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

突破性的多光源全光网络架起海、空、天之间通信的桥梁

最新的网络架构利用各种光源来克服环境造成的障碍。科学家们创建了一个完全基于光的通信网络，可以在太空、空中和水下环境中实现无缝连接。新的网络设计结合了不同类型的光源，无论在什么环境下都能确保连接。

研究人员开发出一种创新的全光通信网络，可在太空、空中和水下等各种环境中实现无缝连接。通过整合多个光源，该网络可在不同介质间进行不间断的实时数据传输，从而增强通信、导航和数据交换能力。资料来源：南京邮电大学，王永进

来自南京邮电大学的研究团队负责人王永进说："在当今世界，数据传输对通信、导航、应急响应、研究和商业活动至关重要。这种新型无线网络可实现跨环境的不间断连接，促进网络节点之间的双向实时数据传输，从而在网络内部和网络之间进行通信和数据交换"。

在 Optica 出版集团的《光学快报》（Optics Express）杂志上，研究人员描述了这种完全基于光的通信网络，并演示了网络节点之间的实时视频通信。他们还展示了该网络能同时支持有线和无线设备接入，并能在网络节点之间进行双向数据传输。这两种功能对于同时向不同用户提供各种服务至关重要。

全光通信可用于海洋和湖泊，例如，传感器收集生态数据并与水面浮标通信。然后，数据可以通过无线方式在水面或城市之间的长距离传输链路上发送。该网络还可以通过调制解调器连接到互联网，让身处偏远海域等地的人们能够访问主干网络，共享信息。

建立综合网络

无线光通信网络通常是为特定场景设计的，缺乏与其他通信系统的互操作性。要建立天-空-海互联，需要将多种技术融合在一起，形成一个无缝的通信网络，这是一项艰巨的任务。为了实现这一目标，研究人员利用四种光的光谱为四种不同的环境或应用建立了无线光通信链路。

研究人员进行的实验表明，全光通信网络可以通过有线和无线接入实现全双工实时视频通信以及传感器、图像和音频文件的寻址传输。资料来源：南京邮电大学，王永进

他们使用蓝光进行水下通信，因为海水对蓝绿色光的吸收窗口较小，与其他波长的光相比，蓝绿色光可以在水下传播得更远。这使得该系统可用于控制无人驾驶水下航行器，或在水下设备和浮标之间建立通信。白光 LED 用于在浮标或水面上的船只等物体之间传输信息。

在与无人机等机载设备连接时，则使用深紫外光。这提供了太阳盲通信，可防止阳光干扰。最后，为了在自由空间进行点对点通信，使用了近红外激光二极管，因为它们能发出定向光，具有很高的光功率。研究人员还根据 TCP/IP 协议设计了一种可无线或有线访问互联网的网络，使其适用于物联网应用。

连接光源

王说："重要的是要从蓝光、白光、深紫外波长和激光二极管的通信中建立一种统一的传输模式，这样我们就能利用以太网交换机将它们整合在一起。"为了使这项工作成为可能，LED 和调制方案决定了网络吞吐量，而光电二极管则限制了传输范围，光学带通滤波器将所需的光信号与其他光谱的光信号隔离开来。

研究人员的研究表明，全光通信网络可以通过有线和无线接入完成全双工实时视频通信以及传感器数据、图像和音频文件的传输。全双工视频意味着可以同时传输和接收视频，这是视频会议等应用所必需的。当以每秒 22 帧的速度向网络传输 2560 × 1440 和 1920 × 1080 像素的实时视频时，视频依然清晰，几乎没有延迟。使用网络数据包分析工具测得的最大数据包丢失率为 5.80%，传输延迟低于 74 毫秒。

现在，研究人员的目标是利用波分复用技术消除 LED 造成的瓶颈，从而提高全光通信网络的吞吐量。这将有助于提高网络的整体效率和性能。他们还致力于实现移动节点，而不仅仅是固定节点，这就需要解决光对准的难题。这对于水下设备和无人机的使用尤为重要。

编译自:ScitechDaily

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