美軍裝備中的空間光通信技術(shù)發(fā)展以及未來展望

過去十幾年里，美軍和業(yè)界開發(fā)并展示了多項(xiàng)令人印象深刻的光通信能力和技術(shù)。他們進(jìn)行了試驗(yàn)分析、設(shè)計(jì)研究、功能開發(fā)、算法編碼及演示驗(yàn)證。但美軍在未來20年仍需解決的關(guān)鍵光通信挑戰(zhàn)不只在于技術(shù)開發(fā)。美國(guó)防部正與美國(guó)國(guó)家航天界和研究機(jī)構(gòu)及業(yè)界合作，通過系統(tǒng)工程和采購(gòu)過程應(yīng)用和實(shí)施這些技術(shù)成果。本文將分析討論光通信的歷史、發(fā)展、當(dāng)前挑戰(zhàn)和前進(jìn)方向。

1光通信現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)

美軍一直將光通信視為實(shí)現(xiàn)全域軍事接入的重要能力，領(lǐng)導(dǎo)層一直在為美軍內(nèi)部以及研究機(jī)構(gòu)和業(yè)界的多個(gè)項(xiàng)目提供支持，開發(fā)并展示光通信軍事用途。從2006年成功演示浮空器和地面終端之間的80 Gbps自由空間光通信（FSO）系統(tǒng)開始，到更遠(yuǎn)固定距離演示，之后是空對(duì)地移動(dòng)測(cè)試，以及2012年的移動(dòng)空對(duì)地FSO網(wǎng)絡(luò)演示，通過這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)，美軍現(xiàn)在已經(jīng)建立了一系列能力，可以組合起來滿足特定任務(wù)需求。在取得這些進(jìn)展的同時(shí)，美軍還在支持天基系統(tǒng)、高空平臺(tái)以及地基和水下光通信研究。盡管取得了這些成功，美國(guó)防部移動(dòng)FSO通信仍面臨極大挑戰(zhàn)。正如美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室副主任杰里克里爾在介紹這一問題時(shí)指出的，“將一個(gè)革命性的想法轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用還很困難?！蹦壳懊绹?guó)正在開發(fā)幾個(gè)非密光通信系統(tǒng)，但在美政府采購(gòu)周期中，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)FSO網(wǎng)絡(luò)能力的現(xiàn)有在案項(xiàng)目似乎很少。如美空軍研究試驗(yàn)室羅馬試驗(yàn)室的約翰·馬洛維奇所指出：“FSO通信波束窄，定向性好，具有數(shù)據(jù)速率高和物理安全性好的優(yōu)勢(shì)。這已經(jīng)在大范圍挑戰(zhàn)性空對(duì)空和空對(duì)地環(huán)境中得到證明。但是由于尺寸、成本和復(fù)雜性問題，很少有系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)用。過去十年，業(yè)界在降低SWaP（尺寸、重量和功率）和復(fù)雜性方面取得了顯著進(jìn)展，這使得FSO通信轉(zhuǎn)化為真實(shí)平臺(tái)更具吸引力。未來幾年，F(xiàn)SO通信可能在更多區(qū)域部署，并將提供可行解決方案，很可能是射頻/光混合解決方案，以應(yīng)對(duì)不同大氣條件挑戰(zhàn)和A2/AD（反介入/區(qū)域拒止）環(huán)境挑戰(zhàn)?！苯裉斓耐ㄐ鸥倪M(jìn)項(xiàng)目通常集中在提高射頻能力和韌性上，然而該領(lǐng)域只是潛在通信頻譜的一部分（受管制的）。美國(guó)國(guó)防部迫切需要具備低截獲概率和低探測(cè)概率的通信方法，而光波段是開放的、不受監(jiān)管的，隨時(shí)可以實(shí)現(xiàn)為作戰(zhàn)人員提供多種通信選擇的能力。光通信不是意圖取代射頻通信——它是一種增強(qiáng)能力，旨在為目前可用通信選項(xiàng)選擇較少的戰(zhàn)場(chǎng)提供更多選擇。將光通信系統(tǒng)集成到美國(guó)防部中的一個(gè)挑戰(zhàn)是，每增加一塊硬件都需要額外空間。許多情況下，無論是飛機(jī)、船只，甚至是單兵，平臺(tái)都只有極小空間來容納額外設(shè)備，因此光通信系統(tǒng)必須提供優(yōu)于現(xiàn)有射頻系統(tǒng)的獨(dú)特附加能力。例如在海軍水面應(yīng)用中，單一用途技術(shù)在艦艇上可用空間有限，所以問題在于光通信系統(tǒng)核心組件是否可以兩用，例如亦用于激光雷達(dá)成像儀。下文將回顧射頻通信的歷史，以了解如何實(shí)現(xiàn)光通信的未來。

2 射頻通信簡(jiǎn)史和光通信展望

19世紀(jì)90年代末，無線電先驅(qū)馬可尼開始進(jìn)行無線電波傳輸試驗(yàn)。經(jīng)過多年試驗(yàn)，他的首個(gè)用例和實(shí)現(xiàn)之一是在橫跨大西洋的兩艘船上通過簡(jiǎn)單裝置向紐約體育報(bào)報(bào)告游艇比賽結(jié)果。在此后130年里，射頻通信系統(tǒng)已經(jīng)成為日常生活的一部分以及軍事應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)。而這場(chǎng)射頻革命的開端是實(shí)現(xiàn)能滿足簡(jiǎn)單運(yùn)行需求的用例。在過去15年里，業(yè)界已經(jīng)開發(fā)并演示了光通信方面的卓越能力和技術(shù)。美軍進(jìn)行了試驗(yàn)分析，研究了多種光信息傳輸設(shè)計(jì)，開發(fā)了后端調(diào)制解調(diào)器和組網(wǎng)能力，完成了先進(jìn)的瞄準(zhǔn)和跟蹤算法編碼保持遠(yuǎn)程終端鎖定，并演示了利用激光傳輸加密數(shù)據(jù)流的實(shí)際用途。然而，美軍才剛剛開始與業(yè)界及研究機(jī)構(gòu)合作識(shí)別簡(jiǎn)單用例，進(jìn)行系統(tǒng)工程研究，并實(shí)現(xiàn)滿足簡(jiǎn)單需求的初始光通信系統(tǒng)。未來20年仍需解決的光通信關(guān)鍵挑戰(zhàn)并不在于技術(shù)開發(fā)，而是美國(guó)防部和航天界通過采購(gòu)過程應(yīng)用和實(shí)施已經(jīng)得到驗(yàn)證的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多種光通信系統(tǒng)來應(yīng)對(duì)多種任務(wù)用例和需求。幾種光通信技術(shù)，如可見光無線通信（Li-Fi）、星間光鏈路、自由空間和對(duì)流層光通信以及水下高數(shù)據(jù)速率通信等技術(shù)，早就應(yīng)該應(yīng)用于軍事用途。美國(guó)防部應(yīng)評(píng)估這些系統(tǒng)的能力和局限性（包括那些具備功能性但不具備商業(yè)可行性的系統(tǒng)），將這些技術(shù)與其在未來幾十年將面臨的通信差距進(jìn)行對(duì)照匹配。

3 空間探索中的光通信

空間光通信技術(shù)近年來飛速發(fā)展，許多技術(shù)難題被逐步攻克，為實(shí)現(xiàn)空間探索光通信奠定了基礎(chǔ)。對(duì)以下三種用例，F(xiàn)SO將是理想解決方案：

· 星間鏈路，在衛(wèi)星星座內(nèi)提供高帶寬連接，實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)；

· 高數(shù)據(jù)量回程，特別是從低軌衛(wèi)星，直接或通過地球同步中繼到地面的回程鏈路；

· 地球和人類探索或機(jī)器人集中探索的高興趣區(qū)域（如月球或火星）之間的數(shù)據(jù)中繼。

多家商業(yè)公司正在部署低軌和中軌星座，提供全球通信接入，相信商業(yè)案例最終會(huì)在這一市場(chǎng)取得成功。星間鏈路是這些星座運(yùn)行的關(guān)鍵使能技術(shù)。在民用科學(xué)領(lǐng)域，技術(shù)演示和運(yùn)行部署都取得了多項(xiàng)成功。美國(guó)航空航天局（NASA）也正在開發(fā)光通信解決射頻通信局限性。光通信將引領(lǐng)NASA進(jìn)入下一個(gè)空間通信時(shí)代。為了全面充分驗(yàn)證空間光通信鏈路與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，NASA開展了一系列空間高速光通信演示驗(yàn)證計(jì)劃。

（1）已完成項(xiàng)目

· 月球激光通信演示（LLCD）2013年NASA成功完成了LLCD試驗(yàn)，驗(yàn)證了在月地距離情況下通過輕小型星載終端進(jìn)行高速激光通信的可行性，實(shí)現(xiàn)了下行速率622Mbps和上行速率20Mbps的月地雙向激光通信。這項(xiàng)任務(wù)為未來激光通信的研究和發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。· 激光通信科學(xué)光學(xué)有效載荷（OPALS）NASA 2014年成功完成了為期四個(gè)月的光通信技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)——OPALS項(xiàng)目。這是NASA第一次在國(guó)際空間站進(jìn)行光通信試驗(yàn)。試驗(yàn)的關(guān)鍵是驗(yàn)證激光束指向與跟蹤能力，安裝在空間站外側(cè)的OPALS設(shè)備展示了50Mbps的傳輸速度。· 光通信和傳感器演示（OCSD）NASA 2017年光通信和傳感器演示（OCSD）項(xiàng)目首次展示了從立方體衛(wèi)星到地面站的高速激光通信下行鏈路，傳輸速率達(dá)到200Mbps。

（2）當(dāng)前激光通信項(xiàng)目

在上述任務(wù)成功的基礎(chǔ)上，NASA繼續(xù)測(cè)試各種激光通信應(yīng)用。

· 激光通信中繼驗(yàn)證（LCRD）

2021年12月發(fā)射的LCRD任務(wù)是NASA首次雙向激光中繼系統(tǒng)的技術(shù)演示。NASA首個(gè)端到端激光中繼系統(tǒng)LCRD將展示連接地面站的對(duì)地激光通信，光終端收發(fā)速率都是1.2Gbps。在支持近地軌道任務(wù)之前，LCRD將為地面激光試驗(yàn)中繼數(shù)據(jù)。在任務(wù)后期，LCRD將從NASA放置在國(guó)際空間站的光終端收發(fā)數(shù)據(jù)。

· 太字節(jié)紅外傳輸（TBIRD）

NASA正在測(cè)試大型及小型衛(wèi)星的激光通信能力。2021年末TBIRD任務(wù)將演示從低軌立方體衛(wèi)星到地面高達(dá)200 Gbps的直接對(duì)地光通信鏈路。星載激光終端每天能夠傳輸超過50TB的數(shù)據(jù)。

· 綜合低軌用戶調(diào)制解調(diào)器和放大器終端（ILLUMA-T）

NASA計(jì)劃于2022年將其ILLUMA-T部署到國(guó)際空間站，這將是LCRD端到端激光中繼服務(wù)完全運(yùn)行后的首個(gè)在軌試驗(yàn)用戶。該終端將空間站科學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)送到LCRD，然后由后者將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到地面。ILLUMA-T將提供1.2 Gbps的數(shù)據(jù)速率。

· 獵戶座阿爾忒彌斯二號(hào)光通信系統(tǒng)（Orion Artemis II Optical Communications System，O2O）

阿爾忒彌斯二號(hào)任務(wù)計(jì)劃于2023年發(fā)射，O2O終端將實(shí)現(xiàn)環(huán)繞月球飛行的獵戶座航天器和地球之間的4K實(shí)時(shí)超高清視頻傳輸及增強(qiáng)的科學(xué)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，使該任?wù)成為首批將激光通信技術(shù)用于載人航天的任務(wù)之一

· 深空光通信（DSOC）

NASA預(yù)計(jì)2022年DSOC激光裝置將搭載在“普賽克”（Psyche）飛行器上發(fā)射升空，對(duì)深空激光通信技術(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。DSOC項(xiàng)目將提供深空光收發(fā)器和地面數(shù)據(jù)系統(tǒng)，應(yīng)對(duì)深空探測(cè)帶來的獨(dú)特挑戰(zhàn)。

4 海上防御中的光通信

由于技術(shù)、操作或環(huán)境方面原因，美海軍有時(shí)可能無法使用無線電通信。海軍平臺(tái)越來越需要在低射頻或發(fā)射受控條件下有效運(yùn)行，同時(shí)保持其戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)和態(tài)勢(shì)感知能力。FSO系統(tǒng)設(shè)計(jì)是為了在無線電傳輸不可用或不理想的情況下提供通信手段。此前為美陸地國(guó)防應(yīng)用研發(fā)的FSO演示系統(tǒng)過于龐大，其移動(dòng)性、數(shù)據(jù)速率或作用范圍無法滿足海上平臺(tái)實(shí)用性需求。美海軍與約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室合作，在2017年三叉戟勇士演習(xí)中成功演示了兩艘移動(dòng)船只之間的高帶寬FSO通信系統(tǒng)，證明了FSO技術(shù)可以在極具挑戰(zhàn)性的海洋環(huán)境中運(yùn)行，能夠成為美國(guó)海軍平臺(tái)可行的非射頻通信技術(shù)。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室也一直致力于大氣傳播和光子組件的研究，目標(biāo)是描述和克服FSO系統(tǒng)的部署限制。海軍研究實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)行了幾次FSO鏈路在真實(shí)海軍應(yīng)用中的演示，開發(fā)戰(zhàn)術(shù)FSO鏈路，用于電子戰(zhàn)或擁擠射頻頻譜環(huán)境，以滿足海軍艦對(duì)艦和海軍小部隊(duì)的通信需求?；旌仙漕l/FSO系統(tǒng)是一種在所有天氣和大氣條件下可提供高可用性通信鏈路的可行方法。空地概念驗(yàn)證性射頻/FSO混合鏈路已經(jīng)在美DARPA自由空間光學(xué)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)（FOENEX）項(xiàng)目的FSO系統(tǒng)集成器以及美空軍研究試驗(yàn)室（AFRL）的領(lǐng)先研究和內(nèi)部獨(dú)立研發(fā)任務(wù)得到了演示驗(yàn)證。美海軍仍需對(duì)海上射頻/FSO混合鏈路系統(tǒng)和技術(shù)進(jìn)行積極研究和探索。已開展的演示建立了初步的數(shù)據(jù)優(yōu)先分級(jí)功能，未來目標(biāo)是部署跨射頻和光通信域的綜合多功能戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路。這類大規(guī)?；A(chǔ)設(shè)施將讓配備光通信鏈路的平臺(tái)能與使用更傳統(tǒng)鏈路的平臺(tái)連接起來。美海軍未來光通信發(fā)展應(yīng)該集中在這種架構(gòu)內(nèi)的互操作性上，真正提供海軍所需任務(wù)韌性和能力。作為美海軍綜合火力通信和互操作性（CIIF）未來海軍能力計(jì)劃的一部分，通信即服務(wù)（CaaS）愿景是讓優(yōu)先數(shù)據(jù)流能通過任何可用戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈路組合進(jìn)行傳輸。CaaS產(chǎn)品為構(gòu)建更廣泛的未來能力提供了基礎(chǔ)，通過許多可用網(wǎng)絡(luò)無縫橋接業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，就像作為單個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一樣，并通過開放架構(gòu)/軟件定義網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)未來改進(jìn)。未來CaaS可考慮納入混合射頻/FSO海上信道，混合無線光通信提高了鏈路的可用性和數(shù)據(jù)傳輸。新架構(gòu)通過聯(lián)合優(yōu)化通信功能，有望提高海軍現(xiàn)有防空反導(dǎo)系統(tǒng)的覆蓋范圍、吞吐量和實(shí)時(shí)接收能力。過去15年里，業(yè)界積極支持海軍海上FSO技術(shù)研究，在這一技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)申請(qǐng)了多項(xiàng)專利，特別是在減輕濃厚大氣層效應(yīng)方面的技術(shù)研發(fā)。海上到中等高度的大量開發(fā)和演示顯示了在不同天氣條件下FSO運(yùn)行的韌性和能力。近期美國(guó)約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室（APL）開發(fā)了一種使用光纖束作為新型位置傳感器的簡(jiǎn)化終端設(shè)計(jì)，可適用于海軍移動(dòng)平臺(tái)緊湊高速的激光通信系統(tǒng)。與傳統(tǒng)終端架構(gòu)相比，這種新型設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，并提供了熱穩(wěn)定性，從而為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)化開辟了一條道路。業(yè)界將繼續(xù)開發(fā)創(chuàng)新原型，推動(dòng)海上光通信領(lǐng)域的進(jìn)步。

5 不對(duì)稱作戰(zhàn)中的光通信

（1）低尺寸、重量和功耗（SWaP）光通信許多國(guó)家安全群體越來越需要安全通信方法，特別是在競(jìng)爭(zhēng)激烈和擁擠的地面到低空域。在傳統(tǒng)FSO通信中，數(shù)據(jù)在兩個(gè)激光終端之間傳輸，每個(gè)終端都有捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的復(fù)雜性使得激光終端的SWaP較高。約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室一項(xiàng)內(nèi)部研究和開發(fā)工作正在評(píng)估用小型逆向調(diào)制器（MRR）替換其中一個(gè)激光終端。使用MRR有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，MRR比激光終端小得多，尺寸一般介于圖釘和藥瓶之間。第二，MRR能耗很低，有些例子只使用紐扣電池即可。最后，MRR的接收角比激光終端的接收角大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)準(zhǔn)和建立鏈路比傳統(tǒng)激光終端容易得多。然而，MRR的低SWaP和易對(duì)準(zhǔn)特點(diǎn)是以犧牲傳輸距離和數(shù)據(jù)速率為代價(jià)的?；谥睆皆?到10毫米之間的立方反射鏡的MRR技術(shù)使用人眼安全激光器通?？梢灾С?到5公里的范圍。這里假設(shè)使用發(fā)射和接收孔徑為2到3英寸的低SWaP詢問器。范圍可以擴(kuò)大，但需要更大的詢問器孔徑、更大的反射器或更高激光功率。MRR技術(shù)的另一主要限制是數(shù)據(jù)速率。直徑在5到10毫米之間的最先進(jìn)MRR的數(shù)據(jù)速率在100 kbps到1 Mbps之間。傳統(tǒng)激光終端可能有10 Gbps或更高數(shù)據(jù)速率。（2）Li-Fi通信過去幾年中，各種光通信方法（即光無線通信、FSO通信和可見光通信）的物理鏈路連接和概念證明都取得了重大進(jìn)展。目前出現(xiàn)了一種新的需要全組網(wǎng)解決方案的光移動(dòng)通信系統(tǒng)——Li-Fi。Li-Fi不是LED燈泡、接入點(diǎn)或物理層協(xié)議。Li-Fi是一種幾乎與IEEE 802工作組創(chuàng)建的Wi-Fi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)等同的全網(wǎng)絡(luò)化光無線通信協(xié)議。Li-Fi被定義為“一種光無線寬帶接入技術(shù)，它使用可見光和/或紅外光光譜提供雙向（發(fā)射和接收）能力。它能夠支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)拓?fù)湫问降纳闲墟溌泛拖滦墟溌?，并以這種方式提供多用戶接入?！痹摷夹g(shù)的意義在于將光通信集成到消費(fèi)者實(shí)際用例中。采用Li-Fi將減輕不斷增加的射頻通信信道負(fù)擔(dān)，并通過實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的致密化和帶寬擴(kuò)展來增加容量。美國(guó)防部正在評(píng)估Li-Fi的軍事用途。美國(guó)防信息系統(tǒng)局2017年和2018年將Li-Fi作為國(guó)防部基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)光無線局域網(wǎng)的潛在解決方案對(duì)其進(jìn)行了開發(fā)及測(cè)試。美海軍與約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室合作進(jìn)行該技術(shù)的可行性研究，在2018年美國(guó)海軍“三叉戟勇士”演習(xí)測(cè)試了Li-Fi下一代安全移動(dòng)組網(wǎng)技術(shù)。Li-Fi測(cè)試在“卡爾文森”號(hào)航空母艦上進(jìn)行，確定了實(shí)際飛行操作對(duì)Li-Fi運(yùn)行的影響。測(cè)試的結(jié)論是，盡管在上層飛行甲板進(jìn)行的飛行操作產(chǎn)生了沖擊、振動(dòng)和噪聲，但對(duì)于無線通信鏈路沒有產(chǎn)生可測(cè)量的負(fù)面影響。Li-Fi雖具備許多優(yōu)勢(shì)，但與大多數(shù)通訊技術(shù)一樣，需要一個(gè)能促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的開放式通訊標(biāo)準(zhǔn)，才能加速其市場(chǎng)發(fā)展。IEEE 802.11bb工作組目前正在開發(fā)Li-Fi標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將與Wi-Fi（IEEE 802.11ac/ax）和蜂窩協(xié)議互換使用。Li-Fi（IEEE 802.11bb）和Wi-Fi（IEEE 802.11ac/ax）之間的主要區(qū)別是對(duì)光介質(zhì)的物理層進(jìn)行了修改，并對(duì)介質(zhì)訪問控制層處理進(jìn)行了一些修改。

6 水下光通信

與其他域光通信相比射頻通信還處于初級(jí)階段不同，光手段用于水下通信已經(jīng)有幾十年歷史。目前為止，水下光通信已經(jīng)能夠在沒有自由空間連接的情況下通過光纖連接岸上的兩個(gè)位置。適合在水下使用的通信方式通常在帶寬或距離上受到限制，必須根據(jù)特定任務(wù)需求的數(shù)據(jù)速率和范圍選擇通信方法（例如射頻、光學(xué)、聲學(xué)）。對(duì)于水面和空中平臺(tái)來說，這種平衡隱蔽性、數(shù)據(jù)速率與傳輸距離的通信多樣性選擇將是水上通信的一個(gè)重大范式轉(zhuǎn)變。水下域?yàn)槠渌蛘故玖死枚喾N通信選擇優(yōu)勢(shì)的很好示例。

到20世紀(jì)70年代初，工業(yè)界已經(jīng)開發(fā)出可行的光纖通信系統(tǒng)所需的所有關(guān)鍵部件。這些技術(shù)包括光電二極管（由貝爾實(shí)驗(yàn)室于1948年開發(fā)）和砷化鎵激光二極管（由通用電氣公司于1962年開發(fā)）。此外，1963年東北大學(xué)描述了現(xiàn)代系統(tǒng)中涉及的基本概念，1970年康寧記錄了低損耗光纖的制造過程。盡管取得了這些進(jìn)步，但直到1977年，可運(yùn)轉(zhuǎn)光纖系統(tǒng)才在芝加哥和長(zhǎng)灘投入商業(yè)應(yīng)用。美軍方在這項(xiàng)技術(shù)首次商業(yè)部署前3-4年就使用了光纖通信。1973年，“小石城”號(hào)航空母艦上安裝了艦載光通信系統(tǒng)，1975年，北美防空司令部（NORAD）安裝了光纖系統(tǒng)來連接計(jì)算機(jī)。通常情況下，美國(guó)防部成功采用新技術(shù)是因?yàn)榍宄亓私庑录夹g(shù)的能力和局限性以及潛在的軍事需求。獨(dú)特的軍事需求（安全性和不受電磁干擾影響）使得在商業(yè)上采用同一組技術(shù)之前成功實(shí)現(xiàn)商業(yè)技術(shù)軍事應(yīng)用?？藙诘隆は戕r(nóng)在20世紀(jì)40年代關(guān)于通信理論的開創(chuàng)性工作描述了任何信道攜帶信息的能力上限。通過這種方法，在真空中或在波導(dǎo)中（如光纖），光的信息傳輸速度可以（而且確實(shí)）比大多數(shù)無線電波快數(shù)百萬倍。然而，光波在水中的有限傳播意味著，雖然可以在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間快速傳輸大量信息，但在這些節(jié)點(diǎn)之間不能有太多的水。如果水混濁，距離和數(shù)據(jù)速率會(huì)進(jìn)一步降低?？傊?，F(xiàn)SO水中通信必須輔以其他技術(shù)（聲學(xué)、VLF等）以確保實(shí)現(xiàn)一套總體魯棒的戰(zhàn)術(shù)通信。未來幾十年，商業(yè)光通信技術(shù)將繼續(xù)逼近渾濁和清澈水中的數(shù)據(jù)傳輸極限，但超過幾百碼，這些技術(shù)就不會(huì)有多少實(shí)用性了。未來FSO通信將與射頻、光纖和水聲通信協(xié)同工作，確保魯棒的水下網(wǎng)絡(luò)通信。為了保持隱蔽性和安全性，將這些通信捆綁在一起的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧必須以非常低的開銷支持加密、路由指令和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓?。支持這些水下網(wǎng)絡(luò)通信所需的協(xié)議棧必須在數(shù)據(jù)速率上有效超過9個(gè)數(shù)量級(jí)，在距離上有效超過6個(gè)數(shù)量級(jí)，并且必須滿足美國(guó)防部對(duì)安全性和隱身性的要求。業(yè)界將了解未來殺傷鏈中的缺失環(huán)節(jié)，幫助美軍集成和部署技術(shù)來支持其需求。業(yè)界將重點(diǎn)關(guān)注美軍面臨問題及潛在技術(shù)解決方案狀態(tài)，使用合適的商業(yè)技術(shù)，并在必要時(shí)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)來填補(bǔ)空白；這些技術(shù)結(jié)合在一起將有助于美軍以韌性方式完成其使命。

7 光通信網(wǎng)絡(luò)

如上所述，F(xiàn)SO通信鏈路的多種基本構(gòu)件都已可用，但仍有一些網(wǎng)絡(luò)相關(guān)問題需要解決。第一個(gè)挑戰(zhàn)涉及網(wǎng)絡(luò)中物理鏈路上的業(yè)務(wù)流。通常，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施要么是靜態(tài)的（例如，建筑物中的光纖），要么是使用全向天線連接的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。FSO通信波束寬度極窄帶來了所謂拓?fù)淇刂频男绿魬?zhàn)。假設(shè)節(jié)點(diǎn)A有兩個(gè)光收發(fā)器頭，但對(duì)節(jié)點(diǎn)B、C和D都保持通視。節(jié)點(diǎn)A應(yīng)該指向哪兩個(gè)節(jié)點(diǎn)？節(jié)點(diǎn)A的選擇必須與其他節(jié)點(diǎn)的選擇匹配，因?yàn)楣饨邮掌骱桶l(fā)射器必須對(duì)準(zhǔn)。這就是定向射頻和FSO通信中出現(xiàn)的拓?fù)淇刂茊栴}。它可以表征為一個(gè)NP完全問題的圖邊緣著色問題，因此必須使用各種啟發(fā)式方法來尋找次優(yōu)但有效的方法?？紤]到這些網(wǎng)絡(luò)是移動(dòng)的，并且對(duì)FSO通信的阻擋會(huì)中斷波束，因此這不是一次性運(yùn)算，而是必須動(dòng)態(tài)執(zhí)行的過程。

FSO通信節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)相關(guān)的第二個(gè)挑戰(zhàn)是業(yè)務(wù)路由。許多情況下，路由協(xié)議在固定基礎(chǔ)設(shè)施上運(yùn)行，但FSO通信將采用動(dòng)態(tài)物理基礎(chǔ)設(shè)施。許多為移動(dòng)自組網(wǎng)開發(fā)的路由方法可以用于FSO通信。約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理試驗(yàn)室基于容遲/容中斷網(wǎng)絡(luò)（DTN）方法創(chuàng)建了一類路由機(jī)制，其中網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)路由被耦合到拓?fù)淇刂茊栴}以試圖減輕中斷。FSO通信將與其他射頻通信網(wǎng)絡(luò)融合為混合解決方案。所有通信系統(tǒng)都會(huì)受到某些環(huán)境因素的影響，受影響類型取決于系統(tǒng)工作頻率，但是通過使用不同模式，可以減輕這些問題。例如，F(xiàn)SO通信在霧或沙塵中的傳輸性能下降，而毫米波射頻通信在雨中性能下降。運(yùn)行在這些網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序需要適應(yīng)通信數(shù)據(jù)速率可能會(huì)發(fā)生數(shù)量級(jí)變化的情況。這種適配可以通過編碼來利用不同路徑或QoS方法，將業(yè)務(wù)流編排到每個(gè)網(wǎng)絡(luò)上。雖然目前應(yīng)用程序在不斷變化的網(wǎng)絡(luò)中有一定動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力，但它們還無法達(dá)到適應(yīng)未來光/射頻混合所需的程度。

8 結(jié)語

射頻通信領(lǐng)域不斷有新的發(fā)展，但射頻只是電磁頻譜受到高度管制的一部分。光通信為增加通信選擇的多樣性提供了新的機(jī)遇，可將應(yīng)用頻段擴(kuò)展到受管制頻譜部分之外。為了實(shí)現(xiàn)未來光通信創(chuàng)新，美軍必須促進(jìn)當(dāng)前和初步簡(jiǎn)單應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)使用光通信來應(yīng)對(duì)安全通信中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)的關(guān)鍵在于真正實(shí)際使用，而不只在于研發(fā)上的突破。過去15年美軍依靠大膽設(shè)想，開發(fā)了有用技術(shù)；未來20年需要關(guān)注回歸基礎(chǔ)——識(shí)別初始用例、采用系統(tǒng)工程方法建立需求、專注于解決平臺(tái)集成和網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)以及應(yīng)用研發(fā)成果。

「本文改編自國(guó)防科技要聞，標(biāo)題為編者添加」