基于LNFC近場光通信技術的應用場景探討

1 LNFC近場光通信技術

近場光通信（LNFC：Light Near Field Communication）是以光波為信息傳輸載體、以大氣為傳輸介質(zhì)的無線激光通信技術，可應用于平臺數(shù)據(jù)下載、單向信息導入、板間通信、艙內(nèi)無線組網(wǎng)等特定場景的非接觸式信息傳輸，具有通信容量大、終端體積小、抗干擾能力強、易于集成等優(yōu)點，是實現(xiàn)不同信息載體間超短距離高速無線傳輸?shù)睦硐胧侄蝃3]。

2 技術發(fā)展現(xiàn)狀

隨著特殊應用場景信息傳輸需求的出現(xiàn)，特別是通信帶寬的提高和安全保密要求，光通信以其技術特點成為研究方向，國內(nèi)外的研究者都在用各種技術手段以實現(xiàn)在滿足應用的同時規(guī)避技術缺陷，探索穩(wěn)定高效可靠的技術途徑。近場光通信技術國外發(fā)展現(xiàn)狀如表1所示，國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀如表2所示。

2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀（表1）

表1 近場光通信技術國外發(fā)展現(xiàn)狀

2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀（表2）

表2 近場光通信技術國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

3 應用場景探討

3.1 數(shù)據(jù)安全交互

（1）網(wǎng)際邊界激光光閘

信息大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的重要性不言而喻，數(shù)據(jù)的安全防護面臨的要求越來越高。基本上，黨政軍企各級各類用戶都有自己的信息數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，在外部數(shù)據(jù)導入內(nèi)網(wǎng)的同時，為確保內(nèi)部敏感信息或高等級數(shù)據(jù)的安全，需要在網(wǎng)絡邊界設置物理隔離，切斷反向信息傳輸通道，以確保數(shù)據(jù)傳遞的安全可靠、操作可信?；诮鼒龉馔ㄐ偶夹g的激光光閘在物理隔離信息單向?qū)胂到y(tǒng)中具有廣闊的應用前景。

激光光閘無物理連接、單向激光信號傳輸?shù)姆绞綄崿F(xiàn)無回饋的信息單向安全傳遞。光閘傳輸模塊采用近場大氣激光通信技術，以紅外激光為信息載體，空氣為傳輸介質(zhì)，通過無物理的連接方式實現(xiàn)無回饋的信息單向安全傳輸。一方面，設備間無物理線纜連接，符合信息傳輸物理隔離的要求；同時激光的單向傳輸特性確保了數(shù)據(jù)從物理機制上的單向傳輸，可有效切斷數(shù)據(jù)被反向讀取或篡改的物理路徑建立。基于LNFC技術的激光光閘典型應用如圖1所示。

圖1 基于LNFC技術的激光光閘

激光光閘特點：

① 無物理連接，高安全性；物理機制上單向傳輸，收發(fā)分離，激光方向性極強，直線傳輸，發(fā)散角度小，發(fā)散角度小，光束集中，無旁瓣和尾瓣，不易被截取。

② 無電磁輻射，激光工作頻率約192 THz，現(xiàn)有電磁竊取設備無法探測光信號。

③ 抗干擾性強,目前沒有針對光頻段190 THz的電磁干擾手段。在復雜電磁環(huán)境、強電磁條件下可正常工作且不會互相干擾。

中國電科34所研制了工程化應用的激光關閘，如圖2所示，其主要技術指標如下。

① 系統(tǒng)吞吐率（1 000 M網(wǎng)絡接口）：≥800 Mbit/s。

② 網(wǎng)絡接口：100 M/1 000 M以太網(wǎng)接口自適應。

③ 支持所有格式文件傳輸；文件傳輸誤碼率優(yōu)于10-10。

④ 平均無故障時間：不小于10 000小時。

⑤ 工作溫度：-40℃～60℃。

⑥ 存儲溫度：-45℃～75℃。

⑦ 供電：DC 5 V/12 V；功耗小于7 W。

⑧ 電接口：設備外置物理連接口為RJ45網(wǎng)口或光接口（選配）。

光接口：雙纖接口，850 nm/1 310 nm/1 550 nm工作波長兼容。

圖2 中國電科34所激光光閘

（2）高速平臺數(shù)據(jù)下載

目前，高速平臺如高鐵動車、地鐵機車、艦船、無人巡航偵察機等，完成一次任務執(zhí)行，信息采集系統(tǒng)通常累積了T比特級的數(shù)據(jù)。常規(guī)的數(shù)據(jù)導出手段，需要人為插拔相關設備和線纜。一方面存在通信速率低、數(shù)據(jù)導出時間長、接口插拔磨損導致工作狀態(tài)不穩(wěn)定等問題，另一方面，人為操作存在信息安全泄密等隱患。

對于高等級數(shù)據(jù)，安全保密管理迫切需要一種可靠性更高、安全性更強、人工介入更少的非接觸式傳遞技術來實現(xiàn)。采用近場光通信技術，借助伺服跟蹤，在平臺和泊位之間按需自動建立一條高精度的單向信息安全傳輸通道，可以解決上述安全隱患和可靠性維護等問題。系統(tǒng)傳輸速率可達10 Gbit/s，可極大壓縮數(shù)據(jù)傳遞時間。

比如，機載平臺高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用由萬兆以太網(wǎng)傳輸模塊（包含電光轉換模塊和光電轉換模塊）、光學系統(tǒng)（包含發(fā)射光路和接收光路）、自動對準系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等組成。平臺內(nèi)萬兆以太網(wǎng)信號傳輸給萬兆以太網(wǎng)傳輸模塊，萬兆以太網(wǎng)信號傳輸模塊完成電信號到光學天線傳輸所需光信號的轉換和放大，轉換后的光信號經(jīng)發(fā)射光路通過大氣傳輸?shù)竭_地面端接收裝置，實現(xiàn)信息到地面廣域網(wǎng)的高速無線傳輸。該技術應用場景還可以延伸到高鐵、地鐵和船舶領域，如圖3所示。交通載體運行中產(chǎn)生的監(jiān)控數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)，在入庫泊位后可高速自動導入到用戶網(wǎng)絡。

圖3 近場光通信在平臺高速數(shù)據(jù)下載中的應用

中國電科34所研制了機車的激光通信終端樣機，如圖4所示，主要技術指標：

① 最大通信速率：10 Gbit/s；傳輸距離：20～300 m；

② 跟蹤機構可調(diào)節(jié)角度：方位±45°，俯仰±10°；

③ 具有自動跟蹤功能，對準時間：小于30 s；

④ 工作溫度：-30℃～70℃；

⑤ 具有光信號收發(fā)功能，具有大發(fā)散角、大接收視場角以保證信道穩(wěn)定，且光通信具有抗電磁干擾、無電磁輻射、安全保密的特點；

⑥ 該設備具有自動對準功能，可實現(xiàn)與通信目標的自動瞄準、捕獲及跟蹤，能夠克服平臺停泊位置在一定范圍的變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。

圖4 中國電科34所機車的激光通信終端樣機

（3）智能終端信息傳輸

信息時代各類智能終端普及應用，如平板、手機、筆記本電腦、行業(yè)信息采集終端，終端之間、終端與專網(wǎng)之間信息交互已十分普遍。從網(wǎng)絡安全管理、信息數(shù)據(jù)保護需求分析，智能終端接入專網(wǎng)或者高等級內(nèi)網(wǎng)需要一種既安全又可控的配套設施支撐信息的便捷導入導出。基于LNFC技術開發(fā)一款小巧便攜的傳輸互聯(lián)模塊可滿足此應用場景要求，如圖5所示。

設計一款小型化便攜式的光電轉換與傳輸模塊，并對智能終端施加改造，加裝電光轉換組件，一端通過FE/GE口連接內(nèi)網(wǎng)，一端通過電光轉化以激光為載波實現(xiàn)與智能終端的傳輸互聯(lián)通信，在信息導入導出接口管控嚴格的應用場景下，可實現(xiàn)終端信息與內(nèi)部網(wǎng)絡的便捷、安全、快速交互。通信速率可達1 000 Mbit/s；光接口工作波長850 nm；最遠通信距離0.5 m；接收視場≥10°。

圖5 智能終端信息無線傳輸應用示意圖

3.2 特殊環(huán)境通信

近場可見光通信無電磁輻射，在無線電靜默或強電磁干擾場景具有潛在的優(yōu)勢。飛機上為了避免無線電干擾，可借助可見光通信替代射頻通信，向乘客移動終端推送數(shù)據(jù)。戰(zhàn)場上電磁干擾、電磁攻擊是一種常見的電子對抗手段，能破壞或壓制對方通信能力，極大影響作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。無線光通信技術抗干擾能力強，可在高科技戰(zhàn)場上最大限度地保障己方最低限度的通信能力。對一些隱蔽式的通信場合，使用手持式近場光通信終端或其它具有欺騙性隱藏功能的終端，可以實現(xiàn)特殊需求場景下的信息非接觸傳輸[4]。

可見光通信技術同樣適用于水下場景。相較于傳統(tǒng)的水下聲吶通信，水下藍綠光通信具有更好的定向性和保密性。水下航行器（如小型潛艇、蛙人輸送艇、UUV等）可將收集到的數(shù)據(jù)通過前端無線激光裝置近距離無接觸傳遞到信息采集基站、觀測站等中轉平臺，如圖6所示。

圖6 AUV數(shù)據(jù)通過水下藍綠光通信實現(xiàn)回傳

3.3 離軸旋轉通信

現(xiàn)代精密光學儀器和雷達工程等對小型化旋轉光通信系統(tǒng)的需求明顯，采用近場光通信技術，可實現(xiàn)百兆信號在旋轉機構中固定工作臺和旋轉工作臺之間的數(shù)據(jù)傳輸。與光纖滑環(huán)相比，低速率、短距離以及封閉的非接觸信號傳輸系統(tǒng)具有更高性價比、更低安裝要求、更高可靠性和環(huán)境適應性等優(yōu)點[5,6]。

文獻[7]設計了一種小型化離軸旋轉光通信系統(tǒng)，如圖7所示。采用發(fā)散角較大的LED作為信號發(fā)射裝置，采用面積較大的光電探測器作為信號接收器件，減小了光學系統(tǒng)的體積和電路系統(tǒng)的復雜程度，有效地減小了離軸旋轉光通信系統(tǒng)的尺寸。該系統(tǒng)內(nèi)孔直徑為20 mm，外直徑為60 mm，在垂直電路板方向上測量單端離軸旋轉光通信系統(tǒng)的尺寸，其最高點與最低點之間的距離為10 mm，體積為25.132 cm3。系統(tǒng)在兩旋轉端之間的距離小于200 mm，轉速小于120轉/分鐘的情況下，可實現(xiàn)100 Mbit/s的高速雙向光通信。

圖7 旋轉光通信應用示意圖

3.4 5G信號近場光橋接

歐美綠色建筑標準對人體電磁輻射防護提出了更高要求，需安裝防紫外線、抗輻射的Low-e玻璃，這種玻璃對5G網(wǎng)絡使用的微波頻段信號衰減較大，存在電磁信號無法穿透到室內(nèi)的覆蓋難題。目前，近場光通信技術較為成熟，輔助磁共振充電技術，將微波信號轉換為激光信號后，利用光的可穿透性解決。系統(tǒng)工作原理如圖8所示。

3.5 艙內(nèi)無纜化組網(wǎng)

移動方艙尤其是通信與指揮控制方艙，內(nèi)部機柜和通信設備眾多，線纜高度集中化，設備連接以電纜為主，采用近場光通信技術，設計一種白光LED燈具，集照明通信功能一體（LiFi），可以構建室內(nèi)高速無線光互聯(lián)架構，消除復雜的電纜、光纜連接和布線，建立移動終端、席位終端和服務器之間的無線光連接，實現(xiàn)艙內(nèi)無纜化通信。應用示意如圖9所示。

圖8 5G信號入室近場光橋接

圖9 艙內(nèi)無纜化無線光通信應用示意圖

3.6 無線光互連

伴隨著信息化應用的深入發(fā)展，在超算中心和大數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)傳輸與處理面臨的電信號瓶頸愈發(fā)明顯，主要體現(xiàn)在兩方面：其一是集成電路與芯片之間的數(shù)據(jù)處理和傳輸密度大幅度增加，受制于微觀物理中電性能的約束，芯片間的高速傳輸受到挑戰(zhàn)。其二是通信設備板卡間、機柜間、計算節(jié)點間的高帶寬、低延遲要求更為迫切。光互連以其高帶寬、低延遲、可并行和低能耗等特性是替代電互連的一種有效方法。按照互連對象劃分，可分為芯片內(nèi)核間的光互連（on-chip，簡稱片內(nèi)互聯(lián)）、芯片間的光互連（inter-chip，簡稱片間互聯(lián)）、板卡間的光互連（簡稱板間互連）和機柜間光互連。

（1）片內(nèi)和片間互連

片內(nèi)光互連和片間光互連的主流技術方案基于硅基光電子技術結合光波導技術實現(xiàn)信號傳輸。隨著全息二元微光學器件以及面發(fā)射的半導體激光器的發(fā)展，片內(nèi)光互連和片間光互連因體積受限的困難有望解決，但距離規(guī)?；逃眠€較遠。

（2）高速板間光互連

板間光互連主要通過光背板來實現(xiàn)。主流的工藝途徑是光纖電路技術和光電混合印制電路板技術。光纖電路技術將帶狀光纖布線后封裝到柔性板材中，實現(xiàn)母板上各模塊與母板之間的光纖互連。光電混合印制電路板(EOPCB)技術是在成熟的印制電路板上增加一層導光層，能實現(xiàn)電子設備的高密小型化，但在工程化應用上受制于材料、成本和工藝等原因，尚無成熟應用案例。我們提出一種思路，基于近場光通信技術設計一種高密小型化的光收發(fā)組件，集成在現(xiàn)有通信設備板卡上，實現(xiàn)設備板卡之間的高速互通。

（3）設備間光互連

設備間光互連可應用于固定設備或固定機柜間的互連通信。對于機柜內(nèi)的設備互連，采用無線光通信，則需要提前設計好光路位置，制定統(tǒng)一的安裝標準才具備工程實施基礎。對于機柜間的光互連，不僅要考慮安裝對準的問題，還要考慮設備維護、灰塵沉積和污漬敏感、人員走動對激光鏈路的阻擋，造成線路中斷的情況。

目前，見諸報道的機柜間光互連研究有微軟的Firefly項目（Free-space optical Inter-Rack network with high Flexibility），該項目旨在利用紅外波段的FSO技術消除數(shù)據(jù)中心數(shù)量龐大的互聯(lián)線纜，并建立機柜間可靈活配置的無線光網(wǎng)絡，在2017年美國舊金山西部電子展會上演示了基于該技術的10 Gbit/s機柜互聯(lián)系統(tǒng)，如圖10所示。

圖10 Firefly項目機柜互聯(lián)示意圖

2018年，《前沿技術跟蹤》第9期報道了一則關于數(shù)據(jù)中心內(nèi)部新型無線激光互聯(lián)技術?；诠庾蛹呻娐罚≒IC）設計一種新型的光收發(fā)裝置，在發(fā)射端采用二維光束偏轉裝置可實現(xiàn)機柜間的動態(tài)互聯(lián)。其原理是通過波長調(diào)整實現(xiàn)光束垂直方向的偏轉，利用光柵耦合器及壓電變換器實現(xiàn)水平偏轉控制。接收端采用寬帶大面積光電二極管陣列實現(xiàn)高靈敏度接收，系統(tǒng)可實現(xiàn) ns 級的切換速度。為充分發(fā)揮這種無線光收發(fā)裝置效能，研究團隊還提出了將數(shù)據(jù)中心內(nèi)部機柜按照環(huán)形部署成簇的無線光互聯(lián)網(wǎng)絡結構，簇內(nèi)機柜間通過激光互聯(lián)，簇之間互聯(lián)通過放置于簇中心且位置略高于機柜的無線光收發(fā)裝置來實現(xiàn)，如圖11所示。

圖11 數(shù)據(jù)中心機柜間一種新型無線光互聯(lián)技術

整體分析，對于類似超級計算機和大數(shù)據(jù)中心這樣的應用場景，復雜的計算需要在多個不同任務之間和不同通信模塊間進行切換。解決高帶寬、低延遲互聯(lián)互通需要在上述3個層次取得技術突破和工藝完善。基于近場光通信技術首先推進板間、設備間和機柜間的光互連是一種可行且易實現(xiàn)的應用方向。

4 結束語

本文主要從無線激光通信創(chuàng)新應用角度，結合LNFC近場光通信技術的特點和優(yōu)勢，首先后回顧了國內(nèi)外近年來近場光通信技術的發(fā)展現(xiàn)狀，分析探討了10個細分應用場景。整體上，近年來近場光通信技術在數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡安全領域發(fā)展較快，國內(nèi)外相關高校和企事業(yè)等單位，一方面圍繞技術提升開展理論研究和演示驗證，另一方面緊跟行業(yè)信息通信特殊要求，開展應用模式創(chuàng)新和產(chǎn)品形態(tài)創(chuàng)新，如在保密、安全、金融、核電等領域，融合數(shù)據(jù)安全、鑒權認證和網(wǎng)絡邊界隔離等應用需求，將LNFC技術集成化為一種標準的功能組件嵌入到系統(tǒng)級的產(chǎn)品和解決方案中。

作為一種甚短距離光傳輸技術，我們希望在不遠的將來，LNFC技術能演化成一種通用技術，走產(chǎn)業(yè)化發(fā)展道路，以標準件的形態(tài)融入到各類信息采集終端、消費類電子終端和數(shù)據(jù)中心廣泛應用，能補充WIFI、替代線纜，開啟日常辦公、居家生活的光互聯(lián)時代。