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

无线通信技术有哪些

#无线通信技术有哪些?#

无线通讯技术是现代通信的重要组成部分，涵盖了多种用于不同场景和需求的技术。以下是一些主要的无线通讯技术：

1. 无线局域网（WLAN）

Wi-Fi: 最常见的无线局域网技术，主要用于家庭和企业内部网络连接。最新标准是Wi-Fi 6（802.11ax），具有更高的速度和容量。

WiMAX: 提供广域覆盖和高带宽的无线接入技术，适用于城域网（MAN）。

2. 蜂窝网络

2G, 3G, 4G（LTE）, 5G: 各代移动通信技术，从2G的基本语音和短信服务，到5G的高速数据传输和低延迟连接，支持广泛的移动应用和物联网设备。

NB-IoT: 一种专为物联网设备设计的窄带蜂窝技术，具有低功耗和广覆盖的特点。

3. 个人区域网（PAN）

蓝牙: 短距离无线通信技术，广泛用于连接个人设备如手机、耳机和智能手表。蓝牙5.0具有更高的速度和更长的传输距离。

Zigbee: 低功耗、低数据速率的无线通信技术，主要用于家庭自动化和工业控制。

4. 卫星通信

GPS: 全球定位系统，通过卫星提供定位和导航服务。

卫星互联网: 通过卫星提供互联网连接，适用于偏远地区和海上通信，如Starlink等项目。

5. 短距离无线技术

NFC（近场通信）: 非接触式通信技术，用于移动支付、门禁系统和数据交换。

RFID（射频识别）: 用于库存管理、物流跟踪和门禁控制的无线识别技术。

6. 超宽带（UWB）

一种短距离、高带宽的无线通信技术，适用于精确定位和高速数据传输，广泛应用于室内定位和智能家居。

7. 无线电和微波通信

无线电: 用于广播和双向通信，如对讲机和无线电台。

微波: 高频无线通信技术，广泛用于卫星通信、微波链路和无线回程。

8. 光无线通信（OWC）

红外线通信: 短距离的光无线通信技术，用于遥控器和一些无线数据传输设备。

Li-Fi: 利用可见光进行数据传输的技术，具有高速和高安全性的特点。

9. 物联网（IoT）专用技术

LoRa（Long Range）: 低功耗广域网技术，适用于远距离、低数据速率的物联网设备。

Sigfox: 另一种低功耗广域网技术，专注于物联网设备的长距离通信。

这些无线通信技术各有优缺点，适用于不同的应用场景。从个人设备的连接到广域覆盖的蜂窝网络，再到专业的物联网应用，无线通信技术在现代生活和工业中扮演着不可或缺的角色。

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