劉紅軍

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都610036)

1 引 言

目前軍用通信系統(tǒng)仍然以射頻通信系統(tǒng)為主，其數(shù)據(jù)率一般從幾十kb/s 到幾十Mb/s［1］。美軍主要使用的寬帶數(shù)據(jù)鏈——通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)系統(tǒng)［2］的數(shù)據(jù)率目前可達(dá)到274 Mb/s，未來(lái)有望提升到548 Mb/s。但是在美軍網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念的推動(dòng)下，現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上流動(dòng)的信息量激增，迫切需要能夠支持Gb/s 甚至Tb/s 級(jí)速率的通信鏈路提供骨干連接，而這已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目前使用的通信鏈路的能力，需要一種創(chuàng)新性的解決方案。一直以來(lái)，軍用和民用領(lǐng)域都將自由空間無(wú)線光(FSO)通信視為突破射頻通信限制、提供高速無(wú)線通信能力的最佳候選方案之一，但受制于光電轉(zhuǎn)換效率、光檢波器效率、指向誤差以及路徑損耗等實(shí)際應(yīng)用問題的影響，到目前為止FSO 通信仍只少量應(yīng)用于一些特殊環(huán)境［3－4］。在此背景下，美國(guó)防先期研究計(jì)劃局(DARPA)提出了將射頻和自由空間光通信混合應(yīng)用的方案，用以滿足構(gòu)建高速寬帶空基骨干網(wǎng)的需求。

眾所周知，射頻通信所能提供的數(shù)據(jù)率相對(duì)較低，信道較為穩(wěn)定，盡管存在多徑等不利因素，但受云層等氣象條件的影響較小，實(shí)現(xiàn)技術(shù)也更加成熟，相關(guān)器件的價(jià)格低廉。另一方面，相比射頻通信，F(xiàn)SO 通信可提供Gb/s 量級(jí)甚至更高的速率和更強(qiáng)的抗干擾性能，理論上可以使收發(fā)設(shè)備更小，但由于頻率高、波束窄，工程實(shí)現(xiàn)難度很大，且光頻段受光學(xué)湍流和環(huán)境條件的影響也非常大，云、霧、沙塵等會(huì)極大地影響FSO 通信的可用性［5－7］。就現(xiàn)階段的技術(shù)發(fā)展情況來(lái)說(shuō)，兩者各自都存在優(yōu)缺點(diǎn)，且它們的優(yōu)缺點(diǎn)具有互補(bǔ)性，將兩者混合應(yīng)用以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)則有望建立高速且穩(wěn)定通信鏈路。目前，該混用概念已得到美空軍的重視，并在DARPA 之后，也啟動(dòng)了相關(guān)研究，以期將其盡快應(yīng)用于實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)。

2 美軍機(jī)載射頻與FSO 混合通信研究進(jìn)展

美空軍20世紀(jì)60年代就開展了空地FSO 通信外場(chǎng)測(cè)試，1983年啟動(dòng)了HAVE LACE 研究計(jì)劃驗(yàn)證空空激光通信的可行性，1995年底又開展了Recc－Intel Cross Link(RICL)計(jì)劃研究空空交叉鏈路通信［8］。為了將FSOC 引入戰(zhàn)場(chǎng)通信應(yīng)用，美國(guó)DARPA 在2002～2003年開展了太赫茲作戰(zhàn)回傳(THOR)項(xiàng)目［9］，檢驗(yàn)將多個(gè)FSO 通信終端連接到一個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)以滿足軍事應(yīng)用可靠性需求的可行性。THOR 驗(yàn)證的結(jié)果表明:開發(fā)能夠裝備到飛機(jī)上且提供必需性能的終端是可行的，但是要達(dá)到必需的可靠性，需裝備這類終端的飛機(jī)數(shù)量過(guò)多。為了解決可靠性問題，DARPA 提出了將FSO 通信的高數(shù)據(jù)率和射頻通信的高可靠性混合起來(lái)應(yīng)用的思路，這一點(diǎn)類似于汽車領(lǐng)域發(fā)展出的混合動(dòng)力汽車。目前在軍用領(lǐng)域推動(dòng)這種混合通信技術(shù)發(fā)展的主要是美國(guó)DARPA 和美空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)，它們已開展了多次驗(yàn)證和測(cè)試活動(dòng)，包括光射頻通信鏈路試驗(yàn)(ORCLE)、射頻/光綜合組網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(IRON－T2)、光射頻輔助通信(ORCA)和自由空間光實(shí)驗(yàn)性網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)(FOENEX)。

2.1 光射頻通信鏈路試驗(yàn)(ORCLE)

美軍首個(gè)專門研究FSO 與射頻通信混合應(yīng)用的項(xiàng)目是美國(guó)DARPA 發(fā)起的光射頻通信鏈路試驗(yàn)(ORCLE)計(jì)劃［10］，它是要研究射頻和FSO 通信節(jié)點(diǎn)混合組網(wǎng)應(yīng)用的可行性以及必需的組網(wǎng)和物理層技術(shù)。ORCLE 計(jì)劃提出的FSO 通信與射頻通信混合應(yīng)用系統(tǒng)概念并非簡(jiǎn)單地把射頻傳輸轉(zhuǎn)換成FSO傳輸，而是能夠根據(jù)所傳送消息的大小和環(huán)境的不同，選擇最高效的方式發(fā)送消息。也就是說(shuō)，F(xiàn)SO 信道和射頻信道都隨時(shí)可用，工作時(shí)根據(jù)傳輸需求靈活選擇最佳的信道，并且在ORCLE 網(wǎng)絡(luò)中通過(guò)FSO信道進(jìn)行高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)耐瑫r(shí)，網(wǎng)絡(luò)中其他數(shù)據(jù)可通過(guò)射頻信道傳輸，真正實(shí)現(xiàn)光和射頻通信鏈路智能化的混合應(yīng)用。

ORCLE 計(jì)劃利用射頻和FSO 混合通信鏈路演示了包含飛機(jī)與飛機(jī)之間(空空)和飛機(jī)與地面單元之間(空地)傳輸鏈路的空地通信網(wǎng)絡(luò)，其中，F(xiàn)SO數(shù)據(jù)鏈的通信數(shù)據(jù)率為2.5 Gb/s，而射頻戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈(TCDL)的數(shù)據(jù)率則為45 Mb/s。此外，ORCLE 計(jì)劃還研究了射頻和FSO 混合通信應(yīng)用必需的組網(wǎng)技術(shù)(包括智能組網(wǎng)、無(wú)縫鏈路切換、自適應(yīng)信道選擇等)、機(jī)載激光通信技術(shù)(包括機(jī)載激光器、激光波束精確控制等)以及混用相關(guān)技術(shù)(包括射頻和光電孔徑綜合、液晶光相控陣、自適應(yīng)頻譜編碼的調(diào)制解調(diào)器等)。

ORCLE 計(jì)劃開發(fā)了射頻和FSO 傳輸信道分析、編碼技術(shù)，并對(duì)氣象、大氣和航空光學(xué)進(jìn)行了建模，以便為聯(lián)合部隊(duì)指揮官提供有保障的高數(shù)據(jù)率通信。ORCLE 的技術(shù)演示驗(yàn)證表明，利用現(xiàn)有的可用技術(shù)可以制造出FSOC/RF 通信混用原型設(shè)備，這也促使DARPA 與美空軍研究實(shí)驗(yàn)室一起啟動(dòng)了光射頻通信優(yōu)化(ORCA)項(xiàng)目。

2.2 光/射頻通信優(yōu)化(ORCA)

基于DARPA ORCEL 計(jì)劃的研究成果，DARPA和AFRL 又在2008年聯(lián)合發(fā)起了光/射頻輔助通信(ORCA)計(jì)劃［11］，基于ORCLE 驗(yàn)證的混用概念開發(fā)一套原型設(shè)備，測(cè)試?yán)迷摶煊酶拍顦?gòu)建安全的基于IP 的骨干網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是用其滿足戰(zhàn)場(chǎng)上回傳后方的通信傳輸需求。ORCA 試圖在空空和空地混合鏈路場(chǎng)景中驗(yàn)證射頻和FSO 混合通信的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)性能，其基本思路是:FSO 通信在大氣條件良好的環(huán)境下工作，提供高數(shù)據(jù)率，當(dāng)有云影響FSO 通信鏈路時(shí)，則從數(shù)據(jù)流中把高優(yōu)先級(jí)消息分離出來(lái)，通過(guò)射頻鏈路傳送給受云影響的節(jié)點(diǎn)，而較低優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)則暫時(shí)存儲(chǔ)，等到云的影響消失、FSO 鏈路恢復(fù)可用時(shí)再傳送，或者射頻鏈路出現(xiàn)空閑可供其使用時(shí)傳送，或者在消息傳送超時(shí)后請(qǐng)求重發(fā)。

ORCA 計(jì)劃于2009年5月在美國(guó)內(nèi)華達(dá)測(cè)試與訓(xùn)練靶場(chǎng)利用該計(jì)劃開發(fā)的原型機(jī)進(jìn)行了演示驗(yàn)證。在演示中，空中節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離達(dá)200 km，與地面節(jié)點(diǎn)之間最大傾斜距離達(dá)50 km，空中節(jié)點(diǎn)的飛行高度為7.62 km。ORCA 系統(tǒng)混合鏈路中的射頻鏈路采用數(shù)據(jù)率為274 Mb/s的通用數(shù)據(jù)鏈(CDL)，而光鏈路采用1.55 μm波長(zhǎng)的光頻段，數(shù)據(jù)率達(dá)到5 Gb/s。演示的ORCA 網(wǎng)絡(luò)包括空中和地面兩部分?？罩胁糠致?lián)網(wǎng)的多個(gè)平臺(tái)形成高度可靠的骨干網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)戰(zhàn)略網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)路由器接入GIG 提供回傳后方的能力，空中的飛機(jī)平臺(tái)采用移動(dòng)ad hoc 網(wǎng)絡(luò)模式組網(wǎng)，根據(jù)需求提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)率和可用性。

ORCA 網(wǎng)絡(luò)利用遠(yuǎn)距離、低速率射頻全向信號(hào)啟動(dòng)，當(dāng)各空中和地面平臺(tái)進(jìn)入通信范圍后為混合通信終端提供初始遙測(cè)信息傳輸。一旦終端進(jìn)入可建立FSO 和射頻通信鏈路的范圍內(nèi)，就啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。FSO 鏈路利用半?yún)f(xié)同指向、跟蹤和捕獲(PAT)系統(tǒng)建立，PAT 系統(tǒng)包括了寬視域(WFOV)攝像機(jī)、窄視域(NFOV)攝像機(jī)和具有湍流補(bǔ)償?shù)牟ㄇ皞鞲衅?WFS)精密跟蹤環(huán)。各平臺(tái)利用遙測(cè)系統(tǒng)提供的初始指向信息，將窄光學(xué)信標(biāo)信號(hào)發(fā)向預(yù)定的接收平臺(tái)位置。然后，各預(yù)定節(jié)點(diǎn)上的“接收”WFOV 捕獲并鎖定在其跟蹤門之內(nèi)的信標(biāo)。接著，NFOV 傳感器建立更小的跟蹤門，利用它鎖定信號(hào)，并且各節(jié)點(diǎn)的WFS 提供精密信號(hào)跟蹤，建立FSO 通信鏈路連接，開始傳送數(shù)據(jù)。射頻鏈路也是利用遙測(cè)數(shù)據(jù)啟動(dòng)鏈路捕獲，該過(guò)程與FSO 通信建鏈同時(shí)進(jìn)行。

ORCA 系統(tǒng)在常規(guī)的自適應(yīng)光學(xué)大氣補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上增加了光學(xué)自動(dòng)增益控制(OAGC)，并補(bǔ)充以前向糾錯(cuò)(FEC)，以解決大氣湍流導(dǎo)致接收信號(hào)功率劇烈波動(dòng)的問題。ORCA 系統(tǒng)通過(guò)把射頻通信系統(tǒng)與FSO 通信系統(tǒng)集成起來(lái)，將FSO 系統(tǒng)在常見大氣環(huán)境中一般僅為60% 的可用性提高到了高于95%。即使是遇到極端惡劣的大氣環(huán)境，ORCA 系統(tǒng)仍可利用重傳機(jī)制提供可靠性保障。

2.3 射頻/光綜合組網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(IRON－T2)

為了更全面地了解FSO 通信系統(tǒng)的關(guān)鍵特性、開發(fā)先進(jìn)路由器以促進(jìn)新的戰(zhàn)術(shù)骨干網(wǎng)絡(luò)能力，在美國(guó)DARPA 成功地進(jìn)行ORCLE 演示項(xiàng)目之后，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)也在2007年開展了“射頻/光綜合組網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”(IRON－T2)的研究計(jì)劃［8］，目的是演示驗(yàn)證FSO/RF 通信鏈路混用必需技術(shù)和設(shè)備的可行性。

IRON－ T2 射頻架構(gòu)是以多平臺(tái)通用數(shù)據(jù)鏈(MP－CDL)機(jī)載系統(tǒng)為基礎(chǔ)，使用X 頻段或Ku 頻段鏈路，支持視距空地鏈路或空空鏈路模式，可同時(shí)支持3 條鏈路，完全兼容CDL 射頻鏈路，最高數(shù)據(jù)率可達(dá)274 Mb/s。演示中，使用了加載重傳算法的射頻/FSO 混合通信試驗(yàn)設(shè)備，混合鏈路包括有一條光學(xué)波分復(fù)用(WDM)信道，數(shù)據(jù)率為3.125 Gb/s，再加上一個(gè)獨(dú)立的射頻終端，它加載基于MP－CDL系統(tǒng)開發(fā)的274 Mb/s鏈路。在各節(jié)點(diǎn)，光學(xué)和射頻鏈路都連接到寬帶移動(dòng)路由器(WMR)，光鏈路傳送數(shù)據(jù)，而射頻鏈路在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間傳送重傳請(qǐng)求。

IRON－T2 演示設(shè)備采用了高速自適應(yīng)光學(xué)器件、單模纖維光學(xué)調(diào)制解調(diào)器、光學(xué)變頻器、簡(jiǎn)化前向糾錯(cuò)(FEC)碼和光學(xué)自動(dòng)增益控制。自適應(yīng)光學(xué)器件可以把更多的光送入光纖以提高信噪比，單模光纖光學(xué)調(diào)制解調(diào)器可提供優(yōu)化的噪聲系數(shù)，光學(xué)AGC 可抵消最多50 dB閃爍導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)。這些設(shè)備混合起來(lái)構(gòu)成了一套可提供274 Mb/s數(shù)據(jù)率的大容量X/Ku 頻段射頻通信系統(tǒng)。

AFRL IRON－T2 項(xiàng)目于2008年完結(jié)，演示了射頻/FSO 混合通信系統(tǒng)應(yīng)用的效率，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，混合通信系統(tǒng)可以在白天和夜晚的多種環(huán)境下提供可靠的Gb/s 級(jí)鏈路，但大氣衰減和閃爍導(dǎo)致的接收光學(xué)功率波動(dòng)會(huì)降低通信鏈路的質(zhì)量，必須提高發(fā)射功率，降低望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)損耗，同時(shí)綜合考慮孔徑尺寸、發(fā)射功率和人眼安全問題。

2.4 自由空間實(shí)驗(yàn)性光網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)(FOENEX)

在IRON－T2 和ORCA 研究的基礎(chǔ)上，為了把射頻和FSO 混合通信相關(guān)技術(shù)進(jìn)一步提高到可進(jìn)行工程制造的水平，美國(guó)DARPA 又發(fā)起了自由空間實(shí)驗(yàn)性光網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)(FOENEX)［11］，該試驗(yàn)是要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度綜合考慮相關(guān)必需技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)高可用性的高速率、遠(yuǎn)程戰(zhàn)術(shù)通信。

FOENEX 網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是提供基于IPv6 的骨干級(jí)網(wǎng)絡(luò)，利用射頻與FSO 混合通信信道提供的端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)可用性達(dá)到95%;其空中網(wǎng)絡(luò)部分采用MANET 模式組網(wǎng)，且空中平臺(tái)可與多個(gè)地面固定節(jié)點(diǎn)連接，進(jìn)而接入GIG。FOENEX 網(wǎng)絡(luò)包括多個(gè)空中和地面平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)都包含有一個(gè)或多個(gè)混合通信終端。由于其繼承之前ORCA 的技術(shù)基礎(chǔ)和演示設(shè)備，建鏈和網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)過(guò)程與ORCA 相同，不同于ORCA 和IRON－T2 主要關(guān)注光學(xué)器件等硬件設(shè)備，F(xiàn)OENEX 更加關(guān)注混合通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)部分，特別是網(wǎng)絡(luò)的可靠性機(jī)制。

在演示場(chǎng)景中，空中和地面節(jié)點(diǎn)配置有兩條或多條射頻與FSO 混合通信鏈路?？罩衅脚_(tái)通過(guò)專用的FOENEX 路由器和MANET 軟件實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，F(xiàn)OENEX 網(wǎng)絡(luò)基于這些通信鏈路的分集以及鏈路中斷和服務(wù)質(zhì)量(QoS)技術(shù)提供大容量、高可靠性的骨干網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)使平臺(tái)移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)會(huì)聚效應(yīng)與開放系統(tǒng)互連(OSI)第三層及以上層隔離，在子網(wǎng)看來(lái)，F(xiàn)OENEX 網(wǎng)絡(luò)就是“單跳”網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的單條鏈路在實(shí)際應(yīng)用中易受環(huán)境的影響，特別是光鏈路也會(huì)受平臺(tái)位置的影響(該影響可通過(guò)預(yù)先規(guī)劃避免)，為此，F(xiàn)OENEX 采用了多種手段來(lái)維持可靠的端對(duì)端數(shù)據(jù)傳輸，包括糾錯(cuò)編碼、數(shù)據(jù)重傳、綜合QoS 和深度隊(duì)列、重新路由以及數(shù)據(jù)重現(xiàn)等。

FOENEX 網(wǎng)絡(luò)還通過(guò)建立優(yōu)先級(jí)隊(duì)列提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，根據(jù)網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)流的特性分為緊急傳送、有保證傳送和盡量傳送幾類，如果有傳輸時(shí)機(jī)，首先提供給緊急轉(zhuǎn)發(fā)隊(duì)列，然后依次分配給有保證和盡量傳送隊(duì)列。FOENEX 網(wǎng)絡(luò)利用這些機(jī)制對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行嚴(yán)格控制，確保端對(duì)端可靠傳輸。

FOENEX 測(cè)試表明，利用混合鏈路和重傳機(jī)制具備提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的潛力，在IRON－T2 和ORCA 試驗(yàn)驗(yàn)證了混合鏈路設(shè)計(jì)原理和多種可靠性機(jī)制的基礎(chǔ)上，F(xiàn)OENEX 進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)了鏈路級(jí)重傳算法，并在2011年底和2012年初進(jìn)行了飛行測(cè)試。試驗(yàn)表明，應(yīng)用于射頻與FSO 混合通信鏈路的FOENEX 重傳算法可以在5×10－2誤包率的信道上實(shí)現(xiàn)100%數(shù)據(jù)送到，并且其性能還有進(jìn)一步優(yōu)化的潛力。

3 機(jī)載射頻與FSO 混合通信的關(guān)鍵技術(shù)

美軍通過(guò)開展一系列概念演示和試驗(yàn)驗(yàn)證為射頻與FSO 混合通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，不過(guò)要將其實(shí)際裝備還需進(jìn)一步提高相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的成熟度以及裝機(jī)平臺(tái)的安裝要求，特別是配裝的作戰(zhàn)飛機(jī)上必須考慮天線孔徑以及電磁兼容問題等。

3.1 FSO 通信組件和模型

在機(jī)載射頻與FSO 混合通信系統(tǒng)中，射頻通信相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究相對(duì)而言已較為成熟，但是FSO 通信的一些關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備仍需進(jìn)一步完善。FSO 通信對(duì)信道環(huán)境十分敏感，將其應(yīng)用于機(jī)載平臺(tái)，由于涉及空地通信，傳輸信道環(huán)境復(fù)雜，必須開發(fā)有效的設(shè)備和工具來(lái)克服大氣湍流等環(huán)境因素對(duì)FSO 通信的不利影響。這一方面需要改進(jìn)FSO 通信組件，另一方面需要進(jìn)一步完善FSO 通信器件和信道模型。

云層遮蔽和大氣湍流會(huì)導(dǎo)致FSO 通信信號(hào)傳輸波動(dòng)，需要在接收端引入自適應(yīng)光學(xué)信號(hào)處理能力，比較典型的包括自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備和光學(xué)自動(dòng)增益控制器。自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備用于將大幅波動(dòng)的光學(xué)接收信號(hào)轉(zhuǎn)換成光學(xué)調(diào)制解調(diào)器能夠處理的穩(wěn)定信號(hào)，它利用偏轉(zhuǎn)機(jī)制修正波束漂移并利用可變形反射鏡對(duì)閃爍效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償;而光學(xué)自動(dòng)增益控制器則可提供低噪聲光學(xué)放大和穩(wěn)定性，將信號(hào)波動(dòng)范圍控制在一定范圍內(nèi)(如40 dB)，同時(shí)把可能會(huì)導(dǎo)致檢波器飽和或損壞的大功率輸入分離出來(lái)。但自適應(yīng)光學(xué)設(shè)備所能提供的補(bǔ)償能力受孔徑、相位補(bǔ)償激勵(lì)器帶寬以及傳輸距離的限制，在實(shí)際應(yīng)用中還需要利用前向糾錯(cuò)(FEC)編碼等手段進(jìn)行誤碼糾正。在FSO 通信組件性能改進(jìn)的同時(shí)，還需要對(duì)FSO 通信組件性能模型和傳輸信道進(jìn)行建模，以便準(zhǔn)確了解可能的大氣條件對(duì)FSO 通信傳輸信號(hào)的影響以及FSO 通信組件克服這些影響的能力，為未來(lái)的裝備研制和生產(chǎn)奠定研究基礎(chǔ)。

3.2 混合鏈路信道優(yōu)化

目前對(duì)于射頻通信和FSO 通信單獨(dú)應(yīng)用已有大量研究，但將兩者有機(jī)地混合起來(lái)應(yīng)用的相關(guān)研究仍然不多。這種混合通信系統(tǒng)要想達(dá)到最佳的應(yīng)用效果，既需要兩者在應(yīng)用時(shí)無(wú)縫切換，也需要兩者能夠同時(shí)工作。在鏈路建立階段，射頻通信鏈路可有效地輔助FSO 通信波束對(duì)準(zhǔn)和建鏈，降低FSO 通信在機(jī)載平臺(tái)應(yīng)用的難度。混合通信鏈路建立之后，需要對(duì)數(shù)據(jù)流分配進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既可以優(yōu)先使用FSO 鏈路，只在FSO 鏈路不可用的情況下才使用射頻鏈路，也可以讓射頻和FSO 鏈路協(xié)同工作，射頻鏈路滿足窄帶通信需求，而FSO 鏈路則滿足寬帶通信需求。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程，為了不影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，必須開發(fā)相應(yīng)的聯(lián)合調(diào)制和編碼技術(shù)、數(shù)據(jù)流量分配優(yōu)化和切換算法來(lái)支持這種無(wú)縫鏈路切換，同時(shí)為了應(yīng)對(duì)可能的鏈路中斷現(xiàn)象，在鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層還需考慮相應(yīng)的重傳和再路由機(jī)制，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況，改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３志W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能。目前，F(xiàn)SO 通信在大多數(shù)空地環(huán)境下只能達(dá)到約60%的可用性，而混合通信系統(tǒng)則需要基于射頻信道的輔助使系統(tǒng)總體可用性高于95%。

3.3 混合通信系統(tǒng)的軍事應(yīng)用概念

從目前的軍事作戰(zhàn)需求來(lái)看，混合通信系統(tǒng)的潛在應(yīng)用平臺(tái)主要包括空中和近空間平臺(tái)，主要利用其提供高速、寬帶傳輸鏈路的特性滿足寬帶骨干網(wǎng)通信需求。從美軍目前的發(fā)展需求來(lái)看，混合通信系統(tǒng)將主要裝備預(yù)警機(jī)、偵察機(jī)、指控飛機(jī)等較大型的飛機(jī)平臺(tái)，用于滿足目前美軍聯(lián)合空中層網(wǎng)絡(luò)設(shè)想利用這類平臺(tái)構(gòu)建空基骨干網(wǎng)的需求。目前美軍寬帶CDL 數(shù)據(jù)鏈主要用于滿足點(diǎn)對(duì)點(diǎn)空空和空地寬帶傳輸需求，仍在開發(fā)該鏈路的組網(wǎng)傳輸能力，它被視為美軍未來(lái)混合鏈路中的射頻鏈路候選，這也意味著CDL 目前應(yīng)用的任務(wù)場(chǎng)景如無(wú)人機(jī)平臺(tái)數(shù)據(jù)回傳、偵察機(jī)數(shù)據(jù)分發(fā)等都是混合鏈路未來(lái)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景?；旌贤ㄐ沛溌肺磥?lái)在與美軍現(xiàn)有窄帶射頻鏈路組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，還可用于提升一些薄弱環(huán)節(jié)的性能，以便提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)吞吐量和傳輸能力，這也意味著，混合通信系統(tǒng)軍事應(yīng)用潛能仍有待進(jìn)一步開發(fā)。此外，利用射頻與FSO 混合鏈路構(gòu)建的骨干網(wǎng)包含的節(jié)點(diǎn)數(shù)量不會(huì)太多，但是會(huì)接入該骨干網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)可能很多，這種情況下要確保服務(wù)質(zhì)量會(huì)是個(gè)挑戰(zhàn)。未來(lái)利用光/射頻該骨干網(wǎng)的總吞吐量可能會(huì)達(dá)到幾十Gb/s，對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由器等硬軟件設(shè)備也提出了很高的要求。

4 趨勢(shì)與啟示

射頻與FSO 通信混合應(yīng)用是未來(lái)機(jī)載通信發(fā)展的必然階段，開展混合通信研究不僅可促進(jìn)Gb/s速率鏈路應(yīng)用，也有望成為打通無(wú)線射頻與FSO 通信最直接的通路。通過(guò)跟蹤研究美軍射頻與FSO混合通信系統(tǒng)的發(fā)展，可以得出一些啟示。

(1)混合通信概念雖非完全創(chuàng)新，但仍有應(yīng)用前景

射頻與FSO 混合通信概念試圖實(shí)現(xiàn)兩種傳輸媒介的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，盡管這一概念并非是一種全新的通信概念，但卻有助于軍事通信領(lǐng)域覬覦已久的FSO 通信能力的裝備應(yīng)用，仍具有應(yīng)用前景，值得我們關(guān)注。FSO 通信盡管優(yōu)勢(shì)明顯，但從目前來(lái)看，尚無(wú)法完全替代射頻通信，因此即使未來(lái)機(jī)載FSO 通信得到應(yīng)用，仍然需要與現(xiàn)有射頻通信系統(tǒng)共存，如何使這兩種通信系統(tǒng)有效共存、無(wú)縫互補(bǔ)應(yīng)用是未來(lái)機(jī)載通信應(yīng)用不可避免的研究問題。目前美軍開展的射頻與FSO 混合通信應(yīng)用，其中很重要的一個(gè)課題就是研究射頻與FSO 通信系統(tǒng)混合應(yīng)用概念，其研究的孔徑共用等技術(shù)是促進(jìn)機(jī)載FSO 通信應(yīng)用的必需技術(shù)。在FSO 通信為機(jī)載作戰(zhàn)應(yīng)用帶來(lái)Gb/s 量級(jí)通信傳輸數(shù)據(jù)率的同時(shí)，美國(guó)DARPA 也發(fā)起了100 Gb/s射頻骨干網(wǎng)概念研究，這種高達(dá)Gb/s 的通信鏈路相比現(xiàn)在使用的射頻鏈路傳輸速率實(shí)現(xiàn)了數(shù)量級(jí)的提升，該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將射頻通信與FSO 通信之間的性能差距進(jìn)一步縮小，從而提高美軍射頻與FSO 混合通信系統(tǒng)的整體性能。

(2)混合通信在商用通信領(lǐng)域也有應(yīng)用前景

混合通信概念雖然由美國(guó)從事軍事先進(jìn)概念研究的DARPA 率先開展研究，但這項(xiàng)技術(shù)不僅僅在軍用通信領(lǐng)域具有應(yīng)用前景，在商用通信領(lǐng)域也極具應(yīng)用潛力。目前商用通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)如城市寬帶無(wú)線網(wǎng)也有越來(lái)越高的無(wú)線寬帶通信需求，特別是通信網(wǎng)絡(luò)的“最后一里”，F(xiàn)SO 通信不僅可以提供商用通信所需的高速寬帶通信服務(wù)，而且目前FSO 通信不受頻譜許可限制，對(duì)于可用頻譜越來(lái)越緊張的民用通信領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，也極具吸引力。目前國(guó)外研究人員已經(jīng)開始積極開展射頻和FSO 混合通信概念研究，包括對(duì)射頻和FSO 混合鏈路應(yīng)用性能進(jìn)行分析［12－15］以及提出了混合通信的信道切換［16－17］、路由和中繼實(shí)現(xiàn)方案［18－20］等。從目前的發(fā)展情況來(lái)看，未來(lái)這種混合通信系統(tǒng)有望發(fā)揮其高速、寬帶的特性用于提高目前純射頻無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的整體網(wǎng)絡(luò)性能，或者用于替代部分陳舊的有線網(wǎng)絡(luò)。

(3)射頻與FSO 混合通信是攻克高頻段通信技術(shù)的契機(jī)

從通信應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，不同的通信頻段具有不同特性，各自都具有相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)，光與射頻混合通信研究的目的就是實(shí)現(xiàn)這兩種頻段的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)際上開展這種混合應(yīng)用研究也是推動(dòng)兩個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)交叉應(yīng)用的契機(jī)。一方面，為了使通信數(shù)據(jù)率獲得實(shí)質(zhì)性的突破，很多新型通信系統(tǒng)都開始選用更高的頻段，如K 和Ka 頻段等，而這些頻段以及目前熱門的太赫茲頻段(0.1～10 THz)的很多傳輸特性都已經(jīng)非常接近于光通信，如受大氣環(huán)境的影響明顯，需要借鑒光通信的研究基礎(chǔ)來(lái)發(fā)掘這些射頻頻段的應(yīng)用潛力。另一方面，在射頻通信潛力不斷深挖的情況下，引入光通信的一些方法和技術(shù)或可帶來(lái)革命性的影響。瑞典空間物理研究所Bo Thidé和意大利帕多瓦大學(xué)Fabrizio Tamburini 領(lǐng)導(dǎo)的研究小組在2011年11月期的《自然》雜志上刊文提出了電磁波渦旋概念［21］，它將光學(xué)領(lǐng)域渦旋光束的概念引入到射頻通信領(lǐng)域，宣稱可以成倍地提升可用帶寬。將光與射頻通信方式的優(yōu)勢(shì)混合應(yīng)用，是充分發(fā)掘它們潛力的最佳手段，同時(shí)也是盡快將它們的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用于工程實(shí)踐的直接途徑。

5 結(jié) 語(yǔ)

射頻與FSO 混合通信概念作為美國(guó)DARPA 應(yīng)對(duì)未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)通信需求提出的一個(gè)先進(jìn)系統(tǒng)概念，經(jīng)過(guò)十多年的研究，演示驗(yàn)證了這項(xiàng)概念，并仍在為相關(guān)設(shè)備研制開展風(fēng)險(xiǎn)降低研究。盡管由于技術(shù)和設(shè)備成熟時(shí)間問題，這種混合通信系統(tǒng)何時(shí)裝備仍存在不確定性，但該領(lǐng)域的研究成果仍將為美軍高速通信系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供重要的支持，該領(lǐng)域的研究進(jìn)展情況值得我們重點(diǎn)關(guān)注。

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