白光通讯时代即将来临

电灯在我们的生活中不可或缺，1879年被爱迪生发明以来，一百多年间，电灯泡的功能，始终是单一的照明。如今古老的电灯将被赋予神奇的新功能。1864年，麦克斯韦创立了电磁辐射理论，奠定了无线通信的理论基础，揭开人类利用无线通讯的历史篇章。电磁波家族成员众多，人类只能接收到其中很小一部分，这个范围我们称作可见光，在很久以前，科学家就尝试用光进行通讯。

1880年，被称为电话之父的亚历山大贝尔曾做过一个著名实验，他发明了一个奇怪的装置，利用化学元素化学元素锡制作成接收器，当经过调制的光到达接收器时，新的电阻会发生变化，产生的电流下次要乖乖听话通过一个小型扩音器实现声音的传递，这种装置被称为光变化，这是人类历史上第一次使用光进行无线通信。像贝尔的光电话，还有信号弹等等，这些实际上都是无线光通讯的一种最初的雏形方式。光变化使用后的一百五十多年里，人们开始利用电磁波的各个频段传输信息，电磁波已经发展成一门技术科学，深海通信、通话业务、数据传输、卫星导航、电磁波无处不在，提起电磁波，你是不是想到了微波炉？不，这只是电磁波应用的一部分，雷达、农业生产、生物医学研究，甚至现代战争。提起红外线，你想到的又是什么？感应门，遥控器，电波家族中，可见光是我们唯一可以见到的，手电筒霓虹灯，这些生活中的各种灯光都是电磁波的一部分，紫外线会诱发生物的基因突变，在它的照射下我们的皮肤会变黑，说道×射线，你一定会想到×光机，它被广泛应用于放射医学。穿透力极强的伽马射线，可以破坏细胞组织，使生物死亡。电磁波家族成员丰富，但频谱资源被各种应用占用，随着wifi，3G等技术的普及，人们对信息传递速度提出了更高的需求，频谱资源中可用的频段越来越少，科学家们的目光转向可见光，如电灯泡。

白光通讯简称VLC通讯，即可见光通讯。基本上就是用现在照明的led灯，来做加载通讯的功能。光和无线电波一样，都是电磁波的家庭成员。传播信号的基本原理是一致的。利用专用的能够接发信号功能的电脑以及移动信息终端，只要加上信号的光线照射，就可以传输信号，下载和上传高清图像、动画等数据，关掉灯网络全无，现在VLC通讯的应用最主要的是通讯，利用现有的照明资源做通讯和做高速宽带无线的覆盖，与现有wifi相比，未来的可见光通讯安全又经济，高速通信的需求是已经紧迫，白光通信的时代即将到来。而第四代led灯的发展及应用为白光通信的发展提供了有利的契机，白光通信原理就是通讯传送端，接收机传输的视频信号，通过数字模拟转换为光源传输信号，并由接收端接收并还原成视频信号的波过程。

白光通信比以往其他的传输方式有什么不同？它的优势又在哪里呢？带宽比较大，能效比较高，对人体是安全的，是一种绿色通讯方式，通讯方式又比常见的无线的激光的那个通讯方式更加灵活，同时它对周围的设备没有干扰，它自己也不太容易受到干扰。

白光led等系列可见光无线通信系统比传统的红外和弧线电通讯相比，具有发生功率高，无电磁干扰，无需申请频谱资源等优点。

白光led不仅可以提供室内照明，而且可以应用到无线光通信系统中，满足室内个人网络需求，在照明方面，白光led的节能环保等特点，被认为终将取代荧光灯白炽灯等传统照明光源，与此同时，白光led响应时间短，加之其具有高速调制特性，可以设计出近于白光led的室内可见光无线通信系统，用LED灯就能帮您定位，您相信吗？这样的技术确实存在，在第15届中国国际光电博览会上，led白光通信技术首次在深圳亮相，相较于传统技术，这一新技术在国内尚属首创，在定位精确度上提升五倍，可成本却降了八成，有效解决了室内精准定位，这一世界性的难题，填补了我国在光通信领域的技术空白，同时也增加了led灯在定位方面的价值。

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

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