無線通信在雨天環(huán)境中的應(yīng)用至關(guān)重要，例如車載通信，可靠且高速的數(shù)據(jù)傳輸對于安全和效率至關(guān)重要。傳統(tǒng)射頻（RF）通信在這種環(huán)境下面臨諸多挑戰(zhàn)，不僅頻譜資源緊張，且容易受到天氣的干擾。可見光通信（VLC）作為一種新興的無線通信技術(shù)，憑借其高速率和抗電磁干擾能力強等優(yōu)勢，展現(xiàn)出廣闊的發(fā)展前景。盡管VLC通常用于室內(nèi)環(huán)境，但這些優(yōu)勢使其在室外環(huán)境中的應(yīng)用越來越受到關(guān)注，特別是在車載通信方面。在戶外VLC場景中，基于激光的自由空間光學(xué)（FSO）通信系統(tǒng)在應(yīng)對雨、雪、霧等惡劣天氣時仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。最近的研究表明，降雨顯著影響了VLC系統(tǒng)中的信噪比（SNR）、誤碼率（BER）和數(shù)據(jù)速率，在惡劣天氣條件下的性能急劇下降。模擬結(jié)果顯示，隨著降雨強度的增加，雨水的吸收和散射特性降低了接收信號強度，導(dǎo)致誤碼率上升，通信效果變差。大多數(shù)現(xiàn)有研究集中在VLC信道特性的理論模擬上，缺乏實驗驗證。
為解決上述問題，復(fù)旦大學(xué)田朋飛教授課題組，設(shè)計了一個3.38 m長的人工降雨通道，使用四種波長激光（405、450、520、650 nm）系統(tǒng)地測試不同降雨強度下的信號衰減特性；引入了正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制算法，結(jié)合信道自適應(yīng)比特加載和預(yù)均衡，提高系統(tǒng)抗衰減能力，首次在實驗層面實現(xiàn)了雨天環(huán)境下30 Gbps的VLC系統(tǒng)。相關(guān)成果發(fā)表在Chinese Optics Letters 2025年第23卷第6期。
圖1 基于激光的VLC系統(tǒng)在3.38 m雨環(huán)境信道中的實驗裝置及系統(tǒng)流程圖
該研究旨在探索VLC在雨天環(huán)境中的性能瓶頸，并尋求突破高速無線通信的系統(tǒng)解決方案。研究人員開發(fā)了一種在人工雨環(huán)境中使用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制的高速VLC系統(tǒng)。首先，在雨通道中測量了波長分別為405 nm、450 nm、520 nm和650 nm的可見光激光的傳輸特性；隨后，利用四個高調(diào)制帶寬的激光器傳輸光信號，以實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。實驗中使用了3.38 m長的雨室和雨發(fā)生器來模擬實驗室中的戶外雨天條件，如圖1所示。研究結(jié)果表明，在雨天條件下，可見光的通信速率衰減受波長影響，波長越長，在大雨條件下衰減越小。
從實驗結(jié)果可以看出，650 nm 激光在雨天環(huán)境中表現(xiàn)出最小的信號衰減，在小雨條件下實現(xiàn)了8.01 Gbps的最大數(shù)據(jù)速率和3.6 dB的低路徑損耗，顯示出其在可見光通信中的獨特優(yōu)勢。系統(tǒng)在小雨環(huán)境中四波長波分復(fù)用數(shù)據(jù)速率超過30 Gbps。該研究突破了雨天環(huán)境對高速可見光通信系統(tǒng)的限制，實現(xiàn)了光通信在極端天氣條件下的可靠傳輸，具有重要的理論和工程價值。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于車聯(lián)網(wǎng)、智能交通等對高速無線傳輸有高需求的戶外場景，不僅填補了高速可見光通信在雨環(huán)境下實驗驗證的空白，也為構(gòu)建更魯棒的VLC系統(tǒng)提供了切實可行的路徑。下一階段，研究團(tuán)隊計劃將該系統(tǒng)拓展至室外雨霧天氣下的動態(tài)測試，并探索與紅外通信的聯(lián)合增強機(jī)制。此外，還將開發(fā)更高帶寬的激光器以支持多通道集成,服務(wù)智能交通與綠色通信發(fā)展，助力智慧交通建設(shè)。
田朋飛
復(fù)旦大學(xué)
作者簡介
田朋飛，復(fù)旦大學(xué)教授、博導(dǎo)。華中科技大學(xué)學(xué)士、北京大學(xué)碩士、英國思克萊德大學(xué)博士。入選國家高層次人才計劃、上海市東方英才計劃、全球前2%頂尖科學(xué)家。長期致力于氮化鎵基micro-LED研究。主持國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等項目。發(fā)表期刊和會議論文200余篇，國內(nèi)外邀請報告30余次，出版5部專著，授權(quán)發(fā)明專利20項，主導(dǎo)制定2項團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)。
（來源：愛光學(xué)）
