南邮团队构建空天海一体化全光通信网络，开拓无线通信新领域

从某种意义上讲，现代无线通信技术的发展史，便是通信频率由低向高进化的历程。

然而，随着技术的进步与普及，原有的射频通信频谱逐渐饱和，而极高频及至高频等高频率射频技术的开发尚面临众多挑战。

于是，另一种频率更高、频谱更宽的技术路线无线光通信，便吸引了学界更广泛的关注。

事实上，无线光通信并非新兴技术，对我们而言也并不陌生。从中国古代的烽火台，到第一次世界大战时期的光电电报，其应用历史远比射频通信悠久。

然而，受限于光的穿透性弱、衰减速度快等缺陷，这项技术长期以来并未成为主流的通信技术。

尽管近年来，半导体光源、光电检测与信号处理等相关技术在不断地进步，但高速无线光通信的研究仍主要停留在模拟阶段，与实际应用脱节。

即便某些研究已经实现实时传输，但它们通常只适用于特定场景，而无法与其他通信系统互通。

基于此，南京邮电大学王永进教授带领的团队与苏州亮芯单片光电科技有限公司合作，提出并构建了一种空天海一体化全光通信网络（All-Light Communication Network，ALCN）技术。

图丨ALCN 概览（来源：Optic Express）

为适应不同应用场景，该技术整合了四种特定波长的光通信技术建立其通信链路。

考虑到纯净海水对蓝绿光的低吸收率使其能在水下实现远距离通信，课题组成员在水下采用了蓝光通信（Blue Light Communication，BLC），用于控制无人水下航行器或在水下设备与浮标间建立通信。

在中性密度（Neutral Density，ND）因子为 256、浊度为 1.7 的游泳池中，BLC 链路的传输距离可达 12 米，并能在 20 度角度范围内建立通信连接。

但浊度的增加和水流的加剧可能会导致接收信号减弱和光学自干扰，需通过调整光学和电学增益来解决这些问题。

在海面之上的部分，研究人员首先使用的是无线白光通信（White Light Communication，WLC），这一技术能在陆地上实现 150 米范围内的通信，适用于海面信标、浮标与船只之间，以准确报告海洋状况。

其次，为了避免阳光的干扰，该课题组选择了日盲深紫外通信（Deep Ultraviolet Communication，DUVC）与无人机等机载设备建立连接。在强光环境下，DUVC 链路能在最大 7 米范围内实现日盲通信。

需要注意的是，尽管这些基于 LED 的通信技术发散角更宽，但也存在接收光功率较低的缺陷。

因此，针对在自由空间进行的点对点远距离通信，研究团队选择了高光功率定向光为基础的激光二极管通信（Laser Diode-based Communication，LC）。

由于激光二极管发散角较小，LC 链路需借助稳定器和姿态传感器保持通信过程中的精确对准。

该网络利用以太网交换机（Ethernet Switches）和 Wi-Fi 技术连接不同的光通信链路，实现不同网络节点间的信息共享。

这种灵活的接入方式极大拓宽了 ALCN 的应用范围，从传感器到个人计算机，再到移动设备，有线与无线设备均可通过这种网络交换数据。

并且，所有的无线光通信链路均采用注册插座（RJ-45）网络接口，统一了传输模式，使网络的部署和维护过程得以简化。

为满足更广泛的终端接入需求，ALCN 网络通过串联多个以太网交换机扩展接口数量，确保在多终端部署情况下，网络的连通性和稳定性不受影响。

图丨ALCN 框架示意图（来源：Optic Express）

在实验中，ALCN 展现了优异性能。整体平均功耗为 155 瓦，其中四个光通信链路占总功耗的 77.42%。

通过持续 3.5 小时测试，光链路功率保持稳定，显示出足够的稳定性与可靠性。

使用伪随机二进制序列（Pseudorandom Binary Sequence，PRBS）信号测试时，BLC 链路和 DUVC 链路均展现清晰的眼图，表明信号质量良好，传输效果显著。

在各链路中，DUVC 和 LC 链路表现突出，通过偏置模块，两种链路可实现 10Mbps 的传输速率，在满足 Xilinx Spartan-6 现场可编程门阵列的时序限制的同时，还能容纳更大的节点数据负载。

由于蓝光与白光 LED 的 3-dB 带宽较低和电流需求较高，BLC 和 WLC 链路的吞吐量则相对较低，最大传输速率为 2Mbps。

另一方面，ALCN 在数据包丢失率（Packet Loss Ratio，PLR）、延迟和抖动等关键量化指标方面也表现出色。

当使用最大传输单位 1514 字节进行测量时，整个 ALCN 的 PLR 为 2.78%，最大 PLR 为 5.80%（除自检点外），其传输延迟低于 74 毫秒，最大抖动为 15 毫秒。

（来源：Optic Express）

显而易见，ALCN 为未来实现多终端、多服务应用的空天海互联提供了一种前景广阔的方案。

近日，相关论文以《用于空天海一体互联的全光通信网络》（All-Light Communication Network for Space-Air-Sea Integrated Interconnection）为题发表于 Optic Express[1]。

南京邮电大学博士研究生王林宁为第一作者，王永进教授担任通讯作者。

图丨相关论文（来源：Optic Express）

接下来，研究人员计划通过波分复用技术解决 LED 引起的瓶颈问题，弥补 BLC 和 WLC 链路的传输速率较低的不足，从而提升全光通信网络的整体吞吐量。

参考资料：

1.Linning Wang, Yingze Liang, Ziqian Qi, Pengzhan Liu, Zheng Shi, Hongbo Zhu, and Yongjin Wang, "All-light communication network for space-air-sea integrated interconnection," Opt. Express 32, 9219-9226 (2024).https://doi.org/10.1364/OE.514930

支持：邹名之

运营/排版：何晨龙

首次亮相！中国团队打造跨越「空天海」的全光通信网络

中国科研团队近日展现了一项创新性的通信网络原型，该网络能够完全依靠光波长在空中、海洋及太空中进行数据的收发。 这一研究若能成功扩展，其新型网络架构有望广泛应用于导航、生态监控、远程感测、紧急救援以及物联网设备的连接等众多领域。

在《光学快报》（Optics Express）上发布的论文中，研究人员详细介绍了这个名为全光通信网络（All-Light Communication Network，ALCN）的空天海一体化通信解决方案 。

全光通信网络可实现不同环境下的无缝连接。它将用于控制无人潜航器（UUV）的蓝光通讯（BLC）与白光通讯（WLC）、用于无人机（UAV）的深紫外光通讯以及与卫星的激光二极管通讯（LC）结合在一起

文章中，研究团队不仅阐释了基于全光通信的网络构架，还通过实时视频通信演示了网络节点之间的交互能力。他们进一步展示了该网络能够同时支撑有线与无线设备的接入，并实现节点间的双向数据传输，为不同用户提供多样化服务的这一双重功能体现了其关键优势。

研究人员强调：“全光通信网络不仅可以应用于海洋和湖泊——例如传感器在收集生态数据后，可以与水面的浮标进行通信，而且这些数据还可以通过长距离的无线链路，在水面或者城市之间传送。此外，该网络也能通过调制解调器接入互联网，使那些位于偏远海域等地的人们能够连接到主网络、分享信息。”

这项研究不仅展示了全光通信网络的实用性与先进性，也为未来的全球通信技术开辟了新的可能性，预示着一个更加互联互通的世界。

光通信利用光波作为信息的远距离传递媒介，以其更高的数据传输速度优势，让数据密集的任务获得更丰富的信息量，或使得最新的“高清晰度”设备能够采集到更多数据。

这并不意味着光通信在数据传输速度上超越了无线电通信；而是说，更高效的数据链路能够缩短下载所需的时间，这样不仅能减少航天器对电源的依赖，也减少了完成任务所需的中继站和地面支持站点的数量，从而提升了整体效率。

相较于射频（RF）系统，光通信设备采用的波束更窄，这使得它们的照明“印迹”更小，通过大幅降低能够截获或接收通信的地理范围，从而提升了通信的安全性。

光通信设备相比传统的射频通信设备具有体积更小、重量更轻和功耗更低的特点，这些优势为用户在尺寸、重量和功率（SWAP）方面提供了显著减少，使载体任务能够配备更多的科学仪器，或是实现成本节约。

此外，光通信还为构建低成本的地面段（用于近地轨道任务）提供了可能性，这些地面段可设置在任务地点或数据中心附近，通过降低地面数据传输成本和集成某些任务操作功能来实现成本效益。

向光通信的重要转变将为用户任务带来诸多益处

尽管光通信拥有众多优势，但它也面临着挑战。与能发射广泛波束、覆盖广大区域的无线电通信不同，光通信采用的是相对狭窄的波束直接对准接收器。在跨越数千甚至数百万英里的距离进行通信时，光通信的定向必须极其精确，哪怕是极小的偏差也可能导致信号偏离目标。

目前，许多光通信网络仅适用于单一介质——无论是水下、陆地、空中还是太空 。要构建一个能在这些不同环境中无缝工作的综合通信网络，需要整合多种技术，这无疑是一项巨大的挑战。

为此，研究人员采用了不同光谱的光源，在四种不同的环境或应用中建立了无线光通信链路。每种环境都有其独特的要求，要满足这些要求，就必须巧妙地融合多种技术，以创造一个能够跨界工作的统一系统。

由南京邮电大学的微电子学专家王永进与苏州苏纳光电科技有限公司（Suzhou Lighting Chip Monolithic Optoelectronics Technology Co. Ltd.）联合领导的团队，已经在全光通信领域做到了这一点。

利用四种独特的光源，这支创新团队成功地在各种环境中同时建立起了无线光通信链路。王永进教授介绍说：“我们开发的这种新型无线网络能够跨越不同环境实现无缝连接，支持网络节点之间的实时双向数据传输，实现网络内以及跨网络的通信和数据共享。”

ALCN框架示意图

运行中的网络原型。(a) 由蓝光通讯（BLC）链路在游泳池中形成的水下通道。(b) 由白光通讯（WLC）链路形成的光照下通讯。(c) 由深紫外线通信链路形成的日光盲通信。(d) 激光二极管通信（LC）链路形成的自由空间通信。(e) 展示T1和T5之间全双工实时视频通信的网络照片

对于网络的水下部分，研究小组选用了蓝光通信技术，利用了海水对该光谱范围吸收较少的特性，以实现光信号的远距离传播。与此同时，为了实现与无人机等空中设备的通信，团队采用了能够提供“日盲”通信的深紫外线，这种通信技术能有效避免阳光干扰。在其他空中应用方面，他们引入了无线白光通信技术。而对于自由空间中的点对点通信，选用了能够单向发射高功率光线的近红外激光二极管，以提高信号传播距离。

“我们的网络结构基于四个全双工无线光通信链路，通过以太网交换机相互连接。该网络支持有线与无线的接入方式，确保了连接方式的灵活性。”

王永进进一步解释称，通过区分不同的光波段，可以有效避免信号之间的相互干扰，确保网络能够同时传输多个信号而不影响其性能。网络还可以通过调制解调器与互联网连接，使偏远海域的使用者也能接入主网络，分享信息。

他还指出，该系统还支持通过TCP/IP（传输控制协议/互联网协议）套件进行视频会议和其他传输，因此非常适合物联网应用场景。“举例来说，当网络输入一段每秒22帧、分辨率为2560×1440像素的在线视频时，任何节点的用户都能几乎无延迟地访问这段视频。”

这项成果标志着全光通信网络技术的“重大飞跃”，它不仅使得从单一无线光通信系统向由多个系统构成的网络的过渡成为可能，而且其对电磁干扰（EMI）的高度抵抗能力，使其特别适用于与水下装备和无人机群体进行通信。

王永进教授解释说：“正因为此，我们正努力在网络中融合移动节点，而非仅限于目前的固定节点配置。然而，这一进程充满挑战，尤其是需要克服‘光对准’（light alignment）以及快速建立网络的技术难题。”

该团队在《光学快报》（Optics Express）期刊上发布了他们关于这一新型网络的研究成果，并计划通过采用波分复用技术进一步提升通信网络的数据处理能力。研究团队表示，这项技术将有助于消除依赖近红外激光二极管所引入的延迟问题，从而显著提升网络的整体效能和性能。

参考链接：

[1]https://www.nasa.gov/technology/space-comms/optical-communications-overview/

[2]https://physicsworld.com/a/all-optical-space-air-sea-communication-network-makes-its-debut/

[3]https://www.optica.org/about/newsroom/news_releases/2024/february/all-light_communication_network_bridges_space_air_and_sea_for_seamless_connectivity/

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