本文來自移動(dòng)Labs。
隨著5G-Advanced時(shí)代開啟，6G已成為全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)，未來3-5年將成為6G潛在關(guān)鍵技術(shù)的窗口期。而作為擁有巨大頻譜潛力的可見光通信，被多方認(rèn)為未來將成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)之一。近日，移動(dòng)Labs邀請(qǐng)到中國移動(dòng)研究院未來研究院主任研究員夏亮接受采訪，圍繞面向6G的可見光通信進(jìn)行探討。
專|家|簡|介
夏亮
中國移動(dòng)研究院未來研究院主任研究員。2008年以來先后從事LTE/LTE-A與5G的無線物理層技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)推動(dòng)工作，目前主要從事面向6G的無線新技術(shù)研究，主要研究方向包括可見光、太赫茲等。
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可見光通信，探索研發(fā)步伐不斷提速
可見光通信（Visible Light Communications，VLC）的概念在20多年前就已被提出，曾一度成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)，諸多理論、方案、標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品和應(yīng)用在過去的10多年的時(shí)間里不斷涌現(xiàn)、不斷發(fā)展。日本、歐洲、美國都有相關(guān)的聯(lián)盟或政府計(jì)劃對(duì)可見光通信的發(fā)展進(jìn)行了支持。
我國在可見光通信領(lǐng)域的研究起步較晚，經(jīng)過十余年的努力，已經(jīng)追趕上并達(dá)到了與世界發(fā)達(dá)國家同等的水平，更是在某些方向處于領(lǐng)先地位。在學(xué)術(shù)界，國內(nèi)主要有多所高校和研究機(jī)構(gòu)正在開展可見光通信的研究，研究方向涵蓋了信道建模、核心器件、傳輸技術(shù)、樣機(jī)研發(fā)等各個(gè)領(lǐng)域，相關(guān)成果也已達(dá)到國際先進(jìn)水平。在產(chǎn)業(yè)界，國家和各地政府對(duì)可見光的產(chǎn)業(yè)發(fā)展加大了投入力度，國內(nèi)也出現(xiàn)了專門生產(chǎn)可見光通信設(shè)備的公司。IMT-2030、CCSA等行業(yè)組織已設(shè)立可見光通信相關(guān)研究項(xiàng)目，開展了面向下一代通信的可見光研究。
可見光通信作為一種可以與照明相結(jié)合的新型通信模式，是現(xiàn)有無線通信的一種有效補(bǔ)充手段。據(jù)夏亮介紹，可見光通信一方面可以與照明設(shè)備融合部署，在提供照明的同時(shí)提供通信服務(wù)，從而降低部署成本，降低綜合能耗，提升用戶友好度，提升可見光基站的部署密度，提供超高的流量密度；另一方面可以與照明產(chǎn)業(yè)相融合，中國作為世界LED封裝與應(yīng)用產(chǎn)品最重要的生產(chǎn)和出口基地，雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)為引領(lǐng)可見光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了重要的保障，通過與成熟的照明產(chǎn)業(yè)的融合，可以加快可見光通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展，降低可見光核心器件的成本。
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擁有巨大頻譜潛力，成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)之一
隨著5G-Advanced時(shí)代的到來，6G已成為全球移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的焦點(diǎn)。為滿足6G更加多樣的場景中的更加極致的需求，6G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)頻譜的使用進(jìn)行更深的研究，一方面需要挖掘現(xiàn)有頻譜的利用效率，另一方面需要研究使用更高頻段的通信。作為擁有巨大頻譜潛力的可見光通信，可以滿足更高容量和超高體驗(yàn)速率的需求，被多方認(rèn)為未來將成為6G關(guān)鍵候選技術(shù)之一。
據(jù)夏亮介紹，與傳統(tǒng)射頻通信相比，可見光通信的優(yōu)勢(shì)主要在于：
1??頻譜豐富：可見光候選頻譜帶寬將近400THz，可有效解決頻譜資源日益緊張的問題。
2??部署簡單：VLC的發(fā)射與接收器件可以基于產(chǎn)業(yè)已經(jīng)非常成熟的照明、顯示、成像等領(lǐng)域的器件進(jìn)行升級(jí)改造，并結(jié)合照明的需求，實(shí)現(xiàn)低成本超密集部署，滿足高流量密度需求。
3??綠色節(jié)能：VLC兼具照明與通信等功能，具有低功耗高能效的優(yōu)勢(shì)，符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略。
4??電磁免疫：可見光和射頻信號(hào)之間不會(huì)相互干擾，因此VLC非常適用于飛機(jī)、醫(yī)院、工業(yè)控制等電磁敏感領(lǐng)域，有效避免電磁干擾，保證設(shè)備正常運(yùn)行。
眾所周知，“最后一公里”是通信界人士經(jīng)常提及的一個(gè)概念，可見光通信被認(rèn)為是下一階段移動(dòng)無線通信“最后一公里”接入技術(shù)的重要組成部分。夏亮表示，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為了服務(wù)更多的用戶數(shù)，并讓用戶得到極致的服務(wù)體驗(yàn)，無線接入點(diǎn)部署的離用戶越來越近，站點(diǎn)數(shù)目與密度也隨之增加，這也帶來了部署成本的提升與網(wǎng)絡(luò)能耗的增加。而可見光通信要解決的就是這“最后一公里”中的最后十米的超高速率接入問題，同時(shí)在低成本部署與綠色節(jié)能方面的潛力也是可見光通信的主要競爭力。
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6G將加速解鎖應(yīng)用新場景，關(guān)鍵技術(shù)仍待突破
現(xiàn)階段，可見光通信的應(yīng)用場景主要集中在低速率固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸場景，衛(wèi)星、水下等特殊場景，以及保密通信場景等，其應(yīng)用場景的局限性制約了可見光通信的大規(guī)模應(yīng)用,而6G為可見光通信應(yīng)用帶來了更多期待。夏亮認(rèn)為，結(jié)合可見光通信的特點(diǎn)，其在6G中可能的應(yīng)用場景主要包括移動(dòng)通信場景與垂直行業(yè)通信場景。
?室內(nèi)熱點(diǎn)高容量移動(dòng)通信場景：在諸如交通樞紐、體育場館、商場、辦公場所、家庭等熱點(diǎn)高容量場景提供高速率接入服務(wù)，滿足一定的移動(dòng)性要求，為用戶提供連續(xù)的服務(wù)體驗(yàn)。
?垂直行業(yè)專用場景：6G的應(yīng)用場景具有多樣化的特點(diǎn)，在不同場景中具有諸多特定化需求?？梢姽馔ㄐ趴梢栽诘孛妗⒑娇?、航海等交通場景，在醫(yī)院、工廠等電磁嚴(yán)苛場景中，融合照明或其它特殊用途光源進(jìn)行通信，同時(shí)避免無線電磁干擾，提供安全綠色的通信服務(wù)。
但值得注意的是，可見光要應(yīng)用于移動(dòng)無線通信，當(dāng)前面臨兩大難點(diǎn)：?一是需滿足用戶在移動(dòng)環(huán)境下對(duì)于連續(xù)無中斷服務(wù)的要求?？梢姽饪臻g傳輸損耗大、易被遮擋、光束寬度窄等特性使得可見光傳輸相對(duì)容易中斷，可見光節(jié)點(diǎn)的超密集部署也會(huì)帶來更多的切換問題，而終端發(fā)光在日常使用中會(huì)帶來很大的不便，因此可見光上行鏈路的應(yīng)用場景受到限制。?二是現(xiàn)有商用可見光通信設(shè)備難以滿足6G的通信速率要求，實(shí)現(xiàn)幾十Gbps的超高速率傳輸。
在夏亮看來，如果要突破這些難點(diǎn)，不僅需要綜合考慮可見光基站的覆蓋距離、覆蓋面積、傳輸速率、能量效率等問題，而且也要考慮可見光通信網(wǎng)絡(luò)的連接管理、移動(dòng)性管理等問題，并基于可見光通信信道建模、收發(fā)器件、傳輸技術(shù)、組網(wǎng)技術(shù)等方面的研究，來解決以上問題。
信道建模方面：信道建模是研發(fā)可靠、高效的通信系統(tǒng)以及對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)估與優(yōu)化的基礎(chǔ)。可見光信道建模需要結(jié)合6G應(yīng)用場景考慮可見光信道的頻率、衰落、空間、時(shí)間等特性。與傳統(tǒng)的微波頻段的信道建模相比，可見光信道模型需額外考慮大氣中水蒸氣、顆粒物等產(chǎn)生的衰落，以及可見光噪聲特性。
關(guān)鍵器件方面：可見光通信關(guān)鍵器件主要包括光源器件與光探測器件，支持大帶寬傳輸?shù)目梢姽馐瞻l(fā)器件是實(shí)現(xiàn)超高速率可見光通信的前提。為滿足6G需求，可見光收發(fā)器件需數(shù)GHz的帶寬，支持?jǐn)?shù)十Gbps的通信速率。同時(shí)為了滿足移動(dòng)場景對(duì)覆蓋的需求，對(duì)光源器件的發(fā)光功率、半功率角、線性度，以及探測器件的視場角、靈敏度等都提出了更高的要求。因此需要重點(diǎn)攻克可見光器件材料、加工工藝、集成、封裝等關(guān)鍵技術(shù)，以滿足通信專有的器件性能指標(biāo)要求。
傳輸技術(shù)方面：傳輸技術(shù)同樣也要解決超高速率傳輸與覆蓋等方面的挑戰(zhàn)，以緩解器件方面的壓力。高譜效、高能效的波形調(diào)制技術(shù)，預(yù)均衡、比特能量加載等發(fā)送端帶寬擴(kuò)展技術(shù)以及高性能接收算法可以在可見光信道特性以及通信器件特性的約束下實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率和更大的覆蓋范圍。多光源協(xié)作傳輸技術(shù)可以進(jìn)一步彌補(bǔ)可見光通信在傳輸連續(xù)性、覆蓋范圍方面的短板。
組網(wǎng)技術(shù)方面：需要考慮將可見光通信作為移動(dòng)蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，實(shí)現(xiàn)可見光通信與傳統(tǒng)射頻通信在蜂窩網(wǎng)中的融合，從而具備支持移動(dòng)服務(wù)的能力。通過可見光通信提供高速率下行傳輸，通過傳統(tǒng)射頻通信提供上行傳輸以及提供下行備份傳輸，即當(dāng)可見光通信被遮擋時(shí)，由其它頻段提供持續(xù)無中斷的服務(wù)。
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產(chǎn)學(xué)合力，攜手推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化研究和產(chǎn)業(yè)化布局
當(dāng)前,6G正在成為新一輪科技創(chuàng)新的必爭之地。按照移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)“使用一代，建設(shè)一代，研發(fā)一代”的發(fā)展節(jié)奏，業(yè)界普遍預(yù)測6G將在2030年左右商用。
夏亮表示，我們提出的6G愿景是“數(shù)字孿生、智慧泛在”。6G網(wǎng)絡(luò)將在智享生活、智賦生產(chǎn)、智煥社會(huì)三個(gè)方面催生全新的應(yīng)用場景，比如孿生數(shù)字人、全息交互、超能交通、通感互聯(lián)、智能交互等。這些場景將需要數(shù)十Gbps的用戶體驗(yàn)速率、0.1Gbps/m3的流量密度、厘米級(jí)定位精度以及數(shù)十倍的網(wǎng)絡(luò)能效提升等。
滿足這些需求也正是可見光通信在未來三到五年所追求的目標(biāo)。因此，可見光通信一方面需要重點(diǎn)關(guān)注可見光通信核心收發(fā)器件方面的創(chuàng)新，關(guān)注通信專有的器件性能指標(biāo)的突破；另一方面需要關(guān)注可見光通信在移動(dòng)場景中的組網(wǎng)部署方面的創(chuàng)新，通過可見光組網(wǎng)原型系統(tǒng)驗(yàn)證可見光通信組網(wǎng)性能的突破。
每一項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展都是機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的,作為6G關(guān)鍵候選技術(shù)，可見光通信技術(shù)還未完全成熟，需要產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同合作推動(dòng)其發(fā)展。在本次訪談的最后，夏亮介紹了中國移動(dòng)在可見光通信技術(shù)攻關(guān)、標(biāo)準(zhǔn)化研究方面的探索和思考。
?技術(shù)攻關(guān)：中國移動(dòng)聯(lián)合中關(guān)村泛聯(lián)移動(dòng)通信技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用研究院、復(fù)旦大學(xué)、北京郵電大學(xué)、清華大學(xué)等高校，在可見光信道建模、核心器件、傳輸樣機(jī)與組網(wǎng)樣機(jī)等方面開展深入研究，初步完成了可見光信道部分影響因素分析；研發(fā)了業(yè)界領(lǐng)先的超輻射發(fā)光二極管，單器件數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)4.57Gbps；研發(fā)了實(shí)時(shí)可見光原型基站，可支持1Gbps的傳輸速率；研發(fā)了可見光組網(wǎng)驗(yàn)證系統(tǒng)，初步驗(yàn)證了可見光通信在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋的可行性。
?標(biāo)準(zhǔn)化研究：中國移動(dòng)也積極參與了IMT-2030與CCSA等行業(yè)組織中的可見光通信項(xiàng)目，并提出了無線可見光融合組網(wǎng)的系統(tǒng)方案，致力于可見光通信標(biāo)準(zhǔn)能夠與6G總體通信標(biāo)準(zhǔn)形成統(tǒng)一，以最大化利用6G可見光通信產(chǎn)業(yè)規(guī)模。除了可見光通信接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，還要考慮形成完整的可見光通信器件標(biāo)準(zhǔn)體系，以形成產(chǎn)業(yè)合力。
夏亮表示，面向2030年6G商用的時(shí)間點(diǎn)，我們倡議產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界盡早啟動(dòng)面向6G的可見光通信總體研究，規(guī)劃可見光通信的產(chǎn)業(yè)推動(dòng)方向與標(biāo)準(zhǔn)化研究方向，爭取在2025年左右建立并完善可見光信道模型、完成關(guān)鍵器件攻關(guān)、形成傳輸與組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)框架，為未來面向6G的可見光通信的標(biāo)準(zhǔn)化與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。隨即，結(jié)合6G的標(biāo)準(zhǔn)化節(jié)奏，適時(shí)啟動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，并同步啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)化布局和應(yīng)用孵化。
