美军装备中的空间光通信技术发展以及未来展望

过去十几年里，美军和业界开发并展示了多项令人印象深刻的光通信能力和技术。他们进行了试验分析、设计研究、功能开发、算法编码及演示验证。但美军在未来20年仍需解决的关键光通信挑战不只在于技术开发。美国防部正与美国国家航天界和研究机构及业界合作，通过系统工程和采购过程应用和实施这些技术成果。本文将分析讨论光通信的历史、发展、当前挑战和前进方向。

1光通信现状及挑战

美军一直将光通信视为实现全域军事接入的重要能力，领导层一直在为美军内部以及研究机构和业界的多个项目提供支持，开发并展示光通信军事用途。从2006年成功演示浮空器和地面终端之间的80 Gbps自由空间光通信（FSO）系统开始，到更远固定距离演示，之后是空对地移动测试，以及2012年的移动空对地FSO网络演示，通过这项技术的研发，美军现在已经建立了一系列能力，可以组合起来满足特定任务需求。在取得这些进展的同时，美军还在支持天基系统、高空平台以及地基和水下光通信研究。尽管取得了这些成功，美国防部移动FSO通信仍面临极大挑战。正如美国约翰霍普金斯大学应用物理试验室副主任杰里克里尔在介绍这一问题时指出的，“将一个革命性的想法转化为实际应用还很困难。”目前美国正在开发几个非密光通信系统，但在美政府采购周期中，实现移动FSO网络能力的现有在案项目似乎很少。如美空军研究试验室罗马试验室的约翰·马洛维奇所指出：“FSO通信波束窄，定向性好，具有数据速率高和物理安全性好的优势。这已经在大范围挑战性空对空和空对地环境中得到证明。但是由于尺寸、成本和复杂性问题，很少有系统已经实用。过去十年，业界在降低SWaP（尺寸、重量和功率）和复杂性方面取得了显著进展，这使得FSO通信转化为真实平台更具吸引力。未来几年，FSO通信可能在更多区域部署，并将提供可行解决方案，很可能是射频/光混合解决方案，以应对不同大气条件挑战和A2/AD（反介入/区域拒止）环境挑战。”今天的通信改进项目通常集中在提高射频能力和韧性上，然而该领域只是潜在通信频谱的一部分（受管制的）。美国国防部迫切需要具备低截获概率和低探测概率的通信方法，而光波段是开放的、不受监管的，随时可以实现为作战人员提供多种通信选择的能力。光通信不是意图取代射频通信——它是一种增强能力，旨在为目前可用通信选项选择较少的战场提供更多选择。将光通信系统集成到美国防部中的一个挑战是，每增加一块硬件都需要额外空间。许多情况下，无论是飞机、船只，甚至是单兵，平台都只有极小空间来容纳额外设备，因此光通信系统必须提供优于现有射频系统的独特附加能力。例如在海军水面应用中，单一用途技术在舰艇上可用空间有限，所以问题在于光通信系统核心组件是否可以两用，例如亦用于激光雷达成像仪。下文将回顾射频通信的历史，以了解如何实现光通信的未来。

2 射频通信简史和光通信展望

19世纪90年代末，无线电先驱马可尼开始进行无线电波传输试验。经过多年试验，他的首个用例和实现之一是在横跨大西洋的两艘船上通过简单装置向纽约体育报报告游艇比赛结果。在此后130年里，射频通信系统已经成为日常生活的一部分以及军事应用中的关键技术。而这场射频革命的开端是实现能满足简单运行需求的用例。在过去15年里，业界已经开发并演示了光通信方面的卓越能力和技术。美军进行了试验分析，研究了多种光信息传输设计，开发了后端调制解调器和组网能力，完成了先进的瞄准和跟踪算法编码保持远程终端锁定，并演示了利用激光传输加密数据流的实际用途。然而，美军才刚刚开始与业界及研究机构合作识别简单用例，进行系统工程研究，并实现满足简单需求的初始光通信系统。未来20年仍需解决的光通信关键挑战并不在于技术开发，而是美国防部和航天界通过采购过程应用和实施已经得到验证的技术，实现多种光通信系统来应对多种任务用例和需求。几种光通信技术，如可见光无线通信（Li-Fi）、星间光链路、自由空间和对流层光通信以及水下高数据速率通信等技术，早就应该应用于军事用途。美国防部应评估这些系统的能力和局限性（包括那些具备功能性但不具备商业可行性的系统），将这些技术与其在未来几十年将面临的通信差距进行对照匹配。

3 空间探索中的光通信

空间光通信技术近年来飞速发展，许多技术难题被逐步攻克，为实现空间探索光通信奠定了基础。对以下三种用例，FSO将是理想解决方案：

· 星间链路，在卫星星座内提供高带宽连接，实现空间组网；

· 高数据量回程，特别是从低轨卫星，直接或通过地球同步中继到地面的回程链路；

· 地球和人类探索或机器人集中探索的高兴趣区域（如月球或火星）之间的数据中继。

多家商业公司正在部署低轨和中轨星座，提供全球通信接入，相信商业案例最终会在这一市场取得成功。星间链路是这些星座运行的关键使能技术。在民用科学领域，技术演示和运行部署都取得了多项成功。美国航空航天局（NASA）也正在开发光通信解决射频通信局限性。光通信将引领NASA进入下一个空间通信时代。为了全面充分验证空间光通信链路与网络技术，NASA开展了一系列空间高速光通信演示验证计划。

（1）已完成项目

· 月球激光通信演示（LLCD）2013年NASA成功完成了LLCD试验，验证了在月地距离情况下通过轻小型星载终端进行高速激光通信的可行性，实现了下行速率622Mbps和上行速率20Mbps的月地双向激光通信。这项任务为未来激光通信的研究和发展奠定了基础。· 激光通信科学光学有效载荷（OPALS）NASA 2014年成功完成了为期四个月的光通信技术演示验证试验——OPALS项目。这是NASA第一次在国际空间站进行光通信试验。试验的关键是验证激光束指向与跟踪能力，安装在空间站外侧的OPALS设备展示了50Mbps的传输速度。· 光通信和传感器演示（OCSD）NASA 2017年光通信和传感器演示（OCSD）项目首次展示了从立方体卫星到地面站的高速激光通信下行链路，传输速率达到200Mbps。

（2）当前激光通信项目

在上述任务成功的基础上，NASA继续测试各种激光通信应用。

· 激光通信中继验证（LCRD）

2021年12月发射的LCRD任务是NASA首次双向激光中继系统的技术演示。NASA首个端到端激光中继系统LCRD将展示连接地面站的对地激光通信，光终端收发速率都是1.2Gbps。在支持近地轨道任务之前，LCRD将为地面激光试验中继数据。在任务后期，LCRD将从NASA放置在国际空间站的光终端收发数据。

· 太字节红外传输（TBIRD）

NASA正在测试大型及小型卫星的激光通信能力。2021年末TBIRD任务将演示从低轨立方体卫星到地面高达200 Gbps的直接对地光通信链路。星载激光终端每天能够传输超过50TB的数据。

· 综合低轨用户调制解调器和放大器终端（ILLUMA-T）

NASA计划于2022年将其ILLUMA-T部署到国际空间站，这将是LCRD端到端激光中继服务完全运行后的首个在轨试验用户。该终端将空间站科学试验数据发送到LCRD，然后由后者将数据转发到地面。ILLUMA-T将提供1.2 Gbps的数据速率。

· 猎户座阿尔忒弥斯二号光通信系统（Orion Artemis II Optical Communications System，O2O）

阿尔忒弥斯二号任务计划于2023年发射，O2O终端将实现环绕月球飞行的猎户座航天器和地球之间的4K实时超高清视频传输及增强的科学数据传输等，使该任务成为首批将激光通信技术用于载人航天的任务之一

· 深空光通信（DSOC）

NASA预计2022年DSOC激光装置将搭载在“普赛克”（Psyche）飞行器上发射升空，对深空激光通信技术进行验证。DSOC项目将提供深空光收发器和地面数据系统，应对深空探测带来的独特挑战。

4 海上防御中的光通信

由于技术、操作或环境方面原因，美海军有时可能无法使用无线电通信。海军平台越来越需要在低射频或发射受控条件下有效运行，同时保持其战术优势和态势感知能力。FSO系统设计是为了在无线电传输不可用或不理想的情况下提供通信手段。此前为美陆地国防应用研发的FSO演示系统过于庞大，其移动性、数据速率或作用范围无法满足海上平台实用性需求。美海军与约翰·霍普金斯大学应用物理试验室合作，在2017年三叉戟勇士演习中成功演示了两艘移动船只之间的高带宽FSO通信系统，证明了FSO技术可以在极具挑战性的海洋环境中运行，能够成为美国海军平台可行的非射频通信技术。美国海军研究实验室也一直致力于大气传播和光子组件的研究，目标是描述和克服FSO系统的部署限制。海军研究实验室已进行了几次FSO链路在真实海军应用中的演示，开发战术FSO链路，用于电子战或拥挤射频频谱环境，以满足海军舰对舰和海军小部队的通信需求。混合射频/FSO系统是一种在所有天气和大气条件下可提供高可用性通信链路的可行方法。空地概念验证性射频/FSO混合链路已经在美DARPA自由空间光学实验网络实验（FOENEX）项目的FSO系统集成器以及美空军研究试验室（AFRL）的领先研究和内部独立研发任务得到了演示验证。美海军仍需对海上射频/FSO混合链路系统和技术进行积极研究和探索。已开展的演示建立了初步的数据优先分级功能，未来目标是部署跨射频和光通信域的综合多功能战术数据链路。这类大规模基础设施将让配备光通信链路的平台能与使用更传统链路的平台连接起来。美海军未来光通信发展应该集中在这种架构内的互操作性上，真正提供海军所需任务韧性和能力。作为美海军综合火力通信和互操作性（CIIF）未来海军能力计划的一部分，通信即服务（CaaS）愿景是让优先数据流能通过任何可用战术数据链路组合进行传输。CaaS产品为构建更广泛的未来能力提供了基础，通过许多可用网络无缝桥接业务数据，就像作为单个网络运行一样，并通过开放架构/软件定义网络实现实现未来改进。未来CaaS可考虑纳入混合射频/FSO海上信道，混合无线光通信提高了链路的可用性和数据传输。新架构通过联合优化通信功能，有望提高海军现有防空反导系统的覆盖范围、吞吐量和实时接收能力。过去15年里，业界积极支持海军海上FSO技术研究，在这一技术领域已经申请了多项专利，特别是在减轻浓厚大气层效应方面的技术研发。海上到中等高度的大量开发和演示显示了在不同天气条件下FSO运行的韧性和能力。近期美国约翰霍普金斯大学应用物理试验室（APL）开发了一种使用光纤束作为新型位置传感器的简化终端设计，可适用于海军移动平台紧凑高速的激光通信系统。与传统终端架构相比，这种新型设计降低了系统复杂性，并提供了热稳定性，从而为实现系统自动化开辟了一条道路。业界将继续开发创新原型，推动海上光通信领域的进步。

5 不对称作战中的光通信

（1）低尺寸、重量和功耗（SWaP）光通信许多国家安全群体越来越需要安全通信方法，特别是在竞争激烈和拥挤的地面到低空域。在传统FSO通信中，数据在两个激光终端之间传输，每个终端都有捕获、跟踪和瞄准子系统。这些系统的复杂性使得激光终端的SWaP较高。约翰霍普金斯大学应用物理试验室一项内部研究和开发工作正在评估用小型逆向调制器（MRR）替换其中一个激光终端。使用MRR有几个优点。首先，MRR比激光终端小得多，尺寸一般介于图钉和药瓶之间。第二，MRR能耗很低，有些例子只使用纽扣电池即可。最后，MRR的接收角比激光终端的接收角大几个数量级，对准和建立链路比传统激光终端容易得多。然而，MRR的低SWaP和易对准特点是以牺牲传输距离和数据速率为代价的。基于直径在5到10毫米之间的立方反射镜的MRR技术使用人眼安全激光器通常可以支持1到5公里的范围。这里假设使用发射和接收孔径为2到3英寸的低SWaP询问器。范围可以扩大，但需要更大的询问器孔径、更大的反射器或更高激光功率。MRR技术的另一主要限制是数据速率。直径在5到10毫米之间的最先进MRR的数据速率在100 kbps到1 Mbps之间。传统激光终端可能有10 Gbps或更高数据速率。（2）Li-Fi通信过去几年中，各种光通信方法（即光无线通信、FSO通信和可见光通信）的物理链路连接和概念证明都取得了重大进展。目前出现了一种新的需要全组网解决方案的光移动通信系统——Li-Fi。Li-Fi不是LED灯泡、接入点或物理层协议。Li-Fi是一种几乎与IEEE 802工作组创建的Wi-Fi协议标准等同的全网络化光无线通信协议。Li-Fi被定义为“一种光无线宽带接入技术，它使用可见光和/或红外光光谱提供双向（发射和接收）能力。它能够支持点对点或点对多点拓扑形式的上行链路和下行链路，并以这种方式提供多用户接入。”该技术的意义在于将光通信集成到消费者实际用例中。采用Li-Fi将减轻不断增加的射频通信信道负担，并通过实现无线网络的致密化和带宽扩展来增加容量。美国防部正在评估Li-Fi的军事用途。美国防信息系统局2017年和2018年将Li-Fi作为国防部基础设施内光无线局域网的潜在解决方案对其进行了开发及测试。美海军与约翰·霍普金斯大学应用物理试验室合作进行该技术的可行性研究，在2018年美国海军“三叉戟勇士”演习测试了Li-Fi下一代安全移动组网技术。Li-Fi测试在“卡尔文森”号航空母舰上进行，确定了实际飞行操作对Li-Fi运行的影响。测试的结论是，尽管在上层飞行甲板进行的飞行操作产生了冲击、振动和噪声，但对于无线通信链路没有产生可测量的负面影响。Li-Fi虽具备许多优势，但与大多数通讯技术一样，需要一个能促进生态系统发展的开放式通讯标准，才能加速其市场发展。IEEE 802.11bb工作组目前正在开发Li-Fi标准，该标准将与Wi-Fi（IEEE 802.11ac/ax）和蜂窝协议互换使用。Li-Fi（IEEE 802.11bb）和Wi-Fi（IEEE 802.11ac/ax）之间的主要区别是对光介质的物理层进行了修改，并对介质访问控制层处理进行了一些修改。

6 水下光通信

与其他域光通信相比射频通信还处于初级阶段不同，光手段用于水下通信已经有几十年历史。目前为止，水下光通信已经能够在没有自由空间连接的情况下通过光纤连接岸上的两个位置。适合在水下使用的通信方式通常在带宽或距离上受到限制，必须根据特定任务需求的数据速率和范围选择通信方法（例如射频、光学、声学）。对于水面和空中平台来说，这种平衡隐蔽性、数据速率与传输距离的通信多样性选择将是水上通信的一个重大范式转变。水下域为其他域展示了利用多种通信选择优势的很好示例。

到20世纪70年代初，工业界已经开发出可行的光纤通信系统所需的所有关键部件。这些技术包括光电二极管（由贝尔实验室于1948年开发）和砷化镓激光二极管（由通用电气公司于1962年开发）。此外，1963年东北大学描述了现代系统中涉及的基本概念，1970年康宁记录了低损耗光纤的制造过程。尽管取得了这些进步，但直到1977年，可运转光纤系统才在芝加哥和长滩投入商业应用。美军方在这项技术首次商业部署前3-4年就使用了光纤通信。1973年，“小石城”号航空母舰上安装了舰载光通信系统，1975年，北美防空司令部（NORAD）安装了光纤系统来连接计算机。通常情况下，美国防部成功采用新技术是因为清楚地了解新技术的能力和局限性以及潜在的军事需求。独特的军事需求（安全性和不受电磁干扰影响）使得在商业上采用同一组技术之前成功实现商业技术军事应用。克劳德·香农在20世纪40年代关于通信理论的开创性工作描述了任何信道携带信息的能力上限。通过这种方法，在真空中或在波导中（如光纤），光的信息传输速度可以（而且确实）比大多数无线电波快数百万倍。然而，光波在水中的有限传播意味着，虽然可以在两个节点之间快速传输大量信息，但在这些节点之间不能有太多的水。如果水混浊，距离和数据速率会进一步降低。总之，FSO水中通信必须辅以其他技术（声学、VLF等）以确保实现一套总体鲁棒的战术通信。未来几十年，商业光通信技术将继续逼近浑浊和清澈水中的数据传输极限，但超过几百码，这些技术就不会有多少实用性了。未来FSO通信将与射频、光纤和水声通信协同工作，确保鲁棒的水下网络通信。为了保持隐蔽性和安全性，将这些通信捆绑在一起的网络协议栈必须以非常低的开销支持加密、路由指令和网络拓扑更新。支持这些水下网络通信所需的协议栈必须在数据速率上有效超过9个数量级，在距离上有效超过6个数量级，并且必须满足美国防部对安全性和隐身性的要求。业界将了解未来杀伤链中的缺失环节，帮助美军集成和部署技术来支持其需求。业界将重点关注美军面临问题及潜在技术解决方案状态，使用合适的商业技术，并在必要时开发关键技术来填补空白；这些技术结合在一起将有助于美军以韧性方式完成其使命。

7 光通信网络

如上所述，FSO通信链路的多种基本构件都已可用，但仍有一些网络相关问题需要解决。第一个挑战涉及网络中物理链路上的业务流。通常，网络基础设施要么是静态的（例如，建筑物中的光纤），要么是使用全向天线连接的移动网络。FSO通信波束宽度极窄带来了所谓拓扑控制的新挑战。假设节点A有两个光收发器头，但对节点B、C和D都保持通视。节点A应该指向哪两个节点？节点A的选择必须与其他节点的选择匹配，因为光接收器和发射器必须对准。这就是定向射频和FSO通信中出现的拓扑控制问题。它可以表征为一个NP完全问题的图边缘着色问题，因此必须使用各种启发式方法来寻找次优但有效的方法。考虑到这些网络是移动的，并且对FSO通信的阻挡会中断波束，因此这不是一次性运算，而是必须动态执行的过程。

FSO通信节点组网相关的第二个挑战是业务路由。许多情况下，路由协议在固定基础设施上运行，但FSO通信将采用动态物理基础设施。许多为移动自组网开发的路由方法可以用于FSO通信。约翰霍普金斯大学应用物理试验室基于容迟/容中断网络（DTN）方法创建了一类路由机制，其中网络业务路由被耦合到拓扑控制问题以试图减轻中断。FSO通信将与其他射频通信网络融合为混合解决方案。所有通信系统都会受到某些环境因素的影响，受影响类型取决于系统工作频率，但是通过使用不同模式，可以减轻这些问题。例如，FSO通信在雾或沙尘中的传输性能下降，而毫米波射频通信在雨中性能下降。运行在这些网络上的应用程序需要适应通信数据速率可能会发生数量级变化的情况。这种适配可以通过编码来利用不同路径或QoS方法，将业务流编排到每个网络上。虽然目前应用程序在不断变化的网络中有一定动态适应能力，但它们还无法达到适应未来光/射频混合所需的程度。

8 结语

射频通信领域不断有新的发展，但射频只是电磁频谱受到高度管制的一部分。光通信为增加通信选择的多样性提供了新的机遇，可将应用频段扩展到受管制频谱部分之外。为了实现未来光通信创新，美军必须促进当前和初步简单应用。实现使用光通信来应对安全通信中的关键挑战的关键在于真正实际使用，而不只在于研发上的突破。过去15年美军依靠大胆设想，开发了有用技术；未来20年需要关注回归基础——识别初始用例、采用系统工程方法建立需求、专注于解决平台集成和网络挑战以及应用研发成果。

「本文改编自国防科技要闻，标题为编者添加」