過去十幾年里，美軍和業界開發并展示了多項令人印象深刻的光通信能力和技術。他們進行了試驗分析、設計研究、功能開發、算法編碼及演示驗證。但美軍在未來20年仍需解決的關鍵光通信挑戰不只在于技術開發。美國防部正與美國國家航天界和研究機構及業界合作，通過系統工程和采購過程應用和實施這些技術成果。本文將分析討論光通信的歷史、發展、當前挑戰和前進方向。

1光通信現狀及挑戰

美軍一直將光通信視為實現全域軍事接入的重要能力，領導層一直在為美軍內部以及研究機構和業界的多個項目提供支持，開發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）系統開始，到更遠固定距離演示，之后是空對地移動測試，以及2012年的移動空對地FSO網絡演示，通過這項技術的研發，美軍現在已經建立了一系列能力，可以組合起來滿足特定任務需求。在取得這些進展的同時，美軍還在支持天基系統、高空平臺以及地基和水下光通信研究。盡管取得了這些成功，美國防部移動FSO通信仍面臨極大挑戰。正如美國約翰霍普金斯大學應用物理試驗室副主任杰里克里爾在介紹這一問題時指出的，“將一個革命性的想法轉化為實際應用還很困難。”目前美國正在開發幾個非密光通信系統，但在美政府采購周期中，實現移動FSO網絡能力的現有在案項目似乎很少。如美空軍研究試驗室羅馬試驗室的約翰·馬洛維奇所指出：“FSO通信波束窄，定向性好，具有數據速率高和物理安全性好的優勢。這已經在大范圍挑戰性空對空和空對地環境中得到證明。但是由于尺寸、成本和復雜性問題，很少有系統已經實用。過去十年，業界在降低SWaP（尺寸、重量和功率）和復雜性方面取得了顯著進展，這使得FSO通信轉化為真實平臺更具吸引力。未來幾年，FSO通信可能在更多區域部署，并將提供可行解決方案，很可能是射頻/光混合解決方案，以應對不同大氣條件挑戰和A2/AD（反介入/區域拒止）環境挑戰?！苯裉斓耐ㄐ鸥倪M項目通常集中在提高射頻能力和韌性上，然而該領域只是潛在通信頻譜的一部分（受管制的）。美國國防部迫切需要具備低截獲概率和低探測概率的通信方法，而光波段是開放的、不受監管的，隨時可以實現為作戰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——它是一種增強能力，旨在為目前可用通信選項選擇較少的戰場提供更多選擇。將光通信系統集成到美國防部中的一個挑戰是，每增加一塊硬件都需要額外空間。許多情況下，無論是飛機、船只，甚至是單兵，平臺都只有極小空間來容納額外設備，因此光通信系統必須提供優于現有射頻系統的獨特附加能力。例如在海軍水面應用中，單一用途技術在艦艇上可用空間有限，所以問題在于光通信系統核心組件是否可以兩用，例如亦用于激光雷達成像儀。下文將回顧射頻通信的歷史，以了解如何實現光通信的未來。

2 射頻通信簡史和光通信展望

19世紀90年代末，無線電先驅馬可尼開始進行無線電波傳輸試驗。經過多年試驗，他的首個用例和實現之一是在橫跨大西洋的兩艘船上通過簡單裝置向紐約體育報報告游艇比賽結果。在此后130年里，射頻通信系統已經成為日常生活的一部分以及軍事應用中的關鍵技術。而這場射頻革命的開端是實現能滿足簡單運行需求的用例。在過去15年里，業界已經開發并演示了光通信方面的卓越能力和技術。美軍進行了試驗分析，研究了多種光信息傳輸設計，開發了后端調制解調器和組網能力，完成了先進的瞄準和跟蹤算法編碼保持遠程終端鎖定，并演示了利用激光傳輸加密數據流的實際用途。然而，美軍才剛剛開始與業界及研究機構合作識別簡單用例，進行系統工程研究，并實現滿足簡單需求的初始光通信系統。未來20年仍需解決的光通信關鍵挑戰并不在于技術開發，而是美國防部和航天界通過采購過程應用和實施已經得到驗證的技術，實現多種光通信系統來應對多種任務用例和需求。幾種光通信技術，如可見光無線通信（Li-Fi）、星間光鏈路、自由空間和對流層光通信以及水下高數據速率通信等技術，早就應該應用于軍事用途。美國防部應評估這些系統的能力和局限性（包括那些具備功能性但不具備商業可行性的系統），將這些技術與其在未來幾十年將面臨的通信差距進行對照匹配。

3 空間探索中的光通信

空間光通信技術近年來飛速發展，許多技術難題被逐步攻克，為實現空間探索光通信奠定了基礎。對以下三種用例，FSO將是理想解決方案：

· 星間鏈路，在衛星星座內提供高帶寬連接，實現空間組網；

· 高數據量回程，特別是從低軌衛星，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器人集中探索的高興趣區域（如月球或火星）之間的數據中繼。

多家商業公司正在部署低軌和中軌星座，提供全球通信接入，相信商業案例最終會在這一市場取得成功。星間鏈路是這些星座運行的關鍵使能技術。在民用科學領域，技術演示和運行部署都取得了多項成功。美國航空航天局（NASA）也正在開發光通信解決射頻通信局限性。光通信將引領NASA進入下一個空間通信時代。為了全面充分驗證空間光通信鏈路與網絡技術，NASA開展了一系列空間高速光通信演示驗證計劃。

（1）已完成項目

· 月球激光通信演示（LLCD）2013年NASA成功完成了LLCD試驗，驗證了在月地距離情況下通過輕小型星載終端進行高速激光通信的可行性，實現了下行速率622Mbps和上行速率20Mbps的月地雙向激光通信。這項任務為未來激光通信的研究和發展奠定了基礎。· 激光通信科學光學有效載荷（OPALS）NASA 2014年成功完成了為期四個月的光通信技術演示驗證試驗——OPALS項目。這是NASA第一次在國際空間站進行光通信試驗。試驗的關鍵是驗證激光束指向與跟蹤能力，安裝在空間站外側的OPALS設備展示了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）項目首次展示了從立方體衛星到地面站的高速激光通信下行鏈路，傳輸速率達到200Mbps。

（2）當前激光通信項目

在上述任務成功的基礎上，NASA繼續測試各種激光通信應用。

· 激光通信中繼驗證（LCRD）

2021年12月發射的LCRD任務是NASA首次雙向激光中繼系統的技術演示。NASA首個端到端激光中繼系統LCRD將展示連接地面站的對地激光通信，光終端收發速率都是1.2Gbps。在支持近地軌道任務之前，LCRD將為地面激光試驗中繼數據。在任務后期，LCRD將從NASA放置在國際空間站的光終端收發數據。

· 太字節紅外傳輸（TBIRD）

NASA正在測試大型及小型衛星的激光通信能力。2021年末TBIRD任務將演示從低軌立方體衛星到地面高達200 Gbps的直接對地光通信鏈路。星載激光終端每天能夠傳輸超過50TB的數據。

· 綜合低軌用戶調制解調器和放大器終端（ILLUMA-T）

NASA計劃于2022年將其ILLUMA-T部署到國際空間站，這將是LCRD端到端激光中繼服務完全運行后的首個在軌試驗用戶。該終端將空間站科學試驗數據發送到LCRD，然后由后者將數據轉發到地面。ILLUMA-T將提供1.2 Gbps的數據速率。

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

阿爾忒彌斯二號任務計劃于2023年發射，O2O終端將實現環繞月球飛行的獵戶座航天器和地球之間的4K實時超高清視頻傳輸及增強的科學數據傳輸等，使該任務成為首批將激光通信技術用于載人航天的任務之一

· 深空光通信（DSOC）

NASA預計2022年DSOC激光裝置將搭載在“普賽克”（Psyche）飛行器上發射升空，對深空激光通信技術進行驗證。DSOC項目將提供深空光收發器和地面數據系統，應對深空探測帶來的獨特挑戰。

4 海上防御中的光通信

由于技術、操作或環境方面原因，美海軍有時可能無法使用無線電通信。海軍平臺越來越需要在低射頻或發射受控條件下有效運行，同時保持其戰術優勢和態勢感知能力。FSO系統設計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。此前為美陸地國防應用研發的FSO演示系統過于龐大，其移動性、數據速率或作用范圍無法滿足海上平臺實用性需求。美海軍與約翰·霍普金斯大學應用物理試驗室合作，在2017年三叉戟勇士演習中成功演示了兩艘移動船只之間的高帶寬FSO通信系統，證明了FSO技術可以在極具挑戰性的海洋環境中運行，能夠成為美國海軍平臺可行的非射頻通信技術。美國海軍研究實驗室也一直致力于大氣傳播和光子組件的研究，目標是描述和克服FSO系統的部署限制。海軍研究實驗室已進行了幾次FSO鏈路在真實海軍應用中的演示，開發戰術FSO鏈路，用于電子戰或擁擠射頻頻譜環境，以滿足海軍艦對艦和海軍小部隊的通信需求?；旌仙漕l/FSO系統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?？盏馗拍铗炞C性射頻/FSO混合鏈路已經在美DARPA自由空間光學實驗網絡實驗（FOENEX）項目的FSO系統集成器以及美空軍研究試驗室（AFRL）的領先研究和內部獨立研發任務得到了演示驗證。美海軍仍需對海上射頻/FSO混合鏈路系統和技術進行積極研究和探索。已開展的演示建立了初步的數據優先分級功能，未來目標是部署跨射頻和光通信域的綜合多功能戰術數據鏈路。這類大規?；A設施將讓配備光通信鏈路的平臺能與使用更傳統鏈路的平臺連接起來。美海軍未來光通信發展應該集中在這種架構內的互操作性上，真正提供海軍所需任務韌性和能力。作為美海軍綜合火力通信和互操作性（CIIF）未來海軍能力計劃的一部分，通信即服務（CaaS）愿景是讓優先數據流能通過任何可用戰術數據鏈路組合進行傳輸。CaaS產品為構建更廣泛的未來能力提供了基礎，通過許多可用網絡無縫橋接業務數據，就像作為單個網絡運行一樣，并通過開放架構/軟件定義網絡實現實現未來改進。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據傳輸。新架構通過聯合優化通信功能，有望提高海軍現有防空反導系統的覆蓋范圍、吞吐量和實時接收能力。過去15年里，業界積極支持海軍海上FSO技術研究，在這一技術領域已經申請了多項專利，特別是在減輕濃厚大氣層效應方面的技術研發。海上到中等高度的大量開發和演示顯示了在不同天氣條件下FSO運行的韌性和能力。近期美國約翰霍普金斯大學應用物理試驗室（APL）開發了一種使用光纖束作為新型位置傳感器的簡化終端設計，可適用于海軍移動平臺緊湊高速的激光通信系統。與傳統終端架構相比，這種新型設計降低了系統復雜性，并提供了熱穩定性，從而為實現系統自動化開辟了一條道路。業界將繼續開發創新原型，推動海上光通信領域的進步。

5 不對稱作戰中的光通信

（1）低尺寸、重量和功耗（SWaP）光通信許多國家安全群體越來越需要安全通信方法，特別是在競爭激烈和擁擠的地面到低空域。在傳統FSO通信中，數據在兩個激光終端之間傳輸，每個終端都有捕獲、跟蹤和瞄準子系統。這些系統的復雜性使得激光終端的SWaP較高。約翰霍普金斯大學應用物理試驗室一項內部研究和開發工作正在評估用小型逆向調制器（MRR）替換其中一個激光終端。使用MRR有幾個優點。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數量級，對準和建立鏈路比傳統激光終端容易得多。然而，MRR的低SWaP和易對準特點是以犧牲傳輸距離和數據速率為代價的?；谥睆皆?到10毫米之間的立方反射鏡的MRR技術使用人眼安全激光器通?？梢灾С?到5公里的范圍。這里假設使用發射和接收孔徑為2到3英寸的低SWaP詢問器。范圍可以擴大，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技術的另一主要限制是數據速率。直徑在5到10毫米之間的最先進MRR的數據速率在100 kbps到1 Mbps之間。傳統激光終端可能有10 Gbps或更高數據速率。（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展。目前出現了一種新的需要全組網解決方案的光移動通信系統——Li-Fi。Li-Fi不是LED燈泡、接入點或物理層協議。Li-Fi是一種幾乎與IEEE 802工作組創建的Wi-Fi協議標準等同的全網絡化光無線通信協議。Li-Fi被定義為“一種光無線寬帶接入技術，它使用可見光和/或紅外光光譜提供雙向（發射和接收）能力。它能夠支持點對點或點對多點拓撲形式的上行鏈路和下行鏈路，并以這種方式提供多用戶接入?！痹摷夹g的意義在于將光通信集成到消費者實際用例中。采用Li-Fi將減輕不斷增加的射頻通信信道負擔，并通過實現無線網絡的致密化和帶寬擴展來增加容量。美國防部正在評估Li-Fi的軍事用途。美國防信息系統局2017年和2018年將Li-Fi作為國防部基礎設施內光無線局域網的潛在解決方案對其進行了開發及測試。美海軍與約翰·霍普金斯大學應用物理試驗室合作進行該技術的可行性研究，在2018年美國海軍“三叉戟勇士”演習測試了Li-Fi下一代安全移動組網技術。Li-Fi測試在“卡爾文森”號航空母艦上進行，確定了實際飛行操作對Li-Fi運行的影響。測試的結論是，盡管在上層飛行甲板進行的飛行操作產生了沖擊、振動和噪聲，但對于無線通信鏈路沒有產生可測量的負面影響。Li-Fi雖具備許多優勢，但與大多數通訊技術一樣，需要一個能促進生態系統發展的開放式通訊標準，才能加速其市場發展。IEEE 802.11bb工作組目前正在開發Li-Fi標準，該標準將與Wi-Fi（IEEE 802.11ac/ax）和蜂窩協議互換使用。Li-Fi（IEEE 802.11bb）和Wi-Fi（IEEE 802.11ac/ax）之間的主要區別是對光介質的物理層進行了修改，并對介質訪問控制層處理進行了一些修改。

6 水下光通信

與其他域光通信相比射頻通信還處于初級階段不同，光手段用于水下通信已經有幾十年歷史。目前為止，水下光通信已經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，必須根據特定任務需求的數據速率和范圍選擇通信方法（例如射頻、光學、聲學）。對于水面和空中平臺來說，這種平衡隱蔽性、數據速率與傳輸距離的通信多樣性選擇將是水上通信的一個重大范式轉變。水下域為其他域展示了利用多種通信選擇優勢的很好示例。

到20世紀70年代初，工業界已經開發出可行的光纖通信系統所需的所有關鍵部件。這些技術包括光電二極管（由貝爾實驗室于1948年開發）和砷化鎵激光二極管（由通用電氣公司于1962年開發）。此外，1963年東北大學描述了現代系統中涉及的基本概念，1970年康寧記錄了低損耗光纖的制造過程。盡管取得了這些進步，但直到1977年，可運轉光纖系統才在芝加哥和長灘投入商業應用。美軍方在這項技術首次商業部署前3-4年就使用了光纖通信。1973年，“小石城”號航空母艦上安裝了艦載光通信系統，1975年，北美防空司令部（NORAD）安裝了光纖系統來連接計算機。通常情況下，美國防部成功采用新技術是因為清楚地了解新技術的能力和局限性以及潛在的軍事需求。獨特的軍事需求（安全性和不受電磁干擾影響）使得在商業上采用同一組技術之前成功實現商業技術軍事應用?？藙诘隆は戕r在20世紀40年代關于通信理論的開創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，在真空中或在波導中（如光纖），光的信息傳輸速度可以（而且確實）比大多數無線電波快數百萬倍。然而，光波在水中的有限傳播意味著，雖然可以在兩個節點之間快速傳輸大量信息，但在這些節點之間不能有太多的水。如果水混濁，距離和數據速率會進一步降低?？傊?，FSO水中通信必須輔以其他技術（聲學、VLF等）以確保實現一套總體魯棒的戰術通信。未來幾十年，商業光通信技術將繼續逼近渾濁和清澈水中的數據傳輸極限，但超過幾百碼，這些技術就不會有多少實用性了。未來FSO通信將與射頻、光纖和水聲通信協同工作，確保魯棒的水下網絡通信。為了保持隱蔽性和安全性，將這些通信捆綁在一起的網絡協議棧必須以非常低的開銷支持加密、路由指令和網絡拓撲更新。支持這些水下網絡通信所需的協議棧必須在數據速率上有效超過9個數量級，在距離上有效超過6個數量級，并且必須滿足美國防部對安全性和隱身性的要求。業界將了解未來殺傷鏈中的缺失環節，幫助美軍集成和部署技術來支持其需求。業界將重點關注美軍面臨問題及潛在技術解決方案狀態，使用合適的商業技術，并在必要時開發關鍵技術來填補空白；這些技術結合在一起將有助于美軍以韌性方式完成其使命。

7 光通信網絡

如上所述，FSO通信鏈路的多種基本構件都已可用，但仍有一些網絡相關問題需要解決。第一個挑戰涉及網絡中物理鏈路上的業務流。通常，網絡基礎設施要么是靜態的（例如，建筑物中的光纖），要么是使用全向天線連接的移動網絡。FSO通信波束寬度極窄帶來了所謂拓撲控制的新挑戰。假設節點A有兩個光收發器頭，但對節點B、C和D都保持通視。節點A應該指向哪兩個節點？節點A的選擇必須與其他節點的選擇匹配，因為光接收器和發射器必須對準。這就是定向射頻和FSO通信中出現的拓撲控制問題。它可以表征為一個NP完全問題的圖邊緣著色問題，因此必須使用各種啟發式方法來尋找次優但有效的方法?？紤]到這些網絡是移動的，并且對FSO通信的阻擋會中斷波束，因此這不是一次性運算，而是必須動態執行的過程。

FSO通信節點組網相關的第二個挑戰是業務路由。許多情況下，路由協議在固定基礎設施上運行，但FSO通信將采用動態物理基礎設施。許多為移動自組網開發的路由方法可以用于FSO通信。約翰霍普金斯大學應用物理試驗室基于容遲/容中斷網絡（DTN）方法創建了一類路由機制，其中網絡業務路由被耦合到拓撲控制問題以試圖減輕中斷。FSO通信將與其他射頻通信網絡融合為混合解決方案。所有通信系統都會受到某些環境因素的影響，受影響類型取決于系統工作頻率，但是通過使用不同模式，可以減輕這些問題。例如，FSO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。運行在這些網絡上的應用程序需要適應通信數據速率可能會發生數量級變化的情況。這種適配可以通過編碼來利用不同路徑或QoS方法，將業務流編排到每個網絡上。雖然目前應用程序在不斷變化的網絡中有一定動態適應能力，但它們還無法達到適應未來光/射頻混合所需的程度。

8 結語

射頻通信領域不斷有新的發展，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遇，可將應用頻段擴展到受管制頻譜部分之外。為了實現未來光通信創新，美軍必須促進當前和初步簡單應用。實現使用光通信來應對安全通信中的關鍵挑戰的關鍵在于真正實際使用，而不只在于研發上的突破。過去15年美軍依靠大膽設想，開發了有用技術；未來20年需要關注回歸基礎——識別初始用例、采用系統工程方法建立需求、專注于解決平臺集成和網絡挑戰以及應用研發成果。

「本文改編自國防科技要聞，標題為編者添加」