1引言
目前军用通信系统仍然以射频通信系统为主，其数据率一般从几十kb/s到几十Mb/s［1］。美军主要使用的宽带数据链———通用数据链(CDL)系统［2］的数据率目前可达到274Mb/s，未来有望提升到548Mb/s。但是在美军网络中心战概念的推动下，现代战场上流动的信息量激增，迫切需要能够支持Gb/s甚至Tb/s级速率的通信链路提供骨干连接，而这已远远超出了目前使用的通信链路的能力，需要一种创新性的解决方案。一直以来，军用和民用领域都将自由空间无线光(FSO)通信视为突破射频通信限制、提供高速无线通信能力的最佳候选方案之一，但受制于光电转换效率、光检波器效率、指向误差以及路径损耗等实际应用问题的影响，到目前为止FSO通信仍只少量应用于一些特殊环境［3－4］。在此背景下，美国防先期研究计划局(DAＲPA)提出了将射频和自由空间光通信混合应用的方案，用以满足构建高速宽带空基骨干网的需求。众所周知，射频通信所能提供的数据率相对较低，信道较为稳定，尽管存在多径等不利因素，但受云层等气象条件的影响较小，实现技术也更加成熟，相关器件的价格低廉。另一方面，相比射频通信，FSO通信可提供Gb/s量级甚至更高的速率和更强的抗干扰性能，理论上可以使收发设备更小，但由于频率高、波束窄，工程实现难度很大，且光频段受光学湍流和环境条件的影响也非常大，云、雾、沙尘等会极大地影响FSO通信的可用性［5－7］。就现阶段的技术发展情况来说，两者各自都存在优缺点，且它们的优缺点具有互补性，将两者混合应用以实现优势互补则有望建立高速且稳定通信链路。目前，该混用概念已得到美空军的重视，并在DAＲPA之后，也启动了相关研究，以期将其尽快应用于实际战场。
2美军机载射频与FSO混合通信发展
美空军20世纪60年代就开展了空地FSO通信外场测试，1983年启动了HAVELACE研究计划验证空空激光通信的可行性，1995年底又开展了Ｒecc－IntelCrossLink(ＲICL)计划研究空空交叉链路通信［8］。为了将FSOC引入战场通信应用，美国DAＲ-PA在2002～2003年开展了太赫兹作战回传(THOＲ)项目［9］，检验将多个FSO通信终端连接到一个网络内以满足军事应用可靠性需求的可行性。THOＲ验证的结果表明:开发能够装备到飞机上且提供必需性能的终端是可行的，但是要达到必需的可靠性，需装备这类终端的飞机数量过多。为了解决可靠性问题，DAＲPA提出了将FSO通信的高数据率和射频通信的高可靠性混合起来应用的思路，这一点类似于汽车领域发展出的混合动力汽车。目前在军用领域推动这种混合通信技术发展的主要是美国DAＲPA和美空军研究实验室(AFＲL)，它们已开展了多次验证和测试活动，包括光射频通信链路试验(OＲCLE)、射频/光综合组网战术瞄准网络技术(IＲON－T2)、光射频辅助通信(OＲCA)和自由空间光实验性网络试验(FOENEX)。
2．1光射频通信链路试验(OＲCLE)美军首个专门研究FSO与射频通信混合应用的项目是美国DAＲPA发起的光射频通信链路试验(OＲCLE)计划［10］，它是要研究射频和FSO通信节点混合组网应用的可行性以及必需的组网和物理层技术。OＲCLE计划提出的FSO通信与射频通信混合应用系统概念并非简单地把射频传输转换成FSO传输，而是能够根据所传送消息的大小和环境的不同，选择最高效的方式发送消息。也就是说，FSO信道和射频信道都随时可用，工作时根据传输需求灵活选择最佳的信道，并且在OＲCLE网络中通过FSO信道进行高数据率传输的同时，网络中其他数据可通过射频信道传输，真正实现光和射频通信链路智能化的混合应用。OＲCLE计划利用射频和FSO混合通信链路演示了包含飞机与飞机之间(空空)和飞机与地面单元之间(空地)传输链路的空地通信网络，其中，FSO数据链的通信数据率为2．5Gb/s，而射频战术通用数据链(TCDL)的数据率则为45Mb/s。此外，OＲ-CLE计划还研究了射频和FSO混合通信应用必需的组网技术(包括智能组网、无缝链路切换、自适应信道选择等)、机载激光通信技术(包括机载激光器、激光波束精确控制等)以及混用相关技术(包括射频和光电孔径综合、液晶光相控阵、自适应频谱编码的调制解调器等)。OＲCLE计划开发了射频和FSO传输信道分析、编码技术，并对气象、大气和航空光学进行了建模，以便为联合部队指挥官提供有保障的高数据率通信。OＲCLE的技术演示验证表明，利用现有的可用技术可以制造出FSOC/ＲF通信混用原型设备，这也促使DAＲPA与美空军研究实验室一起启动了光射频通信优化(OＲCA)项目。
2．2光/射频通信优化(OＲCA)基于DAＲPAOＲCEL计划的研究成果，DAＲPA和AFＲL又在2008年联合发起了光/射频辅助通信(OＲCA)计划［11］，基于OＲCLE验证的混用概念开发一套原型设备，测试利用该混用概念构建安全的基于IP的骨干网络，目标是用其满足战场上回传后方的通信传输需求。OＲCA试图在空空和空地混合链路场景中验证射频和FSO混合通信的优势互补性能，其基本思路是:FSO通信在大气条件良好的环境下工作，提供高数据率，当有云影响FSO通信链路时，则从数据流中把高优先级消息分离出来，通过射频链路传送给受云影响的节点，而较低优先级的数据则暂时存储，等到云的影响消失、FSO链路恢复可用时再传送，或者射频链路出现空闲可供其使用时传送，或者在消息传送超时后请求重发。OＲCA计划于2009年5月在美国内华达测试与训练靶场利用该计划开发的原型机进行了演示验证。在演示中，空中节点之间的最大通信距离达200km，与地面节点之间最大倾斜距离达50km，空中节点的飞行高度为7．62km。OＲCA系统混合链路中的射频链路采用数据率为274Mb/s的通用数据链(CDL)，而光链路采用1．55μm波长的光频段，数据率达到5Gb/s。演示的OＲCA网络包括空中和地面两部分。空中部分联网的多个平台形成高度可靠的骨干网络，通过战略网络网关路由器接入GIG提供回传后方的能力，空中的飞机平台采用移动adhoc网络模式组网，根据需求提供相应的数据率和可用性。OＲCA网络利用远距离、低速率射频全向信号启动，当各空中和地面平台进入通信范围后为混合通信终端提供初始遥测信息传输。一旦终端进入可建立FSO和射频通信链路的范围内，就启动网络。FSO链路利用半协同指向、跟踪和捕获(PAT)系统建立，PAT系统包括了宽视域(WFOV)摄像机、窄视域(NFOV)摄像机和具有湍流补偿的波前传感器(WFS)精密跟踪环。各平台利用遥测系统提供的初始指向信息，将窄光学信标信号发向预定的接收平台位置。然后，各预定节点上的“接收”WFOV捕获并锁定在其跟踪门之内的信标。接着，NFOV传感器建立更小的跟踪门，利用它锁定信号，并且各节点的WFS提供精密信号跟踪，建立FSO通信链路连接，开始传送数据。射频链路也是利用遥测数据启动链路捕获，该过程与FSO通信建链同时进行。OＲCA系统在常规的自适应光学大气补偿的基础上增加了光学自动增益控制(OAGC)，并补充以前向纠错(FEC)，以解决大气湍流导致接收信号功率剧烈波动的问题。OＲCA系统通过把射频通信系统与FSO通信系统集成起来，将FSO系统在常见大气环境中一般仅为60%的可用性提高到了高于95%。即使是遇到极端恶劣的大气环境，OＲCA系统仍可利用重传机制提供可靠性保障。
2．3射频/光综合组网战术瞄准网络技术(IＲON－T2)为了更全面地了解FSO通信系统的关键特性、开发先进路由器以促进新的战术骨干网络能力，在美国DAＲPA成功地进行OＲCLE演示项目之后，美空军研究实验室(AFＲL)也在2007年开展了“射频/光综合组网战术瞄准网络技术”(IＲON－T2)的研究计划［8］，目的是演示验证FSO/ＲF通信链路混用必需技术和设备的可行性。IＲON－T2射频架构是以多平台通用数据链(MP－CDL)机载系统为基础，使用X频段或Ku频段链路，支持视距空地链路或空空链路模式，可同时支持3条链路，完全兼容CDL射频链路，最高数据率可达274Mb/s。演示中，使用了加载重传算法的射频/FSO混合通信试验设备，混合链路包括有一条光学波分复用(WDM)信道，数据率为3．125Gb/s，再加上一个独立的射频终端，它加载基于MP－CDL系统开发的274Mb/s链路。在各节点，光学和射频链路都连接到宽带移动路由器(WMＲ)，光链路传送数据，而射频链路在发射机与接收机间传送重传请求。IＲON－T2演示设备采用了高速自适应光学器件、单模纤维光学调制解调器、光学变频器、简化前向纠错(FEC)码和光学自动增益控制。自适应光学器件可以把更多的光送入光纤以提高信噪比，单模光纤光学调制解调器可提供优化的噪声系数，光学AGC可抵消最多50dB闪烁导致的信号波动。这些设备混合起来构成了一套可提供274Mb/s数据率的大容量X/Ku频段射频通信系统。AFＲLIＲON－T2项目于2008年完结，演示了射频/FSO混合通信系统应用的效率，测试数据表明，混合通信系统可以在白天和夜晚的多种环境下提供可靠的Gb/s级链路，但大气衰减和闪烁导致的接收光学功率波动会降低通信链路的质量，必须提高发射功率，降低望远镜的光学损耗，同时综合考虑孔径尺寸、发射功率和人眼安全问题。
2．4自由空间实验性光网络试验(FOENEX)在IＲON－T2和OＲCA研究的基础上，为了把射频和FSO混合通信相关技术进一步提高到可进行工程制造的水平，美国DAＲPA又发起了自由空间实验性光网络试验(FOENEX)［11］，该试验是要从系统设计的角度综合考虑相关必需技术，以期实现高可用性的高速率、远程战术通信。FOENEX网络的目标是提供基于IPv6的骨干级网络，利用射频与FSO混合通信信道提供的端对端网络可用性达到95%;其空中网络部分采用MA-NET模式组网，且空中平台可与多个地面固定节点连接，进而接入GIG。FOENEX网络包括多个空中和地面平台，每个平台都包含有一个或多个混合通信终端。由于其继承之前OＲCA的技术基础和演示设备，建链和网络启动过程与OＲCA相同，不同于OＲCA和IＲON－T2主要关注光学器件等硬件设备，FOENEX更加关注混合通信网络的组网部分，特别是网络的可靠性机制。在演示场景中，空中和地面节点配置有两条或多条射频与FSO混合通信链路。空中平台通过专用的FOENEX路由器和MANET软件实现互联，FOENEX网络基于这些通信链路的分集以及链路中断和服务质量(QoS)技术提供大容量、高可靠性的骨干网络。通过使平台移动性和网络会聚效应与开放系统互连(OSI)第三层及以上层隔离，在子网看来，FOENEX网络就是“单跳”网络。网络内的单条链路在实际应用中易受环境的影响，特别是光链路也会受平台位置的影响(该影响可通过预先规划避免)，为此，FOENEX采用了多种手段来维持可靠的端对端数据传输，包括纠错编码、数据重传、综合QoS和深度队列、重新路由以及数据重现等。FOENEX网络还通过建立优先级队列提高网络服务质量，根据网内数据流的特性分为紧急传送、有保证传送和尽量传送几类，如果有传输时机，首先提供给紧急转发队列，然后依次分配给有保证和尽量传送队列。FOENEX网络利用这些机制对数据流进行严格控制，确保端对端可靠传输。FOENEX测试表明，利用混合链路和重传机制具备提高网络可靠性的潜力，在IＲON－T2和OＲ-CA试验验证了混合链路设计原理和多种可靠性机制的基础上，FOENEX进一步优化改进了链路级重传算法，并在2011年底和2012年初进行了飞行测试。试验表明，应用于射频与FSO混合通信链路的FOENEX重传算法可以在5×10－2误包率的信道上实现100%数据送到，并且其性能还有进一步优化的潜力。
3机载射频与FSO混合通信发展的关键技术
美军通过开展一系列概念演示和试验验证为射频与FSO混合通信系统的实际应用奠定了基础，不过要将其实际装备还需进一步提高相关关键技术和产品的成熟度以及装机平台的安装要求，特别是配装的作战飞机上必须考虑天线孔径以及电磁兼容问题等。
3．1FSO通信组件和模型在机载射频与FSO混合通信系统中，射频通信相关技术和设备的研究相对而言已较为成熟，但是FSO通信的一些关键技术和设备仍需进一步完善。FSO通信对信道环境十分敏感，将其应用于机载平台，由于涉及空地通信，传输信道环境复杂，必须开发有效的设备和工具来克服大气湍流等环境因素对FSO通信的不利影响。这一方面需要改进FSO通信组件，另一方面需要进一步完善FSO通信器件和信道模型。云层遮蔽和大气湍流会导致FSO通信信号传输波动，需要在接收端引入自适应光学信号处理能力，比较典型的包括自适应光学设备和光学自动增益控制器。自适应光学设备用于将大幅波动的光学接收信号转换成光学调制解调器能够处理的稳定信号，它利用偏转机制修正波束漂移并利用可变形反射镜对闪烁效应进行补偿;而光学自动增益控制器则可提供低噪声光学放大和稳定性，将信号波动范围控制在一定范围内(如40dB)，同时把可能会导致检波器饱和或损坏的大功率输入分离出来。但自适应光学设备所能提供的补偿能力受孔径、相位补偿激励器带宽以及传输距离的限制，在实际应用中还需要利用前向纠错(FEC)编码等手段进行误码纠正。在FSO通信组件性能改进的同时，还需要对FSO通信组件性能模型和传输信道进行建模，以便准确了解可能的大气条件对FSO通信传输信号的影响以及FSO通信组件克服这些影响的能力，为未来的装备研制和生产奠定研究基础。
3．2混合链路信道优化目前对于射频通信和FSO通信单独应用已有大量研究，但将两者有机地混合起来应用的相关研究仍然不多。这种混合通信系统要想达到最佳的应用效果，既需要两者在应用时无缝切换，也需要两者能够同时工作。在链路建立阶段，射频通信链路可有效地辅助FSO通信波束对准和建链，降低FSO通信在机载平台应用的难度。混合通信链路建立之后，需要对数据流分配进行优化设计，既可以优先使用FSO链路，只在FSO链路不可用的情况下才使用射频链路，也可以让射频和FSO链路协同工作，射频链路满足窄带通信需求，而FSO链路则满足宽带通信需求。在实际应用过程，为了不影响网络服务质量，必须开发相应的联合调制和编码技术、数据流量分配优化和切换算法来支持这种无缝链路切换，同时为了应对可能的链路中断现象，在链路层和网络层还需考虑相应的重传和再路由机制，根据网络运行情况，改变网络拓扑保持网络运行性能。目前，FSO通信在大多数空地环境下只能达到约60%的可用性，而混合通信系统则需要基于射频信道的辅助使系统总体可用性高于95%。
3．3混合通信系统的军事应用概念从目前的军事作战需求来看，混合通信系统的潜在应用平台主要包括空中和近空间平台，主要利用其提供高速、宽带传输链路的特性满足宽带骨干网通信需求。从美军目前的发展需求来看，混合通信系统将主要装备预警机、侦察机、指控飞机等较大型的飞机平台，用于满足目前美军联合空中层网络设想利用这类平台构建空基骨干网的需求。目前美军宽带CDL数据链主要用于满足点对点空空和空地宽带传输需求，仍在开发该链路的组网传输能力，它被视为美军未来混合链路中的射频链路候选，这也意味着CDL目前应用的任务场景如无人机平台数据回传、侦察机数据分发等都是混合链路未来的潜在应用场景。混合通信链路未来在与美军现有窄带射频链路组网应用时，还可用于提升一些薄弱环节的性能，以便提升整个网络吞吐量和传输能力，这也意味着，混合通信系统军事应用潜能仍有待进一步开发。此外，利用射频与FSO混合链路构建的骨干网包含的节点数量不会太多，但是会接入该骨干网的节点可能很多，这种情况下要确保服务质量会是个挑战。未来利用光/射频该骨干网的总吞吐量可能会达到几十Gb/s，对网络路由器等硬软件设备也提出了很高的要求。
4趋势与启示
射频与FSO通信混合应用是未来机载混合通信发展的必然阶段，开展混合通信发展研究不仅可促进Gb/s速率链路应用，也有望成为打通无线射频与FSO通信最直接的通路。通过跟踪研究美军射频与FSO混合通信系统的发展，可以得出一些启示。(1)混合通信概念虽非完全创新，但仍有应用前景射频与FSO混合通信概念试图实现两种传输媒介的优势互补，尽管这一概念并非是一种全新的通信概念，但却有助于军事通信领域觊觎已久的FSO通信能力的装备应用，仍具有应用前景，值得我们关注。FSO通信尽管优势明显，但从目前来看，尚无法完全替代射频通信，因此即使未来机载FSO通信得到应用，仍然需要与现有射频通信系统共存，如何使这两种通信系统有效共存、无缝互补应用是未来机载通信应用不可避免的研究问题。目前美军开展的射频与FSO混合通信应用，其中很重要的一个课题就是研究射频与FSO通信系统混合应用概念，其研究的孔径共用等技术是促进机载FSO通信应用的必需技术。在FSO通信为机载作战应用带来Gb/s量级通信传输数据率的同时，美国DAＲPA也发起了100Gb/s射频骨干网概念研究，这种高达Gb/s的通信链路相比现在使用的射频链路传输速率实现了数量级的提升，该技术的实现将射频通信与FSO通信之间的性能差距进一步缩小，从而提高美军射频与FSO混合通信系统的整体性能。(2)混合通信在商用通信领域也有应用前景混合通信概念虽然由美国从事军事先进概念研究的DAＲPA率先开展研究，但这项技术不仅仅在军用通信领域具有应用前景，在商用通信领域也极具应用潜力。目前商用通信基础网络如城市宽带无线网也有越来越高的无线宽带通信需求，特别是通信网络的“最后一里”，FSO通信不仅可以提供商用通信所需的高速宽带通信服务，而且目前FSO通信不受频谱许可限制，对于可用频谱越来越紧张的民用通信领域来说，也极具吸引力。目前国外研究人员已经开始积极开展射频和FSO混合通信概念研究，包括对射频和FSO混合链路应用性能进行分析［12－15］以及提出了混合通信的信道切换［16－17］、路由和中继实现方案［18－20］等。从目前的发展情况来看，未来这种混合通信系统有望发挥其高速、宽带的特性用于提高目前纯射频无线网络的整体网络性能，或者用于替代部分陈旧的有线网络。(3)射频与FSO混合通信是攻克高频段通信技术的契机从通信应用的角度来说，不同的通信频段具有不同特性，各自都具有相应的优缺点，光与射频混合通信研究的目的就是实现这两种频段的优势互补，实际上开展这种混合应用研究也是推动两个领域的技术交叉应用的契机。一方面，为了使通信数据率获得实质性的突破，很多新型通信系统都开始选用更高的频段，如K和Ka频段等，而这些频段以及目前热门的太赫兹频段(0．1～10THz)的很多传输特性都已经非常接近于光通信，如受大气环境的影响明显，需要借鉴光通信的研究基础来发掘这些射频频段的应用潜力。另一方面，在射频通信潜力不断深挖的情况下，引入光通信的一些方法和技术或可带来革命性的影响。瑞典空间物理研究所BoThidé和意大利帕多瓦大学FabrizioTamburini领导的研究小组在2011年11月期的《自然》杂志上刊文提出了电磁波涡旋概念［21］，它将光学领域涡旋光束的概念引入到射频通信领域，宣称可以成倍地提升可用带宽。将光与射频通信方式的优势混合应用，是充分发掘它们潜力的最佳手段，同时也是尽快将它们的优点应用于工程实践的直接途径。
5结语
射频与FSO混合通信概念作为美国DAＲPA应对未来战场通信需求提出的一个先进系统概念，经过十多年的研究，演示验证了这项概念，并仍在为相关设备研制开展风险降低研究。尽管由于技术和设备成熟时间问题，这种混合通信系统何时省级医学期刊装备仍存在不确定性，但该领域的研究成果仍将为美军高速通信系统的开发和应用提供重要的支持，该领域的研究进展情况值得我们重点关注。
作者:刘红军 单位:中国西南电子技术研究所
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