移动全光通信网络

逍遥设计自动化

引言
+ T# J( j1 t% P3 g在6G通信时代，建立覆盖地面、太空和水下环境的综合网络需求日益增长。不同波长的光在不同介质中表现出不同的传播特性，使得光通信能够扩展到水下、深空和复杂电磁环境中的自由空间通信[1]。

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深紫外光(DUV)由于能够避免太阳光背景干扰，特别适合用于太阳盲光无线通信。蓝绿光因吸收较少，在水下传输性能优越。而红外激光在大气中散射较少，适合地面与太空之间的通信。
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图1展示了一个实现跨环境无缝连接的移动全光通信网络。
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系统架构与组件
1 t& l" @8 W( {& X& V4 X; N该移动全光通信网络的基础是一个基于TCP/IP协议的全双工绿光通信系统。系统结合了发射器和接收器模块，由Xilinx Spartan-6 FPGA主处理单元(MPU)控制。
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7 [" J* B0 z+ q+ b# C图2显示了(a)无线光通信系统的内部框架，(b)绿光LED的I-V和光功率曲线，(c)绿光LED的测量EL光谱，以及(d)不同偏置电压下测得的3dB带宽。
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系统使用Cree T6 520nm绿光灯作为光发射器，MPU通过2 Mbps开关键控方案对外部信号进行编码和光调制。接收端使用滨松S8664-50k雪崩光电二极管(APD)模块将光信号转换回电信号。

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7 A) T: E# q  v. `' ^8 l, S6 C性能与通信质量
绿光通信系统支持最高4 Mbps的通信速率。系统性能在不同运行条件和距离下进行了评估。在漫射光模式下，系统在1.8至13.2米范围内实现平均丢包率低于2%，平均延迟6.89毫秒。在聚焦模式下，10至35米范围内保持类似性能，平均延迟5.06毫秒。
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图3展示了(a)系统不同点的4 Mbps PRBS信号，(b)TIA前测量的眼图，(c)漫射光模式下测量的PLR，以及(d)聚焦模式下测量的PLR。

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移动实现
移动系统集成了磷酸铁锂电池、绿光通信装置和基于TCP的网络摄像头，安装在移动车辆上。通信装置包含图像识别模块、三轴云台稳定器和全双工绿光通信模块。图像识别模块实时捕获另一个通信系统的图像，为云台稳定器提供反馈控制，维持移动双向数据传输的光路对准。
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" w. ^7 ^7 ]2 x8 H图4显示了(a)移动绿光通信系统，(b)系统的分解图，(c)草坪上的系统通信，以及(d)水下系统通信。

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" s6 R$ _; S  B7 l2 z' a网络集成
# ?' H! v4 A! H- a移动全光通信网络结合了275nm深紫外通信（用于太阳盲数据传输）、450nm蓝光激光通信（用于水下车辆数据交换）、850nm激光二极管通信和520nm绿光通信。这些系统通过以太网交换机串联连接，可连接各种终端，包括传感器和个人计算机。

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- T' ~; A( H$ d& v9 _! y$ C图5展示了(a)通过DUVC链路在阳光下的太阳盲通信和(b)通过BLC链路的自由空间通信。
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1 Y# S! W. O" u7 Q$ K8 n7 X图6显示了移动全光通信网络的实验设置。
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# C' z/ X9 [2 C( [  j- Y网络单个链路的平均延迟在5.06至6.89毫秒之间，最长网络路径的端到端延迟为20-28毫秒。总功耗约122瓦，其中光通信链路占78.6%。网络架构支持全双工通信，确保所有节点具有平等和完整的映射特性，可在网络内任意节点之间进行双向实时数据传输。

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结论
该移动全光通信网络通过自动跟踪和光路维持、实时视频通信、Wi-Fi互联网连接、多种光通信技术集成以及全双工运行，成功实现了跨越空气、水和陆地环境的无缝连接。该网络通过利用不同波长光的独特传输特性，有效克服了环境障碍，为未来集成通信网络提供了解决方案。
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3 ~& \3 O- j( p2 f' u! Z* f" p- c参考文献
[1] P. Liu, J. Gou, L. Wang, J. Zhou, X. Mo, Y. Liang, Z. Qi, Z. Cao, and Y. Wang, "Mobile all-light communication network," Optics Express, vol. 32, no. 26, pp. 46599-46605, Dec. 2024, doi: 10.1364/OE.543730.
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