Высокоскоростная и широкополосная связь 6G с использованием видимого света : достижения и перспективы
Однако традиционных ресурсов радиочастотного спектра становится все меньше. В этом контексте перспективной технологией беспроводной оптической связи стала передача данных в видимом свете (VLC), использующая оптический спектр в диапазоне 380–780 нм. Благодаря обширному спектру возможностей, высокой устойчивости к электромагнитным помехам и потенциалу для сверхскоростной передачи данных, технология VLC вызвала большой интерес исследователей.
С одной стороны, спектр видимого света открывает новые возможности для увеличения пропускной способности будущих систем беспроводной связи. С другой стороны, технология VLC демонстрирует уникальные преимущества в различных сценариях применения, включая межспутниковую связь, подводную связь и межсетевые соединения в центрах обработки данных, что делает ее перспективным кандидатом на роль ключевой технологии для 6G.
Коммуникационные сети превращаются из традиционных платформ для обмена информацией в инфраструктуры, которые объединяют все и обеспечивают интеллектуальные возможности. Взрывной рост приложений, требующих больших объемов данных, таких как потоковое видео в формате 4K/8K, дополненная и виртуальная реальность, интернет вещей (IoT), искусственный интеллект и цифровые двойники, привел к тому, что трафик стал на несколько порядков выше, чем при использовании традиционных текстовых и голосовых сервисов. Для решения этих проблем в рамках мобильной связи шестого поколения (6G) предлагается создать высокоскоростные интегрированные сети «космос — воздух — земля — море» большой пропускной способности (SAGSIN). Основная цель 6G — значительное увеличение пиковой пропускной способности. Однако нехватка радиочастотного спектра ограничивает дальнейшее расширение пропускной способности с использованием традиционных технологий. В связи с этим значительное внимание привлекли такие прорывные подходы, как технология Massive MIMO (Multiple-input Multiple-output, «множество входов — множество выходов») и использование высокочастотных диапазонов, в том числе миллиметровых волн, терагерцового излучения и видимого света.
Как показано на рис. , технология передачи данных с использованием видимого света обладает уникальным потенциалом применения в самых разных сценариях, в том числе в космосе, на земле, под водой и в центрах обработки данных.
На уровне устройств исследования направлены на увеличение пропускной способности и эффективности как передатчиков, так и приемников. Что касается передатчиков, то на смену обычным светодиодам (LED) пришли микросветодиоды и лазерные диоды (LD). Благодаря структурному дизайну и оптимизации длины резонатора удалось достичь пропускной способности в гигагерцовом диапазоне и выше, а скорость передачи данных в одном канале превысила 36,5 Гбит/с. Кроме того, крупномасштабные массивы устройств способствуют распараллеливанию систем, открывая путь к потенциальной пропускной способности в терабитах в секунду. На стороне приемника фотодетекторы на основе нитрида галлия, лавинные фотодиоды и однофотонные детекторы значительно повышают чувствительность и скорость передачи данных. Матричные приемники еще больше расширяют поле зрения и повышают надежность системы.
Что касается обработки сигналов, были разработаны различные усовершенствованные методы модуляции и выравнивания для устранения ограничений по полосе пропускания и нелинейных искажений. Схемы модуляции высокого порядка, многомерное кодирование и методы спектрального сжатия существенно повышают спектральную эффективность. Методы оценки канала эволюционировали от традиционных подходов к моделям глубокого обучения, основанным на физических законах, что позволяет более точно характеризовать сложные каналы. Кроме того, гибридные стратегии выравнивания, сочетающие предварительное и последующее выравнивание, особенно с использованием нейронных сетей, эффективно компенсируют нелинейности и ограничения по полосе пропускания, тем самым повышая общую производительность системы.
На системном и сетевом уровнях многомерное мультиплексирование и прием с использованием нескольких апертур стали ключевыми факторами для обеспечения передачи данных большой пропускной способности. Благодаря использованию мультиплексирования с разделением по длине волны, поляризации, пространственному разделению и разделению по моде скорость передачи данных в системах превысила 800 Гбит/с. Кроме того, прием с использованием нескольких апертур и методы формирования диаграммы направленности значительно повышают устойчивость к турбулентности и возможности пространственного мультиплексирования, улучшая стабильность связи. Недавние достижения в VLC кратко представлены на рис. 2, где многомерные параллельные архитектуры в сочетании с такими технологиями, как мультиплексирование с разделением длин волн (WDM), стали доминирующей тенденцией, способствующей достижению VLC производительности на уровне Tbps.
За последние годы в области VLC был достигнут значительный прогресс в плане производительности устройств, оптимизации алгоритмов и архитектуры системы, что заложило прочную основу для практического применения технологии. Будущие исследования будут сосредоточены на предиктивной коммуникации с использованием технологий восприятия, манипулирования оптическим полем, межспутниковой связи и фотонной интеграции в видимом спектре. Ожидается, что благодаря многомерной совместной оптимизации и интеграции на уровне чипов технология VLC обеспечит более высокую пропускную способность и надежность, что в конечном итоге сделает ее ключевой технологией для 6G.
Сообщение Высокоскоростная и широкополосная связь 6G с использованием видимого света : достижения и перспективы появились сначала на Время электроники.