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

谈谈堪称绝对高科技的蓝绿激光对潜通信

对潜艇通信一直是一个世界级的难题，因为要同时确保潜艇本身的隐蔽性和通信的超地平线和超远距离，并且还要确保通信的不受干扰和绝对可靠。因为这种通信包含的信息可能是发射核弹的命令，如果出现差错引发不可挽回的核战争，那么谁也负不起这个历史责任。因此超长波通信几乎是目前最可靠的对深海潜艇通信的模式，不过超长波通信本身的问题也很大，这就是陆地通信台的设备设施庞大，仅仅天线就有几十上百公里，如此大范围的非隐蔽目标，在未来核大战中肯定是被第一轮就抹平的重点目标；而且这种地面发射台耗电功率巨大，以几十万千瓦的电力支撑一个发射台。一旦启动对几千公里内的正常的无线电通信都有干扰。而超长波电台的发送信息的效率更是低到吓人的程度，

1个小时发送不完一个长单词。如果发生核大战，一个命令还没发完，也许超长波电台本身已经不存在了。于是各大国水下的核潜艇，除了接受超长波电台的命令，还要定期收听中短波的广播和报时，就是防止万一本国被毁而不知道情况发生了变化。这些方式其实都是非常原始的。那么有没有一种对潜通信方式，既高速又高效而且安全性还相对很高呢？蓝绿激光通信就是最有前途的一种。蓝绿激光通信的优点是：穿透海水能力强，可实现与下潜400米到600米的的潜艇直接通信；这比超长波最多能穿透150米深的海水的能力强几倍。激光通信频带宽，数据传输能力强；波束宽度窄，方向性好；设备轻小；抗截获、抗干扰、抗毁能力强；不受电磁以及核辐射的影响。但是，由于这种通信方式，

使用经大气传播的光波，在大气中会引起光散射，造成信号的衰减。但是这种衰减是可以在承受范围之内的。蓝绿色本身可以代表0和1，这样就可以高速传递任何数字信号。毕竟对包括电脑在内的任何数字设备来说，只要区别0和1就可以高速传递任何内容和画面。如果派出一架飞机，携带激光器。从潜艇上空飞过，如果飞机高度为10公里，以亚音速的速度飞过潜艇上空时，激光束将在海面上扫过一条15公里宽的照射带。在飞机一次飞过潜艇上空的约3秒的时间内，可完成40到80个单词的信息量的通信。比长波电台的信息传递速度快了几个数量级，而且穿透性和更强。这种方法实现起来较为容易，在条件成熟时，这种办法很容易升级至天基系统之中。用卫星可以更大范围和更高效地实现对潜艇的高速通信。

如果担心飞机对某海区的激光通信可能暴露该海域有本方潜艇，那么可以用卫星，对大范围的海域反复加密扫描，这样对手也不知道具体那一片海水里有潜艇。奋斗者号在万米以下实现了高速数据传输，有可能是激光水下通信的彻底突破之一。

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