1、6G 可见光通信技术白皮书中国移动通信有限公司研究院前前言言随着通信需求的不断提高，移动通信网络需要更多的频谱，由于 6GHz 以下的频谱已经分配殆尽，26GHz、39GHz 等毫米波频段也已经分配给 5G 使用，因此需要研究更高频段的通信，如太赫兹通信和可见光通信，以满足更高容量和超高体验速率的需求。可见光通常指频段 380790THz（波长为 380790nm）的电磁波，有约 400THz 候选频谱，具有大带宽的特点，易于实现超高速率通信，是未来移动通信系统的一个潜在补充。本白皮书旨在探讨可见光通信在6G中的潜在应用场景以及有望满足的通信需求， 并提出了可见光通信面临的挑战和关键技术研究方

2、向，以引发业界的讨论与思考。本白皮书的撰写得到了复旦大学、北京邮电大学、东南大学等高校合作团队的支持，感谢复旦大学沈超研究员、迟楠教授，北京邮电大学唐盼博士、张建华教授，东南大学王家恒教授等老师对本白皮书的贡献与帮助。1目录1.概念.11.1可见光通信特点.11.2国内外研究现状.22.可见光应用场景及需求.42.1移动通信场景.42.1.1热点高容量场景.42.1.2小型室内场景.52.2垂直行业通信场景.52.2.1交通场景.52.2.2电磁严苛场景.62.3可见光通信需求.63.可见光通信的挑战.83.1信道建模.83.2材料与器件.83.3空口传输.103.4组网.104.可见光通信的

3、关键技术.124.1信道建模.124.1.1可见光信道建模研究现状.124.1.2基于理论的可见光信道建模.124.1.3基于实测的可见光信道建模.144.2关键器件.154.2.1发射端.154.2.2接收端.174.3传输技术.194.3.1传输理论.194.3.2调制波形.204.3.3均衡技术.2124.3.4VLC-MIMO 技术.224.4组网技术.244.4.1无线光融合组网.244.4.2可见光超密集组网.265.总结与展望.28参考文献.29中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）11. 概念概念可 见 光 通 信 (Visible Light Communicatio

4、n,VLC) 利 用 发 光 二 极 管 (LightEmitting Diode，LED)等可见光光源发出肉眼难以分辨的高速明暗变化的光信号来传输信息，再通过光电探测器（Photoelectric Detector，PD）等光电转换器将接收到的光信号转换为电信号来获取信息， 是一种照明通信一体化的无线通信方式1。 VLC 作为一种照明和通信结合的新型模式，是现有无线射频通信的有效补充手段。1.1 可见光通信特点可见光通信特点与传统射频通信相比，可见光通信的优势主要在于：1)频谱丰富：传统无线通信可使用的频谱资源只有约 300MHz，而可见光候选频谱带宽将近 400 THz。 因此 VLC 可

5、有效解决频谱资源日益紧张的问题。图 1-1 频谱资源示意图2)部署简单：VLC 的发射与接收器件可以基于产业已经非常成熟的照明、显示、成像等领域的器件进行升级改造，并结合照明的需求，实现低成本超密集部署，满足高流量密度需求。3)绿色节能：VLC 兼具照明与通信等功能，具有低功耗高能效的优势，符合国家节能减排战略。4)电磁免疫：可见光和射频信号之间不会相互干扰，因此 VLC 非常适用于飞机、医院、工业控制等电磁敏感领域，有效避免电磁干扰，保证设备正常运行。然而，VLC 也存在着一些短板。由于可见光存在易受阻挡、传播损耗大等特点，并且现阶段商用的可见光器件的带宽较低，目前 VLC 主要应用于短距离

6、点对点中低速率通信场景。 另一方面， 终端发光在日常使用中会带来很大的不便，中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）2因此可见光上行链路的应用场景受到限制。1.2 国内外研究现状国内外研究现状VLC 技术在中国萌芽，由日本拓展深化23。香港大学的 Grantham Pang 于1999 年首次提出 VLC 的概念， 而后日本庆应义塾大学的 M. Nakagawa 研究团队提出了 LED 可见光通信的接入方案，自此 VLC 技术在产学业成为了研究热点。日本于 2003 年成立了可见光通信联盟 （Visible Light Communication Consortium，VLCC） ，涌现

7、出了诸如局域网高速互连、智能交通系统、智能灯塔等大量 VLC应用形式。欧洲在 2008 年启动了 OMEGA (the Home Gigabit Access)计划，致力于开发出 1Gbit/s 传输速率的室内互连技术，VLC 是研究重点之一。同年美国政府启动了智慧照明计划，探索 VLC 系统中关键技术的改进方案和创新。我国在可见光通信领域的研究起步较晚，经过十余年的努力，已经追赶上并达到了与世界发达国家同等的水平，更是在某些方向处于领先地位。在学术界，国内主要有复旦大学、清华大学、北京邮电大学、东南大学、中国科学院半导体研究所、台湾交通大学等参与 VLC 研究，研究方向包括调制技术、OFDM

8、 技术、LED 均衡技术、VLC 信道特性、光源布局等4。在产业界，国家和各地政府都对 VLC 的产业发展加大了投入力度，市场上的 VLC 应用产品覆盖室内定位、APP 应用、安全通信、支付和车联网等众多领域。VLC 在标准化方面的进展紧随业界脚步。 美国电气电子工程师学会(Instituteof Electrical and Electronics Engineers, IEEE)是国际上最早制定 VLC 技术标准的组织，该组织于 2009 年成立 VLC 工作组，并于 2011 年发布了第一版可见光通信标准 IEEE 802.15.7-2011，该标准在 VLC 调制方式、组网架构、物理层

9、设计等方面作出了详细规范。而在我国，全国信息技术标准化技术委员会的无线个域网标准工作组在 2016 年发布了可见光通信标准化白皮书 ，开始制定中国的可见光通信标准，并于 2018 年开始陆续发布了 GBT36628信息技术系统间远程通信和信息交换可见光通信系列标准。中国移动正在与复旦大学、清华大学、北京邮电大学、东南大学等国内高校一起成立联合创新项目， 在面向 6G 的可见光核心器件、 无线与可见光融合组网、中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）3可见光空口传输方案、可见光信道建模与原型验证系统等方面开展研究。中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）42. 可见光应用场景及需求可

10、见光应用场景及需求2.1 移动通信场景移动通信场景随着移动网络业务不断深入，入网设备种类不断丰富，海量的数据需要由空口接入核心网络， 而可见光以其 THz 数量级的频谱资源为未来 6G 通信提速提供了可能性。超大带宽可以支持更加灵活的时频资源分配方式，支持多用户、多业务的传输模式，不但可以形成一种全新的热点高容量场景解决方案，还可以在小型室内场景支持用户高速接入，提升用户体验速率。与现有的可见光通信应用场景不同，移动通信场景需重点考虑用户的移动性以及环境的变化，可见光通信需要为用户提供连续的服务体验。2.1.1热点高容量场景热点高容量场景图 2-1 典型热点高容量场景热点高容量场景主要包括人流

11、稠密的交通枢纽、商场、体育场、大型会议室等， 目标群体以手持移动设备的用户为主。这种场景面临的主要挑战在于光波束追踪与协同管理、光噪声与光干扰消除等方面。中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）52.1.2小型室内场景小型室内场景图 2-2 典型小型室内场景小型室内场景主要包括个人房间、小型办公室、小型会议室等。此类场景面积较小，用户移动范围有限，光波束方向不需要频繁切换，控制信息占用的资源相对较少，可以将更多的通信资源分配给用户数据传输。这种场景面临的主要挑战是谱效提升、资源调度优化等。2.2 垂直行业通信场景垂直行业通信场景随着未来产业进一步优化升级，垂直行业在安全、保密、可靠性等方

12、面对通信指标提出了更高的要求。可见光通信作为一种与照明融合的新型技术，在现有照明节点的基础上进行网络搭建， 可避免大功率射频信号对垂直行业自身业务造成影响， 提高安全性。 另一方面， 可见光频段与微波频段之间存在巨大频率间隙，在通信过程中可避免与现有微波系统之间的干扰，提高通信的鲁棒性。2.2.1交通场景交通场景图 2-3 交通照明融合场景交通照明融合场景主要包括地面、航空、航海三类场景。该场景主要利用交通系统中现有光源进行通信，降低移动网络搭建成本。由于可见光通信同时还可兼具定位功能，在高速交通场景中可以实时获得准确的道路信息，进而实现智能中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）6交通

13、管理， 保障通信安全。 此类场景中的主要挑战为可见光组网、 移动性管理等。2.2.2电磁严苛场景电磁严苛场景图 2-4 电磁严苛场景电磁严苛场景主要包括医院、工厂、飞机等场景。此类场景对于电磁功率与频段有着严格的限制。通过可见光通信设备与照明设备的集成，并对光功率进行限制， 可以在提供必要照明的同时有效避免电磁干扰， 实现安全可靠的无线通信。此类场景中的主要挑战为光功率控制等。2.3 可见光通信需求可见光通信需求面向 2030 年及未来，6G 网络将在智享生活、智赋生产、智焕社会三个方面催生全新的应用场景，比如孪生数字人、全息交互、超能交通、通感互联、智能交互等。这些场景将需要太比特级的峰值速

14、率、亚毫秒级的时延体验、厘米级定位精度以及数十倍的网络能效提升等5，如图 2-5 所示。图 2-5 6G 通信总体需求可见光通信依托其巨大的频谱潜力，成为 6G 关键候选技术之一，有望助力6G 网络在用户体验速率、峰值速率、流量密度、网络能效、定位精度等方面的中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）7有效提升。但是不同场景对于通信的需求存在差异，比如热点高容量场景需优先满足流量密度指标与移动性要求； 小型室内场景需重点提高用户体验速率与峰值速率； 交通照明融合场景则需要较高的定位精度；电磁严苛场景则对发射功率与射频泄露功率有严格限制。为满足未来 6G 的场景需求，可见光通信首先要满足移动

15、性要求，与传统的射频通信（如中低频、毫米波、太赫兹等）一起，能够支持移动用户连续的高速率通信业务，从而可以更好的支持消费者终端的应用，扩大可见光通信的产业规模；其次，在通信性能上，需达到如表 2-1 的通信指标。表 2-1 可见光通信指标关键指标数值调制带宽5GHz峰值速率50Gbps覆盖距离5m流量密度100Mbps/m3中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）83. 可见光通信的挑战可见光通信的挑战为了使可见光通信技术能更好地满足 6G 通信的需求，当前可见光通信技术主要面临以下几个挑战。3.1 信道建模信道建模信道是对信号在物理环境中传播的抽象表达。研发可靠、高效的通信系统以及对其

16、进行性能评估与优化都需要准确的信道建模。 可见光信道建模需要考虑信道的频率、衰落、空间、时间等特性。可见光频段远高于目前应用的微波频段。 由于信道特性与载波频率密切相关，可见光信道模型无法沿用现有 100GHz 以下的移动信道模型。在损耗特性方面，频率升高不但会加剧信号的传播损耗，还会在大气中产生原子吸收效应，增加额外的雨衰、雾衰，使得衰落模型更加复杂。此外，频率升高还会降低光信号的绕射能力，致使阴影衰落加深，使以往按照距离建模的路径损耗模型误差加大，影响系统评估的准确性。在空间特性、时间特性方面，光信号受限于光源的半功率角与传播损耗，形成了以视距（Line-of-Sight, LOS）传播为

17、主，以反射非视距（Nonline-of-Sight, NLOS）传播为辅的传播方式，LOS 径占据大部分接收功率，导致角度扩展、时延扩展大幅降低。这虽然减小了多径干扰，但是在场景覆盖方面却不得不付出更多的成本。 可见光信道建模中还有一种特殊的特性必须得到关注噪声特性。由于前端入射功率较小，真实环境中普遍存在的背景噪声、散弹噪声、接收电路噪声等均会对信号接收产生影响。由于噪声具有随机性，并且会受到光通信器件的影响，因此通过实验进行量化分析和建模较为困难，给信道建模带来了全新的挑战。3.2 材料与器件材料与器件当前主流的光发射机使用 LED 和激光二极管（Laser Diodes, LD） 。LE

18、D 具备更好的安全性，造价也相对低廉，但其频率响应并不理想，现有商用 LED 的3dB 带宽普遍小于 100MHz，远无法满足 6G 所需要的高速率；另一方面，LED中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）9器件具有非线性，随着发射功率的提高，其非线性趋势也越发明显。而 LD 发出的光为激光，具备很好的相干性，带宽也可以达到 1GHz 以上，满足高速通信的速率需求，但耦合过程需要对准，对空间环境的稳定性提出了很高的要求，而且大功率发射的激光也对人眼有着潜在的风险。在接收端，可见光信号主要由光电探测器进行接收，目前较为常用的是 PIN（ Positive-Intrinsic-Negativ

19、e ） 光 电 二 极 管 与 雪 崩 光 电 二 极 管 （ AvalanchePhotodiodes,APD） 。PIN 的成本相对低廉，但其灵敏度与频响带宽均有限，无法满足需要高速率远距离的可见光通信系统。APD 利用二极管的雪崩效应能对激发的光电流成倍地放大，但同时也会将引入的噪声放大，因此难以实现高信噪比传输。总的来说，面向 6G 的可见光通信对器件提出了很高的要求，新一代的光发射机与接收机需要满足带宽大、覆盖广、成本低、耦合便利、安全性好、灵敏度高等需求，器件的制造材料与制造工艺亟需进一步突破。为了加速器件的研发与选型，建立可见光通信器件的指标体系具有重要指导意义。对光源器件，需重

20、点关注通信指标，兼顾照明指标。通信相关的核心指标包括调制带宽、功率、线性度等。其中，调制带宽往往是系统带宽的瓶颈，与光源结构、驱动等诸多因素有关，是最为重要指标。高速可见光通信系统多要求光源调制带宽达到数百 MHz 甚至 GHz 级。 此外， 光源功率对系统工作距离影响较大，也是重要的选型依据。照明相关的指标包括以伏安特性为代表的电学指标、热学指标以及一系列光学指标，例如驱动电压与电流、发光效率、亮度、色温、频闪等。其中，驱动电压与电流决定了驱动电路设计，还会影响调制带宽、线性度等其他指标，是较为关注的指标。发光效率直接反映光源的能效，还会影响结温等特性，也是较为重要的参数。对于探测器件，主要

21、关注带宽、灵敏度、光谱响应分布等指标。此外，驱动电压、 暗电流等因素在一定情况下也需要考虑。探测器带宽直接影响系统通信性能，目前业界探测器件带宽可达数百 MHz，未来随着高速可见光通信系统的发展， 对高带宽探测器的需求将进一步加强。 探测器的灵敏度也是较为重要的指标，其对系统工作距离影响较大，尤其是远距离可见光通信系统需要 APD 等高灵敏度探测器。 此外， 探测器对不同频率光谱的响应分布对系统性能也有一定的影响，中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）10需要在可见光频段同时具有高灵敏度和大带宽。3.3 空口传输空口传输由于可见光收发器件的带宽面临着巨大挑战，为了进一步提升带宽利用率，

22、需要选择一套合适的调制方案6。开关键控（On-Off Keying, OOK）调制、脉冲位置调制、 脉冲幅度调制等单载波调制方式实现复杂度低， 但是频谱利用率不高。正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）调制是一种高频谱效率的调制方案，而且能够对抗多径效应。现有的用于可见光的 OFDM调制方案种类繁多，各有优劣，如何针对不同的通信场景与通信信道选择调制方案是需要解决的问题。此外，可见光通信使用高阶调制会出现以下问题：系统对噪声反应灵敏，需要进一步提升信噪比；空间位置发生改变，导致正交信号接收功率不均等；可见光发射器件的非线

23、性效应使得信号的星座图变形。这些问题需要对可见光波形与调制技术进行优化。此外，可见光收发器件的频响特性也会影响可见光收发器件的带宽。针对高低频段频响特性差异大的问题， 目前常见的解决方案包括均衡和比特能量加载等。均衡技术可以使整个带宽的频率响应几乎一致； 比特能量加载技术将整个带宽分为多个子频带，且每个子频带的功率一致，通过针对子频带选择最优调制阶数实现容量的最大化。多输入多输出(Multiple Input Multiple Output, MIMO)技术是未来可见光通信的一项重要技术， 在带宽有限的条件下， MIMO 通过空间复用的方式提高整体的通信速率。MIMO 系统拥有多个发射机和多个

24、接收机，一方面通过空间复用，实现更高的容量，提高数据传输速率；另一方面可以解决可见光通信中的用户移动与环境复杂导致的遮挡问题。然而在可见光 MIMO 系统中，由于可见光接收器的尺寸远大于信号波长， MIMO 信道的空间相关性较大， 多个光源之间的信号很容易相互干扰，影响整体传输速率。因此，如何在接收端设计相应合理的空间解相关算法，是需要攻克的一大关键问题。3.4 组网组网可见光通信可利用其低功耗、低成本、易部署等特点，与照明功能结合，通中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）11过可见光基站节点超密集部署实现更广泛的覆盖。 然而， 相比于传统的射频通信，可见光接入点的密度更高，接入点和用

25、户之间的距离更近。若可见光网络采用移动通信中常见的蜂窝架构， 将存在切换频繁、 频谱效率低和干扰管理复杂等问题。另一方面，可见光节点的超密集部署，也增加了前传/回传的需求与部署难度。此外，可见光通信存在上行难实现、下行易中断且移动性较差的问题，这极大地限制了独立可见光通信的应用场景。 需要考虑将可见光通信作为移动蜂窝通信网络的一部分，实现可见光通信与传统射频通信在蜂窝网中的融合，从而具备支持移动服务的能力，形成产业规模。中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）124. 可见光通信的关键技术可见光通信的关键技术4.1 信道建模信道建模4.1.1可见光信道建模研究现状可见光信道建模研究现状可

26、见光通信链路的等效基带模型可以用以下方程来表述：其中，信道冲激响应可以用来表征信道特性，也可用来分析和对抗信道失真的影响，表示噪声。根据建模方式不同，可以把可见光信道建模分为基于理论的信道建模和基于实测的信道建模。4.1.2基于理论的可见光信道建模基于理论的可见光信道建模信道冲激响应的理论模型分为两大类： 确定性信道模型和随机性信道模型13。确定性模型是对特定传播环境、信道场景以及收发端位置和方向的详细描述，具有较高的准确性。相比于确定性模型，随机性信道模型降低了计算复杂度，具有更高的灵活性，但是同时，准确性较低。在确定性模型中，递归模型最早用来刻画无线红外通信（Wireless Infrar

27、edCommunication， WIRC） 高次反射路径的信道冲激响应 （Channel Impulse Response，CIR） ， 后被扩展应用于可见光非视距链路的表征。 它使用朗伯辐射模型刻画 LED的发光模式：把信道的整体脉冲响应分为直射路径脉冲响应和高次反射路径脉冲响应之和：直射路径脉冲响应用一系列延迟的冲击函数来表示：中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）13在高次反射路径脉冲响应的计算中，把反射面拆分成小的朗伯反射单元 ，并把每个反射单元分别当作接收单元与发送单元，遍历得到高次反射路径结果：递归模型为可见光信道的表征提供了很好的思路，准确性较高，但由于其复杂度高，运算

28、时间长，在可见光理论建模中应用较少。迭代模型在递归模型的基础上，改变了高次反射路径中卷积运算顺序，减少了计算量：由于迭代模型具有较高的准确性，且运算时间相对较少，是可见光信道的理论建模中常用到的方法14。除此之外， 基于射线追踪的几何确定性建模利用射线追踪软件， 如 Zemax15等，基于几何光学和一致性绕射理论，在所创建的场景下，进行信道特性分析。射线追踪技术保证了所创建环境的几何形状、 家具及表面材料的反射特性以及收发端天线规格的精准性。与迭代模型相比，射线追踪软件需要对传播环境的详细描述，因此不能轻易地推广应用到其他场景；但能够更加准确地还原真实场景，更加灵活地进行复杂场景的建模。在随机

29、性模型中，有基于几何的随机性模型和非几何的随机性模型。基于几何的随机性模型中，球形模型用于刻画多次反射路径，在可见光信道的噪声建模中应用较多；除此之外，还有规则形状的几何随机性模型、Carruthers 模型。非几何的随机性模型，包括蒙特卡洛算法（Monte Carlo Algorithm，MCA） 、改进的蒙特卡洛算法（Modified Monte Carlo algorithm，MMCA） 、改进的天花板弹跳模型（Modified Ceiling Bounce Model，MCBM）等。中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）14可见光信道中存在着三种噪声：散射噪声、热噪声和放大器噪

30、声。散射噪声又分为与信号相关的相关散粒噪声和独立于信号的散射噪声。目前，可见光信道的噪声建模有两种典型方法：一是把等效噪声源法，把热噪声和放大器噪声统一等效为电路热噪声16；二是把三种噪声分别建模17。两种方法都常用于可见光链路的系统性能分析中，但对于两种噪声模型的准确性与适用性，仍需要进一步的验证。4.1.3基于实测的可见光信道建模基于实测的可见光信道建模图 4-1 可见光信道测量平台基于实测的信道建模利用可见光信道测量平台采集真实场景中的测量数据，基于伪随机序列相关原理，发送端发射伪随机序列信号，采用 OOK 或 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）等调

31、制方式，利用 LED 强度变化进行信息传递。接收端通过光电二极管检测信号强度，解相关获得信道冲激响应。由于信道冲激响应可由时域响应直接获得或由频域响应进行逆傅里叶变换后得到，所以可见光信道测量平台也大体分为两类。进行时域探测时，发送端利用任意波形发生器发送 PN 码，接收端使用示波器采集时域信号，通过解相关获得 CIR。 进行频域探测时， 发送端采用矢量网络分析仪的一个端口发送扫频信号，信号通过信道后又流入矢量网络分析仪的第二个端口， 这样可以得到系统的信道频率响应（Channel Frequency Response，CFR） ，经逆傅里叶变换也可得到 CIR。对于可见光信道的测量，已经开展

32、了一些研究工作。文献18在停车场场景下进行了毫米波与可见光信道特性的对比， 发现毫米波信道频率响应易受停车场结构柱和周围车辆的影响，而可见光信道频率响应受二者影响不大，可见光测量平台性能主要是受器件性能影响。文献22研究了室内场景下人体遮挡对接收功中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）15率和均方根时延的影响。文献23进行了室内场景信道冲激响应和路径损耗的测量。文献24、25研究了车对车场景下不同天气对可见光通信系统的影响。目前，基本上没有针对可见光信道噪声的测量工作，缺少对于可见光信道噪声理论模型相对应的实测验证。真实可见光通信系统中噪声的分布情况，也是需要继续解决的问题。4.2 关

33、键器件关键器件4.2.1发射端发射端目前可见光通信中的发射端主要应用白光光源，分为 LED、LD 和超辐射管（Superluminescent Diodes，SLD） 。发光二极管发光二极管LED 的调制带宽是可见光通信系统信道容量和传输速率的决定性因素，为了满足面向 6G 的可见光通信需求，新一代的 LED 需要提升调制带宽。荧光粉型白光 LED 是目前可见光系统中通常用到的 LED，利用蓝光激发荧光粉产生黄光，从而混合得到白光。这种类型的白光 LED 受限于其荧光粉（如Ce:YAG）荧光寿命，导致其带宽一般被限制在 2MHz 左右。为了缓解荧光寿命长带来的影响，可以在探测器前加上一层蓝光滤

34、波片，使得只有芯片本身辐射的蓝光到达探测器，提升器件带宽。但是由于只有部分光到达探测器，降低了探测器接收到的光功率，限制了通信距离。多色芯片白光 LED 也可提升调制带宽，其将多种颜色芯片封装到一起形成白色光源， 较为常见的是 RGB 三色芯片。 多色芯片不存在荧光寿命过长的问题，且利用波分复用技术，对白光器件中各单色光芯片分别进行调制，并行传输多路信号，可大幅提升信道容量。但同时也会增加驱动设计的复杂度，还会影响合路后白光的色温。除了利用不同单色光提升器件的通信速率， Micro-LED 作为可见光系统的发射源也可以大幅度提升器件的调制带宽， 其主要原因是有源区面积减小大大增加了有源区载流子

35、的电流密度，缩短了有源区载流子寿命。同时较小的有源区降低了器件的结电容， 从而减小了 RC 时间常数。 通过制作 Micro-LED 阵列可以在保中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）16证总输出功率的同时，提高器件的调制带宽。激光二极管激光二极管LD 具有更高的调制带宽从而具有更快的信息传输速率，目前商用 LD 的调制带宽可以达到 2.6GHz，比商用 LED 高出两个数量级。相比于 LED，LD 具有响应速度快、可直接调制，耦合效率高的优点。电注入激光器的工作电流区为阈值电流之上饱和电流值以下， 因此降低激光器的阈值电流对于增加激光器的工作电流区尤为重要。超辐射管超辐射管SLD 基

36、于自发辐射和放大的自发辐射， 是一种介于 LED 和 LD 之前的器件，具有宽光谱、弱时间相干性、低噪声强度、高效率等特点。相较于 LED，SLD具有更高的调制带宽以及发光效率；相较于 LD，其不会形成功率密度极大的激光，对人眼造成危害，并且光谱较宽，更适合照明。表 4-1 不同类型的光源对比光源类型谱线宽度光 子 产 生方式相干长度发散角调制带宽LED宽自发辐射短大低LD窄放 大 的 自发发射长小高SLD较窄受激辐射较短较小较高不同光源类型的发展路线：荧光粉型 WLED 的基础带宽很难有上升空间，需要依靠均衡技术和滤光片，唯一优势是成本低，不建议作为未来研究重点。多色 LED 具有较好的技术

37、成熟度、灵活性以及产业基础，可以作为初期重点关注器件。Micro-LED 可以实现高基础带宽，但是总功率较低，大功率技术还不成熟，在照明领域的应用有一定挑战，可作为未来重点关注。SLD 基本可归于特制高带宽 LED 范畴，其中受激辐射占主要，带宽特性是比较理想的。中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）174.2.2接收端接收端常见的可见光探测器包括 PIN 探测器、雪崩（APD）探测器、金属-无机半导体-金属（MSM）探测器，使用的材料包括硅（Si)、锗（Ge） 、碳化硅（SiC） 、氮化镓（GaN） 、氮化铝（AlN） 、钙钛矿(Perovskite)等。Si 基光电探测器基光电探测

38、器硅基光电探测器因 Si 材料的探测波段在 400-1100nm 之间， 被广泛应用于可见光波段的通信，最为主流的硅基探测器分别为 PIN 光电探测器和 APD 光电探测器。PIN 光电二极管探测器是目前成本较低的主流探测器，但其灵敏度相对较低，且响应带宽有限，不能进行远距离通信。APD 光电探测器具有高灵敏度（内部增益可达 102104） 、高响应速度、宽频带（频带带宽可达 100GHz）的特点，但其引入噪声较大且在高低温下稳定性较差， 因此不适合应用于对信噪比要求高或温差较大的场景。III-V 族光电探测器族光电探测器III-V 族化合物半导体与 Si 基半导体相比， 具有载流子迁移率高、

39、 直接能隙、带隙可调，稳定性好的优点。采用第三代半导体 InGaN 材料的 InGaN 探测器因其带隙可调，可实现整个可见光波段的光信号探测。它可以集成在同一个光通信系统中，通过匹配 LED 光源，实现光信号高效接收。随着零偏压自驱动探测器研究的开展，InGaN 基探测器的工作电压降低，甚至可以零偏压自驱动工作，这使得器件具有非常低的功耗。MSM 型光电探测器类似背靠背的肖特基光电二极管。 当外加偏压不断增加，反偏一侧肖特基二极管发生雪崩击穿，此时电流将急剧增加。MSM 型光电探测器具有响应速度快、工艺简单、兼容 CMOS 工艺，易于集成的特点。但其表面的金属对光有强烈的吸收性，对其内部增益低

40、等性能产生了影响，进而限制了它的广泛应用。钙钛矿光电探测器钙钛矿光电探测器钙钛矿(Perovskite)材料的结构式为 ABX3，其中 A 为阳离子，其中有机类常有 CH3NH3+（简称 MA+） 、HC(NH2)2+（简称 FA+） ，无机类常用 Cs+；B 为金属阳离子 Pb2+、Sn2+等；X 代表将它们结合在一起的卤素阴离子 I-、Cl-、Br-等。钙钛矿响应时间短，因而具有较高的带宽。其具有重量轻、柔韧性好、载流中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）18子迁移率高、光吸收系数大、激子扩散长度长及禁带宽度可调谐的优点，可实现不同波段的光检测。但由于钙钛矿是有机物，其寿命和稳定性

41、远不如 Si 和 III-V族化合物半导体探测器，应用场所受限较多。PIN 与 APD 技术较为成熟，商用产品甚至可以覆盖 1GHz 带宽，低到高增益需求。但是绝大部分 Si 基探测器响应峰值在红外频段。III-V 族器件响应峰值虽然更接近可见光频段，但是从商用产品来看灵敏度普遍不高。表 4-2 几种光电探测器的性能对比材料大小/nm带宽/nm响应度/(A-W1)探测率(Jones)Si3.0-7.Ge2-13980-12001.51.21011PbS2.5-7.2800-1700-.1.81013PbSe3-171200-25000.67-PbTe2.6-8.3

42、1100-2150-CdTe/CdS6-11480-8200.31.2108InAs2-7970-15003.812.21O10InSb33-6.51300-1850-3.71012Ag2S5.4-101200-MoS23.1-5.91080-13300.858.01011CuS3-6.13HgTe3--38.71011可见光探测器的响应度、响应带宽、暗电流等参数，主要受其材料、结构的影响。 可通过光源与探测器的匹配、探测器阵列等研究使半导体可见光探测器适应更多场景的检测需求。随着 VLC 技术的发展，信息的有效传输变得尤为重要。新一

43、代 VLC 系统将会实现更高的传输效率和更宽的传输频谱， 对探测器宽带宽、高灵敏度/响应度、集成度、柔性化和自供电功能化等方面提出了更高的需求。中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）194.3 传输技术传输技术4.3.1传输理论传输理论1)信号分布与容量界典型的 VLC 系统如图 4-2 所示， 根据系统中传输信号的物理承载形式， VLC系统可分为电域和光域两部分。图 4-2 VLC 系统的电域和光域信源生成的数据流经过信道编码、 速率匹配、 交织和调制等模块后驱动LED。LED 将输入的正值信号由电域转换到光域，其幅度由光功率承载，接收端的 PD则将信号由光域转换到电域， 从而完成信

44、号的解调。 在 LED 的线性工作区， LED的光功率和电功率近似呈正比， 也可以说LED 激发的光功率与驱动电流呈正比7。承载信号的物理量不同，基于物理量的约束也就不同，因此 VLC 信号分布可以分电域和光域进行分析。当信源为连续信源时，基于电域的分析与射频（Radio Frequency, RF）一致，即在约束电功率的情况下，接收电信号的最优分布服从高斯分布。基于光域的分析则需要考虑 LED 线性区和人眼安全的影响，因此光功率信号分布区间为固定值，且光信号的功率受其一阶矩的约束，接收光信号采样点上的最优分布服从指数分布。信源分布直接影响系统容量，从数学分析上表征为容量界的性能。目前对于VL

45、C 信号分布和容量界的研究主要基于光域。国外，瑞士苏黎世联邦理工学院提出了 SISO 到 MIMO 的无线光通信信道容量界6。国内，东南大学、南京邮电大学等团队提出了多种基于调光的 VLC 信号分布与容量界8。基于电域的信号分布分析方法虽然与 RF 一致，但是需要考虑 LED 器件特性约束 LED 的输入信中国移动6G 可见光通信技术白皮书（2022）20号分布，例如去除负值信号和增加直流偏置等。基于电域和光域信号分布的分析，可以进一步设计可见光信号的生成方案，例如在不同的信道类型下选择不同分布以获得更好的性能。此外，基于信号分布的容量界分析可以为后续的系统设计、性能优化等提出指标需求。2)信

46、号非独立噪声VLC 系统中接收信号的噪声通常分为散射噪声和电路热噪声，其中散射噪声可以进一步分为相对强度噪声和背景光噪声9。而由于 PD 的器件物理特性和发射端 LED 发射光子的随机性，实际中 VLC 系统的接收噪声由两部分组成：与信号非独立的噪声(Signal-Independent Noise)， 即相对强度噪声； 与信号独立的噪声(Signal-Dependent Noise)，即背景光噪声和电路热噪声10。仿真发现，信号非独立噪声对系统性能的影响比较大， 当非独立噪声功率占总噪声功率的比值达到50%时，系统容量下降 40%；当比值达到 1%时，容量下降 18%。因此，在实际的 VLC

47、 系统设计中，应考虑非独立噪声对系统性能的影响。4.3.2调制波形调制波形多载波调制技术可有效克服信道的频率选择特性， 因此在可见光通信中广泛使用。基于 OFDM 的多载波调制方案有很多，基本的方案主要有直流偏置光正交频分复用（Direct Current Biased Optical-OFDM, DCO-OFDM） 、非对称光正交频分复用（Asymmetrically Clipped Optical-OFDM, ACO-OFDM） 、脉冲幅度调制-离散多音（PulseAmplitude Modulation-Discrete Multi Tone, PAM-DMT）等。为了结合不同调制方案的

48、优势，很多学者还研究了以上调制方案的组合，主要包括LACO-OFDM、 ADO-OFDM、 HACO-OFDM 等。 其中 ACO-OFDM、 DCO-OFDM、LACO-OFDM 这三种波形颇具有代表性。VLC 的多载波调制需要发送信号为非负实数11。通过厄米对称可以保证信号为实数。 实现信号非负的方法主要有两种12： 1） 加直流偏置， 如 DCO-OFDM；2）在时域对负信号削波，如 ACO-OFDM、LACO-OFDM。添加偏置的方法不影响子载波的利用，但增加了功率开销；削波的方法不影响功率开销但造成了带宽浪费。可见光发射器件的非线性效应会使得信号的星座图畸变， 因此为了保证发射中国移

49、动6G 可见光通信技术白皮书（2022）21器件工作在线性区， 需要限制信号的最大功率。 最大功率受限会造成信号的削波，产生削波噪声。 缩小信号幅度可减小削波噪声， 但同时也会导致接收信噪比减小，因此需要在信号放大和减少削波之间做最优折中以获得最大接收信噪比。此外，对于 ACO-OFDM 和 DCO-OFDM 两种波形，低阶调制下前者覆盖性能更好，高阶调制下后者覆盖性能更好，因此针对 VLC 不同应用场景和不同传输信道的性能需求，可以选择不同的波形。在 ACO-OFDM 和 LACO-OFDM 系统中，需要进行负信号削波，这就导致发送信号中存在大量的零值。由于噪声和干扰的影响，接收端可能接收到

50、部分负值信号，因此在接收端滤除负数信号可以显著减小噪声干扰。以上分析对不同场景下的波形选择，以及系统性能提升具有一定的启发性。进一步地，未来可以对更多波形进行分析，给出不同场景下推荐的波形、削波比例等，从而实现高速率的可见光通信传输。4.3.3均衡技术均衡技术可见光光源器件的高频响应衰减大，严重限制了信号的传输速率，因此有必要使用均衡技术扩展可用带宽。根据实施均衡的阶段，可以将均衡分为发送端的预均衡，以及接收端的后均衡。发送端的预均衡是指在发射端将信号高频部分抬升， 从而拓宽可用调制带宽，一般在频域通过施加系统频率响应的逆函数实现： 根据测得的响应函数为每个子载波添加权重，使得低频部分幅值减小