使用宽光谱信号进行无线传输的理论研究

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宽光谱信号的传输特征在不同时空环境下如何变化,以及如何充分利用多维自由度来实现高可靠性的传输等难题被一一破解,使得宽光谱无线光通信得到进一步发展,有望早日在信息基础设施建设、特种行业等领域发挥作用。
 
城市的夜晚,无论是在马路上还是商场中,无论是在家中还是在车库里,往往都是一片灯火通明。这些色彩斑斓的光线绝大部分来自半导体光源,尤其是LED。得益于半导体技术的飞速发展和新型半导体器件的出现,半导体光源已可覆盖红外光(波长780纳米以上)、可见光(波长380~780纳米)至紫外光(波长380纳米以下)的宽光谱谱段,广泛用于红外监控,办公室、会议室、教室、地下车库等室内照明显示,道路照明、交通指示,紫外杀菌,手持以及头戴式便携照明等领域。
 
半导体光源不仅丰富了照明源,让绿色、节能的理念在日常生活中普及开来,也带来了诸多灵感。宽光谱信号具有带宽大、不需要频谱许可、抗电磁干扰能力强、信息安全性高和定位精准等特点,极大地推动了能源与信息科学的交叉融合,在如今数据容量飞涨而现有可用无线频谱资源容量趋于饱和的情况下,给未来的通信行业带来了新的可能。因此,自2009年开始,全球范围内都掀起了半导体光源的研究热潮。研究人员努力开拓从红外光到可见光和紫外光谱段的丰富光谱资源,将待传输的信号加载到一定波段和一定谱宽的LED或其他光源发射的光波上,研究基于不同波长光载波的宽光谱信号无线传输技术,实现信号在空间的高效、可靠传输,满足未来无线通信应用的需求。
 
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可见光LED光源的普适应用
 
研究人员已经看到,宽光谱无线光通信可以在信息基础设施建设、特种行业(如国防安全、电磁安全苛求或敏感行业、车联网、海洋资源开发、空天信息化)等领域发挥不可或缺的作用。
 
首先,结合日益普及的可见光LED照明系统,利用其空间复用能力可大幅提升区域容量,为人口密集区域提供大容量宽带移动服务,比如在居民区、机场和火车站等交通枢纽,会场和体育场馆等人口集聚区,飞机机舱和高速列车车厢等用户密集区域提供服务。
 
其次,针对拥堵的交通状况,基于LED汽车车灯、交通信号灯、信息显示屏、路灯等,可方便地构建车联网和大型交通信息网络,服务于交通管理部门和智能驾驶。
 
第三,伴随物联网在各行业的应用渗透,作为基础设施的LED光源延伸为天然的信息发布节点,使网络的接入如加装灯泡一样便捷;同时,光线的直线传播特性使得精准定位成为可能,由此衍生出新型位置服务。最后,不同波段的光信号在室外传输时,其传输机理和信道特征表现出显著的波长选择性,大气散射导致光的传输方向改变,散射作用随波长的缩短而加强,尤其是波长小至280纳米以下的深紫外频段,由于高空臭氧层的吸收,能够使通信系统免受太阳光的干扰,十分有利于散射通信。
 
利用这一特点,能够实现发射端与接收端无须对准的非视距无线光通信,具有突破视距、适应地形以及安全保密的特点,可以广泛应用于军事、安全和城市移动通信领域,前景广阔。
 
使用可见光LED光源发出的光作为信息载体的无线传输技术,称为可见光通信(VLC)技术。毫无疑问,这一技术得到了学术界和工业界的广泛关注。鉴于LED可高速调制信号的特性,利用待传输的数字信号可以有效控制LED光源产生快速(每秒可达数百万次)的变化,这些变化被光敏传感器捕捉,而人的肉眼却不会察觉。这样一来,就可以保证光信号能够被高灵敏度探测器接收,使得同一LED器件既能实现满足视觉效果的节能照明显示,又能实现对电子终端的信息传输。简而言之,有光就能通信,有光就能互连。最终,LED光源将演变成为泛在的互联网接入节点,形成光联万物、无缝覆盖的无线光通信网络。
 
可见光通信与Wi-Fi等射频无线通信相比具有很多独特优势。首先,光的带宽高出射频信号至少4个量级,这使得可见光通信的潜在数据速率呈几何级数提升。其次,可见光信号的区域覆盖和定向传输特性可允许相邻光束交叉通过而互不影响,从而使得互干扰达到最小,保证可见光通信链路的性能;而射频信号间的互干扰会严重制约其系统性能。第三,可见光无法穿透非透明物体,如墙壁、隔断、天花板等,保障了数据的安全性和私密性;而射频信号容易被截获和监听。可见光通信可结合泛在和密集覆盖的LED光源设施,无须布设射频基站,即可实现泛在覆盖的绿色通信,提供单链路每秒千兆比特级的无线光通信速率,且消除了电磁辐射与干扰等方面的困扰。
 
宽光谱无线光通信技术具有诸多优点和广阔的应用前景,但也存在一系列技术难题急需攻克,如宽光谱信号的传输特征在不同时空环境下如何变化,以及如何充分利用多维自由度来实现高可靠性的传输。鉴于此,清华大学与中国科学技术大学、北京理工大学、东南大学、北京大学、北京邮电大学及中国科学院半导体研究所联合组建研究团队,自2013年起承担了国家973计划项目“宽光谱信号无线传输理论与方法研究”,对宽光谱信号无线传输理论与技术展开研究。
 
项目团队不仅内部紧密合作,还与国内外学者展开深入交流和广泛讨论,已经取得了诸多阶段性成果。在理论与技术研究方面,项目团队揭示了宽光谱信号无线传输时与环境及介质作用的机理,比如室内光源多种辐射模式下的多径反射吸收、室外的大气散射与湍流效应;分析了宽光谱无线光通信信道容量,提出了复合型大视场光学天线优化设计方法、匹配信道特征的宽光谱信号高可靠传输方法,以及弱光信号检测技术;研究了逼近信道容量极限的通信理论,提出了宽光谱在色-时-频-码-空等多域资源间的协同通信机制,构建了可调控、任务可定制、动态自适应的室内可见光通信网络。
 
为了有效解决大带宽与终端移动性引起的光路易中断之间的矛盾,项目团队还提出了一种融合可见光通信和传统Wi-Fi的“可见光通信-Wi-Fi异构网络业务垂直切换方案”,在系统性能无明显损失的前提下,可节省50%左右的切换信令开销,能够满足智能家庭和办公场所对高速率数据传输与可靠连接的要求。
 
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基于单颗荧光型白光LED 的每秒610兆比特/6.2米实时通信发送端(左图)与接收端(右图)
 
室内可见光通信的一大限制是照明LED器件的带宽。为了突破这一限制,项目团队探索了多种信号处理技术,以提高系统容量。首先,通过发送端与接收端的硬件预均衡和后均衡处理大幅度拓展系统带宽,并提升数据速率。项目团队研制出的传输系统由中国泰尔实验室进行了第三方测试,测试结果表明,使用功率为1瓦的荧光型白光LED作为信号发射器时,单路实时传输速率可以达到610兆比特/秒,传输距离为6.2米。基于该技术研发的灯光上网系统,其互联网单点接入速率可以达到95兆比特/秒以上。照明白光还可由白光光谱范围内多种颜色的LED光源以合适的配比混合而成,这给通信系统设计增加了丰富的波长自由度。通过基于软硬件的多载波自适应调制、编码和收发端均衡处理,在RGB三色混光下,实现了多媒体业务实时传输演示,传输距离为3米时,速率达到689兆比特/秒;使用RGBA四色混光时,实时业务速率已达到919兆比特/秒。
 
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基于RGB三色LED混和白光的每秒689兆比特/3米多媒体业务实时传输系统
 
项目团队构建的非视距无线光通信实验系统,其发射端由紫外激光器与外调制器组成,接收端由灵敏度很高的光电倍增管(PMT)与信号处理单元组成。由于接收信号的比特能量低至光子级,在建立的混合泊松信道模型下,项目团队提出了弱信号检测算法与接收端分集技术,在1公里非视距条件下,系统的信息传输速率达到了1兆比特/秒,其综合传输性能超过已有文献报道的水平。如果未来进一步优化系统,传输距离与速率还将得到进一步提升。
 
宽光谱无线光通信的研究在国际范围内的发展十分迅猛。在系统层面,三色LED的可见光通信离线传输峰值总速率已经突破10千兆比特/秒,128路阵列式蓝光LED光源的并行链路传输总速率可达50千兆比特/秒;散射光通信系统性能也在不断提升。从学术研究关注度来看,最近一期IEEE Journal on Selected Areas in Communications的无线光通信特刊,其学术论文投稿创下了100多篇的历史纪录,各种无线光通信的专题学术会议也层出不穷。从应用需求来看,通信技术除了要强调实时性外,还需要实现系统模块小型化和高度集成,并增强移动性和鲁棒性。
 
参考光纤通信对有线通信的变革经验,即使无线光通信在发展过程中存在一些困难,宽光谱无线光通信也必将凭借其带宽大、安全性强和光源分布普适性好等优势,给无线通信行业带来巨大变革,让“光联万物”的未来早日到来。
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