基于6G光子学构建的6G网络泛光通信架构

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网络泛光通信架构，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。不同于现有可见光通信(Visible Light Communication，VLC)的技术，本申请首次提出泛光通信(Flood LightCommunication，FLC)的概念，它是一种能够打破无线频谱限制，并能与传统无线太赫兹通信进行后向兼容和平滑演进的新型通信模式，是6G光子学这个新兴的子学科领域主要的研究对象。

本申请主要面对的工程科技问题是“当前国际上无线频谱(2G/3G/4G/5G)已基本用完、后续频谱资源几乎枯竭，6G相对5G通信速率和容量又需提升百倍至千倍，如何满足这一重大国际需求”。因此，本申请提出一种基于6G网络的泛光通信架构，将“泛光空口”、“泛光基站”、“泛光终端”三者有机结合起来，利用极具广阔前景的泛光频谱资源(频率3×10

本申请的一个方面提供一种泛光通信基站，包括泛光空口装置，所述泛光空口装置包括：宽频泛光辐射阵列，包括多个泛光辐射单元，用于在泛光频段中向泛光终端发射泛光信号；以及宽频泛光探测阵列，包括多个宽频泛光探测单元，用于探测泛光终端发射的泛光信号。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信基站还包括：至少一级光信号放大器，用于放大泛光信号；调制/解调模块，用于对要经光空口发送的信号进行调制，或者对经光空口接收到的信号进行解调；光滤波器组，用于过滤超宽频光辐射的所需频段；信号编码模块，用于对信道和信源进行编码；以及信令转换模块，用于解析光信号中的信息。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信基站具有如下两种蜂窝网络架构中的一种：以基站为中心的蜂窝组网，其中将泛光辐射源视为“小区基站”，通过基站的集中调度，控制用户接入和资源管理；以及以用户为中心的蜂窝组网，其中以用户为中心进行资源管理，使多个泛光辐射源的光信号以用户为中心相互配合。

在一些示例性实施例中，所述泛光空口装置还包括：光学像素成像探测阵列，包括多个光学像素探测单元，用于对二维空间信号流进行成像检测以恢复出发送信息。

在一些示例性实施例中，所述宽频泛光探测阵列和所述光学像素成像探测阵列集成为同一个集成阵列。

在一些示例性实施例中，所述泛光空口装置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，所述泛光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。

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，所述宽频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。

在一些示例性实施例中，所述泛光空口装置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，在用户活动的可见光区域中，所述发射和探测的泛光信号采用包括可见光的频率范围，而在黑暗环境中，所述发射和探测的泛光信号采用可见光以外的频率范围。

在一些示例性实施例中，所述宽频泛光辐射阵列发射的泛光信号包括如下信号中的一种或多种：闪烁速度超过人眼阈值的发光强度快速变化的泛光信号；用于点对多点通信的单/多光子信号；以及通过光源阵列发射的二维信号空间流泛光信号。

在一些示例性实施例中，所述宽频泛光辐射阵列的辐射强度根据用户的密度进行调制，通过定向光束赋形和/或波束整形，将能量集中到一个覆盖区域。

在一些示例性实施例中，多个泛光通信基站之间进行多点对多点传输。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信基站基于6G光子学构建，并通过光承载网连接或传输到6G核心网。

本申请的一个方面提供一种泛光通信终端，包括：宽频光辐射源，用于发射上行泛光信号；宽频光探测器，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，所述泛光通信终端还包括：光信号放大器，用于对泛光信号进行功率放大；以及光滤波模块，用于对泛光信号进行滤波以获得所需频率的泛光信号。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信终端通过无线光路与泛光通信基站进行通信。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信终端是手机、车载移动终端之一。

在一些示例性实施例中，所述上行泛光信号和下行泛光信号在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。

本申请的一个方面提供一种泛光通信网络系统，包括：上述泛光通信基站，其与上述泛光通信终端进行泛光信号通信。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信网络系统的泛光信号可用频段在3THz至30PHz的范围，接入速率在100Gbps至1Tbps的范围。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信网络系统的泛光信号包括可见光、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，在用户活动的可见光区域中，所述泛光通信基站采用包括可见光的频率范围工作，而在黑暗环境中，所述泛光通信基站采用可见光以外的频率范围工作。

在一些示例性实施例中，所述泛光通信网络系统基于6G光子学构建，所述泛光通信基站通过光承载网连接或传输到6G核心网。

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示出了可见光VLC资源与泛光资源之间的关系的示意图。

图2示出了包括可见光资源和泛光资源在内的频谱资源划分的示意图。

图3示出根据本申请一示例性实施例的6G泛光通信网络的示意性系统架构图。

图4示出根据本申请一示例性实施例的光学天线的结构示意图。

图5示出根据本申请一示例性实施例的多个光空口装置之间采用多点对多点传输模式的示意图。

图6示出根据本申请一示例性实施例的泛光基站的功能框图。

图7示出根据本申请一示例性实施例的泛光终端的功能框图。

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。

随着信息技术的迅猛发展，频谱资源匮乏的困境日益凸显。泛光所处的频谱波段一直是通信的闲置资源，是一种极大的浪费。为了高效的利用频谱资源，开辟自由空间泛光通信的新通信频谱资源，使得可用资源是现有无线电通信频谱的1万倍以上。

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示出了可见光VLC资源与泛光资源之间的关系的示意图，图2示出了包括可见光VLC资源与泛光资源在内的频谱资源划分的示意图。可以理解，可见光VLC使用的频谱资源是泛光的一个子集(如图1所示)，且频段带宽较窄，远不如泛光所包含的频谱资源广阔。本申请提出基于6G光子学构建6G网络泛光通信架构，由泛光空口、泛光基站、泛光终端三者组成未来新一代移动通信系统，充分利用具有广阔频段的泛光频谱资源，将高频太赫兹(3THz以上)、红外线、各色可见光、紫外线等一体化新型频谱资源作为用户数据的载体(如图2所示)，共享从太赫兹(THz)到拍赫兹(PHz)的泛光频谱资源的空闲频段、授权与非授权频段，提供超高速率超大容量超长跨距的移动数据传输，满足6G业务的发展需求。因而，能够将终端与网络之间的上下行带宽扩展至100G bps乃至1Tbps甚至更高。

以可见光通信为例，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，由此说明可见光通信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。由此可见，基于自由空间的泛光通信将是可见光通信未来演进的方向。

本申请将传统移动通信的可利用频段扩展至3THz～30PHz(频率3×10

图3示出根据本申请一示例性实施例的6G泛光通信网络的示意性系统架构图。在图3所示的系统架构中，在继承5G网络对空口(5G New Radio,5G NR)和基站系统(gNB)命名方式的基础上，将6G网络的光空口定义为6G FLR(6G Flood Light Radio)，6G网络的光基站系统定义为6G FL-NB(6G Flood Light Node B)。如图3所示，本申请的6G泛光通信网络主要涉及6G FLR、FL-NB和光终端三部分，并且其与现有LTE eNB和5G gNB网络兼容。

参照图3，6G泛光通信网络包括泛光基站10和泛光空口装置20。这里应理解的是，虽然这里为了描述方便而将泛光基站10和泛光空口装置20示出为两个装置，但是它们也可以统称为泛光基站，或者说属于泛光基站。这里描述的泛光基站10是基于泛光交换的基站控制系统，泛光空口装置20则是泛光接入装置，用于使得后面描述的泛光终端30可以经由泛光空口装置20(或者说接入装置)接入到泛光基站10。

泛光基站10与传统无线通信基站例如4G LTE基站eNB和5G基站gNB的不同之处主要在于，泛光基站10交换的数据全部基于泛光信号，因此如前所述，在频率和带宽等方面相对于传统基站有显著优势。泛光基站10的其他方面，例如其中应用的协议等，可以利用或兼容5G基站中的协议，或者可以是未来开发的6G光子通信协议。泛光基站10可以将处理后的数据经过光电转换中继，传输到传统的4G LTE基站eNB或者5G基站gNB网络中，从而与现有网络兼容，此外也可以传输到6G核心网，其也可以是全光网络。

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10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10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。

在一些实施例中，泛光移动通信基站10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，这与4G网络和5G网络中的基站类似；后者架构则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。

同一个泛光基站10可以与多个泛光空口装置20相关联，泛光空口装置20是整个泛光通信架构的泛光接入点，其可以围绕基站布置在多个远程位置或场所。泛光空口装置20可以包括例如能够发射太赫兹光、红外光、可见光、紫外光等的宽频泛光辐射源(例如：LED或Micro-LED光源、宽频带激光器等)，或者包括由多个宽频泛光辐射源所组成的N×M的辐射集成阵列，从而能根据不同的泛光频段发送调制后的用户数据信号。泛光空口装置20还包括能够接收相应频段泛光信号的光探测器(例如：超宽光谱响应的感光阵列，或光学成像阵列)或多个光探测器的集成阵列，其可以通过光谱感应、光子计数和光学成像等技术来接收泛光信号。这些辐射发射阵列和接收阵列构成泛光通信架构的光学天线系统。泛光空口装置20还可对要发射的或接收到的光学信号进行功率放大。

与传统无线天馈系统不同，泛光空口装置20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20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。

多个泛光终端30可以接入到图3所示的泛光通信网络中。泛光终端30可以包括例如支持泛光通信的手机、平板电脑、车载泛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30可以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。在一些实施例中，泛光终端30可以包括光信号放大器、光滤波器件和光电转换器件等模块。泛光终端30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。泛光终端30包括一切基于泛光信号交换的智能移动终端。在另一些实施例中，泛光终端30内部也可以是传统的基于电流/电压运行的部件，电信号在经过光电转换之后，再通过泛光接口与泛光空口装置20进行通信。

在图3所示的泛光通信架构中，系统单元之间均由高速光承载网络进行互连。例如，泛光基站10与泛光空口装置20之间可以通过有线光纤来互连，泛光空口装置20与泛光终端30之间可以通过无线光路来互连。

图4示出根据一示例性实施例的光学天线的结构示意图，其可应用于图3所示的泛光空口装置20中。如图4所示，光学天线40可以是平面/区域定向泛光辐射阵列(如图4中的(a)所示)或者球面全向泛光辐射阵列(如图4中的(b)所示)，其每个都可包括宽频泛光辐射源阵列42、超宽频光谱响应探测集成阵列44和光学像素成像探测集成阵列46，其中超宽频光谱响应探测集成阵列44和光学像素成像探测集成阵列46可以是分开的阵列，也可以布置成一个混合阵列，如图4中所示的那样。宽频泛光辐射源阵列42可包括多个用于发射光辐射的泛光辐射单元41，超宽频光谱响应探测集成阵列44可包括多个用于接收光辐射信号的宽光谱响应探测单元43，光学像素成像探测集成阵列46可包括多个用于进行成像检测的光学像素探测单元45。光学天线40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。

如图4所示，光学天线40可以采用平面定向大规模光辐射集成阵列或者球面全向大规模光辐射集成阵列，用于外发射频率在3THz到30PHz的光辐射，包括例如可见光、高频太赫兹光波、红外光和紫外光等，以与终端装置30和/或其它光空口进行泛光连接。应理解，辐射阵列发射的和探测阵列探测的泛光信号的频率可以根据场景需要来适当地选择，例如在用户活动的可见光区域中，发射和探测的泛光信号可以采用包括可见光的频率范围，而在黑暗环境中，发射和探测的泛光信号则可以采用可见光之外的频率范围，以避免不期望的光污染。其中，N×M辐射阵列由多个诸如Micro-LED或者小型高宽带激光器的单光辐射源组成，在阵列附近有超宽光谱响应探测器阵列组成的光辐射接受器件，用于接受来自终端或者光空口的泛光信号。

泛光辐射单元41所发射的泛光信号可包括如下三类信号，第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VLC通信，第二类是点对多点通信的单/多光子信号，可用于FLC和VLC通信，第三类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FLC和VLC通信。

超宽光谱响应探测器44可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。每个光学超宽光谱响应探测单元43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，如后面关于物理层传输技术详细描述的那样。

光学像素探测单元45可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45主要包括成像感光器件，例如如高敏感度CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)器件等，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例如：(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；以及(d)具有灵活可变视场角的接受能力。

光空口系统中的泛光辐射和探测器件中还可以包括外调制器、放大器、复用器、解复用器、光开关、集成收发器等多种的光电器件，其用于构成全光路装置或者光路/电路混合装置，以进行光信号或光电混合信号的处理，实现光空口装置20的期望功能，例如类似于4G或5G中通过传统电路实现的空口功能。在一些实施例中，多个光空口系统之间，或者说多个基站之间，可以采用多点对多点传输模式，如图5所示，其中N是指某个空口系统或者说基站系统。

图6示出根据本申请一示例性实施例的泛光基站控制系统的功能框图。如图6所示，泛光基站10可包括：光信号多级放大器11，用于放大微弱的泛光信号；调制/解调模块12，信号经调制后发送到光空口以供发送，或者经由光空口接收的信号经解调后获得相应的数据；光滤波器组13，用于过滤超宽频光辐射的各类所需频段；信号编码模块14，用于对信道和信源进行编码；以及信令转换模块15，用于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。可以理解，在一些实施例中，泛光基站10中的这些光模块在功能方面与传统4G或5G基站中的电路模块彼此相似，但是其实现方式有所不同，前者主要基于光器件，形成处理光路，而后者主要基于电器件，形成处理电路。

图7示出根据本申请一示例性实施例的泛光终端的功能框图。与传统终端(手机、车载移动终端)不同的是，泛光终端30的信号收发通过在其自身的小型宽频光辐射源31和宽频光谱探测器32完成，宽频光辐射源31和宽频光谱探测器32的上下行信道与光空口20进行通信，能够收发3THz到30PHz的光信号。此外，如图7所示，泛光终端30可包括对发送和接受到的信号进行功率和透镜放大的光放大器模块33，用于例如过滤出某个运营商合法的泛光谱频率的光滤波模块34，以及光电转换模块34，其可以将光信号带来的信息转换成电信号，以便能让终端的中央处理器或其他器件进行处理，并将其显示在终端屏幕36上，或者将来自于中央处理器或其他器件的电信号转换成光信号。

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。

本申请的一些实施例也同时也支持泛光通信协议与无线电等其他网络的异构协议之间的融合，发挥多种网络的各自优势，提供更好的网络性能。本专利在兼容现有不同光源和调制带宽，也兼容现有802.11无线电模式，适合于泛光通信特点的混合协调模式信道接入、重叠基本服务集检测和共存、高效功率管理设计，以及泛光通信物理层和现有物理层之间的转换或快速会话转移过程的安全性支持。例如，在一些实施例中，泛光通信系统的上行链路可以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。除了从传统无线通信的传统技术进行平移改造以外，还能够有针对性使用光电协同的新型传输技术。

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，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3×10

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 Avalanche Diode)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，在继承了LTE和5G命名标准的基础上，定义6G网络泛光空口6GFLR(Floodlight Radio)和泛光基站FL-NB(Floodlight Node B)系统的概念，与前几代网络(2G/3G/4G/5G)后向兼容。

在一些实施例中，光基站是光辐射信号的处理控制单元。光基站具有多种光交换控制模块，是泛光通信架构的光信号数据交换和处理单元，具有传输符号的光信号多级放大、调制/解调，光滤波器组、信道/信源编码和信令解析等功能。泛光基站交换的数据全部基于泛光信号，可将处理后的数据经过光电转换中继，传输到LTE eNB(evolved Node B)或者5G gNB(next generation Node B)网络中，与现有网络(2G/3G/4G/5G)后向兼容，同时也能传输到6G的核心网。

在一些实施例中，6G网络泛光通信架构可连接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(至少具有泛光通信接口等功能)。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，与传统的微波辐射天线集成一体并协同工作，利用泛光辐射与泛光空口和泛光基站通信。泛光终端至少包括光信号放大器、光滤波电路和光电转换电路等模块。泛光终端的泛光基带系统至少能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。

在一些实施例中，6G网络泛光通信架构支持泛光通信控制层面的协议与无线电等其他网络的异构协议之间的融合，实现光电协同。兼容现有不同光源和调制带宽，也兼容现有802.11无线电模式。

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，由于传输用户信号的光频谱资源包含一部分具有光学特性的高频太赫兹频段，也能使用光电转换中继与6G网络的太赫兹基站进行数据交换，使泛光通信架构与6G网络部分功能兼容。

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，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：泛光通信的实验结果

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。本申请提出的泛光通信架构将有利于使未来移动通信演进技术突破日益贫瘠的频谱资源，使通信技术拥有广阔的发展空间。基于6G网络的泛光通信架构，包括光空口、光基站和光终端三种网元，利用具有大量频段资源的光频谱，将高频太赫兹(3THz以上)、红外光、各色可见光、紫外光等一体化新型频谱资源，作为数据信号的载体，能够提供超高容量超带宽的移动数据传输，终端与网络之间的上下行带宽能够扩展至100G bps乃至1T bps以上，充分满足未来6G业务的发展需求。

在室内覆盖方面，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、办公室等多种场景中得到应用。

泛光通信的定向辐射、快速衰减、空间复用率较高等的突出特点，开辟出崭新的频谱资源。未来移动通信将从高频段太赫兹(THz)跨越到拍赫兹(PHz)，进入泛光通信时代。

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。