综述：面向6G的VLC/LiFi网络中人工智能赋能的感知、通信与照明一体化：最新进展与未来展望

《Optical Switching and Networking》：AI-enabled integrated sensing, communication, and illumination in VLC/LiFi networks for 6G: Recent advances and future perspectives

　　

# 摘要

可见光通信（VLC）和光保真（LiFi）作为有前景的光无线技术，正在为第六代（6G）网络崭露头角，它们利用现有的照明基础设施，提供高容量、空间受限且无电磁干扰的无线接入。除传统数据传输外，相同的光学基础设施可同时支持照明、室内定位和环境感知，这种融合被正式定义为照明、感知与通信（LiSAC）。本综述从整合视角阐述了面向6G的VLC/LiFi网络中AI赋能的LiSAC。首先介绍了VLC/LiFi的基础知识，包括朗伯信道模型、强度调制直接检测约束以及LiFi组网架构。随后回顾了从通信导向的VLC向协同LiSAC的演进，涵盖实现分米级至厘米级精度的可见光定位，以及实现超过90%准确率的占用状态检测和手势识别的可见光感知。接着考察了人工智能在信道估计、信号检测、自适应调光、定位、资源分配和切换中的角色，其中深度强化学习展示了高达48%的数据速率提升，联邦学习实现了隐私保护的分布式优化。光子器件级使能技术——包括带宽超过800 MHz的GaN微LED、带宽比传统荧光粉大40倍的钙钛矿量子点色转换器件、波长转换光纤基探测器和光智能反射面——作为6G LiSAC系统的硬件基础被综述。最后，讨论了关键挑战，包括视距遮挡、多功能权衡、数据集稀缺、硬件-算法不匹配、实时实现、隐私和标准化问题，并提出了结构化的三阶段研究路线图。本综述强调，未来的VLC/LiFi系统必须走向AI原生、光子集成、隐私感知且经实验验证的架构，以支持多功能6G服务。

# 引言

数据密集型无线服务——包括沉浸式多媒体、扩展现实、智能制造、数字医疗、自动驾驶交通和海量物联网连接——的快速增长，对传统射频（RF）网络施加了巨大需求。尽管第五代（5G）系统显著提升了无线容量、灵活性和低延迟，但未来的第六代（6G）网络预计需要满足更加苛刻的要求，包括超高数据容量、超高可靠低延迟通信、无处不在的连接性、人工智能（AI）原生运营以及感知与通信一体化（ISAC）[1,2]。

国际电信联盟将AI与通信、无处不在的连接性以及感知与通信一体化列为IMT-2030的新型使用场景，同时还涵盖可持续性、安全性、韧性和无处不在的智能性等总体方面[3,4]。

在此背景下，光无线通信（OWC）作为RF系统的互补技术获得了越来越多的关注[5]。可见光通信（VLC）是OWC中最具吸引力的分支之一，它利用可见光源的强度调制并在接收端进行直接检测来传输信息[6]。光保真（LiFi）将VLC从点对点光链路扩展为完整的网络无线接入技术，可支持多用户连接、双向操作、移动性和与现有通信系统的集成[7]。VLC/LiFi可利用400-800 THz的广阔免许可光学频谱，复用现有照明基础设施，减少RF拥塞，提供空间受限通信，并在医院和飞机机舱等电磁敏感环境中运行[8,9]。

LiFi的标准化进一步增强了其实际意义。2023年6月批准的IEEE 802.11bb-2023定义了IEEE 802.11生态系统内光通信的物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）规范，支持800-1000 nm波段的双向操作，吞吐量从10 Mb/s到9.6 Gb/s，并实现了LiFi与Wi-Fi系统之间的互操作性[10,11]。对早期IEEE 802.15.7 VLC标准的补充性综述将这一新的802.11bb规范置于VLC标准化向下一代网络演进的大背景下[12]。这一标准化里程碑表明，LiFi正从实验室演示向异构无线网络中的实际部署过渡。然而，VLC/LiFi在6G中的未来角色不应局限于高速数据传输。由于VLC/LiFi依赖可见照明基础设施，同一光源可同时提供照明、承载通信信号、支持室内定位以及与环境交互进行感知。这使得VLC/LiFi成为多功能6G光无线系统的天然候选方案。

一个特别重要的发展是从通信导向的VLC向集成照明、感知与通信的转变。在基于RF的ISAC中，主要目标是联合使用无线信号进行数据通信和环境感知[13]。然而，在VLC/LiFi系统中，照明是固有的且不可避免的功能；因此，基于可见光的一体化必须更广泛地理解为照明、感知与通信的三方融合。Liang等人最近将该范式正式定义为LiSAC（Lighting, Sensing, and Communication），基于VLC综述了其信道特性、调制技术、系统设计和应用[14]。与RF-ISAC相比，LiSAC代表了重大的概念进步，因为光信号必须同时满足人类可见照明要求，同时支持通信可靠性和环境感知能力。这使LiSAC区别于更广泛的光学感知与通信一体化（O-ISAC）文献，后者主要处理光纤和自由空间光学感知-通信融合，而不涉及照明质量约束；一篇关于O-ISAC基础、应用和开放挑战的最新综合综述为参考文献[15]中采用的VLC特有的照明约束LiSAC公式提供了有用的对比点。

尽管前景广阔，集成VLC/LiFi面临若干技术挑战。通信需要足够的带宽、信噪比（SNR）和低延迟。照明需要亮度控制、调光、闪烁抑制、色质量和视觉舒适度。定位需要可区分的光学特征和可靠的几何信息。感知需要对环境变化、反射、遮挡或用户活动的敏感性。这些功能共享相同的光功率、带宽、硬件和网络资源，形成了复杂且耦合的权衡关系[6,14]。因此，静态系统设计和简化的信道模型往往不足以应对面向6G的动态VLC/LiFi环境。

人工智能为应对这种多维复杂性提供了有前景的解决方案。机器学习、深度学习、强化学习、联邦学习和物理信息AI可支持信道估计、信号检测、均衡、自适应调光、定位、感知、资源分配、切换和多用户网络管理[16,17]。AI赋能的VLC已被确定为6G的重要研究方向，因为基于学习的方法可以应对可见光信道的非线性、动态性和环境依赖特性[8,18]。与此同时，VLC/LiFi的性能上限在很大程度上取决于光子器件和光前端技术。先进的发射机如微LED和激光二极管可以提高调制带宽；光电探测器和成像接收机可以改善通信质量和空间感知；波长转换光纤（WSF）基探测器可以扩大有效收集面积和视场；光智能反射面（OIRS）可以重构光传播以缓解遮挡[19,20]。

本综述从整合视角阐述了面向6G的VLC/LiFi网络中AI赋能的感知、通信与照明。与主要关注数据传输的传统VLC综述不同，本文连接了四条研究脉络：VLC/LiFi组网基础、LiSAC导向的功能集成、AI赋能优化以及光子器件实现。这一整合范围使本综述区别于该领域许多最近的综述，后者通常只关注问题的一个方面：纯物理层/收发机综述[5]、专注于信道估计或切换等单项任务的AI-for-VLC综述[16]、侧重功能集成但未深入探讨AI方法的LiSAC/ISAC综述[14]，或联邦学习专题综述[17]。表1从四个维度——LiSAC功能集成范围、AI方法覆盖广度、光子/器件级覆盖以及前瞻性基于阶段的研究路线图——将本综述与七篇代表性近期综述进行了比较。据作者所知，本综述是这些综述中唯一同时涵盖所有四个维度的综述，这构成了其具体贡献和差异化特点（见表2）。

本文其余部分组织如下。第2节介绍VLC/LiFi的基础知识及其对6G光无线网络的相关性。第3节讨论从通信导向的VLC向集成LiSAC系统的演进。第4节综述物理层、接入层和网络层的AI赋能设计与优化。第5节考察光子器件级使能技术。第6节讨论挑战、部署场景和未来研究方向，第7节总结本综述。

# 各章节摘要

## VLC/LiFi基础与6G光无线网络

VLC和LiFi属于更广泛的OWC技术家族，信息通过光辐射而非RF波传输[24]。在典型VLC系统中，LED、微LED或激光二极管等光源根据电信号进行调制。调制后的光强度通过自由空间光信道传播，由光电二极管、成像接收机或其他光探测器转换回电信号。由于……

## VLC/LiFi中的集成感知、通信与照明（LiSAC）

VLC/LiFi从通信技术向多功能光无线平台的演进，源于可见光的内在双重用途特性。与RF系统不同，在RF系统中通信、感知和照明通常是分离且独立的基础设施，VLC/LiFi系统本质上与照明相连。相同的光学基础设施可同时提供可见照明、传输数据、支持室内定位和感知……

## AI赋能的设计与优化

集成VLC/LiFi引入了一个多维优化问题，无法仅通过经典解析或迭代方法有效解决。传统VLC系统主要关注链路级指标，如数据速率、误码率或调制带宽。然而，在AI赋能的集成VLC/LiFi系统中，相同的光学基础设施必须同时支持通信可靠性、照明质量、定位精度、感知鲁棒性、能效和移动性……

## 光子器件级使能技术

AI可以在系统层面优化VLC/LiFi运行，但可实现的最终性能受光子硬件的约束。发射机带宽、光功率、光谱特性、接收机灵敏度、视场以及重构光传播的能力都设定了任何算法都无法超越的硬性物理极限。在过去的二十年中，VLC技术取得了显著进步，传输数据速率从仅几Mbps增加到几十Gbps……

## 挑战、应用与未来研究方向

AI赋能的集成VLC/LiFi系统对6G具有巨大潜力，但实际部署需要克服一系列相互关联的技术、架构和标准化挑战。本节综述了主要挑战，识别了最具前景的应用领域，并概述了结构化的未来研究路线图。AI赋能的集成VLC/LiFi系统的五个主要部署挑战及解决方案如图4所示，展示了它们的……

# 结论

本综述考察了面向6G的VLC/LiFi网络中AI赋能的集成感知、通信与照明，连接了四条通常独立处理的研究脉络：VLC/LiFi组网基础、LiSAC导向的功能集成、AI赋能优化以及光子器件实现。核心论点是VLC/LiFi在6G中的未来价值不仅在于高速数据传输，还在于同时交付通信、照明……

# CRediT作者贡献声明

Amjad Ali：调查研究、指导、原创手稿撰写。
Syed Raza Mehdi：软件、原创手稿撰写。
Alabbas A. Al-Azzawi：验证、手稿审校与编辑。
Shulan Lin：项目管理、手稿审校与编辑。
Pablo Palacios Jativa：指导、手稿审校与编辑。
Waseem Ur Rahman：资源。
Baseerat Bibi：手稿审校与编辑。
Ameen Alkasem：手稿审校与编辑。

# 利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性经济利益或可能影响本文所报告工作的个人关系。

Amjad Ali | Syed Raza Mehdi | Alabbas A. Al-Azzawi | Shulan Lin | Pablo Palacios Jativa | Waseem Ur Rahman | Baseerat Bibi | Ameen Alkasem