可见光通信 高速可见光通信的前沿研究进展

基于可见光通信近年来的研究热点，阐述了可见光通信的研究背景和基本系统架构，围绕材料器件、高速系统、异构网络、水下可见光通信和机器学习五个前沿研究方向，探讨了可见光通信的研究进展，总结了目前高速可见光通信技术面临的一些挑战。最后，展望了可见光通信的前景:在未来万物互联的智能时代，可见光通信将以其高速传输的优势，成为通信网络不可或缺的一部分，与其他通信方式协同互补，共同造福人类生活。

关键词:可见光通信；材料设备；异构联网；水下可见光通信；机器学习

1.介绍

随着物联网(IoT)的兴起和人工智能的快速发展，人类正在走向一个“万物感知、万物互联、万物智能”的智能时代。在智能时代，

移动数字终端和通信媒体的类别将发生革命性的变化，由此产生的海量数据将对通信系统的高速和低延迟提出更高的要求，这将给传统的通信接入网络技术带来巨大的挑战。在此背景下，一种具有拓宽频谱资源、绿色节能、高速移动接入等优势的新型通信模式——可见光通信(VLC)应运而生，并于2011年被《时代》杂志评为全球50大科技发明之一。

可见光通信是一种无线光传输技术，使用波长在380纳米至790纳米范围内的可见光进行数据通信。相对于传统无线通信中日益稀缺的频谱资源，可见光拥有丰富的频谱资源，频谱带宽约为400THz，是人类有待研究的空白色领域。此外，可见光通信还具有照明、通信、控制和定位等功能。，且易于与现有基础照明设施整合，符合国家节能减排的战略思路。在核电站、矿山、加油站等电磁敏感区域，以及变电站、现代军事战场等电磁环境较强的特殊场所，可见光通信具有无无线电干扰、无电磁辐射、保密性高等优点，是解决传统无线电通信无法使用的最有效途径之一。可见光通信最大的优势是高速，现有的VLC实验可以达到每秒十几亿比特的传输速率，使得可见光通信成为未来智能时代B5G/6G超高速泛在光网络中不可或缺的无线通信方式。可见光通信因其诸多优势，已成为各国政府支持的重要科学课题。日本于2003年成立了可见光协会(VLCC)。国家自然科学基金(NSF)成立了ERC中心和FIWIN中心来研究可见光通信。欧洲联盟的第七个框架协定(FP7)和第五个公私伙伴关系项目侧重于支持可见光通信。同时，中国科技部已将可见光通信纳入重点研发计划。复旦大学、中国科学院半导体研究所、北京邮电大学、东南大学等科研机构多年来开展了可见光通信技术研究，取得了一系列显著的科研成果。

2系统结构

可见光通信系统的基本结构一般由可见光信号发射端、可见光信号传输通道和可见光信号接收端三部分组成。图1显示了可见光通信系统的基本结构[4]。可见光信号发射端包括调制模块、驱动电路、光发射器等。首先对原始二进制信号进行编码、调制和预均衡变换，将得到的预处理信号进行模数转换，驱动LED(发光二极管)等发光器件控制其照度，从而实现电信号到光信号的转换。此外，在光发射器后面增加光学透镜和聚光杯，可以进一步提高接收端的信号强度，从而增加传输距离。调制后的可见光信号在大气或水下等自由空通道中传播，到达可见光信号接收端。可见光信号接收端包括接收天线、光电探测器、解调模块等。一般采用光电二极管PIN、雪崩光电二极管APD等光电探测器检测光信号，实现光信号向电信号的转换。经过后均衡、解调、解码等数字信号处理后，恢复原始传输信号。

图1。可见光通信系统的基本结构

3前沿研究方向

目前，可见光通信的研究主要集中在五个方面，即材料器件、高速系统、异构组网、水下可见光通信和机器学习在可见光通信中的应用。其中，材料器件主要包括新型发光器件和光接收器件；高速系统引入了可见光通信传输速率的发展。异构组网围绕可见光通信组网；水下可见光通信和机器学习是可见光通信领域发展迅速、热门的研究方向，也是本文的重点。

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图2。硅基发光二极管垂直结构示意图及表面纹理图

图4。可见光多用户接入网络示意图

图5。未来水下无线光网络示意图

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4总结与展望

随着可见光通信的不断发展，我们有理由相信，可见光通信与其他通信方式一起，将高效、智能地处理海量数据，服务于未来万物互联时代，造福人类生活。