从5G到6G, 无线电通信+无线光通信？ —— 聊聊OWC

Wireless, Where to Go ？

长波 → 短波 → 超短波 → 微波 → 太赫兹 → 光 ！

文件大小不能超过5M，有兴趣者可雷总在“临菲信息技术港”下载PDF完整文档，或关注公众号“lynchpin2012”阅读全文. 无线通信

最初的无线通信是“低频”的无线通净土五经信。一开始是长波，可以沿着地球表面传播，没啥阻挡，只要功率足够大，可以传很远；然后是短波，短波有地波传播和天波传播，天波一跳可以传上千公里；这些最早的无线通信，至今仍然有用武之地。后来，超短波、微波（包括毫米波）大行其道，成了无线通信的主战场。

过去，无线通信的发展，可以说是从“低端频率”向“高端频率”不断发展，未来呢？依然如此！太赫兹、光无线，会登上历史舞台。

OWC这个缩写近年来变得比较流行，它的全文是：Optical Wireless Communication，即光无线通信。“光无线通信”中，“光”是指信号的传播介质为“光”，“无线”是指不需要“线”(例如光纤)来传播光。

尽管光波和无线电波都属电磁波，但人们还是习惯把“光通信关于一个男孩”与“电通信”区别开来。

由于“无线电通信”已经先入为主地把“电”省掉，成为了“无线通信”，那“无线光通信”的“光”就不能再省啦！当然，如果按OWC直译叫“光无线通信”的话，就没啥混淆的了。什么是增值税

不过，本文有时还是像很多人那样说“无线光通信”。当然，“无线光通信”≠“无线通信”+“光通信”！

还是有人想把“无线电通信”和“无线光通信”统一起来，本来它们也就在“电磁频谱”的统一概念之下。但是，同在“电磁频谱”的“两种无线”通信如何区分开来？有人就把如今大家说的无线通信叫做“射频通信”，英文是“Radio Frequency （RF） Communication”[1][2]，它们说的RFC，其实就是我们所的无线电通信。

这样，“无线通信”就有了比以前更丰富的隆鼻好吗内涵，它就包含了“射频（无线）通信”和“光无线通信”。

本文中，当要与“无线电通信”相提并论的时候，我们叫OWC“无线光通信”；但当与英文保持一致更为方便时，我们就说“光无线通信”。

无线电通信（RFC）的频段

无线电通信即前面说的射频无线通信，至于射频（RF）的波段究竟是多少，好像并没有专门、统一的权威定义。

先说说RF的低端

百度百科说：射频（RF）“表示可以辐射到空间的电磁频率，频率范围从300KHz～300GHz之间”。不过，能不能“辐射到空间”还要看天线能做多大，如果天线能做很大很大的话，能“辐射到空间”的频率就可以很低，甚至低于300KHz。例如，长波通信，它的波长范围为10～1km，“射频（RF）”就是30～300kHz，所以又叫低频（LF）通信；还有更低RF的通信：甚低频（VLF）通信，频率为3～30kHz。为什么要用这么低的频率呢，做海上海下通信的人会很清楚，本文后面讲水下通信的时候，也会讲到。

也有的文献就把RF的低端拉到了3KHz：“The RF band lies between 3 kHz an网络营销软件d 300 GHz of the electromagnetic spectrum.”[2].

再说说RF的高端

上面说的RF的高端是300GHz，是否合适呢？300GHz是什么概念？

注意！30 GHz~300 GHz对应的波长是10 mm~1 mm，所以300GHz是毫米波的高端！

那么RF的高端是不是就是毫米波的高端300 GHz？有人说：别忘了太赫兹，我们正在做太赫兹呢！

太赫兹（Terahertz，THz），是电磁波频率的单位，1THz=1000GHz，太赫兹波是比毫米波更高频率的电磁波。不少人说太赫兹是指从毫米波的高端300 GHz（即0.3THz）到远红外光边缘3000 GHz（即3THz），也有人说从0.1THz开始就算太赫兹了。不管他们怎么说，把RF的高端说成3000GHz好像比较合适，因为再高就到光那里了。

说了很多，RF这个“射频”究竟是多少？姑且就算从KHz到THz吧。在重复一下，前面所谓的“射频RF通信”，就是指现在大家所说的“无线（电）通信”，从长波、短波、超短波、微波（包含毫米波）到正在开发的太赫兹！

根据2018年的《中华人民共和国无线电频率划分规定》，无线电频谱可分为下面表中的 14 个频段，最高端是300-3000GHz。

无线光通信（OWC）的频段

那么，无线光通信，或是或光无线通信OWC，又包含些啥频段呢？

当前说的OWC是指用红外线（infrared ，IR）、可见光（visible light， VL）或紫外线（ultraviolet ，UV）进行的通信，学究一点的说法就是OWC的传播介质是红外线IR、可见光VL、紫外线UV。

红外线IR

百度百科说，红外线是波长介于微波与可见光之间的电磁波，波长在1mm到760互动大屏幕纳米（nm）之间，比红光长的非可见光。

红外又分为：近红外(Near Infra-red，NIR)，波长 0.7~2.5μm；中红外(Middle Infra-red，MIR)，波长2.5~25μm；远红外(Far Infra-red，FIR)，波长25~500μm。

可见光VL

百度百科说，人眼可见光的范围是4.2×10^14～7.8×10^14Hz，也就是420THz~780THz。

维基百科上说的可见光的波长是400nm~700nm,频率范围是430THz~790THz。

紫外线UV

百度百科说，紫外线指的是电磁波谱中波长从 10nm～400nm 辐射的总称，不能引起人们的视觉。

维基百科说的与百度百科完全一致，紫外线的波长是10nm~400nm，频率范围是790THz~30PHz。

IR、VL、UV通信特点

这里先给一个表，从整体上说一下利用IR、VL和UV作为传输媒介的OWC，具体系统的介绍在后面就会看到。

IR、VL、UV通信概要，来自文献[2]

LiFi、VLC、OCC、FSO的介绍在后面。

全频谱

这里给几个图表，以不同形式描述电磁频谱，根据自己喜好，可以重点看一个。

首先，在维基百科上找了个图，姜伯约把它翻转过来（以便做无线电通信的习惯从左至右频率增高），再把RF无线通信和光无线通信（OWC）放在相应的频段，我们就看到了“RFC+OWC”即“无线电通信+无线光通信”的频谱全景。

再给一个图，来自参考文献[5]。它把电磁频谱分为两部分，一部分是无线电通信、另一部分无线光通信，很清楚。英文的翻译见后面，还有一张大表。

根据文献[2]中的一个表格，经过整理和翻译，形成如下一个表格，很详细。这个表格我们曾经在“临菲信息技术港”公众号发过的。

上表中微波部分的频段划分，与平常大家熟悉的不太一样，也许是它考虑的是国外的通信频段吧。为了弥补这个不足，我们给出我国微波频段的划分，见下表。

常用字母代码和业务频段对应表（来源：中华人民共和国无线电频率划分规定，2018）

（原表注：对于空间无线电通信，K和Ka频段一般只用字母代码Ka表示；相应代码及频段范围非正式标准，仅作简化称呼参考之用。）

LED可见光originals通信

可见光通信VLC（Visible Light Communication）可能是当前光无线通信中最热闹的了。

通过光来发信号是众所周知的事，例如手电筒就是一个即可照明又可以发信号的通信工具，像发电报那样控制手电筒的开关就可以发送摩尔斯电码，当然，别在乎这种“电报”的传输速率。

所以，“闪烁”的光，可以是一种通信信号，只要它的闪烁能反映我们要传达的信息就行宋丹丹出轨。

LED ——光信号“发射天线”

可见光通信（VLC）很多都采用LED灯作为发射器，接收器用光电探测器（photodetectors，PD）。LED相当于RF无线通信系统中的发射天线，PD相当于接收天线。不同的是，RF的一个天线既可以收又可以发，但VLC的收、发还没办法用同一个“天线”来执行。当然，LED比“天线”的好处在于它是灯具——具有照明功能——边照明边发射通信信号，是不是可以节省通信用的能源？

基于LED的可见光通信，自然在需要照明的地方最实惠，家里的卧室、书房、客厅真田幸村，公司的会议室、办公室、接待室，商场、机场、车站、码头、医院、机关、学校……,无处不需要照明，“照明即通信”！把LED安装在天花板上，它们一个个就是发射信号的“灯泡天线”！

LED灯怎么可以发射通信信号？简单地说就是它可以快速闪烁，快到人眼感觉不出来，就像过去的胶片电影，24帧每秒的断续画面，我们看起来却是连续的。

LED灯的闪烁是靠对光很敏感（而不是像我们人眼那样反映迟钝）的光电探测器PD来感知的，也就是光电二极管，PD把光的变化转变为电信号，后面的处理就和一般的通信原理差不多了。

LED的麻烦事

LED光通信也有些麻烦事，例如，要在电脑笔记本或手机上安装一个或几个LED灯，还是比较麻烦，特别是，手机开着个LED灯进行通信好像也不太舒服，所以，目前LED光通信主要用于下行，上行可以考虑用红外线等。

LED光的另一个麻烦事可能是由谁来把那么高速的数据传到LED灯上。有个PLC（Power Line Communication），叫电力线通信，本来它可以很方便地把信号送到天花板的LED上，但电力线的带宽差太多了，况且电力线的信号传输特性也不怎么样。还是直接拉光纤？或者干脆把光纤和电力线做在一起？

重要发展

关于用LED光进行通信的早期论文，有一个日本学生在2004年读博士的时候，在IEEE Transactions on Consumer Electronics发了一篇长文[3]，现在这篇文章在IEEE Xplore上的全文阅读（Full Text Views）超过了2万，上千次被引用，到现在还有人看这篇文献。

中国LED光通信的研究和开发也不错，复旦大学和解放军信息工程大学等单位做了不少贡献。复旦大学迟楠教授在2014年出版了专著《LED可见光通信技术》（清华大学出版社）；解放军信息工程大学在2018年中国首届中国国际智能产业博览会上，发布了全球首款商品级超宽带可见光通信专用芯片组，中国工程院院士邬江兴教授进行了现场演讲。

还想说一下，LED灯也可以构成阵列用，就像天线阵那样，可以有LED的MIMO系统，可以进行波束形成（beamforming）或预编码（precoding）等等。

LiFi与WiFi

现在说一下LiFi。LiFi是“Light fidelity”的缩写，直译就是“光保真”。有不少人喜欢说可见光通信就是LiFi，其实未必，就像不能认为无线通信就是WiFi一样。

LiFi虽然也属于光无线通信，但它不一定完全是可见光通信（VLC）；反过来，可见光通信系统，未必就是LiFi。

LiFi和VLC的主要区别是:

（1）VLC是指“可见光”通信，LiFi在下行使用VL，所以LiFi的下行是可见光通信；但上行通常是IR、VL或UV，它们是看不见的，所以不属于“可见光通信”，所以，一句话：LiFi的下行是VLC，上行不是。

（2）VLC系统可能是单向传输的，也可能是双向的，而LiFi显然必须是双向的，否则我们怎么上传东西呢。

（3）LiFi提供无缝的用户移动性，而VLC并没有说一定要有移动性支持;VLC系统可能是点对点，也可能是点对多点，或者多点对点，而LiFi系统必须包括多用户通信，也就是说必须是点对多点或者多点对点。

只有当VLC系统具有LiFi特性（例如，多用户通信、点对多点和多点对点通信以及无缝的用户移动性）时，它才会被视为LiFi；另一方面，LiFi系统只有在VL作为传输介质时才能被视为VLC。

一句话，可见光通信VLC只是一个宽泛的定义，它仅仅是针对传输媒介来说的，只要是可见光作为传输媒介的，就叫VLC；而LiFi是一种类似WiFi的特定网络，它只是用到了VLC而已。

从文字形象和实际应用上，LiFi和WiFi都差不多，只是前面一个用的是光，后面一个是RF。有人担心WiFi的辐射会对人造成伤害，LiFi就不会有这个问题吧。

LiFi不会像WiFi那样，加了密码还担心会不会被别人蹭用甚至信息被邻居截获。LiFi就不用担心信号会被邻居收到，除非你的光可以照射到邻居家去。所以有人懒得给LiFi加接入密码。

当然LiFi也有不如WiFi的地方，比如，在客厅安的LED，就很难照射到卫生间去，想在卫生间像WiFi那样上网就只有在卫生间安装LED灯了，因为，要靠光的到处反射构成非视线（NLOS）通信是很难的，普通物体对光的反射是很弱的，除非到处是反射镜也许还行。

LiFi与WiFi的比较

相机通信（OCC）

相机通信，有点奇怪？

OCC（Optical Camera Communication），叫光学相机通信，通常就叫相机通信。

图像传感器 ——光信号的“接收天线”

现在的相机好多都不用胶片了，是用图像传感器（image sensor，IS海豹六队），它能把光学图像转换成电信号，所以才有数码照片保存在手机里。显然，这种图像传感器就可以当成光信号的接收“欧美电视剧推荐天线”。

图像传感器也就是大家通常说的CCD或者CMOS。当然，严格地说，CCD和CMOS其实是图像传感器根据不同类型元器件的两个分类。CCD是电荷耦合元件（Charge Coupled Device），CMOS是金属氧化物半导体元件（Complementary Metal兰蔻怎么样-Oxide Semiconductor）。CMOS没有CCD费电，据说手机大都用的是CMOS。

下图是相机通信的原理示意图，来自参考文献[2]。

图像传感器可以轻松捕获、并且区分两个发射源来的信号，其中，一个信号来自汽车尾部的LED阵列，另一个信号来自交通灯。当然，背景噪声也能被分“接收”下来。要注意一下，这里说的“噪声”不是“声”，而是光，对信号光而言，其它的光就相当于是“噪声”了。

类似的图在文献[4]中也有：

图像传感器其实是由很多PD构成的一个阵列（每个PD就是一个像素），所以图像传感器就类似于RF无线通信的一个天线阵，而且还是一个2维阵。于是，OOC很方便构成类似RF无线通信中的MIMO系统，可以实现光通信的空间分集、空间复用。当然，如果要实现空间复用，发端得采用多个光源（如LED）发送信号。

不过，图像传感器PD阵列的“阵元”（像素）可多达1000万以上，怎样把空间分辨率这么高的阵列充分利用好，可能不是太容易的事，也许，用“子阵”的办法是一条途径？

OCC的问题

OCC的麻烦事是它的通信速率不高，因为常用图像传感器的帧速率为30 fps，不足以实现高数据速率通信。而且，根据奈奎斯特采样定理，如果用LED灯的闪烁来发射信号的话，它的闪烁频率不能高于15Hz，我们的眼睛受不了啦。

如果假设汽车的行驶速度是10m/s（36公里/小时），走了10m才能收到15bit的数据，这个似乎没法接受。所以，OCC呼唤高帧率（HFR，High Frame Rate）图像传感器。实际上，这不只是OCC的事，对实时HFR图像处理的需求还有不少行业，例如，机器人，工厂自动化，多媒体和生物医学等。毋庸置疑，用于汽车应用的VLC需要HFR图像处理技术，这个问题在文献[4]讨论比较详细。

OCC可能的应用

虽然现在的硬件还有些不满足需求高的场合，但别小看了OCC，它可能前途无量。

澳尔滨OCC应用场景, 来自参考文献[2]:

OCC应用于V2I 和V2V，来自参考文献[4]:

V2I-VLC系统，来自参考文献[4]:

自由空间光通信（FSOC）

Free Space Optical Communication (FSOC)，直译就是“自由空间光通信”,其实主要是指“自由”激光通信，在大气中传输的激光通信。当然，也有的干脆把FSO和OWC等同起来，例如“Free Space Optical (FSO) communication, also known骁骁 as Optical Wireless Communication (OWC)”[5]。在文献[5]中，专门对FSO的分类问题进行了研究。不过，我们在这里还是偏向传统的说法，把FSO归入OWC，即指陆地和空间的“自由空间光通信”。

既然是大气中的激光通信，FSO可以提供超远距离（例如超过10000公里）的通信，当然也可近距离通信。无论远近，它的带宽很宽，数据传输率非常高。

在OWC中，FSO应该是比较早的，自然也就比OOC这些要成熟得多。因此这里也就不再赘述，看看它们的应用吧。

值得留意的是，FSO通信的超远距离可达10,000km，超短距离可以小到芯片间的通信。

上面FSO应用图示，均来自文献[2]。

最后比较一下FSO通信与微波通信，见下表。

FSO通信与微波通信的比较[2]

水下光通信（UOWC）

UOWC：Underwater Optical Wireless Communication，水下光无线通信。

谁都知道水下通信用声学，干嘛还要用光呢？

水声通信——最成熟但不完美

水下声学通信，英文叫“underwater acoustic communication”，就是大家说的水声通信，历史悠久，技术成熟，应用广泛。水声通信最具吸引力的优势是它的通信距离，可达几十公里。在水里的信号要传几十公里并非易事。

首先，由于频率底，带宽就不会宽，所有声学链路的传输数据速率比较低，通常为kbps的量级。

其次，由于声波在水中传播速度慢（20摄氏度纯水约为1500米/秒），声链路存在严重的通信延迟，通常长到以秒为单位。

还有，声音收发器通常体积大，成本高，能耗也高，对于那种大规模水下无线传感网络来说，显然不经济。

另外，有意思的是，海洋里面还有些生物就是用声波日本反华来“通信”和“导航”的，我们的声学通信，可能会打搅它们呢。

水下RF——频率低又传不远

水下射频（RF）通信就是地面射频通信的延伸，它的优点：首先是“空-水跨界”平稳，就是与声波和光波相比，它在“空-水”接口界面传输比较平稳，这个利于水下水上的顺畅，便于实现地面射频通信系统与水下射频通信系统的跨界通信。其次，射频方法对水湍流和浑浊度的耐受性更强。当然，实际是长波、超长波，通信很稳定，也不受啥干扰。

水下射频方法的缺陷是可使用的频率低，通信距离又不远。海水含有大量盐，射频波只能在超低频（30-300Hz）下传播几米，做得孙子兵法与三十六计好的话也就20米。此外，频率那么低，显然需要很大的天线，发射天线长到以百米计，想想这种天线要放到潜艇下是一个啥感觉？水下RF信号的发射是个麻烦事。潜艇要发射远距离RF通信，比如短波，就要上浮到把天线伸出水面，赶快把信号发射完，然后又下沉。

现在说说UOWC

与声学和RF相比，水下光无线通信UOWC的数据传输速率很高，链路延迟不长，成本也低。

UOWC可以在数十米的中等距离内实现Gbps数据速率，当然就可以传输水下视频啦。

由于光在水中的传输速度远高于声波，因此UOWC链路延迟就比声链路小到可以忽略不计。

与声学和射频方法相比，UOWC还具有更高的通信安全性。

UOWC比其声学和射频对应产品更节能、更具成本效益。

由于不用大型、昂贵、能耗高的声学或射频收发器，而是用激光二极管和光电二极管这样的水下光收发器，UOWC系统的成本低、体积小，有利于大规模商业化，像水下无线传感器网络，很适合用UOWC。

当然，不是说有了UOWC就不用声学通信和射频通信了，三者其实是共存，各有各的优势，各短路容量有各的应用场景。

一种UOWC系统的构成，来自参考文献[8]：

下面看看UOWC的信道图示和场景。

UOWC的4种信道，来自文献[8]：

与陆地和空中连接的水下无线传感器网络，来自文献[8]：

RFC+OWC，从5G到6G？无线通信，Where to go？

很多人都说，光无线通信OWC支持高速数据传输，适合物联网大规模连接，是很有前途的技术。 5G及5G后的通信，必然具备超密集异构网络的必要功能，而VLC，LiFi和OCC可以提供超密集的小小区热点服务。此外，FSO，LiFi和VLC可以有效地为5G及5G后的通信系统提供高容量回程支持。

无论怎样，有一点是肯定的，那就是，那些还没有被通信利用的“光谱”，一定会被利用起来。频谱非再生，放着那么宽的光波段不用，非要都挤在RF？

所以，未来必然是Rcisco认证FC+OWC，也就是“无线电+无线光”，这是满足需求日益增长的必由之路。

“全景”无线通信

“无线电通信+无线光通信”，构成了无线通信的“全景”。

各自都有各自的优势，也有各种的缺陷，多种需求，多种应用，“互补”就是自然的了。

这样的“全景”可以用文献[1]的一个图来示意，我们把图中的OWC部分翻译成了中文，RF无线通信部分就不必说了:

无线通信的“全景”，涵盖了包括太赫兹频段在内的RF频谱，以及包括红外线、可见光和紫外线的光谱。它们的简要归纳见下表:

无线电通信和无线光通信

OWC之未来研发异构混合网络

把两种或两种以上的不同通信技术集合运用，构成如OWC/RF、FSO/RF、WiFi/LiFi、VLC/Femtocell、VLC/FSO和LiFi/OCC等等这样的网络。

混合网络可以在负载平衡、链路可靠性、远程可连接（如深空、深海）和减少干扰方面发挥重要作用。

这种异构混合网络的麻烦事，就是“切换”问题，如何自适应地、平稳地从一个系统切换到另一个系统，是一个不小的挑战。在OWC中的水平切换，例如在LiFi网络之间的切换；更重要的，垂直切换，例如，在LiFi和WiFi网络之间的切换；这些还待逐步研究。

光回程

对于5G、B5G/6G，大容量回程连接非常重要，光无线网络，如FSO或VLC，是一个有前途的研究课题。

NLOS 紫外光通信

UV波段的一个重要特征，就是可以实现NLOS条件下的高速率传输，这是UV的一个重要优势，但如何发挥好这个优势，还有很多问题值得研究。

小区间的光干扰

不同小区之间的LED，如果有重叠照射区域，就会产生干扰问题。对于VLC/LiFi 小小区，密集部署LED，干扰管理不得不解决。

水下光通信

水下通信的距离问题和数据传输速率问题是两个老大难问题。405nm蓝光激光器的应用有望成为远程水下通信的一个重要研究课题。当然，设计适合水下环境特点的调制和编码技术，也还是一个重要的研究方向。

无缝移动性

很多时候，OWC系统也需要支持用户移动，但目前只有LiFi提供无缝连接。与无线电相比，无线光的无缝移动性更麻烦。

MIMO光无线通信

虽然MIMO在RF的通信系统中已经比较成熟，但在OWC中应用MIMO还具有挑战性。MIMO OWC意味着LED阵列、PD阵列、LD阵列，等，由于MIMO带来的复杂性和无线光信道的特殊性，充满了挑战。

OCC的速率

OCC系统的数据传输速率不高，目前只能达到几十Mbps，这显然不能满足高速数据的需求。基于红、绿和蓝色（RGB）LED的OCC，使用RGB LED发射，彩色相机（图像传感）接收，可以实现并行可见光通信通信，很诱人，不少研究人员正在进行这种研究。

调光控制

设计调光算法，有效部署OWC系统。

避免人感觉闪烁

光信号调制，不应该引起人们感觉到闪烁。而在低速率的类似OOK这样的系统，容易导致这种情况。避免让人感到光的闪烁，是部署OWC系统必须要考虑的一个问题。

参考文献

(略)

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