有源區載流子

35、的電流密度，縮短了有源區載流子壽命。同時較小的有源區降低了器件的結電容， 從而減小了 RC 時間常數。 通過制作 Micro-LED 陣列可以在保中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）16證總輸出功率的同時，提高器件的調制帶寬。激光二極管激光二極管LD 具有更高的調制帶寬從而具有更快的信息傳輸速率，目前商用 LD 的調制帶寬可以達到 2.6GHz，比商用 LED 高出兩個數量級。相比于 LED，LD 具有響應速度快、可直接調制，耦合效率高的優點。電注入激光器的工作電流區為閾值電流之上飽和電流值以下， 因此降低激光器的閾值電流對于增加激光器的工作電流區尤為重要。超輻射管超輻射管SLD 基

36、于自發輻射和放大的自發輻射， 是一種介于 LED 和 LD 之前的器件，具有寬光譜、弱時間相干性、低噪聲強度、高效率等特點。相較于 LED，SLD具有更高的調制帶寬以及發光效率；相較于 LD，其不會形成功率密度極大的激光，對人眼造成危害，并且光譜較寬，更適合照明。表 4-1 不同類型的光源對比光源類型譜線寬度光 子 產 生方式相干長度發散角調制帶寬LED寬自發輻射短大低LD窄放 大 的 自發發射長小高SLD較窄受激輻射較短較小較高不同光源類型的發展路線：熒光粉型 WLED 的基礎帶寬很難有上升空間，需要依靠均衡技術和濾光片，唯一優勢是成本低，不建議作為未來研究重點。多色 LED 具有較好的技術

37、成熟度、靈活性以及產業基礎，可以作為初期重點關注器件。Micro-LED 可以實現高基礎帶寬，但是總功率較低，大功率技術還不成熟，在照明領域的應用有一定挑戰，可作為未來重點關注。SLD 基本可歸于特制高帶寬 LED 范疇，其中受激輻射占主要，帶寬特性是比較理想的。中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）174.2.2接收端接收端常見的可見光探測器包括 PIN 探測器、雪崩（APD）探測器、金屬-無機半導體-金屬（MSM）探測器，使用的材料包括硅（Si)、鍺（Ge） 、碳化硅（SiC） 、氮化鎵（GaN） 、氮化鋁（AlN） 、鈣鈦礦(Perovskite)等。Si 基光電探測器基光電探測

38、器硅基光電探測器因 Si 材料的探測波段在 400-1100nm 之間， 被廣泛應用于可見光波段的通信，最為主流的硅基探測器分別為 PIN 光電探測器和 APD 光電探測器。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，且響應帶寬有限，不能進行遠距離通信。APD 光電探測器具有高靈敏度（內部增益可達 102104） 、高響應速度、寬頻帶（頻帶帶寬可達 100GHz）的特點，但其引入噪聲較大且在高低溫下穩定性較差， 因此不適合應用于對信噪比要求高或溫差較大的場景。III-V 族光電探測器族光電探測器III-V 族化合物半導體與 Si 基半導體相比， 具有載流子遷移率高、

39、 直接能隙、帶隙可調，穩定性好的優點。采用第三代半導體 InGaN 材料的 InGaN 探測器因其帶隙可調，可實現整個可見光波段的光信號探測。它可以集成在同一個光通信系統中，通過匹配 LED 光源，實現光信號高效接收。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降低，甚至可以零偏壓自驅動工作，這使得器件具有非常低的功耗。MSM 型光電探測器類似背靠背的肖特基光電二極管。 當外加偏壓不斷增加，反偏一側肖特基二極管發生雪崩擊穿，此時電流將急劇增加。MSM 型光電探測器具有響應速度快、工藝簡單、兼容 CMOS 工藝，易于集成的特點。但其表面的金屬對光有強烈的吸收性，對其內部增益低

40、等性能產生了影響，進而限制了它的廣泛應用。鈣鈦礦光電探測器鈣鈦礦光電探測器鈣鈦礦(Perovskite)材料的結構式為 ABX3，其中 A 為陽離子，其中有機類常有 CH3NH3+（簡稱 MA+） 、HC(NH2)2+（簡稱 FA+） ，無機類常用 Cs+；B 為金屬陽離子 Pb2+、Sn2+等；X 代表將它們結合在一起的鹵素陰離子 I-、Cl-、Br-等。鈣鈦礦響應時間短，因而具有較高的帶寬。其具有重量輕、柔韌性好、載流中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）18子遷移率高、光吸收系數大、激子擴散長度長及禁帶寬度可調諧的優點，可實現不同波段的光檢測。但由于鈣鈦礦是有機物，其壽命和穩定性

41、遠不如 Si 和 III-V族化合物半導體探測器，應用場所受限較多。PIN 與 APD 技術較為成熟，商用產品甚至可以覆蓋 1GHz 帶寬，低到高增益需求。但是絕大部分 Si 基探測器響應峰值在紅外頻段。III-V 族器件響應峰值雖然更接近可見光頻段，但是從商用產品來看靈敏度普遍不高。表 4-2 幾種光電探測器的性能對比材料大小/nm帶寬/nm響應度/(A-W1)探測率(Jones)Si3.0-7.4690-9951091013Ge2-13980-12001.51.21011PbS2.5-7.2800-1700-.1.81013PbSe3-171200-25000.67-PbTe2.6-8.3

42、1100-2150-CdTe/CdS6-11480-8200.31.2108InAs2-7970-15003.812.21O10InSb33-6.51300-1850-3.71012Ag2S5.4-101200-MoS23.1-5.91080-13300.858.01011CuS3-6.5850-130030011013HgTe3-121200-37002310-38.71011可見光探測器的響應度、響應帶寬、暗電流等參數，主要受其材料、結構的影響。 可通過光源與探測器的匹配、探測器陣列等研究使半導體可見光探測器適應更多場景的檢測需求。隨著 VLC 技術的發展，信息的有效傳輸變得尤為重要。新一

43、代 VLC 系統將會實現更高的傳輸效率和更寬的傳輸頻譜， 對探測器寬帶寬、高靈敏度/響應度、集成度、柔性化和自供電功能化等方面提出了更高的需求。中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）194.3 傳輸技術傳輸技術4.3.1傳輸理論傳輸理論1)信號分布與容量界典型的 VLC 系統如圖 4-2 所示， 根據系統中傳輸信號的物理承載形式， VLC系統可分為電域和光域兩部分。圖 4-2 VLC 系統的電域和光域信源生成的數據流經過信道編碼、 速率匹配、 交織和調制等模塊后驅動LED。LED 將輸入的正值信號由電域轉換到光域，其幅度由光功率承載，接收端的 PD則將信號由光域轉換到電域， 從而完成信

44、號的解調。 在 LED 的線性工作區， LED的光功率和電功率近似呈正比， 也可以說LED 激發的光功率與驅動電流呈正比7。承載信號的物理量不同，基于物理量的約束也就不同，因此 VLC 信號分布可以分電域和光域進行分析。當信源為連續信源時，基于電域的分析與射頻（Radio Frequency, RF）一致，即在約束電功率的情況下，接收電信號的最優分布服從高斯分布?；诠庥虻姆治鰟t需要考慮 LED 線性區和人眼安全的影響，因此光功率信號分布區間為固定值，且光信號的功率受其一階矩的約束，接收光信號采樣點上的最優分布服從指數分布。信源分布直接影響系統容量，從數學分析上表征為容量界的性能。目前對于VL

45、C 信號分布和容量界的研究主要基于光域。國外，瑞士蘇黎世聯邦理工學院提出了 SISO 到 MIMO 的無線光通信信道容量界6。國內，東南大學、南京郵電大學等團隊提出了多種基于調光的 VLC 信號分布與容量界8?；陔娪虻男盘柗植挤治龇椒m然與 RF 一致，但是需要考慮 LED 器件特性約束 LED 的輸入信中國移動6G 可見光通信技術白皮書（2022）20號分布，例如去除負值信號和增加直流偏置等?；陔娪蚝凸庥蛐盘柗植嫉姆治?，可以進一步設計可見光信號的生成方案，例如在不同的信道類型下選擇不同分布以獲得更好的性能。此外，基于信號分布的容量界分析可以為后續的系統設計、性能優化等提出指標需求。2)信

46、號非獨立噪聲VLC 系統中接收信號的噪聲通常分為散射噪聲和電路熱噪聲，其中散射噪聲可以進一步分為相對強度噪聲和背景光噪聲9。而由于 PD 的器件物理特性和發射端 LED 發射光子的隨機性，實際中 VLC 系統的接收噪聲由兩部分組成：與信號非獨立的噪聲(Signal-Independent Noise)， 即相對強度噪聲； 與信號獨立的噪聲(Signal-Dependent Noise)，即背景光噪聲和電路熱噪聲10。仿真發現，信號非獨立噪聲對系統性能的影響比較大， 當非獨立噪聲功率占總噪聲功率的比值達到50%時，系統容量下降 40%；當比值達到 1%時，容量下降 18%。因此，在實際的 VLC

47、 系統設計中，應考慮非獨立噪聲對系統性能的影響。4.3.2調制波形調制波形多載波調制技術可有效克服信道的頻率選擇特性， 因此在可見光通信中廣泛使用?；?OFDM 的多載波調制方案有很多，基本的方案主要有直流偏置光正交頻分復用（Direct Current Biased Optical-OFDM, DCO-OFDM） 、非對稱光正交頻分復用（Asymmetrically Clipped Optical-OFDM, ACO-OFDM） 、脈沖幅度調制-離散多音（PulseAmplitude Modulation-Discrete Multi Tone, PAM-DMT）等。為了結合不同調制方案的

48、優勢，很多學者還研究了以上調制方案的組合，主要包括LACO-OFDM、 ADO-OFDM、 HACO-OFDM 等。 其中 ACO-OFDM、 DCO-OFDM、LACO-OFDM 這三種波形頗具有代表性。VLC 的多載波調制需要發送信號為非負實數11。通過厄米對稱可以保證信號為實數。 實現信號非負的方法主要有兩種12： 1） 加直流偏置， 如 DCO-OFDM；2）在時域對負信號削波，如 ACO-OFDM、LACO-OFDM。添加偏置的方法不影響子載波的利用，但增加了功率開銷；削波的方法不影響功率開銷但造成了帶寬浪費?？梢姽獍l射器件的非線性效應會使得信號的星座圖畸變， 因此為了保證發射中國移

49、動6G 可見光通信技術白皮書（2022）21器件工作在線性區， 需要限制信號的最大功率。 最大功率受限會造成信號的削波，產生削波噪聲。 縮小信號幅度可減小削波噪聲， 但同時也會導致接收信噪比減小，因此需要在信號放大和減少削波之間做最優折中以獲得最大接收信噪比。此外，對于 ACO-OFDM 和 DCO-OFDM 兩種波形，低階調制下前者覆蓋性能更好，高階調制下后者覆蓋性能更好，因此針對 VLC 不同應用場景和不同傳輸信道的性能需求，可以選擇不同的波形。在 ACO-OFDM 和 LACO-OFDM 系統中，需要進行負信號削波，這就導致發送信號中存在大量的零值。由于噪聲和干擾的影響，接收端可能接收到

50、部分負值信號，因此在接收端濾除負數信號可以顯著減小噪聲干擾。以上分析對不同場景下的波形選擇，以及系統性能提升具有一定的啟發性。進一步地，未來可以對更多波形進行分析，給出不同場景下推薦的波形、削波比例等，從而實現高速率的可見光通信傳輸。4.3.3均衡技術均衡技術可見光光源器件的高頻響應衰減大，嚴重限制了信號的傳輸速率，因此有必要使用均衡技術擴展可用帶寬。根據實施均衡的階段，可以將均衡分為發送端的預均衡，以及接收端的后均衡。發送端的預均衡是指在發射端將信號高頻部分抬升， 從而拓寬可用調制帶寬，一般在頻域通過施加系統頻率響應的逆函數實現： 根據測得的響應函數為每個子載波添加權重，使得低頻部分幅值減小