寬光譜信號的傳輸特征在不同時空環境下如何變化，以及如何充分利用多維自由度來實現高可靠性的傳輸等難題被一一破解，使得寬光譜無線光通信得到進一步發展，有望早日在信息基礎設施建設、特種行業等領域發揮作用。

城市的夜晚，無論是在馬路上還是商場中，無論是在家中還是在車庫里，往往都是一片燈火通明。這些色彩斑斕的光線絕大部分來自半導體光源，尤其是LED。得益于半導體技術的飛速發展和新型半導體器件的出現，半導體光源已可覆蓋紅外光（波長780納米以上）、可見光（波長380～780納米）至紫外光（波長380納米以下）的寬光譜譜段，廣泛用于紅外監控，辦公室、會議室、教室、地下車庫等室內照明顯示，道路照明、交通指示，紫外殺菌，手持以及頭戴式便攜照明等領域。

半導體光源不僅豐富了照明源，讓綠色、節能的理念在日常生活中普及開來，也帶來了諸多靈感。寬光譜信號具有帶寬大、不需要頻譜許可、抗電磁干擾能力強、信息安全性高和定位精準等特點，極大地推動了能源與信息科學的交叉融合，在如今數據容量飛漲而現有可用無線頻譜資源容量趨于飽和的情況下，給未來的通信行業帶來了新的可能。因此，自2009年開始，全球范圍內都掀起了半導體光源的研究熱潮。研究人員努力開拓從紅外光到可見光和紫外光譜段的豐富光譜資源，將待傳輸的信號加載到一定波段和一定譜寬的LED或其他光源發射的光波上，研究基于不同波長光載波的寬光譜信號無線傳輸技術，實現信號在空間的高效、可靠傳輸，滿足未來無線通信應用的需求。

可見光LED光源的普適應用

研究人員已經看到，寬光譜無線光通信可以在信息基礎設施建設、特種行業（如國防安全、電磁安全苛求或敏感行業、車聯網、海洋資源開發、空天信息化）等領域發揮不可或缺的作用。首先，結合日益普及的可見光LED照明系統，利用其空間復用能力可大幅提升區域容量，為人口密集區域提供大容量寬帶移動服務，比如在居民區、機場和火車站等交通樞紐，會場和體育場館等人口集聚區，飛機機艙和高速列車車廂等用戶密集區域提供服務。其次，針對擁堵的交通狀況，基于LED汽車車燈、交通信號燈、信息顯示屏、路燈等，可方便地構建車聯網和大型交通信息網絡，服務于交通管理部門和智能駕駛。第三，伴隨物聯網在各行業的應用滲透，作為基礎設施的LED光源延伸為天然的信息發布節點，使網絡的接入如加裝燈泡一樣便捷；同時，光線的直線傳播特性使得精準定位成為可能，由此衍生出新型位置服務。最后，不同波段的光信號在室外傳輸時，其傳輸機理和信道特征表現出顯著的波長選擇性，大氣散射導致光的傳輸方向改變，散射作用隨波長的縮短而加強，尤其是波長小至280納米以下的深紫外頻段，由于高空臭氧層的吸收，能夠使通信系統免受太陽光的干擾，十分有利于散射通信。利用這一特點，能夠實現發射端與接收端無須對準的非視距無線光通信，具有突破視距、適應地形以及安全保密的特點，可以廣泛應用于軍事、安全和城市移動通信領域，前景廣闊。

使用可見光LED光源發出的光作為信息載體的無線傳輸技術，稱為可見光通信（VLC）技術。毫無疑問，這一技術得到了學術界和工業界的廣泛關注。鑒于LED可高速調制信號的特性，利用待傳輸的數字信號可以有效控制LED光源產生快速（每秒可達數百萬次）的變化，這些變化被光敏傳感器捕捉，而人的肉眼卻不會察覺。這樣一來，就可以保證光信號能夠被高靈敏度探測器接收，使得同一LED器件既能實現滿足視覺效果的節能照明顯示，又能實現對電子終端的信息傳輸。簡而言之，有光就能通信，有光就能互連。最終，LED光源將演變成為泛在的互聯網接入節點，形成光聯萬物、無縫覆蓋的無線光通信網絡。

可見光通信與Wi-Fi等射頻無線通信相比具有很多獨特優勢。首先，光的帶寬高出射頻信號至少4個量級，這使得可見光通信的潛在數據速率呈幾何級數提升。其次，可見光信號的區域覆蓋和定向傳輸特性可允許相鄰光束交叉通過而互不影響，從而使得互干擾達到最小，保證可見光通信鏈路的性能；而射頻信號間的互干擾會嚴重制約其系統性能。第三，可見光無法穿透非透明物體，如墻壁、隔斷、天花板等，保障了數據的安全性和私密性；而射頻信號容易被截獲和監聽。可見光通信可結合泛在和密集覆蓋的LED光源設施，無須布設射頻基站，即可實現泛在覆蓋的綠色通信，提供單鏈路每秒千兆比特級的無線光通信速率，且消除了電磁輻射與干擾等方面的困擾。

寬光譜無線光通信技術具有諸多優點和廣闊的應用前景，但也存在一系列技術難題急需攻克，如寬光譜信號的傳輸特征在不同時空環境下如何變化，以及如何充分利用多維自由度來實現高可靠性的傳輸。鑒于此，清華大學與中國科學技術大學、北京理工大學、東南大學、北京大學、北京郵電大學及中國科學院半導體研究所聯合組建研究團隊，自2013年起承擔了國家973計劃項目“寬光譜信號無線傳輸理論與方法研究”，對寬光譜信號無線傳輸理論與技術展開研究。

項目團隊不僅內部緊密合作，還與國內外學者展開深入交流和廣泛討論，已經取得了諸多階段性成果。在理論與技術研究方面，項目團隊揭示了寬光譜信號無線傳輸時與環境及介質作用的機理，比如室內光源多種輻射模式下的多徑反射吸收、室外的大氣散射與湍流效應；分析了寬光譜無線光通信信道容量，提出了復合型大視場光學天線優化設計方法、匹配信道特征的寬光譜信號高可靠傳輸方法，以及弱光信號檢測技術；研究了逼近信道容量極限的通信理論，提出了寬光譜在色-時-頻-碼-空等多域資源間的協同通信機制，構建了可調控、任務可定制、動態自適應的室內可見光通信網絡。

為了有效解決大帶寬與終端移動性引起的光路易中斷之間的矛盾，項目團隊還提出了一種融合可見光通信和傳統Wi-Fi的“可見光通信-Wi-Fi異構網絡業務垂直切換方案”，在系統性能無明顯損失的前提下，可節省50％左右的切換信令開銷，能夠滿足智能家庭和辦公場所對高速率數據傳輸與可靠連接的要求。

基于單顆熒光型白光LED 的每秒610兆比特/6.2米實時通信發送端（左圖）與接收端（右圖）

室內可見光通信的一大限制是照明LED器件的帶寬。為了突破這一限制，項目團隊探索了多種信號處理技術，以提高系統容量。首先，通過發送端與接收端的硬件預均衡和后均衡處理大幅度拓展系統帶寬，并提升數據速率。項目團隊研制出的傳輸系統由中國泰爾實驗室進行了第三方測試，測試結果表明，使用功率為1瓦的熒光型白光LED作為信號發射器時，單路實時傳輸速率可以達到610兆比特/秒，傳輸距離為6.2米。基于該技術研發的燈光上網系統，其互聯網單點接入速率可以達到95兆比特/秒以上。照明白光還可由白光光譜范圍內多種顏色的LED光源以合適的配比混合而成，這給通信系統設計增加了豐富的波長自由度。通過基于軟硬件的多載波自適應調制、編碼和收發端均衡處理，在RGB三色混光下，實現了多媒體業務實時傳輸演示，傳輸距離為3米時，速率達到689兆比特/秒；使用RGBA四色混光時，實時業務速率已達到919兆比特/秒。

基于RGB三色LED混和白光的每秒689兆比特/3米多媒體業務實時傳輸系統

項目團隊構建的非視距無線光通信實驗系統，其發射端由紫外激光器與外調制器組成，接收端由靈敏度很高的光電倍增管（PMT）與信號處理單元組成。由于接收信號的比特能量低至光子級，在建立的混合泊松信道模型下，項目團隊提出了弱信號檢測算法與接收端分集技術，在1公里非視距條件下，系統的信息傳輸速率達到了1兆比特/秒，其綜合傳輸性能超過已有文獻報道的水平。如果未來進一步優化系統，傳輸距離與速率還將得到進一步提升。

寬光譜無線光通信的研究在國際范圍內的發展十分迅猛。在系統層面，三色LED的可見光通信離線傳輸峰值總速率已經突破10千兆比特/秒，128路陣列式藍光LED光源的并行鏈路傳輸總速率可達50千兆比特/秒；散射光通信系統性能也在不斷提升。從學術研究關注度來看，最近一期IEEE Journal on Selected Areas in Communications的無線光通信特刊，其學術論文投稿創下了100多篇的歷史紀錄，各種無線光通信的專題學術會議也層出不窮。從應用需求來看，通信技術除了要強調實時性外，還需要實現系統模塊小型化和高度集成，并增強移動性和魯棒性。

參考光纖通信對有線通信的變革經驗，即使無線光通信在發展過程中存在一些困難，寬光譜無線光通信也必將憑借其帶寬大、安全性強和光源分布普適性好等優勢，給無線通信行業帶來巨大變革，讓“光聯萬物”的未來早日到來。

致謝：感謝國家973計劃項目“寬光譜信號無線傳輸理論與方法研究”（項目編號：2013CB329200）的支持。

作者：徐正元、趙春明、王昭誠、陳雄斌、龔晨

（徐正元，中國科學技術大學教授；趙春明，東南大學教授；王昭誠，清華大學教授；陳雄斌，中國科學院半導體研究所研究員；龔晨，中國科學技術大學教授）