无线光通信与物联网
本文系统地总结了无线光通信的基本原理、关键技术及其在物联网中的应用。无线光通信凭借其频谱免授权、大容量、低成本和高方向性等特性，成为物联网发展的关键技术。文章详细介绍了光波的传播特性，包括自由空间传输、高指向性和大带宽等，以及光通信光源和收信器的典型组件，如LED、激光器、VCSEL等。在关键技术方面，文章探讨了光通信的调制技术、大规模阵列通信、高精度定位等，分析了其在工业物联网、车辆通信、无人机通信等场景中的应用潜力。同时，文章指出了当前技术挑战，包括射频与光通信的对比、多用户干扰、移动支持、能量传输和安全性等问题。最后，文章强调了无线光通信在提升物联网性能方面的潜力，如峰值速率、定位精度和能量传输等方面。
摘要
无线光通信具备频谱免授权、电磁兼容性优异等独特优势，这些特点使其在物联网领域的发展中展现出差异化的重要技术支撑。首先，从无线光通信的光源和光学器件入手，阐述其基本运行原理以及存在的限制性因素；随后，围绕信道建模、信号调制、阵列通信和高精度定位等技术层面，深入探讨无线光通信的关键技术要点；在此基础上，结合下一代物联网对传输速率、感知精度、能量传输效率和安全性等方面的技术指标需求，分析无线光通信如何为其提供技术支撑；最后，对全文进行总结。
关键词： 无线光通信 ; 物联网 ; 光源 ; 阵列通信 ; 高精度定位
0****引言
无线光通信（OWC, optical wireless communication）采用光波作为信息传输介质，其在特性上与传统射频无线通信存在显著差异，主要体现在拥有极宽的免授权频谱资源、能够实现视距定向传播、具备良好的绿色安全性能以及高电磁兼容性等优势。根据光源的相干性，无线光通信可分为相干通信与非相干通信两大类；基于使用的光谱，无线光通信又可分为红外通信、可见光通信和紫外通信等多种类型，作为未来无线通信基础设施的重要组成部分，无线光通信在蜂窝网、机载无线通信、电磁对抗等场景，以及射频无线通信链路受限的复杂环境均展现出广泛的应用潜力[1]。
在物联网作为无线通信的核心应用领域方面，物联网正逐渐成为重塑无线通信设计范式的关键推动力之一。该技术以物与物之间的互联为核心任务，广泛应用于生产、消费和管理等多个环节，其技术需求呈现出高度差异化。目前，物联网主要采用射频技术实现无线传输，具体包括433 MHz、868 MHz和915 MHz频段的LoRA技术，主要用于中长距离的低功耗传输；2.4 GHz频段的ZigBee技术则主要用于短距离低速率数据传输。此外，3GPP提出的LTE Cat.1技术标准专为物联网应用设计，其上行速率达到5 Mbit/s，下行速率达到10 Mbit/s。然而，随着物联网应用的不断深化，不同应用场景对峰值速率、感知精度、能量传输效率和安全性等指标的需求日益增长，如图1所示。现有的单一射频技术已无法满足日益增长的技术需求，因此亟需引入新型无线传输技术以满足日益增长的技术需求。作为一种具有独特特性的无线通信技术，无线光通信有望成为下一代物联网技术的主流方案，并通过其高效的数据传输能力，为物联网技术的进一步发展提供重要支撑。
图1
图1下一代物联网的部分技术需求和典型指标
本文首先将回顾无线光通信领域的关键器件和核心技术，基于此深入分析其在物联网未来应用中的技术优势和面临的实际问题，为物联网技术的未来发展提供技术路径建议。
1****无线光通信光源和光学器件
无线光通信网络作为无线传感网信息传输的核心通道，旨在满足物联网在任意时空条件下实现自由通信的需求。光源和光学器件是无线光通信系统的关键硬件构成，在不同应用场景下需要选择相应的设备组合。以光源为例，激光器更适合远距离、高容量、高保密性的通信场景，而发光二极管则更适合室内低成本的短距离信息传输。在光场调制领域，振镜和可重构智能表面等设备能够有效调控光场分布，从而实现任意位置、任意分布的目标接收。本节将详细阐述无线光通信网络中光源和部分关键光学器件的特性，旨在揭示无线光通信的一些基本物理机制和性能限制，为其实现提供理论参考。
1.1 发光二极管
发光二极管（LED, light emitting diode）是一种广泛应用的发光器件。它通过电子与空穴的复合作用释放能量进行发光，具有较大的辐射角度，因此在室内照明领域中被广泛采用。与传统的白炽灯、日光灯等照明光源相比，LED不仅具有显著的节能效果、环保性能优越且使用寿命显著延长，还特别适合应用于无线光通信系统。其中，可见光通信（VLC, visible light communication）技术是其典型应用之一，该技术以当前大规模部署的LED照明光源作为无线接入平台，实现了泛在数据传输的支持[9]。1999年，香港大学的Pang等[10]首次实现了基于VLC技术的无线音频传输。在此后的数十年间，研究人员陆续开发了多种基于LED的可见光无线通信方案，有效提升了数据传输速度[11]。
目前主要采用两种方法生产白光LED。第一种是传统的荧光型LED，其利用黄色荧光粉将蓝光LED发出的光转换为双色白光[12]。该方法操作简便，成本较低，因此成为当前白光LED生产的主要技术。然而，较长的荧光层会导致信号调制带宽受限。通过接收端的蓝光滤波处理，可以有效提升调制带宽。第二种方法是基于三色光合成白光的技术。该方案通过将蓝光（约470 nm）、绿光（约525 nm）、红光（约626 nm）三色光按照一定比例混合，实现白光光源的制备。为了扩大信号调制带宽，该方法采用了波分复用技术对不同波长的光进行独立调制。
LED光源具有良好的发散特性，在提供照明的同时，实现了物联网的短距离通信功能。通过接收端信号强度的处理，实现了物联网节点的高精度定位功能（见第2.4节）。
1.2 激光器
与传统的LED光源相比，激光是基于谐振腔内受激辐射产生的光源，受限于谐振腔对光振荡方向的限制，激光束具有极高的方向性。因此，激光无线通信在保密性、传输速率、抗干扰能力以及带宽等方面具有显著优势，特别适合在复杂电磁环境中实现抗干扰、高保密、高速率的数据传输[13]。自由空间光（FSO, free space optical）通信是一种典型的点对点激光无线通信技术，是实现星间、星地、空地、空海等大容量无线通信链路的重要手段之一[14]。在激光无线通信领域，常用的激光器主要包括气体激光器、固体激光器和半导体激光器。气体激光器虽然具有较大的发射功率，但其体积较大且寿命较短。固体激光器虽然具备较长的使用寿命和较好的稳定性，但其体积较大、效率偏低，通常适用于远程星间或星地通信。半导体激光器则以其结构简单、成本低廉的优势，配合光放大器可以满足大多数激光通信所需的功率需求，因此在激光通信领域得到了广泛应用[15]。
激光二极管（LD, laser diode）是一种典型的半导体激光器。在不考虑照明的情况下，室内无线光通信可利用LD实现高速数据传输能力。基于LD的宽幅调制特性，使得系统能够显著超过了10 Gbit/s的传输速率[16]。垂直腔面发射激光器（VCSEL, vertical-cavity surface-emitting laser）是一类重要的激光二极管。VCSEL从垂直于衬底面发射出激光，其典型结构由中心的有源区与两侧的布拉格反射镜组成。自1979年首次提出以来，VCSEL因其独特的发射角小、具有圆对称场分布、光纤耦合效率高等优势，以及短的谐振腔长度和宽的纵模间隔等特性，迅速发展成为高性能的激光器。相较于传统的边发射激光器，VCSEL在多个方面具有显著优势：发射角更小，场分布更均匀；谐振腔长度更短，纵模间隔更大，便于实现单纵模工作；能够垂直腔面发射，从而更紧密、精确地排列成二维光源阵列；体积更小，同时具有更高的量子效率和较低的激发阈值。这些技术优势使得VCSEL在光网络、高速并行光互连等领域展现出广阔的前景[17-18]。
除了上述高速、远距离通信场景之外，激光的高指向性使其很容易实现射频难以实现的大功率无线能量传递功能，在具备无线充电需求的物联网场景中具有较大的应用潜力。
1.3 可重构智能表面
无线光通信系统对光束控制能力提出了较高的要求。传统机械式偏转技术在结构复杂性、能耗和惯性控制方面存在明显局限性，因此非机械式控制技术在无线光通信系统中发挥着关键作用[19]。可重构智能表面（RIS）作为一种具有竞争力的光场调控器件，能够实现光束的精确控制。在射频通信领域，RIS也被称为智能反射面，被视为6G通信技术的重要发展方向之一。这种表面集成的大量无源反射元件，通过软件编程调节其电容、电阻、电感等参数，从而实现对入射信号的反射相位和幅度控制，最终优化无线传播环境，显著提升无线通信性能[20-21]。在光学频段，RIS中的典型器件之一是液晶空间光调制器（SLM）。这种光相阵列由向列相液晶分子构成，其排列方向一致且呈现单轴晶体特性。当施加电场后，液晶分子重新排列，导致光轴方向改变，从而实现电致双折射效应的应用。相位型SLM通过调控光相位延迟来控制出射光相位信息，而振幅型SLM则利用旋光效应改变光束偏振状态，实现光振幅的调控[22-23]。
在光栅光路调节器（SLM）上，通过程序控制实现反射或透射式光栅的相位调节，从而可精确控制光束的偏折方向。基于光栅衍射理论，光束的衍射角度θ≈λ/d，其中，λ表示光束的波长，d为光栅周期。当SLM上的光栅周期减小时，其对光束偏折角的调节能力随之增强。目前市面上成熟的SLM设备其最小像素尺寸通常在数微米范围内。因此，在可见光和近红外光通信领域，基于SLM的光束偏转技术存在一定的应用限制[24]。2012年，Feng等[25]提出了一种基于SLM光束偏转和相位调制的自由空间光通信系统，实现了3°的光束偏转角度和1.25 GHz的调制带宽，从而实现了长距离自由空间无线光通信[25]。2015年，Xu等[26]通过改进相控单元的电压调节方式，提出了一种新型的光栅模型，该模型能够实现衍射效率超过32%的同时，光束偏折角度达到12.1°，为光通信技术的发展提供了新的解决方案[26]。
SLM能够精确调节光场特性，并且在技术上相对容易实现将单束入射激光分割为多个不同方向的光束，从而实现多个物联网节点的高效覆盖。本文的第3.4节专门讨论了SLM在多用户光移动通信系统中的具体应用。
1.4 振镜
基于电驱动精密调节的二维反射镜，能够在光源与接收器之间实现光束控制。作为自适应光学中的重要能动光学元件，二维反射镜最初应用于光学系统中以纠正光路倾斜误差和稳定光束指向。随后，其应用范围扩展至光束扫描、定位、目标跟踪等多个领域。二维反射镜的驱动方式主要包括压电陶瓷驱动和音圈电机驱动。其中，压电陶瓷驱动的反射镜具有扫描角度小且谐振频率高的特点，但需要克服迟滞和蠕变的固有缺陷[27]。音圈电机驱动的二维反射镜则具有较大的扫描角度和较低的谐振频率[28]。通过将二维反射镜与高灵敏度、高响应速度的传感器结合，可以构建高精密的光学跟踪系统，具备卓越的角度分辨能力。在光通信领域，这种系统能够实现高速、精密的光束控制和目标跟踪功能[29]。
近年来，基于微电子机械系统（MEMS）的微型反射镜被广泛应用于红外光通信系统的光束调制功能。在2013年，Brandl及其团队成功实现了基于MEMS技术的大角度（12°×12°）的点对点光束调制系统，这一系统还具备高达3 Gbit/s的数据传输速率、最长可达7米的工作距离，并且具有极低的误码率（小于10-9）。MEMS微镜组件通常在硅基片上制造可移动的微型反射镜组件，这些组件的数量通常在数百到数千之间，因此可以通过标准的半导体制造工艺实现批量生产。为了实现微镜的快速定位，采用电磁驱动、静电驱动或压电驱动等多种电子驱动方法，这些驱动方法能够将微镜组件从一个固定位置快速移动至另一个目标位置，从而实现对入射光信号的精准指向调制效果。基于MEMS技术的微型反射镜组件具有调制速度快、体积小巧、适合大规模集成等显著优势。
通过振镜技术，单一光束的快速偏转成本不高。不仅能够重建受遮挡的物联网节点的通信链路，还能够对移动节点进行有效追踪。
2****无线光传输与定位关键技术
本节围绕无线光传输与定位关键技术展开，进一步阐述无线光通信的核心技术。图2展示了无线光通信的关键技术关系图。首先，阐述无线光通信信道模型，该模型构成了调制等技术的基础，同时也为高精度定位提供了重要理论依据。其次，介绍了无线光通信的调制技术，这是大规模阵列通信技术的基础支撑。随后，讨论了大规模阵列无线光通信技术，该技术是对现有多种调制技术的进一步发展，能够显著提升系统的容量等关键指标。最后，讨论了高精度无线光定位技术，该技术可被视为上述技术体系的重要服务内容，与物联网应用密切相关。本文提出了一种新型的高精度定位方案。这些关键技术体系的构建，不仅为无线光通信技术的发展奠定了坚实基础，也为物联网系统的建设提供了必要的技术支撑。本节重点探讨这些关键技术如何影响物联网的峰值速率和定位精度等关键性能指标，同时深入分析了当前技术面临的主要挑战与发展方向。
图2
图2无线光通信关键技术关系示意
2.1 无线光通信信道模型
无线光通信的信道模型主要包含确定性信道模型和统计信道模型两种类型。在短距离通信场景中，光信号的视距传播（LoS, line-of-sight）路径具有主导作用，其二阶以上反射路径的衰落特性较为显著，因此，传统的射线追踪等确定性建模方法通常能提供较为精确的信道特性描述[33-34]。确定性信道模型的经典实例是基于LED的室内可见光通信信道模型，该模型主要通过Lambertian辐射模型来描述光源的空间光强分布和反射体的散射特性，从而建立不依赖时间变化的确定性信道模型[35-36]。然而，Lambertian辐射模型的阶数会对信道冲激响应特性产生显著影响[37]。当光源数量较多且呈随机分布时，基于确定性建模方法的信道统计信息描述将难以满足实际需求。为此，近年来学者们开始探索将无线光通信与射频信道建模中广泛应用的几何分布统计建模（GBSM, Geometry-based Stochastic Model）方法相结合。例如，Al-Kinani等[38]在确定性建模方法的基础上，引入了基于散射体反射和收发端移动等因素的信道随机性，形成了更具实际意义的信道模型。Wang等[39]则将GBSM方法应用于地下矿井无线光传播环境的建模分析，深入探讨了其信道特性。
当通信距离处于大范围内时，激光无线通信信道会表现出明显的随机衰落现象。其中，慢衰落主要由悬浮颗粒、雾、雨雪、沙尘等因素引起，其衰落系数为固定值，与波长、链路距离、耗散系数等因素有关。而快衰落主要由大气湍流和指向误差等因素导致。大气湍流是指大气中不规则的运动状态，这会导致传输的光波振幅和相位发生无规则变化，其相干时间通常在1到10毫秒之间[40]。快衰落系数则为随机变量，其统计参数与波长、链路距离、高度、风速等因素相关，通常采用对数正态分布、Gamma-Gamma分布、对数正态-莱斯分布等模型进行描述[41]。
水下光通信（UWOC, Underwater Wireless Optical Communication）是水声通信的重要补充技术，特别适用于解决水声通信中带宽不足的问题。该技术在水下中短距离通信以及水上-水下跨海面通信场景中展现出显著的技术优势。光信号在水下传播时会受到散射、湍流、雾状层以及盐度变化等因素的影响，因此水下光信道的建模相较于自由空间光通信（FSO）信道要复杂得多[42-43]。UWOC系统的主要技术挑战在于其极高的信道衰减系数。在纯净的海水中，信道衰减系数约为0.24 dB/m，但在浑浊的海水中，信道衰减系数可大幅增加至9.42 dB/m。由此可见，现有的水下激光通信链路大多覆盖范围在几米至百米之间，例如，2021年Yang等研究团队[44]测得的水下激光通信距离为100米。
2.2 无线光通信调制技术
无线光通信按照调制信号的相位是否携带信息，可以划分为相干调制与非相干调制两大类。其中，相干调制的光源主要为激光器，其工作原理与射频信号的相干通信机制一致，但所采用的设备成本较高，技术复杂度也较大。在实际应用中，更常用的是基于强度调制/直接检测（IM/DD, intensity modulation/direct detection）技术的非相干调制方式。信息调制过程中，发射光信号的强度必须满足非负实数的要求。
从频率维度分析，光通信调制方式主要包含以下几类：以开关键控和脉冲幅度调制为代表的单载波调制，其中直流偏置光正交频分复用和2006年Armstrong提出的非对称截断光正交频分复用是多载波调制的典型代表，此外，这些基本调制方式的混合与叠加形式也是研究重点[45,46,47,48,49]。基于此，目前已有部分采用LED进行无线光通信组网的商用产品问世，例如pureLiFi公司推出的智能家居光无线组网产品。
从空间维度来看，MIMO技术（Multiple Input Multiple Output，多输入多输出）能够充分挖掘空间资源，显著提升了系统的频谱效率。该技术在射频无线通信领域已获得广泛研究与应用[50,51,52,53]，因此在无线光通信领域同样具有研究价值。以下将重点阐述MIMO技术在无线光通信中的具体应用。在发送端，MIMO技术主要采用空分复用和空间调制两种实现方式。空分复用原理与射频MIMO技术相似，但无线光通信主要采用IM/DD方式[54-55]，因此射频MIMO的空分复用技术难以直接应用于无线光通信，需要特别考虑信号正实性约束、直流偏置与功率效率等技术挑战。由此可知，其预编码设计相较于射频MIMO更为复杂[56,57,58]。同时，MIMO技术在无线光通信中由于空间子信道较强的相关性，基于空分复用的MIMO传输技术在性能提升方面与射频MIMO存在较大差异，因此需要探索适应IM/DD信道的新型MIMO技术。在空间调制技术中，由于其对空间子信道相关性较为敏感，因此在MIMO无线光通信领域受到了广泛关注[59,60,61]。2012年，Haas等[60]对无线光通信中的MIMO技术进行了对比分析，发现与多通道重复编码技术相比，空间调制技术在相同信道条件下能够获得更好的误比特率性能。2019年，Wu等[65]提出了光域空间调制方法，该方法相较于光域空分复用传输技术在仿真性能上具有显著优势。在MIMO无线光通信的接收端，信号接收方式可分为两类：一类是基于非成像的多个独立光电二极管（PD, photodiode）对多数据流进行接收[67]；另一类是采用成像传感器，通过像素点解析多数据流[68]。前者具有较低成本，后者可被视为一种阵列接收形式，其信号解调过程不仅涉及通信处理，还需进行图像处理等相关技术。
2.3 大规模阵列无线光通信
与射频信号相比，光信号的相干距离较小，这使得在相同的空间范围内，光信号能够支持更多的并行信道，从而显著提升系统容量。此外，半导体发光器件具有易于实现高密度集成的特点，这为通信系统提供了丰富的空域资源。在光子器件的辅助下，即使采用低频谱利用率的开关调制与单比特量化方法，依然能够实现可观的通信速率。同时，外围器件的数量、功耗以及信号处理的复杂度均较之射频系统显著降低。这些优势使得大规模无线光MIMO系统对低成本、高数据传输率的物联网应用具有极大的吸引力。基于这一思路，2020年Wang等[69]成功实现了基于LED阵列的通信系统，其通信速率达到1 Gbit/s。2022年，Kazemi等[70]提出了利用大规模VCSEL阵列发送数据的技术，当阵列规模较大时，通信速率可达到Tbit/s级别，这充分体现了大规模阵列光通信的巨大容量潜力。此外，一些研究还提出了光波束域多址（BDMA）技术，通过独立分配不同的波束，有效提升了数据传输效率[71]。其中，发光阵列还可以通过光纤簇、超表面或MEMS振镜等手段实现波束分配功能[72-73]。
在物联网节点的通信系统中，激光通信凭借其高能效特点，特别适合满足广布设、低密度且携带大容量电池不便的场景。相较于毫米波通信，激光通信在能量传输效率方面具有显著优势（单位：bit/J）。为了实现长期稳定的续航目标，确保通信链路的连续性，高速、高精度的跟踪系统是不可或缺的。针对移动速度快且通信距离较近的节点，可以设计专门化的跟踪算法和系统架构，以提升信道质量[74]。值得注意的是，近年来在降低直达径通信限制方面，文献[75]提出采用光学RIS等创新器件，通过调整信号传输路径，理论上证明了在多RIS辅助下，系统的中断概率显著降低。
2.4 高精度无线光定位
光信号由于其波长较短，主要沿直线传播特性，这使得光定位系统在定位精度上较射频定位系统具有显著优势。在基于LED通信的定位算法家族中，主要包括以下几种典型算法：基于最近邻的定位算法（Proximity），基于到达时间和到达时间差的定位算法（TOA/TDOA，Time of Arrival/Time Difference of Arrival），基于接收信号强度的定位算法（RSS，Received Signal Strength），基于到达角的定位算法（AOA，Angle-of-Arrival），以及基于指纹库的定位算法等。
最近邻算法通过将信号最强的基站坐标作为用户的估计坐标，具有简单的实现方式，但精度较低[76]。TOA/TDOA定位技术最早应用于射频定位系统，该方法通过基站坐标和信号传播时间信息来估计接收机位置。然而，对于室内场景，光信号的传播距离仅为几米，TOA/TDOA定位需要亚纳秒级的同步设备才能完成，因此在室内场景中，该方法主要用于理论研究，缺乏实际应用进展[77]。RSS光定位方法在精度上表现优异，其原理是根据光强确定接收机与基站之间的距离，从而实现定位。该算法对接收机的姿态较为敏感，一旦发生随机倾斜，将导致光强估计不准确，进而产生较大的定位误差，因此不适于用于手持设备或非平坦场景[78]。此外，RSS定位依赖于准确掌握LED的辐射模式，但在实际系统中，获取该信息往往较为困难[79]。AOA（到达角）定位技术依赖于摄像机、光传感器阵列和陀螺仪，通过测量光信号的角度来估计接收机位置。该方法能够达到厘米级精度，且成本相对较低，无需引入信号同步单元或强大的处理模块。然而，AOA定位同样要求已知接收机的姿态角，否则定位误差将显著增加[79-80]。因此，Zhu等[81]在2017年提出了一种利用到达角度差（ADOA）的方法，允许接收机具有随机倾角。基于指纹识别的无线光定位方法通过匹配接收机接收的信号与预先存储的数据，来确定其位置[82-83]。该方法能够在多径干扰严重的环境中实现定位。然而，指纹类方法需要配备强大的处理器和完善的数据库，因此其成本较高。此外，基于复杂数据库的算法往往过度依赖于机器学习或人工神经网络等复杂的信号处理工具[84]，导致定位误差计算式的推导难度较大，理论路径不够清晰。
基于激光的高方向性特征，预期能够实现更高的定位精度。一种可行的方法是利用激光测距仪或激光雷达的毫米级测距能力，并结合激光的方向信息，描绘出待定位目标表面多个点的空间坐标。借助激光测距仪或激光雷达进行目标定位原理示意如图3所示，可利用这些测距仪或雷达估计得出目标表面的M个点的空间坐标。利用这些表面空间坐标，与已知的目标表面几何特征f(x,y,z,u)=0进行匹配，即可计算得出目标的准确位置，其中，f(x,y,z,u)=0是目标表面上的点(x,y,z)满足的空间约束关系，它以待估向量uu作为参量，uu是与目标位置和姿态相关的参数向量。该定位方法要求被测表面不具备平移和旋转不变性，以避免定位模糊问题。因此，当目标表面呈现曲面形状时，定位效果更为理想，并且能够同时估计出目标的姿态信息。
无线光定位技术通过提升定位精度，使室内定位精度从米级跃升至厘米级，同时，该技术的硬件成本相较于同类射频产品具有显著优势，因此，无线光定位系统具备广泛的应用潜力，特别适用于需要海量节点定位的工业物联网场景。此外，无线光定位技术与射频定位技术的融合能够充分挖掘不同信号的传播优势，显著提升现有定位系统的综合性能指标，包括覆盖范围、定位精度和能耗效率等关键参数。
图3
图3基于激光测距仪和激光雷达用于说明目标定位的原理示意 3****无线光通信推动新一代物联网
根据中国移动研究院最新发布的《下一代物联网发展构想白皮书》所载明的内容，新一代物联网将朝着消费、生产、管理等多个领域延伸，呈现出显著的应用需求差异化特征，其主要驱动力之一就是技术发展[85]。作为一种在传输技术领域具有显著优势的技术，无线光通信有望通过技术创新推动新一代物联网的深层发展。本节将部分核心技术指标作为切入点，探讨无线光通信如何赋能新一代物联网，同时分析仍需克服的技术障碍。值得注意的是，在不同应用场景中，物联网可能同时关注多个技术指标。
3.1 峰值速率
在工业物联网场景中，大量节点需要同时上传海量数据。例如，移动机器人等设备需要实时上传高质量视频数据至接入点进行后续处理，系统吞吐量需求可达到1 Tbit/s以上。现有系统主要依赖有线连接或采用Wi-Fi技术进行数据传输。然而，大量电缆的使用必然导致系统灵活性下降，对移动支持能力较弱且维护难度较高。尽管Wi-Fi技术能够摆脱电缆束缚，但其基于IEEE 802.11协议的信道资源竞争特性限制了多用户间的带宽共享，当用户数量较多时，上行带宽受到严重影响。在IEEE 802.11n标准下，最高数据传输速率为600 Mbit/s，而采用最新版本的IEEE 802.11.ax协议也只能达到9.6 Gbit/s，仍无法满足Tbit/s级别传输需求[86]。
与射频系统相比，激光系统在存在严重的干扰问题上具有显著的优势，其具有高度的聚焦传输特性，这种特性使得当节点的激光入射方向不同时，在接收端可以通过光学系统直接实现多用户信号的分离与并行传输。基于此，可以采用基于激光束的无线光接入技术，通过构建密集的并行激光传输网络，从而能够获得大量独立的高速信道，以满足物联网节点的高速接入需求。此外，光通信技术的宽频谱特性和高指向性特性，还可以显著提升无线传输的能量效率。通过微机电系统（MEMS）的偏转技术，可以实现高精度的激光对准[73]。然而，现有的激光对准系统在跟踪高速运动节点方面仍存在局限性，其闭环回路的时延较高，且算法的成熟度有待进一步提升。针对这一技术瓶颈，需要解决的问题包括：设计面向大规模阵列的低复杂度通信信号处理算法、提升阵列密度、缩小前端放大器的面积等。为此，可以利用激光信道间的相关性较低这一特性，来简化预编码算法的设计过程，同时采用基于开关调制的低复杂度波形，降低接收机所需的量化位数。此外，还可以从空间域而非时频域的角度，挖掘系统的潜力，从而实现高速且成本较低的无线通信解决方案。同时，跟瞄系统还需要具备足够的灵活性，能够根据实时需求自适应地识别可用子信道，并动态切换不同的传输模式，从而在部分激光链路对准时，提供非全速的数据传输能力。
3.2 感知精度
光信号具有极小的波长并严格沿着特定方向传播，这使其在环境感知方面呈现出与射频信号显著不同的特性，可实现更加精确的感知，感知结果可用于进一步提升物联网的传输性能和业务能力。
通过光信号实现感知的技术具有多种具体实现方式。首先，采用光学成像设备，如双目摄像机等，能够通过景深信息构建空间环境分布图，这种图具有极高的精细度，并与其它环境地图进行互补，为自动驾驶、增强现实等物联网应用提供了关键的数据支持。同时，结合深度学习等技术，可以有效提取环境相关信息。其次，基于激光雷达的定位系统能够在100米的测距范围内实现毫米级的高精度定位，这种定位技术具有抗干扰能力强、定位精度高、采集三维坐标信息全面等特点，因此在定位、测绘、灾情监测、无人驾驶等领域具有广泛的应用前景。此外，具备激光探测能力的节点设备能够快速生成物理传播环境地图，并具备一定的潜在应用价值。在三维地图构建方面，一种较早的解决方案是2014年由美国卡内基梅隆大学的Zhang J博士等提出的LOAM（lidar odometry and mapping）算法，该方法在三维图优化理论框架的基础上取得了显著进展，从而推动了激光雷达技术在三维地图构建领域的广泛应用。
基于无线光通信的定位、通信一体化系统，能够为物联网提供厘米级甚至毫米级的高精度定位服务。目前，光定位系统采用的技术仍与射频系统相似，主要技术有基于TOA、AOA和RSS的定位技术等[91]。在射频中基于AOA和TOA的定位技术往往能取得比基于RSS定位更好的效果，但是在光定位系统中因为光的视距链路较强，且光信号沿直线传播，实验和仿真结果显示基于RSS的定位技术也能取得较好的定位效果。如采用指纹库定位方法，以光信号强度作为位置特征，并利用深度学习技术进行分类，仿真显示定位精度可以达到分米以下[92]。文献[93]给出了一种基于频分多址的多用户同时定位和通信的系统，其基本原理是将子载波划分为定位子载波和通信子载波，基于频分多址的同时定位与通信系统子载波划分示意如图4所示，使用3个或以上LED的定位子载波信息进行定位，使用其余子载波进行通信，从而隔离定位数据与通信数据之间的干扰。实验结果显示在信噪比较高的情况下，定位误差可达到厘米级。此外，采用基于光电二极管阵列等的厘米/毫米级三维定位系统，可进一步实现小尺寸、低功耗、低成本的无线光定位和传输。
图4
图4基于频分多址的同时定位与通信系统子载波划分示意
3.3 能量传输
激光作为一种高度方向性的能量载体，在节点实现无线电能传递方面具有显著的效果。这种能量传递不仅可以独立完成，也可以在通信过程中同步进行，有望在无线传感器网络等物联网场景中得到应用。与基于微波的无线充电方式相比，激光充电展现出更高的能量传输效率和转化效率，其中能量转换效率可达50%[94-95]，且设备尺寸更小、成本更低、电路系统更为简洁。对于无法携带大容量电池或无法更换电池的微型传感器网络节点，激光携能通信能够有效延长物联网节点的使用寿命。与基于电容、电感式的近场充电方式相比，激光充电具有更远的作用距离，可达数千米[96]。对于电池容量有限且需要待机的无人机等物联网设备，远距离激光充电能够显著提升其续航能力。在室内环境中，现有的激光准确定位系统可以实现能量的精准传递。然而，激光携能通信面临安全性挑战。作为一种新型的无线传能技术，如何有效识别随机遮挡、防止高能激光对眼睛造成伤害，仍需进一步研究。
3.4 移动支持
尽管无线光通信相比射频无线通信在移动性支持方面更具挑战性，尤其是在激光无线通信领域，但在特定场景下，其优势依然显著。例如，在无人机平台之间的通信场景中，激光无线通信不仅能够实现更高的传输速率和容量，而且在面对高速移动设备时，其多普勒扩展影响较小，通过简单的信号处理即可有效抵消载频偏移带来的影响。此外，无线光通信的优势还体现在其低成本和抗电磁干扰特性上。在车联网领域，车与车、车与基础设施之间的通信可以充分运用现有光学器件，从而降低系统成本[97]。在涉及大量移动机器人的工业物联网场景中，无线光通信技术能够支持节点的灵活部署，且在避免电磁干扰方面表现优异。尽管在移动场景中进行高能效激光无线通信仍面临多用户光束管理、方向调节和精确对准等技术挑战。
针对多用户通信问题，其中一种方法是采用基于LED的可见光通信，通过将激光进行扩束实现覆盖范围。同时，也可以利用多束窄激光自动跟踪以提高能量效率。激光光束的偏转可通过MEMS、振镜等微机械系统，或者光学RIS技术来实现。光移动通信技术采用光相阵列，能够灵活分配入射激光功率，从而实现多用户覆盖。图5所示为基于SLM的光束分配示意图[98-99]。文献[100-101]进一步探讨了多个用户处于移动状态时的功率分配、波束形状和切换时间等问题，研究表明使用空间光调制器具有显著优势。值得注意的是，光相阵列可被视为一种光学RIS，是移动无线光通信的关键技术之一。尽管如此，该技术仍需解决初始对准接入和零级衍射等关键问题。
图5
图5基于SLM的光移动通信光束分配示意
3.5 安全保密
光波主要不与射频电磁波及其相关设备产生相互作用，展现出优异的电磁兼容特性。基于这一特点，在核电站、航天系统以及医疗设备等对电磁兼容性要求较高的场景中，采用无线光通信技术，可以有效降低电磁干扰，确保系统正常运行。此外，以LED为基础的无线光通信技术被认为对人体无害，具有良好的绿色安全特性。
相较于射频电磁波的开放性传播特性，光的视距传播特性赋予了无线光通信天然的保密特性。针对具有高保密性要求的物联网应用场景，基于无线光信号的视距传播特性和高方向性，从而能够构建不易被窃听的安全数据链路。
进一步研究发现，光作为信息载体，可作为支撑手段，应用于无线通信场景中的量子保密通信。已有文献报道，研究人员在两架约重35公斤、相距200米的无人机与地面之间搭建了一个小型量子通信网络，随后向距离地面1公里的两个望远镜各发送一个光子，最终测定了具有高保真度和纠缠特性的光子对。该研究成果被列入2021年中国光学领域十大社会影响力事件之一[102]。这表明，基于无线光通信的量子通信网络具有重要的应用价值。
此外，光作为安全保密的工具，也面临着一些潜在的挑战。例如，光链路可能遭到遮挡，同时会受到阳光以及非合作方光源的干扰，这将直接降低安全容量，从而需要我们深入研究抗干扰的安全传输技术。在量子保密通信体系中，光仅用于量子密钥的分发，并没有直接参与数据传输，如何利用光的量子特性实现直接无线安全通信，仍面临着巨大的技术挑战。
4****结束语
本文系统阐述了无线光通信的核心特性。着重说明了该技术与射频通信在传播与传输方面的独特性，包括免授权频谱、高容量、低成本、可复用现有基础设施、优异的电磁兼容性和高级保密性等显著特点。这些特性使其有望成为推动 next-generation IoT 的重要补充手段，在某些特定场景中可能成为主导技术手段。此外，本文详细介绍了无线光通信所涉及的关键光学器件，并深入阐述了它们在物联网中的具体应用场景。接着，深入分析了几种无线光通信的关键技术及其对物联网应用的支持作用。最后，探讨了无线光通信如何在几个关键性能指标上为下一代物联网提供支持。
根据以上讨论可知，由于未来物联网应用需求的高度差异化，在下一代物联网中引入无线光通信，已然成为技术发展的重要方向。在这一过程中，得益于无线光通信技术的持续进步，物联网的核心性能指标有望得到显著提升。具体而言，系统峰值速率将突破10 Gbit/s，并逐步迈向1 Tbit/s的水平，节点定位精度也将从当前的米级、分米级，进一步提升至厘米级和毫米级，这些改进将极大地拓展物联网的应用场景。然而，这一领域也面临着诸多亟待解决的技术难题。除文中已提及的问题外，当系统峰值速率达到1 Tbit/s后，基带处理和实时性保障将面临更大的技术挑战，而如何在移动过程中实现毫米级的定位精度，仍然面临巨大的技术障碍。这些问题的突破，不仅需要无线光通信技术的持续演进，还需与其他前沿领域，如人工智能等，实现深度融合。因此，如何进一步推动无线光通信技术的发展，解决其关键问题，使其真正成为推动下一代物联网的重要引擎，不仅具有重要的理论意义，更具有重大的应用价值。