6G“點(diǎn)亮”可見(jiàn)光通信
發(fā)布時(shí)間：2022-07-18 作者：www.xstr.xyz
隨著5G-Advanced時(shí)代開(kāi)啟，6G已成為全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)，未來(lái)3-5年將成為6G潛在關(guān)鍵技術(shù)的窗口期。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。近日，移動(dòng)Labs邀請(qǐng)到中國(guó)移動(dòng)研究院未來(lái)研究院主任研究員夏亮接受采訪，圍繞面向6G的可見(jiàn)光通信進(jìn)行探討。
中國(guó)移動(dòng)研究院未來(lái)研究院主任研究員。2008年以來(lái)先后從事LTE/LTE-A與5G的無(wú)線物理層技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)推動(dòng)工作，目前主要從事面向6G的無(wú)線新技術(shù)研究，主要研究方向包括可見(jiàn)光、太赫茲等。
1可見(jiàn)光通信，探索研發(fā)步伐不斷提速
可見(jiàn)光通信（Visible Light Communications，VLC）的概念在20多年前就已被提出，曾一度成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，諸多理論、方案、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品和應(yīng)用在過(guò)去的10多年的時(shí)間里不斷涌現(xiàn)、不斷發(fā)展。日本、歐洲、美國(guó)都有相關(guān)的聯(lián)盟或政府計(jì)劃對(duì)可見(jiàn)光通信的發(fā)展進(jìn)行了支持。
我國(guó)在可見(jiàn)光通信領(lǐng)域的研究起步較晚，經(jīng)過(guò)十余年的努力，已經(jīng)追趕上并達(dá)到了與世界發(fā)達(dá)國(guó)家同等的水平，更是在某些方向處于領(lǐng)先地位。在學(xué)術(shù)界，國(guó)內(nèi)主要有多所高校和研究機(jī)構(gòu)正在開(kāi)展可見(jiàn)光通信的研究，研究方向涵蓋了信道建模、核心器件、傳輸技術(shù)、樣機(jī)研發(fā)等各個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)成果也已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。在產(chǎn)業(yè)界，國(guó)家和各地政府對(duì)可見(jiàn)光的產(chǎn)業(yè)發(fā)展加大了投入力度，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了專門生產(chǎn)可見(jiàn)光通信設(shè)備的公司。IMT-2030、CCSA等行業(yè)組織已設(shè)立可見(jiàn)光通信相關(guān)研究項(xiàng)目，開(kāi)展了面向下一代通信的可見(jiàn)光研究。
可見(jiàn)光通信作為一種可以與照明相結(jié)合的新型通信模式，是現(xiàn)有無(wú)線通信的一種有效補(bǔ)充手段。據(jù)夏亮介紹，可見(jiàn)光通信一方面可以與照明設(shè)備融合部署，在提供照明的同時(shí)提供通信服務(wù)，從而降低部署成本，降低綜合能耗，提升用戶友好度，提升可見(jiàn)光基站的部署密度，提供超高的流量密度；另一方面可以與照明產(chǎn)業(yè)相融合，中國(guó)作為世界LED封裝與應(yīng)用產(chǎn)品最重要的生產(chǎn)和出口基地，雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)為引領(lǐng)可見(jiàn)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要的保障，通過(guò)與成熟的照明產(chǎn)業(yè)的融合，可以加快可見(jiàn)光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，降低可見(jiàn)光核心器件的成本。
2擁有巨大頻譜潛力，成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)之一
隨著5G-Advanced時(shí)代的到來(lái)，6G已成為全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。為滿足6G更加多樣的場(chǎng)景中的更加極致的需求，6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)頻譜的使用進(jìn)行更深的研究，一方面需要挖掘現(xiàn)有頻譜的利用效率，另一方面需要研究使用更高頻段的通信。作為擁有巨大頻譜潛力的可見(jiàn)光通信，可以滿足更高容量和超高體驗(yàn)速率的需求，被多方認(rèn)為未來(lái)將成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)之一。
據(jù)夏亮介紹，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：
1頻譜豐富：可見(jiàn)光候選頻譜帶寬將近400THz，可有效解決頻譜資源日益緊張的問(wèn)題。
2部署簡(jiǎn)單：VLC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，并結(jié)合照明的需求，實(shí)現(xiàn)低成本超密集部署，滿足高流量密度需求。
3綠色節(jié)能：VLC兼具照明與通信等功能，具有低功耗高能效的優(yōu)勢(shì)，符合國(guó)家節(jié)能減排戰(zhàn)略。
4電磁免疫：可見(jiàn)光和射頻信號(hào)之間不會(huì)相互干擾，因此VLC非常適用于飛機(jī)、醫(yī)院、工業(yè)控制等電磁敏感領(lǐng)域，有效避免電磁干擾，保證設(shè)備正常運(yùn)行。
眾所周知，“最后一公里”是通信界人士經(jīng)常提及的一個(gè)概念，可見(jiàn)光通信被認(rèn)為是下一階段移動(dòng)無(wú)線通信“最后一公里”接入技術(shù)的重要組成部分。夏亮表示，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了服務(wù)更多的用戶數(shù)，并讓用戶得到極致的服務(wù)體驗(yàn)，無(wú)線接入點(diǎn)部署的離用戶越來(lái)越近，站點(diǎn)數(shù)目與密度也隨之增加，這也帶來(lái)了部署成本的提升與網(wǎng)絡(luò)能耗的增加。而可見(jiàn)光通信要解決的就是這“最后一公里”中的最后十米的超高速率接入問(wèn)題，同時(shí)在低成本部署與綠色節(jié)能方面的潛力也是可見(jiàn)光通信的主要競(jìng)爭(zhēng)力。
36G將加速解鎖應(yīng)用新場(chǎng)景，關(guān)鍵技術(shù)仍待突破
現(xiàn)階段，可見(jiàn)光通信的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在低速率固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸場(chǎng)景，衛(wèi)星、水下等特殊場(chǎng)景，以及保密通信場(chǎng)景等，其應(yīng)用場(chǎng)景的局限性制約了可見(jiàn)光通信的大規(guī)模應(yīng)用,而6G為可見(jiàn)光通信應(yīng)用帶來(lái)了更多期待。夏亮認(rèn)為，結(jié)合可見(jiàn)光通信的特點(diǎn)，其在6G中可能的應(yīng)用場(chǎng)景主要包括移動(dòng)通信場(chǎng)景與垂直行業(yè)通信場(chǎng)景。
室內(nèi)熱點(diǎn)高容量移動(dòng)通信場(chǎng)景：在諸如交通樞紐、體育場(chǎng)館、商場(chǎng)、辦公場(chǎng)所、家庭等熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景提供高速率接入服務(wù)，滿足一定的移動(dòng)性要求，為用戶提供連續(xù)的服務(wù)體驗(yàn)。
垂直行業(yè)專用場(chǎng)景：6G的應(yīng)用場(chǎng)景具有多樣化的特點(diǎn)，在不同場(chǎng)景中具有諸多特定化需求。可見(jiàn)光通信可以在地面、航空、航海等交通場(chǎng)景，在醫(yī)院、工廠等電磁嚴(yán)苛場(chǎng)景中，融合照明或其它特殊用途光源進(jìn)行通信，同時(shí)避免無(wú)線電磁干擾，提供安全綠色的通信服務(wù)。
但值得注意的是，可見(jiàn)光要應(yīng)用于移動(dòng)無(wú)線通信，當(dāng)前面臨兩大難點(diǎn)：?一是需滿足用戶在移動(dòng)環(huán)境下對(duì)于連續(xù)無(wú)中斷服務(wù)的要求。可見(jiàn)光空間傳輸損耗大、易被遮擋、光束寬度窄等特性使得可見(jiàn)光傳輸相對(duì)容易中斷，可見(jiàn)光節(jié)點(diǎn)的超密集部署也會(huì)帶來(lái)更多的切換問(wèn)題，而終端發(fā)光在日常使用中會(huì)帶來(lái)很大的不便，因此可見(jiàn)光上行鏈路的應(yīng)用場(chǎng)景受到限制。?二是現(xiàn)有商用可見(jiàn)光通信設(shè)備難以滿足6G的通信速率要求，實(shí)現(xiàn)幾十Gbps的超高速率傳輸。
在夏亮看來(lái)，如果要突破這些難點(diǎn)，不僅需要綜合考慮可見(jiàn)光基站的覆蓋距離、覆蓋面積、傳輸速率、能量效率等問(wèn)題，而且也要考慮可見(jiàn)光通信網(wǎng)絡(luò)的連接管理、移動(dòng)性管理等問(wèn)題，并基于可見(jiàn)光通信信道建模、收發(fā)器件、傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)等方面的研究，來(lái)解決以上問(wèn)題。
信道建模方面：信道建模是研發(fā)可靠、高效的通信系統(tǒng)以及對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估與優(yōu)化的基礎(chǔ)?？梢?jiàn)光信道建模需要結(jié)合6G應(yīng)用場(chǎng)景考慮可見(jiàn)光信道的頻率、衰落、空間、時(shí)間等特性。與傳統(tǒng)的微波頻段的信道建模相比，可見(jiàn)光信道模型需額外考慮大氣中水蒸氣、顆粒物等產(chǎn)生的衰落，以及可見(jiàn)光噪聲特性。
關(guān)鍵器件方面：可見(jiàn)光通信關(guān)鍵器件主要包括光源器件與光探測(cè)器件，支持大帶寬傳輸?shù)目梢?jiàn)光收發(fā)器件是實(shí)現(xiàn)超高速率可見(jiàn)光通信的前提。為滿足6G需求，可見(jiàn)光收發(fā)器件需數(shù)GHz的帶寬，支持?jǐn)?shù)十Gbps的通信速率。同時(shí)為了滿足移動(dòng)場(chǎng)景對(duì)覆蓋的需求，對(duì)光源器件的發(fā)光功率、半功率角、線性度，以及探測(cè)器件的視場(chǎng)角、靈敏度等都提出了更高的要求。因此需要重點(diǎn)攻克可見(jiàn)光器件材料、加工工藝、集成、封裝等關(guān)鍵技術(shù)，以滿足通信專有的器件性能指標(biāo)要求。
傳輸技術(shù)方面：傳輸技術(shù)同樣也要解決超高速率傳輸與覆蓋等方面的挑戰(zhàn)，以緩解器件方面的壓力。高譜效、高能效的波形調(diào)制技術(shù)，預(yù)均衡、比特能量加載等發(fā)送端帶寬擴(kuò)展技術(shù)以及高性能接收算法可以在可見(jiàn)光信道特性以及通信器件特性的約束下實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率和更大的覆蓋范圍。多光源協(xié)作傳輸技術(shù)可以進(jìn)一步彌補(bǔ)可見(jiàn)光通信在傳輸連續(xù)性、覆蓋范圍方面的短板。
組網(wǎng)技術(shù)方面：需要考慮將可見(jiàn)光通信作為移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光通信與傳統(tǒng)射頻通信在蜂窩網(wǎng)中的融合，從而具備支持移動(dòng)服務(wù)的能力。通過(guò)可見(jiàn)光通信提供高速率下行傳輸，通過(guò)傳統(tǒng)射頻通信提供上行傳輸以及提供下行備份傳輸，即當(dāng)可見(jiàn)光通信被遮擋時(shí)，由其它頻段提供持續(xù)無(wú)中斷的服務(wù)。
4產(chǎn)學(xué)合力，攜手推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化研究和產(chǎn)業(yè)化布局
當(dāng)前,6G正在成為新一輪科技創(chuàng)新的必爭(zhēng)之地。按照移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)“使用一代，建設(shè)一代，研發(fā)一代”的發(fā)展節(jié)奏，業(yè)界普遍預(yù)測(cè)6G將在2030年左右商用。
夏亮表示，我們提出的6G愿景是“數(shù)字孿生、智慧泛在”。6G網(wǎng)絡(luò)將在智享生活、智賦生產(chǎn)、智煥社會(huì)三個(gè)方面催生全新的應(yīng)用場(chǎng)景，比如孿生數(shù)字人、全息交互、超能交通、通感互聯(lián)、智能交互等。這些場(chǎng)景將需要數(shù)十Gbps的用戶體驗(yàn)速率、0.1Gbps/m3的流量密度、厘米級(jí)定位精度以及數(shù)十倍的網(wǎng)絡(luò)能效提升等。
滿足這些需求也正是可見(jiàn)光通信在未來(lái)三到五年所追求的目標(biāo)。因此，可見(jiàn)光通信一方面需要重點(diǎn)關(guān)注可見(jiàn)光通信核心收發(fā)器件方面的創(chuàng)新，關(guān)注通信專有的器件性能指標(biāo)的突破；另一方面需要關(guān)注可見(jiàn)光通信在移動(dòng)場(chǎng)景中的組網(wǎng)部署方面的創(chuàng)新，通過(guò)可見(jiàn)光組網(wǎng)原型系統(tǒng)驗(yàn)證可見(jiàn)光通信組網(wǎng)性能的突破。
每一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的,作為6G關(guān)鍵候選技術(shù)，可見(jiàn)光通信技術(shù)還未完全成熟，需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同合作推動(dòng)其發(fā)展。在本次訪談的最后，夏亮介紹了中國(guó)移動(dòng)在可見(jiàn)光通信技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)化研究方面的探索和思考。
技術(shù)攻關(guān)：中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合中關(guān)村泛聯(lián)移動(dòng)通信技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究院、復(fù)旦大學(xué)、北京郵電大學(xué)、清華大學(xué)等高校，在可見(jiàn)光信道建模、核心器件、傳輸樣機(jī)與組網(wǎng)樣機(jī)等方面開(kāi)展深入研究，初步完成了可見(jiàn)光信道部分影響因素分析；研發(fā)了業(yè)界領(lǐng)先的超輻射發(fā)光二極管，單器件數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)4.57Gbps；研發(fā)了實(shí)時(shí)可見(jiàn)光原型基站，可支持1Gbps的傳輸速率；研發(fā)了可見(jiàn)光組網(wǎng)驗(yàn)證系統(tǒng)，初步驗(yàn)證了可見(jiàn)光通信在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋的可行性。
標(biāo)準(zhǔn)化研究：中國(guó)移動(dòng)也積極參與了IMT-2030與CCSA等行業(yè)組織中的可見(jiàn)光通信項(xiàng)目，并提出了無(wú)線可見(jiàn)光融合組網(wǎng)的系統(tǒng)方案，致力于可見(jiàn)光通信標(biāo)準(zhǔn)能夠與6G總體通信標(biāo)準(zhǔn)形成統(tǒng)一，以最大化利用6G可見(jiàn)光通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模。除了可見(jiàn)光通信接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮形成完整的可見(jiàn)光通信器件標(biāo)準(zhǔn)體系，以形成產(chǎn)業(yè)合力。
夏亮表示，面向2030年6G商用的時(shí)間點(diǎn)，我們倡議產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)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，爭(zhēng)取在2025年左右建立并完善可見(jiàn)光信道模型、完成關(guān)鍵器件攻關(guān)、形成傳輸與組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)框架，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)。隨即，結(jié)合6G的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)奏，適時(shí)啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并同步啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)化布局和應(yīng)用孵化。