研究人员开发出全光通信网络：使用四种光谱，实现海陆空的无缝连接【附通信技术赛道观察图谱】

瞻观前沿

研究人员开发了一种全光通信网络，可以实现太空、空中和水下环境的无缝连接。新的网络设计结合了用于控制无人水下航行器(UUV)的蓝光通信(BLC)与白光通信(WLC)、用于无人机(UAV)的深紫外通信以及与卫星的激光二极管通信(LC)，无论环境如何都能确保连接。

在《Optics Express》中，研究人员描述了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。他们还表明，它可以同时支持有线和无线设备接入， 并且可以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。

无线光通信网络通常是针对特定场景而设计的，缺乏与其他通信系统的互操作性。创建空海互联需要艰巨的任务，即以创建无缝通信网络的方式整合多种技术。为了实现这一目标，研究人员使用四种光谱为四种不同的环境或应用建立无线光通信链路。

他们使用蓝光进行水下通信， 因为海水对蓝绿光的吸收窗口减小，使其比其他波长在水下传播得更远。这使得该系统可用于控制无人水下航行器或在水下设备和浮标之间建立通信。白光 LED 用于在物体之间传输信息 ，例如水面以上的浮标或船只。为了与无人机等机载设备连接，使用深紫外光。这提供了日盲通信，防止阳光干扰。 最后，对于自由空间中的点对点通信，应用了近红外激光二极管 ，因为它们发射具有高光功率的定向光。研究人员还设计了基于 TCP/IP 方案的网络，允许无线或有线访问互联网，这使其对于物联网应用非常有用。

来自南京邮电大学和苏州亮芯单片光电科技有限公司的研究小组组长王永进说：“通过蓝光、白光、深紫外波长和激光二极管的通信建立统一的传输模式非常重要，这样我们就可以使用以太网交换机将它们集成 ，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，而雪崩光电二极管限制了传输范围，并且光学带通滤波器将所需的光信号与其他光谱中的光信号隔离开来”。

研究人员表明，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数据、图像和音频文件的传输。

图片来源：摄图网

技术价值观察

通信产业的上游行业主要为电子元器件制造业(如集成芯片、电阻、电容、晶振、LCD屏、印刷电路板)、塑胶与五金结构件制造业(如塑胶、铝合金、五金插接件、机柜及其它结构件)和通信设备部件制造业(如收发器、交换机、天线、分路器、合路器等)。

通信产业的下游行业主要为政府与公共安全、公用事业以及工商业等行业，这些下游市场的需求变化和产业政策直接影响产业的经营效益和持续发展。同时，通信产业也能更大程度地促进下游行业的快速发展，提高下游行业的生产效率，具体产业链布局如下图：

研究人员开发出全光通信网络，使用四种光谱为四种不同的环境或应用建立无线光通信链路。因此，从通信产业链上看，全光通信网络处于产业链的中游环节。

宏观市场观察

——定义

通信是指是人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，从广义上指需要信息的双方或多方在不违背各自意愿的情况下，无论采用何种方法，使用何种媒质，将信息从某方准确安全传送到另方。

本文中，前瞻对通信产业的定义为：由从事通信设备和系统及相关的配套设备、专用零部件的研究、生产、开发的企业，以及电信运营服务商和光通信行业组成的产业群体。

——电信业务收入和发展质量平稳增长

工业和信息化部发布的《2021年通信业统计公报》显示：2021年我国通信行业保持稳中向好运行态势，电信业务收入稳步提升，累计完成1.47万亿元，比2020年增长8.0%。按照上年不变单价计算，全年电信业务总量较快增长，完成1.7万亿元，比2020年增长27.8%。

——通信设备制造行业市场规模逐年递增

根据《中国电子信息产业统计年鉴》，2014-2019年全国规模以上通信设备制造业营业收入持续增长。根据工信部，2020年，通信设备制造业营业收入同比增长4.7%，则通信设备制造业营业收入初步估计达39729亿元。

2016-2020年，全国通信设备零售营业收入呈波动递增趋势，年复合增长率2.01%;2020年受疫情影响，营业收入增速有所放缓。2020年全国通信设备零售营业收入达1363.5亿元，同比增长0.78%。面对激烈变化的内外部环境和新一轮通信技术的变革，我国通信设备产业在保持已有产品集成创新和低成本研发比较优势的基础上，亟须把握产业融合发展的新形势和新机遇，加强产业的横向协作和纵向整合，以继续扩大市场规模。

——光通信产业发展规模

1、中国光缆长度：接近5800万公里

根据国家统计局数据，2017-2021年中国光缆长度持续增长，截止2022年上半年已经达到5791万公里，较2021年底增加310万公里。

2、中国光模块市场规模：持续增长

2015-2020年受下游光电及数据通信行业需求的影响，我国光模块市场规模不断增加，2015-2020年年均复合增速为11.13%。2020年上半年受疫情影响，下游数据通信及三大运营商采购需求放缓，下半年国内电信及数通客户需求下半年回暖，整体推动2020年中国光模块行业市场规模增加至382.1亿元。初步统计，2021年我国光模块市场规模超过400亿元。

——“十四五”通信产业发展趋势：基础设施建设能力显著提高，向国际一流水平迈进

整体来看，未来我国通信行业将显著提高基础设施建设、数据与算力设施服务以及网络数据安全治理等方面的能力，并向国际一流水平迈进。

中国通信技术赛道热力图

根据前瞻产业热力图显示，与通信关键技术强关联的城市集群主要集中在华南地区，并且以广深为重点发展区域 ，未来布局通信技术及其他相关技术的发展路径，极大可能性在于华南地区优先导入，其中可重点关注广东省广州市天河区、广东省深圳市福田区、海南省海口市龙华区所处通信产业的相关企业 ，以及该地方对于通信产业发展投资环境、供给市场的潜力空间。

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21 世纪的无线通信技术：可见光通信的发展背景

为什么灯光能够传输信号呢?灯光的传输原理是通过明暗的快速变化将数字信号传递给接收端。我们可以打一个简单的比方:如果传递0信号，则灯光变暗;传递1信号，则灯光变亮。灯光的快速变化是人的肉眼无法察觉的。因此，我们可以通过芯片，利用灯光的快速明暗变化将0信号和1信号传递出去，实现通信。

2000年“可见光通信”的概念横空出世，它利用发光二极管(以下简称LED)作为光源，使LED在照明的同时还可以进行高速通信。白光LED现在已经被广泛应用于显示、照明等领域。与其他光源相比，白光LED具有更高的调制带宽a，并且调制性能好、响应灵敏度高。利用LED的这些特性，我们可以将信号调制到LED所发出的可见光上进行传输。白光LED能将照明与数据传输结合起来的特性，促进了可见光通信(VLC，VisibleLightCommunications)技术的发展。

可见光通信利用白光LED作为光源，而21世纪注定是LED的时代。LED自诞生至今，平均以每10年亮度提高到原来的20倍、价格降低到原来的1%的速度发展。技术的日趋成熟、功能的不断完善和丰富，给人类社会带来了翻天覆地的变化，其影响已经渗透到全球科技、经济、生活等各个领域之中，尤其在照明领域，LED具有强大的优势和竞争力。较之白炽灯和节能灯，LED灯具有效率高、价格低和寿命长等优点。LED灯的能耗分别是白炽灯的1/10和节能灯的1/4，发光效率更高(可达349lm/W，约为日光灯的4倍)，寿命高达10万小时，而稀土添加量仅为节能灯的1/1000。这些无与伦比的性能使其迅速占领了市场，在世界各国备受青睐，各国陆续出台了白炽灯淘汰计划，传统照明技术正在迅速向固态照明技术演进。毫无疑问，LED成为下一代主流照明技术已是大势所趋。固态照明的普及使得可见光通信的光源无处不在，这就使可见光通信得以站在巨人的肩膀上，随着LED的发展而高速发展。

可见光通信技术从诞生至今只有短短十几年的时间，但它发展迅速，取得了一个又一个突破性进展。日本研究者首先提出“可见光通信”的概念。2000年，日本学者提出了利用LED照明灯作为通信基站进行信息无线传输的方案，并对可见光通信信道进行了模拟仿真和分析计算。之后，日本学界看到了可见光通信的发展前景，投入了大量精力进行研究。为了实现可见光通信的实用化，“可见光通信联盟”(VLCC)于2003年在日本成立，并迅速成为国际性组织。日本的可见光通信技术已经从系统传输研究走向应用研究，提出了可见光通信技术在广告牌、灯塔、定位、智能交通系统等多方面的应用方案。2008年，在日本九十九里浜进行了利用灯塔上的LED作为发射机，用图像传感器作为接收机的可见光通信实验，实现了可见光通信的最远传输距离——2000米，传输速率为1022bit/s(比特/秒)。2010年，可见光通信联盟与日本交通管理技术协会进行了利用LED交通信号灯作为发射机的可见光通信实验，并取得了成功，传输速率4800kb/s(千字节/秒)，距为离300米。

虽然可见光技术的发源地在日本，但是美国和欧盟的研究者也不甘落后。由于政府的重视，研究资金的充裕，欧美的可见光通信研究已成为全球的领头羊。笔者的博士导师，哈拉尔德·哈斯(HaraldHaas)教授，早期是无线通信研究者，于2007年开始投入可见光通信的研究，并从德国来到英国爱丁堡大学任教。2008年，他参与了欧盟的“OMEGA项目”，致力于发展每秒1G以上的超高速家庭接入网研究，可见光通信技术是其研究的焦点之一。2011年，哈斯教授在TED(技术、娱乐、设计大会)上发表演讲，第一次将可见光通信技术带进公众视野。同时，他提出要开发基于可见光通信的室内光通信技术，并给这项技术起名为Li-Fi(LightFidelity的缩写，即光保真技术)。简单来说，Li-Fi和无线光通信的关系，与Wi-Fi(无线保真)和传统无线通信的关系相似。Li-Fi旨在为用户提供一套高效、稳定、实用的室内可见光通信技术。同年年底，爱丁堡大学的衍生公司PureLi-Fi诞生，着力研发适合室内使用的Li-Fi产品。

2012年，在英国工程与自然研究理事会(EPSRC)的资助下，英国科学家开展了“超并行可见光通信”(UPVLC)项目。其中，哈斯教授的团队使用uLED(有机发光二极管)a进行可见光通信，并首次实现了单灯3.5Gbit/s(吉比特/秒)的超高速传输。随后，哈斯教授使用RGB(红绿蓝)三种颜色合成白光进行可见光数据传输(RGB传输)，达到了14Gbit/s的速度。从理论上说，如果充分利用光谱的带宽，现有技术可以达到100Gbit/s以上的速度。这里有必要就两个问题进行解释。

首先要解释的是，单灯传输和RGB传输的数据传输速率区别。常规的LED灯，是用蓝色LED灯加上黄色磷光粉合成白光效果。因此，单灯传输实际上用的是可见光谱中蓝色光的带宽。使用三个RGB灯同样可以合成白光效果。这种方案利用的分别是可见光中的红色、绿色和蓝色三个波段的带宽，因此总的数据传输速率就可以达到单灯传输速度的三倍。更进一步来看，可见光光谱可以分成大约36个不同的独立波段，如果每个波段传输3.5Gbit/s，那么总数据传输速率就可以超过100Gbit/s。当然，这只是理论上的推导，还有待具体实验的验证。

其次要解释的是，单灯传输和RGB传输的可行性。由于单灯传输使用一个波段，带宽有限，所以数据传输速率不如RGB传输。但是，由于RGB传输需要在发射端和接收端把各个波段区分开，因此对设备性能和体积的要求非常高，复杂度远远大于单灯传输。所以，目前RGB的多路传输仅限于实验室研究。所有工业领域做出的关于可见光通信的产品，使用的全部是单灯传输的方式。

近年来，国内可见光通信研究如雨后春笋，蓬勃发展。由于可见光通信是从传统无线通信里演变而来的，基本通信原理相通，所以这个行业的通信技术壁垒并不是非常高，加之国内外研究的起步时间相差不大，两者的发展差距也不是很大。2014年，《国家高技术研究发展计划(863计划)》里首次将可见光通信单独立项，标志着国家开始在这个领域加大投入。到目前为止，国内研究依然以实验室研究为主，以解放军信息工程大学邬江兴院士为首，中山大学的陈长缨教授、上海复旦大学的迟楠教授也纷纷加入。2016年，笔者在参加国际无线通信学术会议(IEEEICC)的时候，发现国内许多研究无线通信和光纤通信的实验室纷纷转投可见光通信领域，这背后既有国家政策扶持的原因，也有行业大趋势整体上行的因素。总的来说，可见光通信正处在一个蓬勃发展的时期，但毕竟发展时间较短，还有许多技术和工程问题亟待解决。

关于前哨团

本文作者是可见光通信博士，英国爱丁堡大学可见光无线通信研究与发展中心(Li-Fi Research and Development Centre，LRDC)研究员王云路。本文节选自《科技前哨》一书发表的文章《21 世纪的无线通信技术：可见光通信》。作者团队来自全球各大高校和科研机构，他们有一个共同的名字——“前哨团”。

水平与行业洞见超强的“前哨团”，是全球科技创新产业专家、海银资本创始合伙人、得到app《全球创新260讲》专栏主理人王煜全组建的。 “前哨团”号召全球高科技前沿领域的精英，共同绘制一幅全球科研创新地图，将中国人的视野向更前沿的领域拓展，让更多的人了解全球科技前沿信息和全球高科技产业发展趋势。

这个智库性质的团体目前已经吸引了将近 200 名全球知名高校的教授、博士，著名企业里的科研人员，高科技行业分析师和专家加入， 致力于向国人汇报来自科技前沿的信息和创新创业的趋势，帮助国内企业、投资界与国外学术界形成有效的沟通和对接，为专利找到投资， 为投资找到项目，为项目找到人才，为人才搭建平台。

我们会梳理虚拟现实、新能源、通信、建筑、自动驾驶、生物、 医疗等行业中最热门、最前沿的科技，并分析了这些行业的发展趋势和机会，把握这些机会的人将成为这个时代的赢家。

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