6G可见光通信技术白皮书（英）

6克可见光沟通技术白色的纸 中国移动研究研究所 前言 与的越来越多地严格的沟通需求,更多的光谱是迫切需要为移动沟通。自的光谱资源下面 6ghz有被耗尽,和的毫米波频率乐队这样的作为26个ghz 和39ghz有被分配为5克使用,它是必要的来探索更高的频率乐队为沟通,这样的作为太赫兹沟通和可见 光沟通(VLC),来满足的需求的更高的能力和超高经验率。可见光通常是指来电磁波的 380~790年太赫兹(波长范围是380~790nm)。的候选人光谱涵盖了关于400太赫兹。的特征的大带宽和容易来意识到 超高速沟通使VLC成为一个潜在的补充来未来移动沟通系统。 这白色纸目标来讨论的潜在的应用程序场景的VLC在6克和的沟通需求预期来是满足,和提出了的挑战 和关键技术的VLC,所以作为来促进的讨论和思考在的行业。 的白色纸是支持通过的合作伙伴团队的复旦大学,北京大学的的帖子和电信、东南大学,等。谢谢来的 贡献和援助的研究员曹国伟沈和教授南气的复旦 大学,博士。锅唐和教授Jianghua张的北京大学的的帖子和电信、和教授Jiaheng王的东南大学,等。 内容 1.概念3 1.1特征的VLC3 1.2最近研究4 2.应用程序场景和需求的VLC6 2.1移动沟通场景6 2.1.1热点高容量场景6 2.1.2室内热点场景7 2.2垂直行业沟通场景7 2.2.1交通场景8 2.2.2严厉的电磁场景8 2.3需求的VLC9 3.挑战的VLC11 3.1通道造型11 3.2材料和设备12 3.3传输14 3.4网络15 4.关键技术在VLC16 4.1通道建模16 4.1.1最近研究的VLC通道建模16 4.1.2基于理论的VLC通道建模16 4.1.3计量VLC通道建模18 4.2关键设备19 4.2.1发射机19 4.2.2接收机22 4.3传输技术25 4.3.1传输理论25 4.3.2调制波形27 4.3.3均衡28 4.3.4VLC-MIMO29 4.4网络技术32 4.4.1集成无线和光学网络32 4.4.2可见光超密度网络35 5.总结和前景37 参考文献39 1.概念 可见光沟通(VLC)是一个无线沟通技术那 集成了照明和沟通。在VLC系统中,可见光源这样的作为发光二极管(领导)传输信息与高速闪烁的光那人类眼睛不能感知,和光电探测器(PD)转换的收到了光学信号成电信号来获得信息[1].作为一个新结合模式的照明和沟通,VLC是一个有效的补充来的现有的无线广播频率沟通。 1.1特征的VLC 相比与的传统的广播频率(RF)沟通,VLC主要是有的后优点: 1)丰富的光谱:的光谱资源可用为传统的无线 沟通是只有关于300兆赫,而的可见光候选人 光谱带宽是近400太赫兹。因此,VLC可以有效地解决的问题的越来越多地紧光谱资源。 数字1-1光谱资源地图 2)容易来部署:自的现有的设施这样的作为照明,显示和成像在的照明行业是成熟,传输和接收 设备的VLC可以是获得通过简单的升级。考虑照明需求,低成本超密度部署可以是实现来满足高 交通密度要求。 3)绿色和节能:与的集成的照明和沟通,VLC有的优势的低权力消费和高 能源效率。这是完全在行与的国家能源保护 和发射减少策略。 4)免疫力来电磁干扰:在那里是没有干扰之间的 可见光和射频信号,所以VLC是非常合适的为电磁敏感的场景这样的作为飞机,医院和聪明的工厂来有效地避免电磁干扰和确保的正常的操作的 设备。 然而,VLC也有一些的缺点。由于来的特征的可见光被很容易阻塞和有大传播损失,和的低带宽 的商业VLC设备,VLC是目前主要是使用在短途点对点沟通场景与媒介或低数据率。在的其他 的手,的终端照明将带伟大的带来的不便在每天使用,所以的支持场景是有限的应用可见光上行。 1.2最近研究 VLC发芽在中国和蓬勃发展在日本[2][3].格兰瑟姆庞的的大学的在香港香港第一个提出了的概念的VLC在1999,和然后的研究团队的M。中川昭一的庆应大学在日本提出了一个访问计划为领导基于VLC。自然后,VLC有成为一个研究热点在行业和学术界。日本建立了的可见光沟通 财团(因为)在2003,和众多VLC应用程序形式这样的作为高速互连的当地的区域网络,聪明的运输系统中, 和聪明的灯塔有出现了。欧洲推出了ω(家 千兆访问)程序在2008,的目标来开发室内互连 技术与1gbit/s数据率,和VLC是一个的的研究优先级。在的相同一年,的美国政府推出了的聪明的照明程序来探索 先进的和创新技术计划为VLC系统。 国内研究在VLC开始迟了。后更多的比十个年的硬工作,我们最后抓住了向上和达到了的相同水平作为的发达国家,和获得 领导在一些的方向。 在学术界、在那里是主要是复旦大学,清华大学,北京大学的的帖子和电信、东南大学,研究所的 半导体,中国人学院的科学,台湾交通大学,等。参与在VLC研究。的研究方向包括调制技术,OFDM技术,领导均衡技术,VLC通道造型,光源布局和所以在[4]. 在的行业,的国家和当地的政府有增加他们的投资 在的工业发展的VLC。的VLC应用程序产品在的市场 封面许多字段这样的作为室内定位,应用程序,安全沟通,付款和互联网的车辆。 VLC标准化有之后的行业的的脚步。的研究所的电和电子产品工程师(IEEE)是的第一个国际组织来 制定VLC技术标准。的组织建立了的VLC工作 集团在2009和发布的第一个版本的VLC标准IEEE802.15.7-2011[5]. 这标准有使详细的规范在VLC调制模式,网络 架构,物理层设计和所以上。在我们的的国家,的无线个人区域网络标准工作集团的的国家信息技术 标准化技术委员会发表“白纸在标准化的 可见光沟通”在2016,和开始来制定相关的标准。在 2018,系列的VLC标准被称为“长途沟通和信息交换之间的信息技术系统可见光沟通” 有被释放。 中国移动是设置向上联合创新项目与复旦大学,清华大学,北京大学的的帖子和电信、东南 大学,聚焦在核心设备的VLC系统为6克,无线和可见光融合网络,空气接口传输计划的VLC,VLC通道 建模和原型系统为验证。 2.应用程序场景和需求的VLC 2.1移动沟通场景 与的连续发展的移动网络服务和的连续 浓缩的的类型的网络访问设备,巨大的数据需要来是访问通过空气接口来的核心网络。可见光提供了的可能性的改善的6克沟通率与它的太赫兹光谱资源。的超大型 带宽可以支持更多的灵活的时频资源分配计划和 多用户和多种服务传输模式,哪一个可以不只有成为一个新热点高容量场景解决方案但也支持高速用户访问在 小室内场景。一个更高的用户经验率可以是实现在的相同时间。不同的从的现有的可见光沟通应用程序场景,移动 沟通场景需要来焦点在的用户的流动性和环境变异。可见光沟通需要来提供用户与一个连续服务体验。 2.1.1热点高容量场景 数字2-1典型的热点高容量场景热点高容量场景包括人口填充运输中心, 购物购物中心,体育场馆,大会议房间里,等。的目标集团是主要是用户持有移动设备。的主要挑战面对通过这场景是光 梁跟踪和协作管理,光噪音和光干扰消除,和所以上。 2.1.2室内热点场景 数字2-2典型的室内热点场景 室内热点场景包括个人房间里,办公室,会议房间里,等。 这样的场景有一个小区域,和的用户运动区域是有限的来几个米。在这些场景,的方向的的光梁做不需要来开关 通常情况下,和的控制信息占据了相对几资源。更多的沟通资源可以是分配来用户数据传播。的主 研究项目在这些场景是光谱效率改进和资源调度优化。 2.2垂直行业沟通场景 与的进一步优化和升级的的未来行业,的垂直行业有把向前更高的安全,机密性、和可靠性需求为沟通指标。作为一个新技术集成与照明, 可见光沟通构建一个网络基于在现有的照明节点。它可以避免的影响的高功率射频信号在的垂直行业的服务和 改善安全。在的其他的手,在那里是一个巨大的频率差距之间的的可见光乐队和的现在沟通微波乐队。的可见光可以 避免干扰与的现有的系统在的沟通过程和 改善的鲁棒性的沟通。 2.2.1交通场景 数字2-3交通场景 交通场景主要是包括地面上,空中和海上运输 场景。在这些场景,的现有的光源在的交通系统可以是使用来传输信息和减少的成本的移动沟通网络 建设。因为可见光沟通可以也提供定位 函数,哪一个将帮助聪明的交通管理系统获得准确的路信息。的主要挑战在交通场景包括可见光网络 和流动性管理。 2.2.2严厉的电磁场景 数字2-4严厉的电磁场景 严厉的电磁场景主要是包括医院,工厂,和飞机。 这样的场景有严格的限制在电磁权力和频率乐队。通过集成可见光沟通设备和照明设备,和的 限制的光学权力,它是可能的来提供的必要的照明而有效地避免电磁干扰和实现安全和可靠的 无线沟通。的主要挑战在这样的场景是光学权力 控制,等。 2.3需求的VLC 在2030和以外,6克网络将产卵新应用程序场景在三个 方面:聪明的的生活,创新生产,和聪明的的社会。他们的应用程序包括人类数字双胞胎,全息相互作用,超级交通工具, 联觉互连,和知识交互。这些场景将需要 terabit-level峰率,毫秒级的延迟的经历,厘米级定位的准确性,和几十个的次改进在网络能源效率[6],作为所示在数据2-5. 数字2-5的整体需求为6克通信 与的帮助的它的巨大的光谱的潜力,可见光沟通有 成为一个的的至关重要的候选人技术为6克。我们预计它来帮助6克网络改善用户经验率,峰率,交通密度,网络能源 效率,和定位准确性。然而,不同的场景有他们的各自的沟通要求。为的例子,交通密度和流动性是 优先需求在高容量场景。小室内房间需要来改善用户经验和峰率;交通光集成场景需要更高的定位准确;一个严厉的电磁环境有严格的传输权力和射频泄漏权力限制。 在的未来6克应用程序场景,可见光沟通必须第一个满足 的流动性要求。通过集成与传统的广播频率沟通(作为低频率,毫米波,太赫兹,等),可见光 沟通可以提供移动用户与连续高效的沟通 服务和一个更好的消费者体验。这是有益的为可见光通信行业扩大在迅速道路除此之外,它是必要的来实现 沟通指标在表格2-1. 表2-1可见光沟通指标 指示器的名字调制带宽 峰率 报道距离 值 5GHz 50Gbps >5米 能力密度>100Mbps/m3 3.挑战的VLC 来更好的满足的需求的6克沟通,VLC技术是主要是面对与的后挑战在礼物。 3.1通道造型 一个无线通道是一个数学表示的的无线电磁 环境。这是的基金会的设计一个可靠的和非常高效。沟通系统。它构建一个准确的模拟背景为系统评价和优化。可见通道建模需要来考虑的频率,通道 褪色,空间,时间,和其他无线通道特征。 的可见光频率乐队是多更高的比的微波乐队目前应用。自的通道特征是密切相关的来的航空公司频率,的可见光通道模型不遵循的移动通道模型下面100 GHz。在条款的损失的特点,的频率增加的可见光将加剧的传播损失的的信号和生产原子吸收影响在 的的气氛。的额外的雨和雾衰变使的衰落模型更多的复杂。在另外,的频率增加将也减少的衍射能力 的的光学信号。更深层次的影子衰落增加的错误的的军事路径损失模型中,影响的系统评估的准确性。在 条款的空间和时间的特点,的光学信号传播是有限的通过的半功率角的的光源和传播的损失。因此,的主要的传播模式是视线(洛杉矶)和的二次传播模式是 Nonline-of-Sight仿真结果)。的洛杉矶路径占领大多数的的收到了权力。的角和延迟传播减少显著。的低传播值表明的 多路径干扰是削弱,但它也显示那我们需要来支付更多的为的场景报道。的噪音特征是另一个至关重要的功能在可见通道建模。由于来的小前端事件权力,的背景噪音,散射 噪音,和接收机电路噪音哪一个是常见的在的环境将影响 信号接待。因为噪音是随机和可以是影响通过光学沟通设备,它不是容易来量化和模型通过实验中, 哪一个带来了新挑战来通道建模。 3.2材料和设备 的当前的主流光学发射器是领导和激光二极管(LD)。虽然领导是多更安