施劍陽，牛文清，徐增熠，遲 楠

(復(fù)旦大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海200433)

0 引言

隨著5G商用進(jìn)度的不斷推進(jìn)，截止2021年7月，中國(guó)5G基站已經(jīng)超90萬座，5G用戶已經(jīng)超1.6億。隨之而來的是全球開始對(duì)6G領(lǐng)域進(jìn)行面向未來的競(jìng)爭(zhēng)力研究。從工信部及多家研究院分別發(fā)布的6G白皮書[1-4]可以看到，6G通信將不再局限于原有的無線頻譜，這已成為大家的共識(shí)。新的頻譜資源大概率會(huì)從太赫茲和可見光頻段中找出。除此之外，人工智能(AI)與智能和無線空口的結(jié)合又是大家的另一個(gè)共識(shí)。而在國(guó)家層面，由于中國(guó)在5G的領(lǐng)先，各國(guó)開始加大對(duì)6G的投入，例如德國(guó)投入了7億歐元、韓國(guó)投入了2 200億韓元、日本投入了500億日元等，期望以此獲得更高的國(guó)際話語權(quán)。

作為兩大未來頻譜資源之一的可見光通信，其相對(duì)于傳統(tǒng)無線頻段最大的價(jià)值便是頻譜無須授權(quán)，這將使運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商具有極大的自由度[5-6]。此外，在室內(nèi)環(huán)境中，可見光通信先天具有廣覆蓋的優(yōu)勢(shì)，更有著綠色、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)；而在室外環(huán)境中，以實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)交互為目的的可見光通信技術(shù)，可以在天空衛(wèi)星通信、地面車間通信及水下潛艇通信等多方面嶄露頭角。

本文將著重介紹面向6G的可見光通信關(guān)鍵技術(shù)，主要面對(duì)水下通信和星基通信的挑戰(zhàn)和AI賦能的可見光通信技術(shù)，以期能夠?yàn)樽x者帶來對(duì)可見光通信在6G中發(fā)展的新思考。

1 水下可見光通信技術(shù)

在6G的暢想中，全覆蓋的泛在接入是重要的組成部分，而海洋水下領(lǐng)域則始終缺少了一塊拼圖。在現(xiàn)有的海洋生態(tài)中，水下各類設(shè)備之間的交互依賴高速超短距通信，例如無線電磁波通信；或依賴長(zhǎng)距低速通信，例如水聲聲波通信?，F(xiàn)今的水下通信技術(shù)始終存在一定的鴻溝來促成海洋生態(tài)的進(jìn)一步演進(jìn)，其主要原因在于大海這個(gè)傳輸介質(zhì)的特殊性。聲波是目前水下通信最常用的方式，但聲波的載頻很低，從而導(dǎo)致帶寬極度受限，并且方向性很差，因此有速率低、延遲大、安全性差等劣勢(shì)。而射頻電波，雖然有著比聲波更高的傳輸速率，但因?yàn)楹Ｋ鳛閷?dǎo)體而存在趨膚效應(yīng)，射頻電波在海水中的衰減十分巨大，直接導(dǎo)致傳輸距離受限，也退出了6G水下通信競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)。因此，為了拼上6G泛在接入水下領(lǐng)域的這一塊拼圖，尋找一種行之有效的通信方式成一種迫在眉睫的任務(wù)。

在水下環(huán)境中，由于深紫外波段中的電子躍遷以及紅外波段中分子內(nèi)和不同分子間的運(yùn)動(dòng)，光的吸收率很高。但研究人員意外地發(fā)現(xiàn)，在整條吸收窗曲線中，出現(xiàn)了一個(gè)神奇的凹陷，水的吸收光譜在藍(lán)綠光范圍達(dá)到最小值，使用藍(lán)綠色光在水下通信成為了可能[7]。當(dāng)時(shí)的研究學(xué)者們，首先想到是使用激光二極管(Laser Diode，LD)作為通信源。的確，相比于LED，LD可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的傳輸距離和傳輸速率，但對(duì)于對(duì)準(zhǔn)的要求異?？量?，影響了進(jìn)一步商用的可能。比如2018年，F(xiàn)ei等人使用離散多音頻(Discrete Multi Tone,DMT)調(diào)制技術(shù)，已經(jīng)利用450 nm的激光在水下實(shí)現(xiàn)了1.7 m和14.8 Gbit/s的通信[8]。而基于LED的水下可見光通信，近幾年也受到更多的關(guān)注。2019年，復(fù)旦大學(xué)Li等人使用2×2的PIN陣列來擴(kuò)大LED水下可見光通信的接收范圍，從而實(shí)現(xiàn)了單一藍(lán)光LED傳輸1.2 m和1.8 Gbit/s[9]。更進(jìn)一步，2020年，Hu等人基于波分復(fù)用的可見光通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了水下LED離線最高速率20.09 Gbit/s[10]。而在水下實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，目前最高速率為2.34 Gbit/s，由Chen等人于2019年實(shí)現(xiàn)[11]。

即使高速水下可見光通信已經(jīng)有了不小的成績(jī)，但離可用和商用仍然有著不小的距離。在海水的傳輸介質(zhì)中，主要面臨著三大挑戰(zhàn)。首先，水下信道模型異常復(fù)雜，海水是生物和非生物混合系統(tǒng)，海洋處于不斷運(yùn)動(dòng)當(dāng)中，水下信道是非均勻介質(zhì)動(dòng)態(tài)多參數(shù)模型，甚至存在時(shí)變的參量；其次，水下光器件并不成熟，跟成熟的光纖通信紅外波段相比，器件帶寬和靈敏度有上百倍的差距；最后，高速、長(zhǎng)距離、動(dòng)中通三個(gè)條件是互相制約的，要實(shí)現(xiàn)高速通信，就不能遠(yuǎn)距離，視場(chǎng)角與傳輸距離之間也是一對(duì)矛盾。另外，在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用條件下，還會(huì)受到諸如系統(tǒng)收發(fā)幾何對(duì)準(zhǔn)、水下浮游生物遮擋鏈路、水壓導(dǎo)致樣機(jī)殼體形變以及鹽度對(duì)設(shè)備腐蝕等工程限制因素的制約，這也是實(shí)際運(yùn)用中需要考量的。

而在水下無線光通信的具體應(yīng)用中，通信距離一般在10～100 m左右，主要有3種典型應(yīng)用，如圖1 所示。

圖1 水下光聯(lián)網(wǎng)概念圖Fig.1 Conceptual diagram of underwater optical networking

第一是跨介質(zhì)通信，可用于飛機(jī)、水面艦艇浮標(biāo)與水下運(yùn)動(dòng)裝備高速通信；第二是水下物聯(lián)網(wǎng)，可用于水下傳感器和水下航行器編隊(duì)組網(wǎng)；第三是有線無線融合組網(wǎng)，可以高速接入海底光纜網(wǎng)。具體而言，未來水下可見光技術(shù)可以將終端節(jié)點(diǎn)與水下無人潛器(UUV)或水下傳感網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息匯總，通過海底光纜或水面節(jié)點(diǎn)，以光纖通信或射頻通信的方式連接陸地基站和通信衛(wèi)星，從而實(shí)現(xiàn)水下上網(wǎng)。借助水下無線光通信技術(shù)大容量、低時(shí)延的特點(diǎn)，可拓展出更多的想象，包括可穿戴設(shè)備、水下物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、海洋科學(xué)觀測(cè)、海洋安全與國(guó)防建設(shè)、海洋生態(tài)資源的綜合利用等領(lǐng)域。例如，在可穿戴設(shè)備方面，為了提高游泳者練習(xí)水平，教練需要對(duì)游泳者劃水頻率、游速等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集記錄。借助可見光通信技術(shù)設(shè)計(jì)的可佩戴數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，可通過LED燈實(shí)時(shí)將游泳數(shù)據(jù)反饋給游泳者，避免了傳統(tǒng)視頻記錄和慣性傳感器記錄導(dǎo)致的精度不高、不能實(shí)時(shí)展現(xiàn)的問題。在水下傳感網(wǎng)絡(luò)方面，可見光通信可高速傳輸大數(shù)據(jù)流，通過將可見光接收模塊裝載在UUV上，通過操控UUV，能夠快速導(dǎo)出水下固定節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)期收集的水文及其他信息，且不同節(jié)點(diǎn)的水下可見光通信不存在類似聲波的相互干擾，也使得水下網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)導(dǎo)出變得極為便捷。

綜上所述，水下可見光通信技術(shù)將極大拓展我們?cè)谶@個(gè)星球上的生存空間。從宏觀角度而言，對(duì)于國(guó)家海洋安防、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋活動(dòng)觀測(cè)以及海洋資源利用等重點(diǎn)工程都有重要意義。開展水下可見光光通信技術(shù)的研發(fā)，構(gòu)建未來新型水下信息高速公路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，符合未來國(guó)家發(fā)展的核心利益。

2 星基可見光通信技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，遠(yuǎn)離地表的太空，同樣也是6G網(wǎng)絡(luò)將要觸及的領(lǐng)域。從數(shù)百千米高的近地軌道，到數(shù)萬千米的高軌道上，可見光通信都顯示出巨大的應(yīng)用潛力。由于這一區(qū)域幾乎處于真空，光信號(hào)的傳播能夠免受大氣的衰減、微粒的散射和障礙物的遮擋，幾近暢通無阻。因此，這里成為了部署光通信網(wǎng)絡(luò)的理想環(huán)境。星間網(wǎng)絡(luò)的重要性不亞于地表和海洋，其通信概念如圖 2 所示。部署在地表、海面或水下的通信器材往往受到地球的遮擋，只能接收到臨近發(fā)射源的信號(hào)，故很難參與整個(gè)區(qū)域的通信，除非依靠極為龐大而復(fù)雜的光纖網(wǎng)絡(luò)。遠(yuǎn)在大氣層之上的衛(wèi)星可以不受這個(gè)限制，通過其搭載的器件，對(duì)來自地球的各頻段信號(hào)進(jìn)行接收與傳遞。這一優(yōu)勢(shì)使得其在遙感、通信、導(dǎo)航定位及航天航空等領(lǐng)域具有不可替代的重要地位，包括移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)等在內(nèi)的海、天、地基網(wǎng)絡(luò)用戶都是其服務(wù)對(duì)象。為了滿足海量的信息傳輸，需要依靠多軌道組成的星間鏈路系統(tǒng)，包括近地軌道的巨星座，同步軌道的同步衛(wèi)星，以及位于其間接力信息的中軌道衛(wèi)星(如智慧天網(wǎng))，以數(shù)百Tbit/s的規(guī)模實(shí)現(xiàn)信息吞吐。而在數(shù)百至數(shù)萬千米的太空構(gòu)建可靠、高速的通信鏈星間激光，將是極具潛力的候選。

圖2 星基通信概念圖Fig.2 Conceptual diagram of satellite-based communication

此前衛(wèi)星多采用紅外波段實(shí)現(xiàn)星間或星地激光通信，相比射頻通信，紅外信號(hào)有著更高的帶寬資源，是目前星間激光通信已經(jīng)被廣泛研究的技術(shù)，經(jīng)過60年的發(fā)展，已經(jīng)擁有了較為成熟的配套器件。然而，紅外波段在傳輸速率和信號(hào)衰減的問題上存在限制。一方面，紅外波段的激光器件的束散角較大，是可見光的相應(yīng)器件的3.5倍，這就使得在大功率上，遠(yuǎn)距離通信上有著明顯劣勢(shì)；另一方面，由于紅外器件只需要較小的能量即可改變其中原子的能級(jí)，外太空中遍布的高能宇宙粒子與射線極易改變衛(wèi)星上正在通信的信息，使其二進(jìn)制存貯發(fā)生翻轉(zhuǎn)，不利于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、低誤碼率的通信。6G網(wǎng)絡(luò)的通信容量預(yù)計(jì)將達(dá)到5G網(wǎng)絡(luò)的千倍，同時(shí)其星間網(wǎng)絡(luò)在空間跨度上極大，現(xiàn)有的射頻與紅外通信技術(shù)難以支持如此高的傳輸速率需求。然而，依靠寬禁帶材料氮化鎵(GaN)，可見光通信能夠以更小的束散角、更高的功率，以數(shù)百倍的功率密度向更遠(yuǎn)的深空傳遞信號(hào)。一方面，可見光器件的寬禁帶材料特性，僅有少數(shù)能量超過氮化鎵禁帶寬度的粒子才能對(duì)信息傳輸造成干擾，使得可見光器件受高能粒子影響干擾降低。所以，可見光器件能夠以兩倍于紅外器件的位移閾值能量抵擋電子等粒子流，并且抗輻照能力比紅外器件高三個(gè)數(shù)量級(jí)。另一方面，可見光頻段有豐富的頻譜資源，因此可見光器件將是未來星間通信極具潛力的選項(xiàng)。

近年來，各國(guó)研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)星間可見光通信展開研究。在2014年，日本信州大學(xué)就發(fā)射了ShindaiSat微型衛(wèi)星用以初步驗(yàn)證星間可見光的可行性。2015年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)啟動(dòng)了代號(hào)KCA-4421-1的星間可見光通信項(xiàng)目，用于全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。2019年和2020年，意大利與英國(guó)先后啟動(dòng)了FOCS和EPSRC可見光衛(wèi)星通信項(xiàng)目。在低軌衛(wèi)星組網(wǎng)方面，目前早已有多個(gè)巨星座處在開發(fā)和規(guī)劃中，其中計(jì)劃規(guī)模最大的是Space-X公司策劃的Starlink，預(yù)計(jì)在軌衛(wèi)星將超過10 000顆，以實(shí)現(xiàn)達(dá)23.7 Tbit/s的吞吐速率。其余的Oneweb與TeleSat雖然同為低軌衛(wèi)星項(xiàng)目，但其無論是衛(wèi)星數(shù)量還是信息吞吐，都較之Starlink要落后一個(gè)數(shù)量級(jí)。由此可見，未來的星間可見光通信將會(huì)成為各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)問題。目前，低軌衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)重大戰(zhàn)略需求?！疤斓匾惑w化信息網(wǎng)絡(luò)”已列入國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目。在“十四五”規(guī)劃中，“打造全球覆蓋、高效運(yùn)行的通信、導(dǎo)航、遙感空間基礎(chǔ)設(shè)施體系”得到了重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)，可以預(yù)見未來星間可見光通信有著廣闊的發(fā)展前景。

3 AI賦能的可見光通信技術(shù)

在6G領(lǐng)域的版圖中，可以看到可見光通信技術(shù)的應(yīng)用橫跨空地海立體網(wǎng)絡(luò)，這導(dǎo)致其傳輸信道異常復(fù)雜，信號(hào)在經(jīng)過傳輸?shù)倪^程中會(huì)受到線性與非線性效應(yīng)的影響，特別是在復(fù)雜信道與高功率的情況下，非線性損傷將成為制約可見光通信系統(tǒng)性能的主要瓶頸問題。對(duì)于可見光通信系統(tǒng)來說，非線性效應(yīng)的來源主要包括發(fā)射端LED的非線性響應(yīng)、接收端PIN接收機(jī)的非線性，以及其他電路元件的非線性響應(yīng)等[12-14]，且可見光通信系統(tǒng)中的非線性模型非常復(fù)雜，僅使用傳統(tǒng)的均衡算法難以擬合。如何高效處理復(fù)雜的非線性效應(yīng)，已成為實(shí)現(xiàn)高速、高可靠性可見光通信系統(tǒng)所面臨的重大挑戰(zhàn)。

近年來AI學(xué)科方興未艾，已經(jīng)在分類、回歸、模式識(shí)別，以及數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域顯示出優(yōu)異的性能[15]。將AI領(lǐng)域的諸多算法引入可見光通信系統(tǒng)，已成為可見光通信技術(shù)的一大發(fā)展趨勢(shì)。現(xiàn)階段，AI主要可分為聚類、分類、回歸預(yù)測(cè)三大類。利用這三類AI，研究人員已經(jīng)可以在光通信中實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用，例如非線性抑制、光網(wǎng)絡(luò)性能檢測(cè)、調(diào)制格式識(shí)別等，如圖 3 所示。世界范圍內(nèi)的研究者們已經(jīng)在這些領(lǐng)域取得了豐富的研究成果。

圖3 AI在光通信中的應(yīng)用Fig.3 Application of artificial intelligence in optical communication

首先，在聚類方面，Lu等人提出使用K-means算法對(duì)非線性條件下發(fā)生中心偏移的星座點(diǎn)進(jìn)行聚類，以得到發(fā)生形變條件下星座點(diǎn)新的分布中心[16]，并進(jìn)一步將K-means算法應(yīng)用到預(yù)失真中，以抵消系統(tǒng)非線性對(duì)星座點(diǎn)造成的影響，可以將誤碼率降低到原先的50%～99%[17]。Yu等人對(duì)于脈沖幅度調(diào)制(Pulse Amplitude Modulation，PAM)系統(tǒng)中存在的隨機(jī)幅度抖動(dòng)問題，提出使用DBSCAN算法，基于時(shí)間軸上星座點(diǎn)分布的密度對(duì)接收星座點(diǎn)進(jìn)行聚類，可以降低由于隨機(jī)抖動(dòng)引入的符號(hào)誤判[18]?？紤]到非線性效應(yīng)與符號(hào)間串?dāng)_，針對(duì)非線性下連續(xù)兩個(gè)/三個(gè)PAM符號(hào)組成的二維/三維星座點(diǎn)分布變?yōu)闄E圓/橢球的問題，Wu等人提出使用高斯混合模型(Gaussian mixture model，GMM)，得到對(duì)橢圓/橢球星座點(diǎn)更優(yōu)的聚類結(jié)果，進(jìn)一步降低誤碼率[19-20]。

在分類方面，Niu等人提出使用支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)，利用少量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)提取星座點(diǎn)分布的特征，在相偏和非線性失真的條件下，依然可以找到最優(yōu)的星座點(diǎn)判決分界,相比傳統(tǒng)的基于歐氏距離的星座點(diǎn)判決方法，可以明顯降低星座點(diǎn)誤判[21-22]。

在回歸預(yù)測(cè)方面，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Deep Neural Network,DNN)憑借對(duì)復(fù)雜非線性問題的強(qiáng)大擬合能力，在可見光通信系統(tǒng)信號(hào)均衡方面已經(jīng)顯示出優(yōu)越的性能。Chi等人提出基于高速核函數(shù)的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GK-DNN)，通過對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行一次非線性高斯映射，可以大幅降低DNN訓(xùn)練截?cái)嗟牡螖?shù)和復(fù)雜度，性能比傳統(tǒng)DNN提升了25%[23]。Zou等人基于可見光通信系統(tǒng)信道特征，提出了多分支的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[24]，將非線性與線性部分分別處理，可以進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度。

綜上所述，AI數(shù)據(jù)處理在可見光通信領(lǐng)域還處于起步階段，現(xiàn)有成果顯示其出巨大的應(yīng)用潛力。未來隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展和普及，結(jié)合信道特性和物理性質(zhì)的AI算法在可見光通信技術(shù)中的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。

4 結(jié)論

結(jié)合目前可見光通信在研究領(lǐng)域的最新進(jìn)展，本文著重介紹了面向6G的可見光通信的發(fā)展方向和關(guān)鍵技術(shù)。研究人員已經(jīng)取得了一系列令人矚目的成果，但在6G特殊領(lǐng)域——水下和星基領(lǐng)域，離實(shí)際應(yīng)用仍然有著不小的差距。而這樣復(fù)雜多變的環(huán)境，可能正是智能化AI可見光系統(tǒng)的發(fā)力點(diǎn)。被AI賦能的可見光通信技術(shù)，將加快其在6G中的研究進(jìn)展，使其在6G真正到來之時(shí)大放異彩。