LiFi:可见光通信技术发展现状与展望

迟 楠，石 蒙，哈依那尔，牛文清

(复旦大学通信科学与工程系电磁波信息科学教育部重点实验室，上海 200433)

引言

可见光无线通信技术(light fidelity, LiFi)最早由德国物理学家Harald Hass(哈拉尔德·哈斯)教授提出，是一种利用发光二极管(LED)的快速响应特性实现高速数据传输的绿色信息技术，学术界一般称之为可见光通信(visible light communication，VLC)技术。它作为一种拓宽频谱资源、绿色节能、可移动的接入方式，为传统接入网技术的发展带来了新的思路。可见光通信利用LED作为光源，在LED照明的同时可以高速地通信。

可见光通信发展的驱动因素主要包括以下几个方面：①随着无线频谱资源逐渐匮乏，VLC利用的可见光波段尚属空白频谱，无需授权即可使用，可以更有效地利用频谱资源。②较之白炽灯和节能灯，LED灯具有效率高、价格低及寿命长等优点，这使其迅速占据了市场。因此在世界范围内，传统照明技术日渐被固态照明取代；固态照明的普及使VLC的光源无处不在。③可见光通信没有电磁干扰、空间重复利用率高，与其他无线技术相比，拥有安全性高、保密性好等众多优点，易与现有基础设施融合[1]。

由于其独特的优势，可见光通信技术也很快成为了受各国政府的支持与重视的重大科学主题。早在2000年，庆应义塾大学便提出了可用于家庭网络的白光LED可见光通信[2]；随后日本成立了可见光通信协会(VLCC)。美国国家科学基金会(NSF)成立的照明系统研究与应用中心(LESA)成功研制了全球首个具有高速率、零误差、可长距离传输特性的可见光全集成微芯片接收机链路。我国复旦大学、北京邮电大学、中科院半导体所、东南大学、华中科技大学等科研单位，在先进调制均衡技术和高速可见光传输方面取得了一系列显著的成果。

本文接下来将从系统架构、前沿研究、面临的问题与挑战、总结与展望等四个方面展开对高速LED可见光通信系统的详细介绍。

1 系统架构

可见光通信系统结构如图1所示。可以看到，和传统无线通信系统类似，可见光通信系统也分为三个部分：可见光信号发射机、自由空间可见光传输和可见光信号接收机。可见光发射机部分又分为两个模块，首先是信号的调制编码模块，主要是将原始的数据信号流进行编码调制，同时针对可见光信道衰落进行预均衡处理。接下来经过预处理的电信号进入到LED发射模块，经过放大器对信号进行放大，然后通过驱动器与LED驱动电流交直流耦合，从而将信号加载到LED光源上实现信号的电-光转换。可见光通信系统中最常用的白光LED光源主要有两种：蓝光荧光粉LED(P-LED)和红绿蓝LED(RGB LED)。一般来说，为了提高接收端的光强、增加传输距离，还会在LED灯头加上光学透镜和聚光杯来减小光束的发射角。

图1 高速可见光通信系统架构Fig.1 High-speed VLC system architecture

接下来可见光信号进入自由空间信道传输。自由空间信道分为室内信道和室外信道两种，室内信道特性稳定，而室外信道容易受到环境的影响。可见光信号多以直射路径(line-of-sight，LOS)到达接收端，同时存在少量的漫射、散射信号，自由空间中的噪声主要来自于环境中的背景光噪声。

经过自由空间信道传输后，可见光信号到达系统接收模块。尽管光信号主要以直射的方式到达光电探测器，但为了提高接收端光照度、增加传输距离和接收信号信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)，需要在可见光光电探测器之前采用聚光透镜进行聚焦。然后光信号由光电探测器接收，实现信号的光-电转换。可见光通信系统中主要采用的光电探测器有PIN、APD和图像传感器(imaging sensor)三种，一般来说PIN和APD多用于高速可见光通信系统，而图像传感器可以用于低速多输入多输出(multiple-input multiple-output,MIMO)可见光通信系统中。在接收模块后，电信号进入到接收端的信号恢复和处理模块。通过采用先进的数字信号恢复和均衡算法，来消除系统损伤和噪声的影响，最后对接收信号进行解调和解码，从而恢复出原始发射信号。

2 前沿研究

图2为LED可见光通信的研究脉络图，其中材料器件围绕新型LED、新型超辐射LED、激光器LD以及探测器等方面展开；而高速系统的搭建将总结可见光发展历程上速率及调制方式的进展，主要关注目前几个高速系统的实现；异构组网的内容由可见光LED组网、可见光光纤接入组网以及可见光在特殊光纤中传导组成；水下通信主要围绕水下激光以及水下LED展开。

图2 可见光通信前沿研究脉络图Fig.2 Frontier study of VLC

2.1 材料器件

1)新型光发射器件。LED具有效率高、寿命长、发热少、开启速度快等特点，同时也因其高安全性和免受电磁干扰等优点而被广泛用于VLC系统中。但是LED的发光效率因为受“效率下降”效应的限制而不尽如人意，同时其高速性能也受到了相对较小的-3 dB调制带宽的限制。

基于InGaN的高速可见光激光器(LD)具有被动与主动元件可以单片集成的特点，可以优化光学吸收、增益及放大性能，可用于VLC高速调制。LD虽然不存在“效率跌落”效应，并且-3 dB调制带宽也较大，但是也受到散斑噪声和安全问题的影响。而这促使人们寻求更好的光发射器解决方案。

近年来，超辐射发光二级管(SLD)作为一种高亮度、无散斑的固态照明光源得到广泛的研究。与LED相比，在SLD中没有观察到俄歇复合和载流子泄漏[3]。由于SLD的放大自发辐射特性，在相对较高的电流密度下，SLD的外量子效率(EQE)是增加的。与LD相比，基于SLD的白光具有更好的CRI(显色指数)[4]。研究者们尝试着将SLD用于开关键控调制(OOK)的VLC系统中。实验结果表明，在1.3 Gbit/s的数据速率下误码率低于3.8×10-3的前向纠错(FEC)门限，证明高速SLD在VLC应用中具有显著优势。

表1总结了上述三种光发射器各自的特点，SLD结合了LED和LD的优点，其带宽介于LED和LD之间，有效避免了LED和LD存在的问题。

表1 三种新型光发射器比较Table 1 Comparison of three new types of light emitters

现在用于高速VLC系统的新型光发射器LED芯片主要有3类：硅基LED(Si-LED)、GaN基的高带宽微结构LED(Micro-LED)以及基于表面等离子体的LED(SP-LED)。接下来我们分别介绍这三种LED芯片。

(a)硅基LED(Si-LED)。与基于碳化硅材料的LED相比，Si-LED价格便宜、生产效率高，其LED芯片的成本明显低于蓝宝石衬底芯片。Si-LED芯片的抗静电能力强，使用寿命长，能够承受较高的电流密度[5]。一般有两种常用的Si-LED：基于GaN的Si-LED和混色LED(CM Si-LED)。

基于GaN的Si-LED芯片为上下电极单引线垂直结构，在器件封装时只有单电极引线，极大简化了封装工艺，降低了成本[5]。具有垂直结构的硅衬底LED单面发光，一致性好，并且发射光的方向性好；垂直结构的电机设计，降低了载流子寿命；同时，经过特殊设计的量子阱结构，提高了载流子抽取效率。在文献[5]中，复旦大学研究团队利用结构如图3所示的Si-LED测量了水下VLC系统的误比特率(BER)性能与信号带宽，验证了分别在32QAM、64QAM和128QAM调制格式下，系统的最高数据速率可以达到2.175 Gbit/s。

目前的LED白光照明模式一般是基于蓝光LED的荧光粉颜色转换，但发光效率和频谱效率仍有很大的改善空间；同时，蓝光的危害也引起了社会极大的关注，如果光谱设计合理，可通过混色(CM)LED将其危害最小化。在文献[6]中，复旦大学研究团队提出了利用没有荧光粉的多色混合LED(CM-LED)来形成白光的一种发光方式，这让我们在显色指数(CRI)、色温(Tc)和光效率之间取得了平衡；实现了在1 m自由空间传输数据最高速率可达 10.72 Gb/s 的WDM VLC系统。这是目前在高速VLC系统中实现的最高传输速率。

图3 硅衬底LED剖面图Fig.3 Silicon-substrate LED profile

(b)Micro-LED。GaN基的micro-LED具有功率效率高、寿命长和频率响应快等优点，是实现照明以及在自由空间高速可见光通信的潜在光源[7,8]。与商用大功率LED相比，GaN基的micro-LED具有较宽的线性范围，适用于峰均功率比高的一些调制方式(如OFDM)，能够加深调制深度。调制带宽的提高使LED可以承受更高的工作电流密度，实现更好的调制性能。

Sun等[9]在标准GaN LED外壳上生长250 nm厚的铝掺杂氧化锌透明电流扩散层(即AZO-TCL)，通过MOCVD 在c面蓝宝石衬底上生长LED；并且设计制造了30～60 μm大小的μLED混合像素阵列。通过此方法在未使用预均衡的情况下，LED调制带宽可达600 MHz；并在前向纠错(FEC)阈值3.8×10-3的情况下，将32QAM OFDM信号加载到150 μm AZO-LED上实现了3 Gbit/s的数据速率(SNR = 20.89 dB)。

(c)SP-LED。表面等离子体(Surface Plasmon，SP)可以提高LED发光的内量子效率和外量子效率。在文献[10，11]中，Fadil等人通过实验验证了SP高效的可见光光强增强效应。利用QW-SP耦合，提高LED的发光效率的同时，可有效提高调制带宽而不增加电流注入密度，这对于高速VLC技术的发展具有重要意义。SP-LED器件的截面图如图4所示。

图4 SP-LED器件的截面图[12]Fig.4 SP-LED Profile[12]

文献[10,11,16]中的实验结果表明，QW-SP耦合提高了辐射复合速率，并且有效地缩短了载流子辐射复合寿命，LED带宽提高了6倍，达到了200 MHz；其光功率是Grid-LED(没有Ag NPs，作为对照)的1.96倍，是Grid-LED的2.75倍。这一研究成果说明在LED器件表面采用适当的Ag NPs粒径可以获得较高的光发射效率和调制性能。Ag NPs的SP效应可以有效的提高LED的光输出功率。在16QAM-OFDM调制格式下，我们验证了SP-LED能够实现1.2 Gbit/s的数据传输速率。

2)新型光探测器。光探测器主要完成光电转换以便后续的信号处理，射入探测器的光束使电子受激从价带跃迁到导带产生载流子，以光电压或光电流的形式输出，最后通过测量可探测到光波强度所携带的信号[13]。

以下介绍一种高速VLC集成PIN阵列探测器，以及用于提高可见光接收性能的柔性纳米材料和基于纳米HMM的有机颜色转换器。

(a)3×3集成PIN阵列。PIN响应速度快、灵敏度高，具有较好的光电转换线性度，后端处理电路的设计相对比较简单。PIN光电二极管的制备方式如参考文献[14]中所述，一般通过快速热化学气相沉积(RTCVD)技术制成。

通过设计光电探测器阵列能够平衡PIN光电二极管的结电容与接收光功率之间存在相互制约这一问题[15]。在文献[16,17]中，复旦大学研究团队提出了一种新型的集成PIN阵列制备方法，工艺简单，成本低。在该方法中，首先将PIN阵列通过传统的引线键合技术直接集成到PCB上，然后将光电检测器和电路同时集成在PCB上，对光路系统进行整体封装。如此，不仅可以保护器件促进更好地散热，还易于实现具有解码和通信协议的电路进一步集成，以便接收模块具有较强的可延展性。

图5 集成PIN阵列Fig.5 Integrated PIN array

复旦大学研究团队通过实验证明了光敏面积为3 mm×3 mm的PIN单元性能最优，并以此为基础设计了一种3×3的集成PIN阵列，并将其应用于可见光通信系统中以提升可见光通信系统的接收性能。每个PIN的带宽为25 MHz，集成的PIN阵列的尺寸小于5 cm×5 cm。在实验中对传输数据采用16QAM-OFDM调制，采用集成PIN阵列接收，整个可见光通信系统的传输速率可达1.2 Gbit/s[16]。在文献[17]中，复旦大学研究团队针对VLC系统中存在的二阶互调失真和直流噪声干扰问题，提出了一种基于空间平衡编码和平衡探测的2×2成像MIMO-VLC系统，用以提高接收性能。以2个商用RGB-LED作为发射机，以集成PIN阵列作为接收机，实现了传输距离为2.5 m，1.4 Gbit/s的有效物理数据通信速率。据悉，这是在MIMO-VLC系统中采用集成PIN阵列作为接收机实现的最高数据速率和最长通信距离。此研究结果表明，集成PIN阵列在VLC系统的性能提升中具有巨大的应用前景。

(b)纳米材料。①柔性纳米材料可见光接收器。在可见光通信系统中，为了提高接收性能，人们经常使用聚焦光学器件，如透镜或复合抛物面聚光器(CPC)。然而，由于在几何光学中存在étendue限制，通常利用上述方法提高SNR会造成FoV的降低[18]。克服étendue限制的有效解决方案是使用名为LSC的非成像光学聚光器。LSC通常是用低折射率包层材料来包裹高折射率荧光材料制作而成。复旦大学Dong等[19]使用了一种由闪耀光栅构成的扁平CPC形状LSC来解决提高光通信效率的挑战。实验结果显示在0.5 m室内自由空间传输中，我们成功实现了纳米图形CPC形状LSC的400 Mb/s的数据速率；这表明，使用纳米图案CPC形LSCs可以使数据速率提高60%。实验验证了通过纳米压印光刻在柔性基板上制造的纳米图案CPC形状的LSC可以克服étendue限制，能够在不影响光学增益的情况下实现大的FoV，进而提高VLC系统的效率，使其在与智能移动终端进行高速数据通信的研究方向具有广阔的前景。②基于纳米图案双曲线超材料(HMM)的有机颜色转换器。白光LED中使用的色彩转换荧光粉的调制带宽严重限制了VLC的信道容量。虽然有很多相关研究已经证明了取代传统荧光粉的各种颜色转换器，并且带宽已经提高了一个数量级以上。然而，这种提高也受到了分子结构的固有性质的限制。复旦大学研究团队提出了使用纳米HMM来实现高带宽颜色转换器的替代策略[20]。

文献[20]中的实验结果表明，对于纳米图形材料系统，125 MHz的带宽可以实现250 Mbps的数据传输速率，误码率低于3.12×10-3；而均匀的Super Yellow(SY)薄膜的带宽只有75 MHz，其相应的数据传输速率和误比特率分别为150 Mb/s和2.89×10-3；可以得出结论：使用纳米图案，系统带宽可以提高67%。与传统的化学工程思路相比，该系统为高带宽颜色转换器提供了一条新的思路。从硬件角度来看，这两种思路的组合无疑将为VLC系统中色彩转换器带宽的提高带来重大突破。

2.2 高速系统

LED可见光通信由于其优点而受到世界各国的广泛关注和支持。为了实现高速长距离的可见光传输，研究人员从先进调制技术、数字信号预/后均衡技术、系统收发器件等多方面进行了深入探索和研究，并取得了一系列突破性进展。表2总结了国内外在可见光通信领域的部分重要研究成果。2008年，日本在99里海滩利用灯塔上的LED作为发射机、图像传感器作为接收机，实现了通信距离达2 km的可见光通信系统实验，传输速率为1 022 b/s[21]。同年，牛津大学Dominic O’Brien所领导的研究小组针对LED 光源窄带宽的特性重点研究了多谐振均衡技术，把LED可用调制带宽提高到45 MHz，实现了通断键控(On-Off Keying, OOK)信号的40 Mb/s和80 Mb/s可见光传输[22]。

接着，各研究团队竭尽所能刷新可见光通信系统的传输速率[22-32]，从最初的Mb/s数量级的传输速率提升到了目前最高的10 Gb/s。2015年，复旦大学研究团队用RGBY LED灯做波分复用(WDM)系统，使用CAP调制格式，采用线性均衡和基于Volterra的非线性混合均衡，实现了1 m范围8 Gb/s的传输速率[30]。同年，牛津大学研究团队采用bit-loading的正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)技术和三色WDM-VLC信道，实现了10.4 Gb/s的传输[32]。2018年，复旦大学研究团队利用5色硅基LED灯，采用离散多音(DMT)调制，并使用预/后均衡的技术最终实现了1 m传输距离的10.72 Gb/s的可见光传输[6]，为目前最高传输速率的可见光通信系统。

表2 国内外可见光通信部分研究成果总结Table 2 A summary of research results of VLC systems at home and abroad

2.3 异构组网

可见光通信已经能实现达10 Gb/s的传输速率，下一步发展需要考虑实际应用场景。而可见光通信技术实用化进程中面临的最为实际的问题是如何构建一个由几十乃至上百个可见光接入点(VLC Access Point, VAP)组成的可见光无线接入网络，从而能够真正为大规模用户提供高速无线接入服务。研究该网络的组成架构以及在网络中应该采用什么调制方式和接入协议是实现大规模高速可见光接入的关键。考虑到其在带宽动态分配、子载波复用等方面的显著优势，实际上OFDM调制技术在可见光接入网络中具有更高的应用价值。

图6是可见光多用户接入网络架构示意图。在网络中采用了光纤链路作为主干，并将光纤与LED灯直接相连，来确保系统拥有足够的带宽资源。该方案为每个可见光接入点VAP分配一个不同中心频率的OFDM子带来进行信号传输。而在每个VAP内则采用了时分复用(TDM)方案，为LED灯下方的每个用户分配不同的时隙来进行可见光数据传输，这样就能够令一个VAP内同时实现多个用户的可见光接入。

图6 可见光多用户接入网络架构示意图Fig.6 The schematic diagram of multi-user access VLC network

在下行链路中，属于不同VAP的信号首先在远端的中心局(CO)中进行OFDM调制，并将其上变频到其预先分配的子带上然后进行合路，再通过光纤链路进行传输。到达该接入网后，下行信号首先通过一个光耦合器(OC)进行分路，将分路后的光信号分别送到各个VAP的LED灯处。该LED灯内集成了光纤收发器件以及可见光收发器件。每个VAP通过带通滤波器选出只属于自己的子带信号，并利用混频器将带通信号下变频到基带。该基带下行信号进一步被用来驱动LED，实现可见光调制。经过室内自由空间传输后，该下行信号到达用户端。由于LED灯下方的用户已经被分配好了相应的信号时隙，因此各个用户只需要从预先分配给自己的时隙中选出自己的下行信号即可。最后通过用户端的可见光集成收发机来实现信号的解调与恢复。

在上行链路中，在同一个VAP内的各个用户首先将自己的上行OFDM信号调制到上行LED上，然后在预先分配给自己的时隙内传输该信号。信号由天花板上的LED灯内的可见光探测器接收，接下来将其上变频到预先分配给该VAP的子带上，并将上变频后的信号利用光强度调制器调制到光载波上并送入上行光纤链路中。来自不同VAP的上行光信号通过光耦合器进行合路，经过光纤传输最后到达中心局端。在中心局内再利用下变频和滤波实现对各个用户数据的解调与恢复。

2014年，复旦大学研究团队采用光纤链路作为可见光接入网络的主干，充分利用其大带宽的优势实现吞吐量近10 Gb/s的可见光接入网络系统。通过32QAM-OFDM调制方式将100 MHz的带宽分成8个子载波，分配给8个VAPs，进行25 km的光纤传输和75 cm的可见光传输，吐量达8 Gb/s，实现了32用户的高速无线接入，从而对可见光接入网络方案的可行性进行了实验验证[33]。

另外，针对可见光无法穿透墙体等遮挡物问题，复旦大学研究团队设计了特殊的低损耗光纤，把可见光接入低损耗光纤中传输，特殊光纤作为可见光传输的连接，实现了可见光的跨墙体传输，对于ULEAPS(ultra-large effective area pure silica)光纤传输5 m距离总数据量达到3.1 Gb/s，传输100 m距离总数据量达2 Gb/s[34]。

2.4 水下光通信

地球表面的72%被水覆盖，随着社会的发展，水下活动的开展需求也日益增加。水下通信技术也成为重要研究方向，目前水下通信技术主要基于声波与射频技术。而近年来，水下可见光通信以其光源成本低、传输高速、稳定、抗干扰能力强等优势，在国际研究组织中获得了广泛的关注，并进行了一些基于激光和LED灯的水下光通信实验。

沙特国王大学研究团队进行了水下实验的研究，以蓝光激光器为光，在水箱1.5 m×8次反射，实现有效传输距离12 m，传输速度1.5 Gb/s[35]。台湾大学研究团队采用16AQM-OFDM调制，以120 mW蓝光LD为发射光源，在2.7 GHz带宽、1.7 m传输距离情况下，实现了14.8 G/s的传输速率[36]。

同样，还有基于LED的水下可见光通信进展。2018年，复旦大学与南昌大学研究团队使用硅衬底绿光LED进行水下实验，发射端采用DMT 64QAM调制，调制带宽287.5 MHz，采用南昌大学硅衬底绿色LED作为发射器，采用双差分接收以及等增益合并算法，实现1.2 m水下传输距离1.725 Gb/s的传输速率[37]。文献[5]中，复旦大学研究团队提出了一个水下可见光通信系统，系统发射端为600 μm×600 μm的硅衬底绿色发光LED，峰值发光波长在521 nm。采用64QAM-DMT调制，通过多PIN接收机实现MRC(maximum ratio combination)接收，实现了2.175 Gb/s的传输速率。

3 面临的问题与挑战

如前文所述，可见光通信已成为国际学术组织研究的热点，大量的成果与研究进展不断显示出其可观的前景。然而，由于LED带宽限制、探测器灵敏度限制以及非线性问题的制约，可见光通信的发展依旧面临着许多亟待解决的问题与挑战。

首先，由于LED的频率响应特性，高频部分衰减严重，LED带宽较窄，通常限制在10 MHz。其解决途径有：使用集成封装照明通信兼容LED芯片。采用均衡技术，可提高带宽至80 MHz。采用微结构LED、表面等离子体LED也可以克服LED 带宽较窄的问题。复旦大学与中山大学合作研制的微结构LED, 直径30—60 μm。能够提高电流密度，降低载流子寿命，其无均衡带宽高达600 MHz，单灯珠速率3 Gb/s[9]。复旦大学和丹麦技术大学合作研制的表面等离子体LED，量子阱与表面等离子体耦合，可以提升辐射复合速率。带宽提升6倍达200 MHz，同时可以提供高光效[12]。国际上，日本中村修二课题组、沙特国王大学等在超辐射LED和超辐射激光器、可见光激光器方面也做了前沿研究。

其次，硅基探测器主要在红外波敏感，蓝光效率低，使得探测器对于LED接收的灵敏度较低。其解决方法有：使用基于掺AlGaAs材料的探测器，提高对蓝光的探测效率。并且目前发射和接收电路基本都是分立电路，缺乏专用芯片，需要开发可见光通信处理专用芯片。LED和探测芯片为单芯片，效率较低，在未来发展中，需要LED阵列和探测器阵列以提高可见光通信系统的效率。复旦大学在2015年研制出国际上首例单元3 mm×3 mm集成PIN焦平面阵列，采用MRC加权合并，以此提高传输性能[15,16]，并在2017年研制出基于纳米图形荧光材料可见光吸收器，实现柔性曲面接收400 Mb/s信号[12]。

由于发射天线和接收天线需要透镜组，会使得系统体积庞大，不利于集成。其解决方法为：采用菲涅尔透镜，并加蓝光滤膜，以此来提高系统的集成度。

由此可见，作为独立通信体系，可见光通信还需要更多光电器件。其发展方向也将朝着集成化演进。

4 总结与展望

本文介绍了高速LED光通信系统的原理、结构与实现。我们分析了该技术的研究背景，介绍了高速LED光通信系统的系统架构、前沿研究，包括材料器件、高速系统、异构组网和水下可见光通信技术；并着重分析了该领域典型研究方案与技术路线，研究了限制高速LED光通信技术进一步发展可能会面临的问题与挑战，及其现有的解决方案与前沿技术。

在即将到来的6G时代，高速LED光通信系统将参与通用系统设计，与射频通信、毫米波等进行多个波段之间的协调，实现全波段集中架构，资源多样化使用以服务于所有场景。并且，预想的全频谱光通信系统需要机器学习技术在频段分配、系统运行、信号分析与估计方面优化系统性能。