基于LNFC近场光通信技术的应用场景探讨

1 LNFC近场光通信技术

近场光通信（LNFC：Light Near Field Communication）是以光波为信息传输载体、以大气为传输介质的无线激光通信技术，可应用于平台数据下载、单向信息导入、板间通信、舱内无线组网等特定场景的非接触式信息传输，具有通信容量大、终端体积小、抗干扰能力强、易于集成等优点，是实现不同信息载体间超短距离高速无线传输的理想手段[3]。

2 技术发展现状

随着特殊应用场景信息传输需求的出现，特别是通信带宽的提高和安全保密要求，光通信以其技术特点成为研究方向，国内外的研究者都在用各种技术手段以实现在满足应用的同时规避技术缺陷，探索稳定高效可靠的技术途径。近场光通信技术国外发展现状如表1所示，国内发展现状如表2所示。

2.1 国外发展现状（表1）

表1 近场光通信技术国外发展现状

2.2 国内发展现状（表2）

表2 近场光通信技术国内发展现状

3 应用场景探讨

3.1 数据安全交互

（1）网际边界激光光闸

信息大数据时代，数据的重要性不言而喻，数据的安全防护面临的要求越来越高。基本上，党政军企各级各类用户都有自己的信息数据网络，在外部数据导入内网的同时，为确保内部敏感信息或高等级数据的安全，需要在网络边界设置物理隔离，切断反向信息传输通道，以确保数据传递的安全可靠、操作可信。基于近场光通信技术的激光光闸在物理隔离信息单向导入系统中具有广阔的应用前景。

激光光闸无物理连接、单向激光信号传输的方式实现无回馈的信息单向安全传递。光闸传输模块采用近场大气激光通信技术，以红外激光为信息载体，空气为传输介质，通过无物理的连接方式实现无回馈的信息单向安全传输。一方面，设备间无物理线缆连接，符合信息传输物理隔离的要求；同时激光的单向传输特性确保了数据从物理机制上的单向传输，可有效切断数据被反向读取或篡改的物理路径建立。基于LNFC技术的激光光闸典型应用如图1所示。

图1 基于LNFC技术的激光光闸

激光光闸特点：

① 无物理连接，高安全性；物理机制上单向传输，收发分离，激光方向性极强，直线传输，发散角度小，发散角度小，光束集中，无旁瓣和尾瓣，不易被截取。

② 无电磁辐射，激光工作频率约192 THz，现有电磁窃取设备无法探测光信号。

③ 抗干扰性强,目前没有针对光频段190 THz的电磁干扰手段。在复杂电磁环境、强电磁条件下可正常工作且不会互相干扰。

中国电科34所研制了工程化应用的激光关闸，如图2所示，其主要技术指标如下。

① 系统吞吐率（1 000 M网络接口）：≥800 Mbit/s。

② 网络接口：100 M/1 000 M以太网接口自适应。

③ 支持所有格式文件传输；文件传输误码率优于10-10。

④ 平均无故障时间：不小于10 000小时。

⑤ 工作温度：-40℃～60℃。

⑥ 存储温度：-45℃～75℃。

⑦ 供电：DC 5 V/12 V；功耗小于7 W。

⑧ 电接口：设备外置物理连接口为RJ45网口或光接口（选配）。

光接口：双纤接口，850 nm/1 310 nm/1 550 nm工作波长兼容。

图2 中国电科34所激光光闸

（2）高速平台数据下载

目前，高速平台如高铁动车、地铁机车、舰船、无人巡航侦察机等，完成一次任务执行，信息采集系统通常累积了T比特级的数据。常规的数据导出手段，需要人为插拔相关设备和线缆。一方面存在通信速率低、数据导出时间长、接口插拔磨损导致工作状态不稳定等问题，另一方面，人为操作存在信息安全泄密等隐患。

对于高等级数据，安全保密管理迫切需要一种可靠性更高、安全性更强、人工介入更少的非接触式传递技术来实现。采用近场光通信技术，借助伺服跟踪，在平台和泊位之间按需自动建立一条高精度的单向信息安全传输通道，可以解决上述安全隐患和可靠性维护等问题。系统传输速率可达10 Gbit/s，可极大压缩数据传递时间。

比如，机载平台高速数据传输系统，采用由万兆以太网传输模块（包含电光转换模块和光电转换模块）、光学系统（包含发射光路和接收光路）、自动对准系统和电源系统等组成。平台内万兆以太网信号传输给万兆以太网传输模块，万兆以太网信号传输模块完成电信号到光学天线传输所需光信号的转换和放大，转换后的光信号经发射光路通过大气传输到达地面端接收装置，实现信息到地面广域网的高速无线传输。该技术应用场景还可以延伸到高铁、地铁和船舶领域，如图3所示。交通载体运行中产生的监控数据、视频数据和运行状态等数据，在入库泊位后可高速自动导入到用户网络。

图3 近场光通信在平台高速数据下载中的应用

中国电科34所研制了机车的激光通信终端样机，如图4所示，主要技术指标：

① 最大通信速率：10 Gbit/s；传输距离：20～300 m；

② 跟踪机构可调节角度：方位±45°，俯仰±10°；

③ 具有自动跟踪功能，对准时间：小于30 s；

④ 工作温度：-30℃～70℃；

⑤ 具有光信号收发功能，具有大发散角、大接收视场角以保证信道稳定，且光通信具有抗电磁干扰、无电磁辐射、安全保密的特点；

⑥ 该设备具有自动对准功能，可实现与通信目标的自动瞄准、捕获及跟踪，能够克服平台停泊位置在一定范围的变化对系统产生的影响。

图4 中国电科34所机车的激光通信终端样机

（3）智能终端信息传输

信息时代各类智能终端普及应用，如平板、手机、笔记本电脑、行业信息采集终端，终端之间、终端与专网之间信息交互已十分普遍。从网络安全管理、信息数据保护需求分析，智能终端接入专网或者高等级内网需要一种既安全又可控的配套设施支撑信息的便捷导入导出。基于LNFC技术开发一款小巧便携的传输互联模块可满足此应用场景要求，如图5所示。

设计一款小型化便携式的光电转换与传输模块，并对智能终端施加改造，加装电光转换组件，一端通过FE/GE口连接内网，一端通过电光转化以激光为载波实现与智能终端的传输互联通信，在信息导入导出接口管控严格的应用场景下，可实现终端信息与内部网络的便捷、安全、快速交互。通信速率可达1 000 Mbit/s；光接口工作波长850 nm；最远通信距离0.5 m；接收视场≥10°。

图5 智能终端信息无线传输应用示意图

3.2 特殊环境通信

近场可见光通信无电磁辐射，在无线电静默或强电磁干扰场景具有潜在的优势。飞机上为了避免无线电干扰，可借助可见光通信替代射频通信，向乘客移动终端推送数据。战场上电磁干扰、电磁攻击是一种常见的电子对抗手段，能破坏或压制对方通信能力，极大影响作战效能的发挥。无线光通信技术抗干扰能力强，可在高科技战场上最大限度地保障己方最低限度的通信能力。对一些隐蔽式的通信场合，使用手持式近场光通信终端或其它具有欺骗性隐藏功能的终端，可以实现特殊需求场景下的信息非接触传输[4]。

可见光通信技术同样适用于水下场景。相较于传统的水下声呐通信，水下蓝绿光通信具有更好的定向性和保密性。水下航行器（如小型潜艇、蛙人输送艇、UUV等）可将收集到的数据通过前端无线激光装置近距离无接触传递到信息采集基站、观测站等中转平台，如图6所示。

图6 AUV数据通过水下蓝绿光通信实现回传

3.3 离轴旋转通信

现代精密光学仪器和雷达工程等对小型化旋转光通信系统的需求明显，采用近场光通信技术，可实现百兆信号在旋转机构中固定工作台和旋转工作台之间的数据传输。与光纤滑环相比，低速率、短距离以及封闭的非接触信号传输系统具有更高性价比、更低安装要求、更高可靠性和环境适应性等优点[5,6]。

文献[7]设计了一种小型化离轴旋转光通信系统，如图7所示。采用发散角较大的LED作为信号发射装置，采用面积较大的光电探测器作为信号接收器件，减小了光学系统的体积和电路系统的复杂程度，有效地减小了离轴旋转光通信系统的尺寸。该系统内孔直径为20 mm，外直径为60 mm，在垂直电路板方向上测量单端离轴旋转光通信系统的尺寸，其最高点与最低点之间的距离为10 mm，体积为25.132 cm3。系统在两旋转端之间的距离小于200 mm，转速小于120转/分钟的情况下，可实现100 Mbit/s的高速双向光通信。

图7 旋转光通信应用示意图

3.4 5G信号近场光桥接

欧美绿色建筑标准对人体电磁辐射防护提出了更高要求，需安装防紫外线、抗辐射的Low-e玻璃，这种玻璃对5G网络使用的微波频段信号衰减较大，存在电磁信号无法穿透到室内的覆盖难题。目前，近场光通信技术较为成熟，辅助磁共振充电技术，将微波信号转换为激光信号后，利用光的可穿透性解决。系统工作原理如图8所示。

3.5 舱内无缆化组网

移动方舱尤其是通信与指挥控制方舱，内部机柜和通信设备众多，线缆高度集中化，设备连接以电缆为主，采用近场光通信技术，设计一种白光LED灯具，集照明通信功能一体（LiFi），可以构建室内高速无线光互联架构，消除复杂的电缆、光缆连接和布线，建立移动终端、席位终端和服务器之间的无线光连接，实现舱内无缆化通信。应用示意如图9所示。

图8 5G信号入室近场光桥接

图9 舱内无缆化无线光通信应用示意图

3.6 无线光互连

伴随着信息化应用的深入发展，在超算中心和大数据中心，数据传输与处理面临的电信号瓶颈愈发明显，主要体现在两方面：其一是集成电路与芯片之间的数据处理和传输密度大幅度增加，受制于微观物理中电性能的约束，芯片间的高速传输受到挑战。其二是通信设备板卡间、机柜间、计算节点间的高带宽、低延迟要求更为迫切。光互连以其高带宽、低延迟、可并行和低能耗等特性是替代电互连的一种有效方法。按照互连对象划分，可分为芯片内核间的光互连（on-chip，简称片内互联）、芯片间的光互连（inter-chip，简称片间互联）、板卡间的光互连（简称板间互连）和机柜间光互连。

（1）片内和片间互连

片内光互连和片间光互连的主流技术方案基于硅基光电子技术结合光波导技术实现信号传输。随着全息二元微光学器件以及面发射的半导体激光器的发展，片内光互连和片间光互连因体积受限的困难有望解决，但距离规模化商用还较远。

（2）高速板间光互连

板间光互连主要通过光背板来实现。主流的工艺途径是光纤电路技术和光电混合印制电路板技术。光纤电路技术将带状光纤布线后封装到柔性板材中，实现母板上各模块与母板之间的光纤互连。光电混合印制电路板(EOPCB)技术是在成熟的印制电路板上增加一层导光层，能实现电子设备的高密小型化，但在工程化应用上受制于材料、成本和工艺等原因，尚无成熟应用案例。我们提出一种思路，基于近场光通信技术设计一种高密小型化的光收发组件，集成在现有通信设备板卡上，实现设备板卡之间的高速互通。

（3）设备间光互连

设备间光互连可应用于固定设备或固定机柜间的互连通信。对于机柜内的设备互连，采用无线光通信，则需要提前设计好光路位置，制定统一的安装标准才具备工程实施基础。对于机柜间的光互连，不仅要考虑安装对准的问题，还要考虑设备维护、灰尘沉积和污渍敏感、人员走动对激光链路的阻挡，造成线路中断的情况。

目前，见诸报道的机柜间光互连研究有微软的Firefly项目（Free-space optical Inter-Rack network with high Flexibility），该项目旨在利用红外波段的FSO技术消除数据中心数量庞大的互联线缆，并建立机柜间可灵活配置的无线光网络，在2017年美国旧金山西部电子展会上演示了基于该技术的10 Gbit/s机柜互联系统，如图10所示。

图10 Firefly项目机柜互联示意图

2018年，《前沿技术跟踪》第9期报道了一则关于数据中心内部新型无线激光互联技术。基于光子集成电路（PIC）设计一种新型的光收发装置，在发射端采用二维光束偏转装置可实现机柜间的动态互联。其原理是通过波长调整实现光束垂直方向的偏转，利用光栅耦合器及压电变换器实现水平偏转控制。接收端采用宽带大面积光电二极管阵列实现高灵敏度接收，系统可实现 ns 级的切换速度。为充分发挥这种无线光收发装置效能，研究团队还提出了将数据中心内部机柜按照环形部署成簇的无线光互联网络结构，簇内机柜间通过激光互联，簇之间互联通过放置于簇中心且位置略高于机柜的无线光收发装置来实现，如图11所示。

图11 数据中心机柜间一种新型无线光互联技术

整体分析，对于类似超级计算机和大数据中心这样的应用场景，复杂的计算需要在多个不同任务之间和不同通信模块间进行切换。解决高带宽、低延迟互联互通需要在上述3个层次取得技术突破和工艺完善。基于近场光通信技术首先推进板间、设备间和机柜间的光互连是一种可行且易实现的应用方向。

4 结束语

本文主要从无线激光通信创新应用角度，结合LNFC近场光通信技术的特点和优势，首先后回顾了国内外近年来近场光通信技术的发展现状，分析探讨了10个细分应用场景。整体上，近年来近场光通信技术在数据与网络安全领域发展较快，国内外相关高校和企事业等单位，一方面围绕技术提升开展理论研究和演示验证，另一方面紧跟行业信息通信特殊要求，开展应用模式创新和产品形态创新，如在保密、安全、金融、核电等领域，融合数据安全、鉴权认证和网络边界隔离等应用需求，将LNFC技术集成化为一种标准的功能组件嵌入到系统级的产品和解决方案中。

作为一种甚短距离光传输技术，我们希望在不远的将来，LNFC技术能演化成一种通用技术，走产业化发展道路，以标准件的形态融入到各类信息采集终端、消费类电子终端和数据中心广泛应用，能补充WIFI、替代线缆，开启日常办公、居家生活的光互联时代。