高速可見光通信的前沿研究進展

1、 高速可見光通信的前沿研究進展 2.中國電子科技集團公司第三十四研究所 廣西桂林 541000摘要：可見光通信最大的優(yōu)勢是高速，目前已有的vlc實驗可以實現(xiàn)每秒十幾吉比特的傳輸速率，這一優(yōu)勢使得可見光通信成為未來智能時代b5g/6g超高速泛在光聯(lián)網(wǎng)中一種不可或缺的無線通信方式。由于具有眾多優(yōu)勢，可見光通信一經(jīng)問世便成為各國政府支持的重要科學主題。關(guān)鍵詞：可見光通信；機器學習；組網(wǎng)1引 言隨著物聯(lián)網(wǎng)的興起以及人工智能的迅猛發(fā)展，人類正邁向以“萬物感知、萬物互聯(lián)、萬物智能”為特征的智能時代。在智能時代，移動數(shù)字終端和通訊媒介的范疇將會發(fā)生革命性變化，由此產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)對通信系統(tǒng)的高速率和低時延提出

2、了更高要求，這些將給傳統(tǒng)通信接入網(wǎng)技術(shù)帶來巨大的考驗。可見光通信是一種利用波長在380nm到790nm范圍內(nèi)的可見光進行數(shù)據(jù)通信的無線光傳輸技術(shù)。相比于傳統(tǒng)無線通信日益匱乏的頻譜資源，可見光的頻譜資源豐富，頻譜帶寬約為400thz，是人類有待研究的空白領(lǐng)域?？梢姽馔ㄐ偶婢哒彰?、通信和控制定位等功能，易與現(xiàn)有基礎(chǔ)照明設施相融合，符合國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略思想。在電磁敏感區(qū)域如核電站、礦井、加油站等和具有強電磁環(huán)境的特殊場所，如變電站、現(xiàn)代軍事戰(zhàn)場等，可見光通信具有不受無線電干擾、無電磁輻射、高度保密性的優(yōu)勢，是解決無法使用傳統(tǒng)無線電通信時最有效的途徑之一。本文立足于通信領(lǐng)域近年來備受關(guān)注的研究熱點可

3、見光通信，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、水下可見光通信和機器學習等五個前沿研究方向展開了對可見光通信研究進展的探討，并概述了現(xiàn)階段高速可見光通信技術(shù)面臨的若干挑戰(zhàn)。最后展望了可見光通信的前景：在未來萬物互聯(lián)的智能時代，可見光通信將以其高速傳輸?shù)膬?yōu)勢成為通信網(wǎng)絡中不可缺少的一部分，與其它通信方式合作互補共同造福人類生活。2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可見光通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)一般由三個部分組成，包括可見光信號發(fā)射端、可見光信號傳輸信道和可見光信號接收端，可見光信號發(fā)射端包括調(diào)制模塊、驅(qū)動電路、光發(fā)射器等。原始的二進制信號首先經(jīng)過編碼、調(diào)制和預均衡等變換，得到的預處理信號經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換

4、后驅(qū)動光發(fā)射器如led以控制其光照強度，從而實現(xiàn)電信號到光信號的轉(zhuǎn)換。此外，在光發(fā)射器后加上光學透鏡和聚光杯可以進一步提高接收端信號強度，從而增大傳輸距離。經(jīng)過調(diào)制后的可見光信號在大氣或者水下等自由空間信道中傳播，到達可見光信號接收端。可見光信號接收端包括接收天線、光電檢測器、解調(diào)模塊等。一般使用光電二極管pin、雪崩光電二極管apd等光電檢測器來檢測光信號，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。得到的電信號經(jīng)過后均衡、解調(diào)和解碼等數(shù)字信號處理后，恢復出原始發(fā)射信號。3沿研究方向目前研究學者對可見光通信的研究主要集中于五個方面，分別是材料器件、高速系統(tǒng)、異構(gòu)組網(wǎng)、水下可見光通信以及機器學習在可見光通信中的

5、應用。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)介紹了可見光通信傳輸速率的發(fā)展情況；異構(gòu)組網(wǎng)圍繞著可見光通信組網(wǎng)展開；水下可見光通信和機器學習，是目前可見光通信領(lǐng)域發(fā)展較為迅速和熱門的研究方向，也是本文介紹的重點。3.1機器學習隨著機器學習的迅猛發(fā)展，基于機器學習的方法已廣泛應用于數(shù)據(jù)挖掘、計算機視覺、自然語言處理等領(lǐng)域，在人類生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。機器學習能夠在基礎(chǔ)物理和數(shù)學難以分析或無法明確描述的情況下，有效地逼近和擬合任意復雜函數(shù)并提取和處理其隱含的特征。機器學習的目的是使系統(tǒng)從經(jīng)驗中學習，自主提高性能。具體到可見光通信領(lǐng)域的研究中，機器學習可以用于系統(tǒng)非線性抑制

6、和補償、光網(wǎng)絡性能監(jiān)控、調(diào)制方式識別以及相位估計等任務中，是可見光通信系統(tǒng)實現(xiàn)智能化的關(guān)鍵。目前，一些經(jīng)典的機器學習算法如k-means、dbscan等已被研究學者嘗試用于解決可見光通信中的難題?？梢姽庀到y(tǒng)中的led、發(fā)射驅(qū)動電路、接收放大電路等都會引入非線性，而非線性會嚴重損害系統(tǒng)性能。文獻利用k-means算法補償系統(tǒng)非線性，并成功將誤碼率ber由2.410-1降低至3.610-3。在現(xiàn)代化互聯(lián)網(wǎng)的影響下，大部分的工作生活都需要終端上網(wǎng)支持。隨著需求增加的情況下，帶寬質(zhì)量也需要逐步提升。通過上文分析，sdh技術(shù)更側(cè)重于業(yè)務的電層處理。其調(diào)度能力雖然靈活且保護能力強，但運用單波長進行傳輸易遭

7、到瓶頸，無法滿足日益膨脹的業(yè)務需求。因此帶來的弊端較多，不僅開銷較大，頻帶利用率也不高。另外采用指針調(diào)控會在使用過程中產(chǎn)生較大波動，影響整體運行效率。在此條件下，通過光傳輸網(wǎng)絡技術(shù)的演進，otn在sdh的基礎(chǔ)上，完善了光層與電層的結(jié)構(gòu)體系，通過字節(jié)開銷過程中的單元內(nèi)部傳輸管理條約，更好的實現(xiàn)了監(jiān)控工作。在光層運用波導復用的條件下，可以建立科學的監(jiān)控通信道來滿足光傳輸環(huán)節(jié)中的控制。進一步提升光纖的運用率，使每個環(huán)節(jié)都能夠在監(jiān)控機制的約束下得到有效管理。otn技術(shù)解決了以往光通信技術(shù)運用中的網(wǎng)絡維護缺陷。另外在otn中運用控制平面可以更好的形成靈活科學的擴展性智能交換光網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)動態(tài)智能化的光

8、網(wǎng)絡體系，逐漸在演進中變成自動化的交換光網(wǎng)絡。3.2水下可見光通信在未來萬物互聯(lián)的智能時代，水下物聯(lián)網(wǎng)是必不可少的組成部分。如圖5所示40，海洋觀測傳感器物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)互通及信息回傳、水下運動裝備與水面艦艇及通信浮標等目標的超高速非接觸數(shù)據(jù)通信、水下航行器集群及編隊組網(wǎng)通信、海底光纜網(wǎng)與水下無線光通信的無線融合組網(wǎng)等功能的實現(xiàn)，都需要水下通信技術(shù)作為支撐。水下通信技術(shù)主要分為有線和無線兩大類。水下有線通信主要是在海底鋪設使用光纖作為介質(zhì)的電纜進行通信。由于光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、中繼距離長、抗電磁干擾等優(yōu)點，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

9、嚴重制約水下潛航器、傳感器等動態(tài)通信網(wǎng)絡的靈活性。水下無線通信技術(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行水下通信。其中，聲波是應用最廣泛的水下無線通信技術(shù)，聲波在海水中衰減小，能夠?qū)崿F(xiàn)低速率長距離的水下傳輸。但是水聲通信帶寬窄、載波頻率低、時延大且安全性差。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，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。結(jié)束語綜上所述，在研究學者們共同的努力下，可見光通信已經(jīng)取得了一系列令人矚目的成果。然而，可見光通信目前仍面臨著各方面嚴峻的挑戰(zhàn)，例如現(xiàn)有的光發(fā)射和接收器件仍然限制了可見光通信

10、系統(tǒng)性能的提升，未來將需要研究更多的新型器件來突破性能瓶頸；現(xiàn)有的可見光通信信道理論模型還沒有全面涉及實際信道中各種惡劣因素的影響，未來將需要研究實際且全面的可見光信道理論模型，為高速可見光通信提供理論指導；現(xiàn)有的可見光異構(gòu)組網(wǎng)還處于初級研究階段，未來將需要研究如何合理解決上行鏈路傳輸以及可見光與太赫茲通信、毫米波通信和微波無線通信等通信方式如何共存與兼容；現(xiàn)有的基于機器學習的可見光通信系統(tǒng)還沒有實現(xiàn)智能化，未來將需要研究更多的新型機器學習算法協(xié)同工作，共同實現(xiàn)可見光系統(tǒng)的智能化。隨著可見光通信的不斷發(fā)展，我們有理由相信：可見光通信將會同其它通信方式一起，高效、智能地處理海量數(shù)據(jù)，服務于未來萬物互聯(lián)的時代，造福人類生活。參考文獻1何一心，文杰斌