作為6G關(guān)鍵候選技術(shù)，可見(jiàn)光通信還有哪些不足？

  ICC訊 3月22日，全球6G技術(shù)大會(huì)順利召開(kāi)，向世界傳遞了6G網(wǎng)絡(luò)將在生活、生產(chǎn)、社會(huì)中催生全新的應(yīng)用場(chǎng)景、帶來(lái)數(shù)十倍的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)提升的美好愿景，讓6G再次成為人們紛紛討論的重點(diǎn)。

  而作為擁有巨大頻譜潛力的可見(jiàn)光通信，被多方認(rèn)為未來(lái)將成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)之一，有望助力6G 網(wǎng)絡(luò)在用戶體驗(yàn)速率、峰值速率、流量密度、網(wǎng)絡(luò)能效、定位精度等方面實(shí)現(xiàn)有效提升。

  可見(jiàn)光通信(VLC)概念在1999年首次提出，是一種照明通信一體化的無(wú)線通信方式，利用發(fā)光二極管等可見(jiàn)光光源發(fā)出肉眼難以分辨的高速明暗變化的光信號(hào)來(lái)傳輸信息，再通過(guò)光電探測(cè)器等光電轉(zhuǎn)換器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)獲取信息，是現(xiàn)有無(wú)線射頻通信的有效補(bǔ)充手段。

  可見(jiàn)光通信的優(yōu)勢(shì)

  與傳統(tǒng)射頻通信相比，可見(jiàn)光通信的優(yōu)勢(shì)主要在于：

  頻譜豐富：傳統(tǒng)無(wú)線通信可使用的頻譜資源只有約300MHz，而可見(jiàn)光候選頻譜帶寬將近400THz，可以用于實(shí)現(xiàn)大氣內(nèi)外、水面水下等場(chǎng)景中的同環(huán)境設(shè)備之間以及不同環(huán)境設(shè)備間的通信，有效解決頻譜資源日益緊張的問(wèn)題。

  部署簡(jiǎn)單：可見(jiàn)光通信的發(fā)射與接收器件可以基于產(chǎn)業(yè)已經(jīng)非常成熟的照明、顯示、成像等領(lǐng)域的器件進(jìn)行升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)低成本超密集部署。

  高效節(jié)能：可見(jiàn)光通信兼具照明與通信功能，具有低功耗高能效的特點(diǎn)。同時(shí)，高效的傳輸效率也是可見(jiàn)光通信面向6G的一大優(yōu)勢(shì)，這使得提升可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的速率成為了相關(guān)研究的一大重點(diǎn)，對(duì)于未來(lái)6G可見(jiàn)光通信的商業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。

  電磁免疫：可見(jiàn)光和射頻信號(hào)之間不會(huì)相互干擾，非常適用于飛機(jī)、醫(yī)院、工業(yè)控制等電磁敏感領(lǐng)域。

  然而，可見(jiàn)光通信也存在著一些短板。由于可見(jiàn)光存在易受阻擋、傳播損耗大等特點(diǎn)，并且現(xiàn)階段商用的可見(jiàn)光器件的帶寬較低，目前可見(jiàn)光通信主要還是應(yīng)用于短距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)中低速率通信場(chǎng)景。

  可見(jiàn)光通信系統(tǒng)的組成

  典型的可見(jiàn)光通信系統(tǒng)分為發(fā)射和接收兩部分，其關(guān)鍵器件在于發(fā)射部分中的電光轉(zhuǎn)換器件和接收部分中的光電轉(zhuǎn)換器件。

  其中，發(fā)射器件主要分為發(fā)光二極管(LED)、激光二極管(LD)和超輻射二極管(SLD)，接收器件主要分為光電二極管(PIN)、雪崩二極管(APD)、圖像傳感器，以及一些特殊應(yīng)用場(chǎng)景下的特種接收器。LED和LD是目前最常見(jiàn)的兩種發(fā)光器件，而 SLD 是一種介于LED和LD之間的發(fā)光器件。SLD不僅結(jié)合了LD的光束方向性與LED大發(fā)散度的優(yōu)點(diǎn)，還具有大帶寬、高亮度和無(wú)斑點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。隨著制造工藝逐步成熟，SLD將成為一種極有前途的可見(jiàn)光通信發(fā)光器件。

  在接收器件中，PIN 和 APD 是當(dāng)前主流的接收器。由于PIN擁有高至1Gbit/s的接收速率，且其成本與 APD 相比較低，因此在高速可見(jiàn)光通信中得到廣泛應(yīng)用。而APD主要用于需要更高接收靈敏度的場(chǎng)景中。

  可見(jiàn)光通信在6G中的應(yīng)用前景

  水下通信將會(huì)成為可見(jiàn)光通信在6G中的一項(xiàng)重要應(yīng)用。

  在6G應(yīng)用愿景中的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，水下通信是不可或缺的一部分。海洋中的各類設(shè)備之間的超高速非接觸式數(shù)據(jù)通信，以及水面至水下設(shè)備之間的數(shù)據(jù)鏈路均需要水下通信技術(shù)的支持。除了無(wú)線光通信之外，水下無(wú)線通信目前主要的手段包括聲波和射頻電波。

  聲波是目前實(shí)現(xiàn)水下無(wú)線通信最常見(jiàn)的方法，聲波在海水中衰減較小，可以實(shí)現(xiàn)極長(zhǎng)距離的水下無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，但聲波帶寬窄、載頻低且方向性差，存在著速率低、延遲大、安全性差的劣勢(shì)。射頻電波在水中的傳輸雖能實(shí)現(xiàn)比聲波高的傳輸速率，但在海水中射頻電波的衰減十分巨大，傳輸距離非常有限，所需的發(fā)射功率也很高。由此可見(jiàn)，這兩種方式都無(wú)法滿足6G中水下通信的需求。

  與上述兩種方法相比，水下可見(jiàn)光通信有著成本低、速率高、抗干擾強(qiáng)、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于波長(zhǎng)在450～550 nm的藍(lán)綠色可見(jiàn)光在水中的衰減遠(yuǎn)小于其他波段的衰減，這似乎也成為了可見(jiàn)光通信得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)所在。

  但隨著水下可見(jiàn)光通信的距離和速率不斷增加，研究發(fā)現(xiàn)在實(shí)際自然環(huán)境中，惡劣的水體環(huán)境會(huì)對(duì)通信造成極大的影響，散射、湍流和吸收這3大主要影響因素使得水下可見(jiàn)光通信實(shí)際應(yīng)用還存在著技術(shù)瓶頸，對(duì)水下可見(jiàn)光通信信道模型的建立仍然是一個(gè)十分關(guān)鍵的問(wèn)題。

  可見(jiàn)光通信技術(shù)還未完全成熟，目前，6G 中可見(jiàn)光通信實(shí)現(xiàn)集成化商用還存在著LED器件帶寬限制、硅基光探測(cè)器在可見(jiàn)光波段靈敏度遠(yuǎn)低于紅外波段、可見(jiàn)光通信的主要結(jié)構(gòu)仍為單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)等技術(shù)阻礙，因此中國(guó)移動(dòng)也在其發(fā)布的6G可見(jiàn)光通信白皮書中倡議學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界盡早啟動(dòng)面向6G的可見(jiàn)光通信總體研究，規(guī)劃可見(jiàn)光通信的產(chǎn)業(yè)推動(dòng)方向與標(biāo)準(zhǔn)化研究方向，為未來(lái)面向 6G 的可見(jiàn)光通信的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

  雖然可見(jiàn)光通信技術(shù)還存在不足，但我們也要看到，在過(guò)去的十幾年間，可見(jiàn)光通信一直飛速發(fā)展，向著可成熟商用的目標(biāo)不斷進(jìn)取。未來(lái)，通過(guò)與其他通信手段結(jié)合發(fā)展，可見(jiàn)光通信除了室內(nèi)的短距離應(yīng)用外，還將在低速、高速到超高速的各種距離通信下大放光彩，成為6G藍(lán)圖中重要的組成部分。