面向室内多用户接入的实时近红外无线通信系统

光无线通信作为6G网络的重要候选技术，可利用光波载波实现高速、低电磁干扰和高安全性的无线接入，在室内智能终端互联、物联网和保密通信等场景中有广阔应用前景。相比可见光通信，近红外光无线通信能够避免照明条件变化带来的性能波动和人眼视觉干扰并可借助硅基雪崩光电二极管在850 nm波段的高探测灵敏度提升弱光接收能力。然而，面向实际部署的室内光无线通信系统仍需同时解决多用户接入、全双工传输、实时处理、链路可靠性和系统成本等问题。在此，中科院西安光机所谢小平、高铎瑞研究员团队合作设计并实现了一种面向室内多用户接入的实时近红外全双工光无线通信系统。该系统以现场可编程门阵列为实时信号处理核心，结合传输控制协议/网际协议完成网络兼容的数据传输并采用高功率850 nm发光二极管阵列作为光源，以提高发射功率和对准容差。通过里德–所罗门编码和基于比较器的判决整形，系统误码率降低3–6个数量级；进一步利用空间复用实现两个用户的同步双向接入，在5 m无透镜链路上支持33 Mbps实时视频传输。对于点对点通信，该系统在无透镜条件下可于20 m范围内实现25 Mbps可靠传输，引入光学透镜后通信距离扩展至80 m并保持误码率低于前向纠错阈值。该工作从器件、电路、编码、协议到应用演示完成了较完整的系统集成，为近红外光无线通信在未来光保真、智能家居和物联网室内接入中的实际应用提供了重要参考。该工作发表在Chinese Optics Letters上。

Bin Yao (姚 斌), Mingyang Sun (孙名扬), Duorui Gao (高铎瑞), Shuaiwei Jia (郏帅威), Wen Shao (邵 雯), Xiaotian Han (韩笑天), Mingze He (何明泽), Hui Li (李 慧), Chunhui Luo (罗春晖), Peng Li (李 鹏), Wenchao Nie (聂文超), Wei Wang (汪 伟), and Xiaoping Xie (谢小平), Real-time near-infrared optical wireless communication system for indoor multi-user access. Chinese Optics Letters 24(3): 030602 (2026).

 

随着物联网的快速发展，射频通信受限于稀缺的频谱资源，难以满足6G网络日益增长的数据传输需求。光无线通信以光波作为载波，具有高带宽、频谱资源丰富以及完全不受电磁干扰等显著优势，因而成为传统射频 通信的重要互补方案。基于LED的发射机可实现高密度室内蜂窝连接，同时为多用户和访客提供通信服务；其也适用于保密作业区域、电磁受限区域等特殊环境。尤其在与射频上行链路结合时，光无线通信可支撑先进的混合WiFi/LiFi网络，因此被认为是下一代通信的关键技术之一。

近年来，面向室内应用的全双工光无线通信系统受到广泛关注。当前较为常用的下行链路方案主要基于可见光通信，其核心思路是在传统照明基础设施中集成收发器，使照明设备同时承担照明与数据传输功能。在下行链路中，LED由于具有较大的发散角和较好的对准容差，常被用作光发射源。针对LED非线性响应和调制带宽受限等问题，相关研究已从非线性均衡、硬件均衡、调制优化和速率自适应等方面开展改进，有效缓解了LED通信性能受限的问题。这些优势使可见光通信成为室内光无线通信中极具潜力的技术方案。然而，在实际应用中，可见光通信仍面临若干挑战。例如，邻近照明光源会引入干扰；当场景不需要照明时，系统又必须降低光强，从而可能削弱通信性能。类似地，若上行链路仍采用可见光，尤其是当发射机嵌入消费电子设备时，明显的视觉干扰会影响用户体验。

近红外光为上述问题提供了另一种可行路径。研究人员采用近红外LED与相机接收机，实现了室内上行无线通信链路；基于发散角为20°的近红外垂直腔面发射激光器阵列，构建了高速光无线通信系统。在吉级全双工室内光通信系统中，上行链路可采用850 nm垂直腔面发射激光器作为光源并结合16阶无载波幅度相位调制方案，使系统最高可达数据速率达到2 Gbps。此外，光束转向红外光通信系统可为每个用户提供10 Gbps的传输速率。这些进展表明，红外光无线通信有望为超高速室内通信提供下一代无线接入服务。与可见光相比，红外光允许更高的发射功率，同时能够减轻视觉干扰并提升用户体验。

实时信号处理是室内光无线通信系统走向实际部署的关键环节。然而，现有许多系统仍主要停留在离线处理阶段。相比之下，水下光无线通信领域在实时处理方面已取得较多进展，可为室内实时光无线通信系统设计提供有益参考。已有实时通信系统在10 m水下距离上实现了25 Mbps传输。随后，面向水下10兆基带双绞线以太网传输的光无线调制解调器得到研制并可在强太阳光干扰的浑浊港湾水体中于10 m距离上保持10 Mbps通信。面向水下集群机器人的全向机器鱼光通信系统则采用基于微控制器单元的实时信号处理方案，在7 m水下距离上实现了5 Mbps通信。通过硬件均衡，LED调制带宽可由6.94 MHz扩展至40.2 MHz，从而支持游泳池中32 m、空气中210 m的80 Mbps实时传输。此外，串联蓝光LED阵列可在12 m水下信道中实现4 Mbps双向视频传输；采用520 nm激光二极管发射机的系统，则可在120 m自由空间链路中实现10 Mbps实时通信。表1对比了与这里的光无线通信系统性能。这些工作展示了多种有效的实时处理方法，也为近红外通信系统在室内环境中的部署提供了重要参考。

表1 光无线通信系统性能对比。

在光无线通信系统中实现多用户接入仍是一项重要研究挑战。现有方案主要采用正交多址技术，包括时分多址、频分多址和码分多址。基于量子点微型LED的正交幅度调制-正交频分多址可见光通信系统，已可实现多用户连接。为进一步提升系统的用户接入容量，研究人员还探索了非正交多址技术，通过功率域或码域复用共享时频资源。值得注意的是，基于幅度阈值检测实现了无串行干扰消除的解调方案，在水下环境中实现了双用户的30 Mbps全双工通信。近期利用非正交多址实现了双用户接入并通过均衡技术扩展LED带宽，使两个用户均达到40 Mbps数据速率。然而，正交多址存在频谱效率较低的问题，而非正交多址会带来解调复杂度和多用户干扰。在用户数量有限的场景下，空间复用是一种有前景的替代方案，可在干扰、系统复杂度和成本性能之间实现有效平衡。

这里，研究人员提出了一种实时近红外光无线通信系统，与传统可见光通信系统相比具有明显优势。系统工作在近红外波段，可消除人眼视觉干扰并显著降低环境照明扰动。此外，硅基雪崩光电二极管在850 nm处具有更高探测灵敏度，可延长通信距离。系统采用FPGA进行实时信号处理，同时使用自主开发的计算机软件进行监测和参数调节。借助空间复用，系统支持两个用户的同步双向通信。实验表明，在自由空间条件下，点对点链路可在20 m距离上实现25 Mbps的数据速率。虽然较大的链路损耗限制了传输距离，但采用光学透镜进行光束聚焦后，通信距离可扩展至80 m，该光无线通信系统的实现为室内设备互联提供了一种实用方案。

图1 室内双用户接入系统示意图。

为满足室内环境中不断增长的多用户连接需求，研究人员实现了全双工通信系统并通过空间复用支持双用户接入。双用户接入系统的体系结构，如图1所示。布设在天花板上的接入点集成了两组独立收发器，可进行并行数据处理。用户1和用户2终端位于不同空间区域的可移动轨道上。个人计算机、网络摄像头和用户终端通过以太网交换机连接，以实现数据交换。网络摄像头采集的图像作为经光链路传输的数据源。当通信链路成功建立后，接收端计算机可实时显示传输的视频。

 

图2 全双工无线通信系统示意图。

 

图2给出了所提出通信系统的工作原理。在发射端，图像数据被送入FPGA，经编码并调制为幅度约为±600 mV的低压差分信号。随后，差分信号输入IC-HG激光开关驱动模块，用于调制850 nmLED阵列。IC-HG激光开关驱动模块是一种用于开关控制和恒流驱动的高性能集成模块，可提供200 MHz的大带宽和3 A的最大输出电流。经自由空间传播后，光信号会同时受到功率衰减以及噪声引起的波形失真。

在接收端，带通光学滤波片（850 nm±15 nm）用于抑制照明光、太阳光等背景光。滤波后的光信号由硅基雪崩光电二极管探测，该二极管的光敏面直径为3 mm，在850 nm、M=100条件下的响应度为40 A/W，可将弱光信号转换为电流信号。随后，跨阻放大器以14 kV/A的增益将电流信号转换为电压信号。值得注意的是，高压偏置模块为硅基雪崩光电二极管提供400 V偏置电压，以实现M=100的增益；同时，线性热敏电阻通过反馈控制动态调节偏置电压，以维持硅基雪崩光电二极管的最佳工作状态。然而，由于硅基雪崩光电二极管光敏面积较大且存在寄生电容，其−3 dB带宽被限制在50 MHz。需要指出的是，硅基雪崩光电二极管输出信号与发射信号极性相反。为提升信号质量，系统先通过无源滤波器滤除噪声；随后采用自主设计的运算放大器对信号进行反相和放大，该运算放大器具有较高线性度和增益带宽积。为确定最佳判决阈值，系统使用阈值电压可手动调节的比较器对波形进行整形并向现场可编程门阵列直接输出标准化的开关键控信号。现场可编程门阵列是发射和接收两端实时处理与控制的核心部件，承担数据帧封装与解析、信号调制与解调、时钟同步、纠错编码与解码、误码率计算以及链路监测等关键功能。经同步和解调后，系统通过对恢复数据流进行统计分析获得误码率。实验中，采用数字荧光示波器观测并存储信号波形。

图3 全双工无线通信系统用户终端结构图。（a）整体外观图。（b）内部结构图。（c）分立模块图。

图3(a)展示了全双工光无线通信系统的用户终端。半球形外壳采用轻质、高透过率的亚克力材料，以尽量减小反射光束干扰。LED和硅基雪崩光电二极管位于同一层并保持固定的间隔距离；同时，在接收端设置了光学隔离结构。图3(b)展示了内部结构，主要由数据处理电路和结构部件组成。通过优化内部空间，系统体积可有效减小，同时散热能力得到提升。图3(c)展示了系统的关键分立组件。

图4 近红外全双工光无线通信实验。（a）一对二通信与视频传输演示。（b）在自由空间中配合透镜进行80 m距离传输。

室内光无线通信实验示意图，如图4(a)所示。接入点集成两组收发器，用于支持不同覆盖区域内的用户接入。各收发器通过标准化接口互连，实现实时信息交换，从而支持协议控制等信号处理功能。此外，研究人员还进行了两个用户的实时视频传输演示：两个用户通过摄像头向接入点传输视频流，接入点 侧主机随后根据各自分配的IP地址对两路视频流进行解码和显示。然而，受 接入点 俯仰角和光源发散角限制，从接入点到用户的最大视距约为5 m。当用户终端在覆盖区域内移动时，系统仍可保持稳定通信。为评估最大可达通信距离，研究人员进一步将两端终端水平对准进行测试，如图4(b)所示。系统在无透镜条件下成功建立了20 m的双向通信链路；配备透镜后，通信距离扩展至80 m。

图5 LED的电学和光学特性。（a）单颗LED的光电特性曲线。（b）归一化辐射强度分布曲线。

这里，研究人员采用中心波长为850 nm的近红外LED作为全双工光无线通信系统的光发射器。该LED的全发散角为40°，半峰全宽为34 nm，有源芯片面积为0.75 mm×0.75 mm。为提高发射光功率，研究人员将六颗LED组成3×2串并联阵列。即使单个LED失效，这种连接方式仍可提供一定的容错能力。

图5(a)给出了单颗LED的电学和光学特性。通过施加1.00–2.00 V的电压并以0.05 V为步长进行测量，获得电流和光功率。测量结果表明，该LED的导通电压为1.30 V。当电压达到1.75 V时，对应电流和光功率分别为0.98 A和24.50 dBm，可视为典型工作点。然而，当电压升至2.00 V时，显著发热会降低器件性能并缩短寿命。因此，为优化系统性能，需综合考虑线性工作区和光功率。图5(b)展示了归一化强度随辐射角的分布曲线，可见在20°半发散角处强度下降至50%。

图6（a）LED的幅频响应特性。（b）接收光功率与距离的关系。

图6给出了LED的幅频响应特性。测量装置采用硅基雪崩光电二极管探测器，其在850 nm、M=100条件下的响应度为45 A/W，频率响应范围为50 kHz~1 GHz，可完全满足实验要求。实验使用宽带偏置三通（40 kHz–18 GHz）向LED注入射频信号（1–110 MHz）并利用示波器记录接收信号幅度。测得−3 dB和−10 dB带宽分别为12 MHz和34 MHz。

实验还测量了自由空间条件下LED阵列在不同距离处的光功率变化。测量过程中，接收端保持水平并与LED阵列光轴对准。LED阵列在5.3 V下工作，发射光功率为33.8 dBm。20 m以内的接收功率使用手持式光功率计测量。如图7所示，在5 m和20 m处的接收功率分别为−29.1 dBm和−41.4 dBm，对应总链路损耗分别为63.2 dB和75.4 dB。基于Lambertian公式描述的LED辐射模型，测量结果体现了距离与功率衰减之间典型的反平方律关系。几何损耗是主导衰减因素，主要由传输距离、发散角和有效探测面积决定。

图7 硅基雪崩光电二极管输出信号。（a）接收数据的信号处理步骤。（b）反相与放大后25 Mbps信号的眼图。

在该通信系统中，雪崩光电二极管输出信号的电压极性与发射端输入信号相反。如图7(a)所示，雪崩光电二极管探测得到的25 Mbps信号幅度约为−0.8 V。经反相放大电路处理后，信号被转换为正极性电压输出，幅度提升至1.6 V。为满足FPGA输入端对逻辑电平稳定性的要求，系统进一步通过调节比较器判决阈值，对受噪声和带宽限制影响而产生畸变的模拟波形进行判决整形，最终输出幅度为1 V的标准开关键控数字信号。由图7(b)可以看出，信号下降沿响应较快，而上升沿由于高频分量衰减呈现较慢的瞬态响应，导致波形边沿不对称和幅度分布不均，进而使眼图上沿展宽。该结果表明，接收链路中的带宽限制和高频损耗是影响信号完整性的重要因素。

图8 5 m距离下两个用户的通信速率曲线。

图8给出了双用户光无线通信系统的数据速率特性。接入终端的最大视距为5 m。当两个用户的速率均为20 Mbps时，两条链路的误码率均优于1.0×10⁻⁷且眼图开口清晰。最大可达数据速率为33 Mbps，此时误码率仍低于3.8×10⁻³的前向纠错阈值。较短的通信距离提供了充足的链路裕量，因而能够保证信号质量。在33 Mbps数据速率下展示了视频传输和中断恢复。当视频传输链路被暂时遮挡时，系统会启动恢复流程，缓存尚未确认的帧并周期性探测远端。一旦链路恢复，传输控制协议将通过序列编号和确认机制自动重传未交付数据，从而保证数据完整性和可靠传递，实现无缝重连和连续传输。

图9 无透镜系统的通信特性。（a）不同数据速率下误码率-距离性能（前向纠错前）。（b）不同数据速率下误码率-距离性能（前向纠错后）。（c）不同数据速率下接收机灵敏度。（d）不同辐射角下误码率与光功率特性。

 

在点对点光无线通信实验中，在无透镜条件下测试了20 m范围内的系统性能。图9(a)和图9(b)分别给出了不同数据速率下前向纠错前后误码率随通信距离的变化。可以看出，在20 m通信距离处，前向纠错前误码率低于前向纠错阈值时的最大通信速率为25 Mbps。采用里德–所罗门编码可显著提升系统性能并将25 Mbps条件下的误码率降至1×10⁻⁵以下。RS编解码器基于Xilinx IP核在现场可编程门阵列上实现，参数配置为码长255字节、校验字节数32。以33 Mbps传输时，系统因带宽受限而达到性能极限；一旦传输距离超过10 m，前向纠错前误码率便会迅速恶化。

考虑到实时通信对高可靠性的要求，无透镜系统在前向纠错后可在20 m内可靠维持25 Mbps传输。图9(c)给出了不同数据速率下的接收机灵敏度。在20 m通信距离及前向纠错后误码率阈值3.8×10⁻³条件下，25 Mbps的接收机灵敏度达到−43 dBm。与未编码情况下−41.4 dBm的接收光功率相比，所得编码增益为1.6 dB。图9(d)给出了20 m处不同辐射角下的接收光功率及对应误码率。系统可在±8°辐射角范围内保持25 Mbps连续通信，而较大的角度会导致误码率明显上升。

表2 系统链路功率预算。

为评估所提出光无线通信系统的工作裕量，表2汇总了链路功率预算。分析表明，几何衰减是整体光功率衰减的主要来源。虽然较大的光束发散角可以降低对准要求，但由此带来的传播损耗会显著限制传输距离。在点对点实验中，未使用透镜时发射机与接收机保持近似共轴，因此可将对准误差视为可以忽略。

图10 配备透镜时的通信特性。（a）不同数据速率下误码率-距离性能（前向纠错前）。（b）不同数据速率下误码率-距离性能（前向纠错后）。（c）接收光功率和链路衰减随通信距离的变化。（d）RS编码前80 m处不同数据速率下 信噪比与误码率的变化。

为降低传输损耗并增强远距离传输时的能量集中度，研究人员实现了一套基于透镜的光学系统。发射端采用直径5 cm、焦距10 cm的凸透镜，接收端配备直径4 cm、焦距5 cm的非球面透镜。两片透镜的透过率均为90%。图10(a)给出了不同数据速率下通信距离与前向纠错前误码率的关系。系统在80 m距离上仍可支持最高25 Mbps的数据速率并保持持续较低的误码率。当数据速率提高至33 Mbps时，在误码率低于前向纠错阈值的条件下，通信距离仅能达到55 m。如图10(b)所示，里德–所罗门编码可显著降低误码率。尽管80 m、33 Mbps条件下的误码率仍接近前向纠错极限，但25 Mbps条件下经前向纠错后的误码率约降低4个数量级。

图10(c)展示了接收光功率和链路衰减随通信距离的变化。透镜能够有效提高光学增益，在80 m处接收光功率为−40.2 dBm，对应链路损耗为74 dB。实验中，商用透镜的使用引入了对准误差和其他非理想因素，最终使光学增益约提升12 dB。图10(d)给出了80 m距离处里德–所罗门编码前不同数据速率下信噪比和误码率的变化。由于带宽限制，通信速率升高时信噪比降低并导致误码率相应上升。信噪比定义为总信号功率与总噪声功率之比，可由信号和噪声的均方根值计算得到。实测噪声均方根值为20 mV。当数据速率由25 Mbps提高到33 Mbps时，信号均方根值由98 mV降至76 mV，对应信噪比分别为13.8 dB和11.6 dB。

多用户接入和全双工光链路的实现，是推动光无线通信走向实际应用的关键步骤。研究人员展示了一种实时光无线通信系统，可支持两个用户以最高33 Mbps的数据速率进行双向传输。这项工作的核心意义在于优先面向实际应用，在功能完整性、部署便利性、网络兼容性和成本效益之间实现平衡。与传统可见光通信相比，系统采用兼容现有网络的TCP/IP传输协议，以保证可靠通信。此外，通过实验展示了实时视频传输并证明当光链路被障碍物暂时中断时系统具有自动重连能力。这进一步表明，集成协议可为用户业务带来可靠性优势。与许多依赖复杂数字信号处理以消除干扰的研究不同，在双向链路中均采用不可见近红外LED阵列，既符合眼安全标准，又可减轻视觉干扰。总之，该系统在成本和结构复杂度之间取得了良好平衡，使研究更偏向实际应用。可以认为，这项研究对未来室内环境中的光保真通信和物联网连接具有重要实用价值和广阔应用前景。