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

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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