CN113259945B - 6g光子学构建6g网络泛光通信架构多个波段的部署 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于6G网络的泛光通信空口架构的多个波段部署，将各个泛光频段进行统一整合部署，根据不同的应用场景，有针对性的在视距范围和非视距范围提供不同的传输速率和不同的覆盖范围。提供用于6G网络的泛光通信空口装置、基站和终端。本申请避免了单一波段(如：可见光波段)的传输所带来的弊端，充分利用多种泛光频段的直射、反射、透射、散射的传输特性，能够在一个小区内在不同时间点同时实现四个不同频段的泛光覆盖切换，为用户提供近、中、远距离的不同速率的通信链路，能够将终端与网络之间的上下行带宽扩展至40G bps乃至1T bps甚至更高。

Description

6G光子学构建6G网络泛光通信架构多个波段的部署

技术领域

本申请总体上涉及无线通信领域，更特别地，涉及一种基于6G光子学构建的6G网络泛光通信空口架构中多个波段的部署，包含用于6G网络的泛光通信空口装置、基站和终端，其属于6G(即第六代移动通信，含毫米波、太赫兹通信等)与光子学(含高频太赫兹光、红外、紫外和可见光通信等)共同发展的交叉学科。

背景技术

第六代移动通信系统(6G)是继5G之后的下一代移动通信网络。相比于5G网络，6G至少具有超高的网络速率、超低的通信时延和更广的覆盖深度，将充分共享毫米波、太赫兹和光波等超高频无线频谱资源，融合地面移动通信、卫星互联网和微波网络等技术，形成一个具备万物群体协作、数据智能感知、安全实时评估和天地协同覆盖的一体化绿色网络。

未来的6G网络需要大量连续的频谱资源，已经将其扩展至太赫兹频段，但依然没有解决无线频谱资源极度匮乏的问题，而且后续无线技术演进中很难再开发出新的资源，开发具有广阔空间的无线频谱资源是决定6G成败的关键因素之一，也是人类需要面对的一个重大工程科技问题。挖掘出更高频率的光频谱资源成为未来移动通信发展的必经之路。高频段太赫兹(如3THz以上)具有光学特性，是电子学向光子学的过渡区域，具有与可见光相同的光学和物理特性，因此以高频太赫兹光、红外光、各色可见光和紫外光等为代表的泛光频谱资源逐渐成为业内关注的焦点，未来移动通信将进入一个从太赫兹(THz)到拍赫兹(PHz)的泛光通信时代。

发明内容

移动通信需要大量连续的频谱资源，6G网络已经将其扩展至太赫兹频段，而传统频谱资源已经到了极度匮乏的阶段，后续无线技术演进中很难再开发出新的无线微波频段资源，广阔的光频谱资源正进入人们的视野。在本申请中，将“高频太赫兹光、红外线、各色可见光、紫外线为代表的自由空间光通信的频谱资源”定义为泛光频段，进而引出6G光子学的概念，是指第六代移动通信(6G，含高频太赫兹光通信等)与光子学(含红外、紫外和可见光通信等)共同协调发展，以解决“频谱资源几乎枯竭、6G相对5G通信速率和容量又需提升百倍至千倍的国际重大需求而提出”这一技术问题的交叉学科。

由于泛光频谱中的单一波段(如：可见光波段)光波无法满足大多数用户的需求，存在覆盖范围小、空间损耗大、非可视范围无法传播、光污染等突出的问题。本申请充分利用基于6G网络的泛光通信架构，部署四个泛光波段，将W波段毫米波/太赫兹、红外光、可见光、日盲紫外光等一体化新型频谱资源作为用户数据的载体(如图1所示)。并充分发挥各个频段光波(微波)特有的传输特性，共享从太赫兹(THz)到拍赫兹(PHz)的泛光频谱资源，为用户提供在近、中、远距离的不同速率的通信链路。

本申请主要面对的工程科技问题是，泛光频谱的各个光波段在大气传输中都存在较大的损耗，绕射能力不足，遇见障碍物不能有效的通信。由于各波段传输特性不同，其视距范围和非视距范围的传输速率不同、覆盖范围也不同。本申请提出基于6G网络泛光通信架构四个波段的部署，将各个泛光频段进行统一整合部署，根据不同的应用场景，有针对性的在视距范围和非视距范围提供不同的传输速率和不同的覆盖范围。本申请避免了单一波段的传输所带来的问题，充分利用多种泛光频段的直射、反射、透射、散射的传输特性，提供下行带宽从40G bps到1T bps、覆盖范围从40m到1500m的有效通信链路。目前，一个天线基站系统只能支持一种频段的小区覆盖，本申请能够在一个小区内在不同时间点同时实现四个不同频段的泛光覆盖切换。根据环境的变化适时的改变波段辐射，为不同用户提供有差异服务质量的泛光通信体验。

本申请要解决的另外一个问题是，传统可见光通信不能实现在夜晚或者低光照场景下的可靠通信，而泛光频谱中包含大量不可见光的频段，能够有效的避免不必要的光污染。

本申请包含基于6G网络的泛光通信架构中光空口装置的内容，如下：

本申请提供一种泛光通信空口装置，包括用于在空口上进行信号接收和发送的泛光天线，所述泛光天线包括：多组泛光辐射阵列，用于在泛光频段中向泛光终端发射用户数据信号；其中所述多组泛光辐射阵列包括一组可见光波段泛光辐射阵列和至少一组非可见光波段泛光辐射阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述泛光天线还包括：多组泛光探测阵列，用于探测泛光终端发射的用户数据信号，其中所述多组泛光探测阵列包括一组可见光波段泛光探测阵列和至少一组非可见光波段泛光探测阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述至少一组非可见光波段泛光辐射阵列包括W波段毫米波和太赫兹波段泛光辐射阵列、红外光波段泛光辐射阵列、日盲紫外光波段泛光辐射阵列中至少之一。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述至少一组非可见光波段泛光探测阵列包括W波段毫米波和太赫兹波段泛光探测阵列、红外光波段泛光探测阵列、日盲紫外光波段泛光探测阵列中少之一。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用是根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述可见光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列形成为微型可见光收发模块，安装于照明设施上，应用于包括夜间教室、宿舍、家庭、办公室、路灯、车站、医院、机场候机大厅中至少之一的场景。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，对于非视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署所述W波段毫米波和太赫兹波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，对于视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署所述红外光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，对于非视距范围的场景，部署所述日盲紫外光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述各波段的泛光辐射阵列和泛光探测阵列集成为同一个集成阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中所述泛光天线被构建为平面定向阵列或球面全向阵列。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信空口装置，其中，所述泛光天线发射和探测的光信号在3THz到30PHz的范围内，包括可见光、高频太赫兹光波、红外光和紫外光中的一种或多种。

在一些示例性实施例中，所述泛光空口通信装置还包括下列器件中的一个或多个：光学信号功率放大器、调制解调器、复用器、解复用器、光开关、以及集成收发器。

在一些示例性实施例中，所述泛光辐射单元是包括LED、micro-LED或激光器的单光辐射源。

在一些示例性实施例中，所述泛光辐射阵列还包括具有微纳结构的自由曲面透镜或者光子晶体透镜，以对所述泛光辐射单元发射的光信号进行处理，使发散的光变成准直的光。

本申请还提供一种泛光通信基站，其包括上述的泛光通信空口装置，还包括控制器，用于根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定所述泛光通信空口装置的各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用。

本申请还提供一种泛光通信终端，其可与上述泛光通信基站相通信，所述泛光通信终端包括：可见光波段光辐射源和至少一个非可见光波段光辐射源，用于发射相应波段的上行泛光信号；可见光波段光探测器和至少一个非可见光波段光探测器，用于接收下行泛光信号；以及光电转换电路，用于在所述泛光通信终端中的光路器件与电路器件之间进行光电转换。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信终端，所述非可见光波段光辐射源包括W波段毫米波和太赫兹波段泛光辐射源、红外光波段泛光辐射源、日盲紫外光波段泛光辐射源，所述非可见光波段光探测器包括W波段毫米波和太赫兹波段泛光探测器、红外光波段泛光探测器、日盲紫外光波段泛光探测器。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信终端，还包括控制器，用于根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定所述泛光通信空口装置的各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用。

在一些示例性实施例中，还提供泛光通信终端，其中，所述泛光通信终端是手机、车载移动终端之一。

本申请的上述和其他特征和优点将从下面对示例性实施例的描述而变得显而易见。

附图说明

通过结合附图对本申请的示例性实施例进行更详细的描述，本申请的上述以及其他目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例一起用于解释本申请，并不构成对本申请的限制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同部件或步骤。

图1示出根据本申请的示例性实施例的泛光频谱四个波段的部署的示意图。

图2示出根据本申请的示例性实施例的包含一体化新型光学天线的空口装置部署于四个波段的示意图。

图3示出根据本申请的示例性实施例的部署波段一和波段二泛光通信的基站的场景的示意图。

图4示出根据本申请的示例性实施例的四波段发射/接收泛光光学天线阵列的示意图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细地描述本申请的示例性实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是本申请的全部实施例，应理解，本申请不受这里描述的示例实施例的限制。

本申请主要面对的工程科技问题是，作为不可再生资源的无线频谱已接近枯竭，而相对于5G网络而言，6G通信容量和带宽相比5G将再提升百倍乃至千倍，枯竭的资源使移动通信网络的性能难以得到进一步的突破。图1示出了包括四个不同泛光波段的频谱资源划分的示意图。

以可见光波段为例，小微基站可以安装在教室的日光灯上，城市街道的路灯上，家里的LED灯上，车站、机场、码头、商店、图书馆、办公室照明设施上，等等。改变室内，有线接入不灵活、不方便的问题；改变无线接入信号弱、带宽低的问题；LED的照明和快速响应特性既能够实现高品质照明体验，同时又能够实现高速通信体验。实现照明和通信的泛在覆盖：全球照明网络，有大约460亿盏室内灯，160亿室外灯；全球宏蜂窝移动基站约1800万个，Wi-Fi接入点超过5亿个。可见光谱大约占300THz带宽，而传统无线频谱大约30GHz左右，由此说明可见光波段具备超高速通信和接入潜力。利用商用LED实现，调制带宽大约为40MHz，可见光谱利用率仅为700万分之一，因此可用频率空间很大，通信速率提高空间惊人。LED高效节能，通信借助照明实现一体化，可实现绿色节能通信。可见光通信还具有定向辐射、快速衰减、空间复用率较高等特点，开辟了崭新的频谱资源。VLC光上行链路是短板，其可以通过与Wi-Fi紧耦合来弥补这方面的不足。本申请要解决的另外一个问题还包括：传统可见光通信不能实现在夜晚或者低光照场景下的可靠通信，而泛光频谱中包含大量不可见光的频段，发展空间极大，能够有效的避免不必要的光污染。

本申请将传统移动通信的可利用频段扩展至3T Hz～30P Hz范围(频率3×10¹²～3×10¹⁶赫兹，波长100μm～10nm，大约三万个太赫兹频谱带宽)的泛光频谱资源，包括：W波段毫米波、太赫兹、红外光、可见光、日盲紫外光等，并将这些频段资源分成四类，利用一体化新型全向/定向光学天线发射四个不同频率的波段(如图2所示)进行室内外覆盖。波段一和波段二部署在不同的应用场景(如图3所示)，波段三和波段四作为补充和扩展。

波段一：部署可见光波段形成视距范围内的通信链路，能够提供下行大约400Gbps的峰值传输速率，实现多组多输入多输出(MIMO)可见光天线集成收发模块，比如：2×2、2×4、4×4、4×8、8×8等的多组收发模块；在可见光波段的传输最大覆盖半径达到40m或者更远。将微型可见光收发模块安装于照明设施上，可应用于夜间教室、宿舍、家庭、办公室、路灯、车站、医院、机场候机大厅等多种场景。

波段二：部署W波段毫米波和太赫兹形成非视距范围的通信链路，能够提供下行大约1T bps的峰值传输速率，最大覆盖半径在100～1200m之间或者更远，应用于白天或者不需要照明的低光照场景。宏基站和微基站安装与部署同目前传统基站一致。由于W波段毫米波和太赫兹不仅具有微波的物理特性，同样也具有光波的物理特性，是泛光通信的重要传输频段之一。

波段三：部署红外光波段形成视距范围的通信链路，能够提供下行大约1T bps的峰值传输速率，最大接入覆盖半径在100～1500m之间或者更远，应用于白天或者不需要照明的低光照场景；作为部署波段一和二的补充与扩展。

波段四：部署日盲紫外光波段的散射特性形成非视距范围的通信链路，能够提供下行大约40G bps的峰值传输速率，最大接入覆盖半径50m或者更远，可应用于车载、机载、船载等多种移动部署方式，可用于军事作战、紧急抢险、灾难救助等。将其作为部署波段一和二的补充与扩展。每个日盲紫外光子具有至少两倍于可见光子的能量，在保持日盲紫外光源功率不变的前提下，经过量子剪裁作用，到达接收端的光子数可以提高至原来2-3倍。

本申请还包括了6G泛光通信网络架构中的泛光基站和泛光空口装置。这里应理解的是，虽然这里为了描述方便而将泛光基站和泛光空口装置示出为两个装置，但是它们也可以统称为泛光基站，或者说属于泛光通信基站。这里描述的泛光基站是基于泛光交换的基站控制系统，泛光空口装置则是泛光接入装置，用于使得后面描述的泛光终端可以经由泛光空口装置(或者说接入装置)接入到泛光基站。

在一些实施例中，作为泛光辐射信号的处理控制单元，泛光基站可以具有多种全光交换控制模块，是泛光通信架构的光信号数据交换和处理中心。如下面将描述的那样，泛光基站可以对传输的泛光信号具有多级放大、调制/解调、光滤波器组、信道/信源编码和信令解析等功能。

与传统无线天馈系统不同，泛光空口装置的光学天线(具体而言，宽频泛光辐射源)利用具有微纳结构的自由曲面透镜或者光子晶体透镜，对泛光辐射源发射的光信号进行处理，使发散的光变成准直的光，从而形成特有的泛光超频谱光学天线。为了与现有无线通信融合，光学天线所形成的覆盖区域可以是传统蜂窝小区，也可以根据需求形成非蜂窝信号覆盖区域，便于灵活搭建泛光通信网络，使频谱利用效率更高。同时，光空口支持光链路快速移动，兼容各种光学基础设施，能适应周围环境光源造成的噪声和干扰。如下面将进一步详细描述的那样，泛光空口装置可以包括平面/区域定向泛光辐射阵列或者球面全向泛光辐射阵列。

在如上描述的基于6G光子学的6G网络的泛光空口、泛光基站、泛光终端的实施例基础上，本申请还进一步提供包括可见光波段和至少一个不可见光波段的泛光空口、泛光基站、泛光终端的实施方式，如下面结合图1-4的示例性实施例所描述的。

图1示出根据本申请的另一示例性实施例的泛光频谱划分为四个波段的部署的示意图。如图1所示，根据该实施例，将传统移动通信的可利用频段扩展至3T Hz～30P Hz范围(频率3×10¹²～3×10¹⁶赫兹，波长100μm～10nm，大约三万个太赫兹频谱带宽)的泛光频谱资源，包括：W波段毫米波、太赫兹、红外光、可见光、日盲紫外光等，并将这些频段资源分成四类，利用一体化新型全向/定向光学天线发射四个不同频率的波段(如图2所示)进行室内外覆盖。波段一和波段二部署在不同的应用场景(如图3所示)，波段三和波段四作为补充和扩展。

如图2是根据本申请的另一示例性实施例的包含一体化新型泛光光学天线的空口装置部署于四个波段的示意图。在该实施例中，示例性空口装置包括泛光天线201、202，泛光天线是整个泛光通信架构的泛光接入系统要素之一，其包括：能够发射太赫兹光、红外光、可见光、日盲紫外光等的宽频泛光辐射源(如：LED或Micro-LED光源、宽频带激光器等)所组成N×M的辐射集成阵列，能根据不同的泛光频段发送调制后的用户数据信号；能够接受相应频段泛光信号的光探测器集成阵列(如：超宽光谱响应的感光阵列，或光学成像阵列)，通过光谱感应、光子计数和光学成像等技术接受泛光信号，还具备对光学信号功率放大，这些阵列将形成泛光通信架构的光学天线系统。光空口的光学天线利用具有微纳结构的自由曲面透镜或者光子晶体透镜，对泛光辐射源发射的光信号进行处理，使发散的光变成准直的光，从而形成特有的泛光超频谱光学天线。

如图2中示出的示例性泛光基站200是基于泛光交换的基站控制系统，其连接到或者包含上述多个波段的包括泛光天线201、202的空口装置，是泛光辐射信号的处理控制单元，其具有多种交换控制模块，是泛光通信架构的光信号数据交换和处理中心。对传输的泛光信号具有多级放大、调制/解调、光滤波器组、信道/信源编码和信令解析等功能。泛光移动通信基站系统的蜂窝网络架构可以分为两种，以基站为中心的传统蜂窝组网和以用户为中心的新型蜂窝组网。前者架构将泛光辐射源视为“小区基站”，通过基站的集中调度，控制用户接入和资源管理；后者架构以用户为中心进行资源管理，让多个泛光辐射源的光信号以用户为中心相互配合，提升每一位用户的体验质量，营造“小区”边缘或“小区”切换的无感知，整体提升系统的传输服务质量。

如图2中示出的示例性泛光终端210包括支持泛光通信的手机、平板电脑、车载光终端等一切具有多种应用功能的智能移动终端系统。泛光通信终端采用小型宽频光辐射源和小型宽频光探测器，取代传统的微波辐射天线，根据终端的大小决定其辐射/接受阵列的规模，利用泛光辐射与光空口和光基站通信。终端包括光信号放大器、光滤波电路和光电转换电路等模块。光终端的基带系统用光交换技术处理泛光信号，信号经过光电转换后交于终端CPU处理，并在屏幕上显示。光终端包括一切基于泛光信号交换的智能移动终端。

如图2所示的示例性实施例的泛光空口装置利用一体化新型球面全向泛光光学天线201和/或平面定向泛光光学天线202发射四个不同频率的波段进行室内外覆盖，选择性地利用上述四个波段中的一个或者数个来进行与移动终端的泛光通信。其可利用频段扩展至3T Hz～30P Hz范围(频率3×10¹²～3×10¹⁶赫兹，波长100μm～10nm，大约三万个太赫兹频谱带宽)的泛光频谱资源。

图3示出根据本申请的另一示例性实施例的部署波段一和波段二泛光通信的基站的场景的示意图。如图3所示，波段一可见光波段的基站301包括微型可见光收发模块，可安装于照明设施上，可应用于夜间教室、宿舍、家庭、办公室、路灯、车站、医院、机场候机大厅等多种场景，以形成视距范围内的通信链路，能够提供下行大约400G bps的峰值传输速率。根据一个示例，该微型可见光收发模块可实现为多组多输入多输出(MIMO)可见光天线集成收发模块，比如：2×2、2×4、4×4、4×8、8×8等的多组收发模块；在可见光波段的传输最大覆盖半径达到40m或者更远。

如图3所示，根据另一示例，波段二W波段毫米波和太赫兹波段的基站302部署形成非视距范围的通信链路，能够提供下行大约1T bps的峰值传输速率，最大覆盖半径在100～1200m之间或者更远，应用于白天或者不需要照明的低光照场景。波段二的宏基站和微基站安装与部署同目前传统基站一致。由于W波段毫米波和太赫兹不仅具有微波的物理特性，同样也具有光波的物理特性，是泛光通信的重要传输频段之一。

图4示出根据本申请的另一示例性实施例的泛光通信空口装置的四波段发射/接收泛光光学天线阵列的示意图。如图4所示，根据该实施例，所述泛光通信空口装置在空口上进行信号接收和发送的泛光天线400、410包括包括多组泛光辐射阵列401、411，用于在泛光频段中向泛光终端发射用户数据信号，其中所述多组泛光辐射阵列包括一组可见光波段泛光辐射阵列和至少一组非可见光波段泛光辐射阵列；以及多组泛光探测阵列402、412，用于探测泛光终端发射的用户数据信号，其中所述多组泛光探测阵列包括一组可见光波段泛光探测阵列和至少一组非可见光波段泛光探测阵列。其中，在图4中示出为波段一到波段四，波段一为可见光波段，波段二到波段四分别为W波段毫米波和太赫兹波段、红外光波段、日盲紫外光波段。本领域技术人员能够理解，可以根据具体应用场景和条件，选择性地部署和控制上述四个波段中的一个或多个波段自由切换的相应泛光辐射阵列401、411和泛光探测阵列402、412，以实现与泛光通信终端的泛光通信。能够在一个小区内在不同时间点同时实现四个不同频段的泛光覆盖切换，为用户提供近、中、远距离的不同速率的通信链路。

光空口系统中器件单元的主要包括：宽频泛光辐射源阵列、超宽频光谱响应探测集成阵列、光学像素成像探测集成阵列等组成的光学收发天线。该光学天线采用光谱响应、光子计数、光学成像等技术对高带宽和高容量数据进行传输。

光学天线采用平面定向大规模光辐射集成阵列400或者球面全向大规模光辐射集成阵列410，用于向外发射四个波段的光辐射，与终端进行泛光连接。由多个LED或者小型高宽带激光器的单光辐射源，与超宽光谱响应探测器单元成对组成N×M辐射接收阵列，用于收发光空口的泛光信号。四波段发射/接受光学天线阵列400、410的结构如图4所示。

泛光发射单元所产生的泛光信号有三类，一类是闪烁速度超过人眼阈值的发光强度快速变化所携带信息的泛光信号，通常用于可见光的通信，二种是点对多点通信的单/多光子信号，可用于非可见光通信，第三种是通过光源阵列发射二维信号空间流的泛光信号，进行隐式或显式的信息传输，可用于可见光和非可见光通信。

光空口中的超宽光谱响应探测器，采用泛光子吸波柔性曲面材料，能够提高不同频段泛光谱的选择性吸收能力(包括单/多光子)，根据不同频段的泛光谱响应进行数据传输。这种方法能够提升内外量子效率和接受光通量，提高通信传输容量。

光学超宽光谱响应探测单元能够采用基于光强度调制的传输技术，也能采用基于单光子检测的传输技术，充分利用光的波粒二象性进行数据传输。

光学像素探测单元利用泛光作为信息载体，通过光辐射阵列发送二维空间信号流，再利用集成光学系统的像素探测器阵列接受器进行成像检测。探测单元主要是成像感光器件(如高敏感度Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS等)，通过解析处理帧图像信号恢复出发送信息从而实现通信。这种方式的优势在于：a.能够方便利用现有移动终端自带的光学摄像装置，便于快速的工程实现；b.具有大规模独立通道的光MIMO接受能力；c.具有多色接受能力；d.具有灵活可变视场角的接受能力。

采用如图4的泛光通信空口装置的泛光通信基站装置可以包括：由相应的光处理背板进行交换处理，比如：光信号多级放大器，用于处理微弱的泛光信号；用户传输的符号经过调制/解调模块后发送到光空口发送；光滤波器组用于过滤超宽频光辐射的各类所需频段；信号编码模块用于对信道和信源进行编码；信令转换模块解析光信号中的信息，使泛光通信架构能够兼容6G移动网络中的信令协议，能与不同的网元进行互连互通。

如图4所示，所述泛光通信终端的所述各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用是根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定，这可以由相应基站和/或终端中的控制装置来确定，该控制装置可以以硬件/软件/固件或者它们的任何组合来实现。根据一示例，其可以由基站和/或终端中的处理器或者控制集成电路IC来实现。

如图3和4所示，根据一示例性实施例，所述可见光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列可形成为微型可见光收发模块，安装于照明设施上，应用于包括夜间教室、宿舍、家庭、办公室、路灯、车站、医院、机场候机大厅中至少之一的场景。在所述照明设施开启时，所述微型可见光收发模块可利用可见光进行泛光通信；在所述照明设施关闭时，所述相应基站和/或终端中的控制装置进行控制，关闭或者禁用所述微型可见光收发模块，以避免造成光污染。在所述可见光波段不适用时，根据需要，可以启用波段二到波段四的不可见光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

如图4所示，根据一示例性实施例，对于非视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署并可以使用所述W波段毫米波和太赫兹波段(波段二)泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

如图4所示，根据一示例性实施例，对于视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署并可以使用所述红外光波段(波段三)泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

如图4所示，根据一示例性实施例，对于非视距范围的场景，部署并可以使用所述日盲紫外光波段(波段四)泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

如图4所示，根据一示例性实施例，所述各波段的泛光辐射阵列401或411和泛光探测阵列402或412集成为同一个集成阵列。并且，其中所述泛光天线被构建为平面定向阵列400或球面全向阵列410。

如上所述的泛光通信架构的物理层传输调制信号包括正负的幅度调制和完整的相位信息，调制技术包括单载波调制、多载波调制、无载波调制和颜色调制，而多址技术包括正交频分多址、码分多址、色分多址和非正交多址等技术。本申请的多址技术能够将双极性信号变成单极性实信号，能量效率没有损失，频谱利用率也较高。基于稀疏码和功率域的非正交多址技术打破传统的采用正交方式构造多信道模式，引入非正交多信道，可以有效提升频谱利用率。

因此，为了实现超大带宽和超高速数据传输，6G网络将可用的频谱扩展至太赫兹，通信容量和带宽将提升至百倍乃至千倍。本申请上述示例性实施例中提出的基于6G网络的泛光通信架构四个波段的部署，能够突破日益贫瘠的频谱资源，同时又能避免泛光频谱中的单一波段(如：可见光波段)带来的弊病，将各个泛光频段进行统一整合部署，根据不同的应用场景，有针对性的在视距范围和非视距范围提供不同的传输速率和不同的覆盖范围。本申请避免了单一波段的传输所带来的问题，充分利用多种泛光频段的直射、反射、透射、散射的传输特性，能够在一个小区内在不同时间点同时实现四个不同频段的泛光覆盖切换，为用户提供近、中、远距离的不同速率的通信链路，提供下行带宽从40G bps到1T bps、覆盖范围从40m到1500m(或者更远)的有效通信链路。

并且，由于本申请上述示例性实施例中四个波段的部署，可以改变室内有线接入不灵活、不方便的问题，无线接入信号弱、带宽低的问题。泛光源的照明和快速响应特性既能够实现高品质照明体验，同时又能够实现高速通信体验，实现照明和通信的泛光覆盖。泛光天线可以装在教室的日光灯、城市街道的路灯、家庭的LED灯上，在车站、机场、码头、商店、图书馆、办公室和医院等多种场景中得到应用。

下面将描述可用于上述泛光通信系统的物理层传输技术。自由空间的泛光通信的传输信道，受到收发端频响特性、空间光场分布、大气湍流、背景噪音和光的散射衍射反射等因素制约。泛光通信架构的物理层传输调制信号包括正负的幅度调制和完整的相位信息，调制技术包括单载波调制、多载波调制、无载波调制和颜色调制等，而多址技术包括正交频分多址、码分多址、色分多址和非正交多址等技术。在本申请的一些实施例中，所应用的这些多址技术可以与传统的4G和5G多址技术的原理基本相同，区别之处仅在于将双极性电磁波信号转变成单极性实信号(即光信号)以适应本申请的光路器件，信号的能量效率没有损失，频谱利用率也较高。基于稀疏码和功率域的非正交多址技术打破了传统的采用正交方式构造多信道模式，引入非正交多信道，可以有效提升频谱利用率。

在本申请的一些实施例中，可以采用如下三种物理层传输技术来实现泛光信号传输。

1.采用基于强度调制的传输技术。这是一种利用发光强度快速变化携带信息的通信技术。本申请的一些实施例中使用宽频LED或高宽带激光器，其等效带宽较大，在泛光波段灵敏度高，受可见光强度干扰较小，能够达到很高的传输速率和通信容量。采用基于强度调制的传输技术主要继承于可见光通信的前期研究，比如多色可见光传输、MIMO-VLC等，在此基础上有针对性的解决泛光的传输问题。

2.采用基于单/多光子的传输技术。光的波粒二象性是单光子检测技术得以实现的物理基础。一方面，采用光的波动性，发射端通过调整泛光信号的功率实现信息的加载；另一方面，由于光功率实际上是大规模粒子运动的宏观体现，接收端则充分利用光的粒子性，通过光子计数的方式实现对发射信号信息的提取。本申请的一些实施例采用单/多光子检测技术重新设计在高斯噪音信道下的泊松信道，并对泊松信道下非正交多址系统和码分多址系统模型进行建模，解决SPAD死时间效应对光子技术成像对比度的影响，得到解决一般性问题的设计方法。

3.采用基于光成像的传输技术，通过向用户推送二维空间信号流的隐式传输方式进行通信。该传输技术可包括非成像光学MIMO和成像光学MIMO两种传输模式，充分利用成像光学MIMO具有的信道矩阵满秩的特性，能够使泛光在低照度的场景下进行信号传输，获得很高的数据传输性能；同时，可以利用混合帧检测的算法，对接收端的帧图像进行建模，使得传输用户的泛光信号更加可靠。

本申请公开的技术方案的特点还在于如下方面。

在一方面，提供一种基于6G光子学构建的6G网络泛光通信架构的应用部署，其突破了传统移动通信网络(2G/3G/4G/5G)以无线微波为媒介的数据传输方式，采用高频太赫兹光、红外光、各色可见光和紫外光等泛光辐射源作为超高速率数据传输的媒介，将通信频段扩展至3THz～30PHz(频率3×10¹²～3×10¹⁶Hz，波长100μm～10nm)，大约相当于三万个太赫兹频谱带宽的泛光通信频谱资源，为未来6G网络提供超高速超大容量超长跨距的频谱资源，建立6G光子学。

在一些实施例中，在所述6G网络泛光通信架构中，可以建立以6G网络为基础的泛光空口(泛光辐射)、泛光基站(泛光控制器)、泛光终端(泛光手机)，形成具有100Gbps～1Tbps甚至更高无线接入速率的泛光通信架构。

在一些实施例中，频谱范围不仅是可见光范围，还包含了高频太赫兹光波、红外光和紫外光等不可见光的范畴，形成自由空间的泛光通信。可见光通信的频谱资源是泛光通信的子集。不可见光的泛光源能够满足终端与基站之间在非可见光通信范畴以及低光照场景下的各类需求，可以有效避免产生不必要的光污染。

在一些实施例中，光辐射源器件发射泛光辐射信号，用于覆盖用户室外(路灯和非路灯区域、白天和夜间)和室内(有可见光通信和无可见光通信的区域)的活动区域，形成蜂窝结构小区网络，也能够根据实际需要形成非蜂窝结构覆盖区域，灵活搭建泛光通信覆盖网络。

在一些实施例中，基站系统的蜂窝网络架构分为两种，一种是以基站为中心的传统组网，另一种是以用户为中心的新型蜂窝组网。前者架构将泛光辐射源视为“小区基站”，通过基站的集中调度，控制用户接入和资源管理；后者架构以用户为中心进行资源管理，让多个泛光辐射源的光信号以用户为中心相互配合，让用户在“小区”边缘或者切换的时候没有感知。

在一些实施例中，光辐射源器件集成多个Micro-LED(Light-Emitting Diode)或者小型高宽带激光器的单光辐射源，组成N×M的球面全向阵列或者平面/区域定向大规模宽频泛光辐射阵列，泛光信号可经过透镜放大后，向某一区域进行覆盖。同时，采用超宽光谱响应的探测器阵列和光学像素成像探测集成阵列等接收泛光信号，这些阵列组成泛光通信的光学天线或多天线阵列。光学天线或多天线阵列采用光谱响应、光子技术、光学成像等多种技术进行用户数据的收发。

在一些实施例中，可以使用如下物理层传输技术，例如：采用基于强度调制或其它高效调制的传输技术，利用宽频LED或高宽带激光器，其等效带宽较大，在泛光波段灵敏度高，受可见光强度干扰较小，可达到很高的传输速率和通信容量。

在一些实施例中，物理层传输技术可包括：采用基于单/多光子的传输检测技术，重新设计在高斯噪音信道下的泊松信道，并对泊松信道下非正交多址系统和码分多址系统模型进行建模，解决SPAD(Single-Photon AvalancheDiode)死时间效应对光子技术成像对比度的影响，得到解决一般性问题的设计方法。

在一些实施例中，物理层传输技术可包括：采用基于光成像的传输技术，包括非成像光学MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)和成像光学MIMO两种传输模式，充分利用成像光学MIMO具有信道矩阵满秩的特性，能够使泛光在低照度的场景下进行信号传输，利用混合帧检测的算法，对接收端的帧图像进行建模。

在一些实施例中，大规模光辐射阵列的辐射强度能根据用户的密度进行调整，对于热点接入地区，有针对性的进行定向光束赋形和波束整形，将能量集中在某一个区域覆盖，能够给用户带来更高速的传输带宽和接入容量。

在一些实施例中，上行链路采用对人眼无伤害的非可见光链路(如高频太赫兹光和低频红外光)和无线上行链路交替的方式，数据的下行可采用可见光链路或其它泛光链路。

在一些实施例中，除了进行室外用户宏覆盖以外，还能进行室内覆盖。泛光天线可以是装在教室的日光灯、城市街道的路灯、家里的LED灯上，在车站、机场、码头、商店、图书馆、办公室等多种可见光通信场景中得到应用。

针对上面公开的6G泛光通信系统的四个波段部署，发明人已经进行了大量的实验室验证工作以证明其实用性和可再现性。具体而言，发明人使用多种宽频泛光激光器产生的红外光、紫外光、高频太赫兹光和可见光的波段进行室内远/近距离的泛光通信，实验过程中使用光学滤波器组将可见泛光中的红外紫外的泛光波段进行滤波，验证泛光通信整体架构、泛光器件和物理层传输技术等。并设计和构建了泛光基站控制系统中的各个光模块，验证泛光通信架构和传统无线通信的异构协议之间融合、混合协调模式的信道接入，以及泛光通信物理层和现有物理层之间的光电转换、协同与纠错技术等。利用不同的泛光波段进行的多种通信过程验证的实验结果如下面的表1所示。

表1：泛光通信空口波段一的实验结果

指标	参数
		通信速率	>40G bps
误码率	<![CDATA[&lt;10<sup>-9</sup>]]>
		信道数	32
发射效率	>-1dB
		插入损耗	<-3dB
发射功率	<20dBm
		灵敏度	>-27dBm

在本申请的上述实施例中，为了实现超大带宽和超高速数据传输，6G网络将可用的频谱扩展至太赫兹，通信容量和带宽将提升至百倍乃至千倍。本申请提出的基于6G网络的泛光通信架构四个波段的部署，能够突破日益贫瘠的频谱资源，同时又能避免泛光频谱中的单一波段(如：可见光波段)带来的弊病，将各个泛光频段进行统一整合部署，根据不同的应用场景，有针对性的在视距范围和非视距范围提供不同的传输速率和不同的覆盖范围。本申请避免了单一波段的传输所带来的问题，充分利用多种泛光频段的直射、反射、透射、散射的传输特性，能够在一个小区内在不同时间点同时实现四个不同频段的泛光覆盖切换，为用户提供近、中、远距离的不同速率的通信链路，能够提供下行带宽从40G bps到1Tbps、覆盖范围从40m到1500m(或者更远)的有效通信链路。

四个波段的部署，可以改变室内有线接入不灵活、不方便的问题，无线接入信号弱、带宽低的问题。泛光源的照明和快速响应特性既能够实现高品质照明体验，同时又能够实现高速通信体验，实现照明和通信的泛光覆盖。泛光天线可以装在教室的日光灯、城市街道的路灯、家庭的LED灯上，在车站、机场、码头、商店、图书馆、办公室和医院等多种场景中得到应用。

以上结合具体实施例描述了本申请的基本原理，但是，需要指出的是，在本申请中提及的优点、优势、效果等仅是示例而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本申请的各个实施例必须具备的。另外，上述公开的具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本申请为必须采用上述具体的细节来实现。

本申请中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。这里所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。这里所使用的词汇“诸如”指词组“诸如但不限于”，且可与其互换使用。

还需要指出的是，在本申请的装置、设备和方法中，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本申请的等效方案。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本申请。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本申请的范围。因此，本申请不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本申请的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。

Claims (19)

1.一种泛光通信空口装置，包括用于在空口上进行信号接收和发送的泛光天线，所述泛光天线包括：

多组泛光辐射阵列，用于在泛光频段中向泛光终端发射用户数据信号；

其中，所述多组泛光辐射阵列包括一组可见光波段泛光辐射阵列和至少一组非可见光波段泛光辐射阵列，

其中，所述至少一组非可见光波段泛光辐射阵列包括毫米波和太赫兹波段泛光辐射阵列、红外光波段泛光辐射阵列、日盲紫外光波段泛光辐射阵列中至少之一，

其中，对于非视距范围场景，部署所述毫米波和太赫兹波段泛光辐射阵列，

其中，对于视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署所述红外光波段、日盲紫外光波段泛光辐射阵列，

其中，对于视距范围和对光照不敏感的场景，部署所述可见光波段泛光辐射阵列，

所述多组泛光辐射阵列能够在同一个无线小区内在不同时间点同时实现不同频段的泛光覆盖切换。

2.如权利要求1所述的泛光通信空口装置，其中，所述泛光天线还包括：

多组泛光探测阵列，用于探测泛光终端发射的用户数据信号，

其中所述多组泛光探测阵列包括一组可见光波段泛光探测阵列和至少一组非可见光波段泛光探测阵列。

3.如权利要求2所述的泛光通信空口装置，其中，所述至少一组非可见光波段泛光探测阵列包括毫米波和太赫兹波段泛光探测阵列、红外光波段泛光探测阵列、日盲紫外光波段泛光探测阵列中至少之一。

4.如权利要求3所述的泛光通信空口装置，其中，所述各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用是根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定。

5.如权利要求4所述的泛光通信空口装置，其中，所述可见光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列形成为微型可见光收发模块，安装于照明设施上，应用于包括夜间教室、宿舍、家庭、办公室、路灯、车站、医院、机场候机大厅中至少之一的场景。

6.如权利要求4所述的泛光通信空口装置，其中，对于非视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署所述毫米波和太赫兹波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

7.如权利要求4所述的泛光通信空口装置，其中，对于视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署所述红外光波段和日盲紫外光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

8.如权利要求4所述的泛光通信空口装置，其中，对于视距范围和对光照不敏感的场景，部署所述可见光波段泛光辐射阵列和泛光探测阵列。

9.如权利要求3所述的泛光通信空口装置，其中，所述各波段的泛光辐射阵列和泛光探测阵列集成为同一个集成阵列。

10.如权利要求1或2所述的泛光通信空口装置，其中所述泛光天线被构建为平面定向阵列或球面全向阵列。

11.如权利要求1或2所述的泛光通信空口装置，其中，所述泛光天线发射和探测的光信号在3THz到30PHz的范围内，包括可见光、高频太赫兹光波、红外光和紫外光中的一种或多种。

12.如权利要求1或2所述的泛光通信空口装置，还包括下列器件中的一个或多个：光学信号功率放大器、调制解调器、复用器、解复用器、光开关以及集成收发器。

13.如权利要求1或2所述的泛光通信空口装置，所述泛光辐射单元是包括LED、micro-LED或激光器的单光辐射源。

14.如权利要求1或2所述的泛光通信空口装置，所述泛光辐射阵列还包括具有微纳结构的自由曲面透镜或者光子晶体透镜，以对所述泛光辐射单元发射的光信号进行处理，使发散的光变成准直的光。

15.一种泛光通信基站，包括如权利要求1-14任何之一的泛光通信空口装置，还包括控制器，用于根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定所述泛光通信空口装置的各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用。

16.一种泛光通信终端，其可与权利要求15所述的泛光通信基站相通信，所述泛光通信终端包括：

可见光波段光辐射源和至少一个非可见光波段光辐射源，用于发射相应波段的上行泛光信号；

可见光波段光探测器和至少一个非可见光波段光探测器，用于接收下行泛光信号；以及

光电转换电路，用于在所述泛光通信终端中的光路器件与电路器件之间进行光电转换，

其中，对于非视距范围场景，部署所述毫米波和太赫兹波段泛光辐射探测阵列，

其中，对于视距范围和白天或者不需要照明的低光照场景，部署所述红外光波段和日盲紫外光泛光辐射探测阵列，

其中，对于视距范围和对光照不敏感的场景，部署所述可见光波段泛光辐射探测阵列,

所述多组泛光辐射阵列能够在同一个无线小区内在不同时间点同时实现不同频段的泛光覆盖切换。

17.如权利要求16所述的泛光通信终端，所述非可见光波段光辐射源包括毫米波和太赫兹波段泛光辐射源、红外光波段泛光辐射源、日盲紫外光波段泛光辐射源；

所述非可见光波段光探测器包括毫米波和太赫兹波段泛光探测器、红外光波段泛光探测器、日盲紫外光波段泛光探测器。

18.如权利要求17所述的泛光通信终端，还包括控制器，用于根据所在场景、信号质量和泛光天线与用户终端的距离、和/或相应运营商的资费来确定所述泛光通信空口装置的各波段的所述泛光辐射阵列和泛光探测阵列的使用。

19.如权利要求16所述的泛光通信终端，其中，所述泛光通信终端是手机、车载移动终端之一。

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