前沿技术|宽光谱信号无线传输技术理论与方法研究

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。

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。

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。

致谢：感谢国家973计划项目"宽光谱信号无线传输理论与方法研究"（项目编号：2013CB329200）的支持。

作者：徐正元、赵春明、王昭诚、陈雄斌、龚晨

（徐正元，中国科学技术大学教授；赵春明，东南大学教授；王昭诚，清华大学教授；陈雄斌，中国科学院半导体研究所研究员；龚晨，中国科学技术大学教授）