衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信的分析及建議

摘要：衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信擁有諸多優(yōu)勢，如超高效率傳輸、容量龐大、安全可靠等，受到了人們的高度重視，在未來有著廣闊的發(fā)展空間，這也是通信業(yè)務(wù)的重點發(fā)展方向。本文旨在對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)展開分析和研究，探討發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信技術(shù)面臨的困難和挑戰(zhàn)，并提出切實可行的解決策略，最后對星間激光通信的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期推動星間激光通信技術(shù)的研發(fā)速度，擴(kuò)大星間激光通信技術(shù)的應(yīng)用范圍。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星；互聯(lián)網(wǎng)；激光通信

一、引言

衛(wèi)星之間的通信都是以電磁波為媒介，以電磁波頻段為劃分依據(jù)，衛(wèi)星之間的信息通信分為微波通信、激光通信等幾種形式，其中微波通信的使用頻率最高，使用范圍也最為廣泛，這也是星間激光通信的重中之重。該通信技術(shù)主要應(yīng)用在衛(wèi)星與地面、衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的鏈路傳輸，擁有技術(shù)成熟、傳輸距離長、覆蓋面積大的典型特征[1]。隨著衛(wèi)星及航天設(shè)施的數(shù)量越來越多，微波通信已經(jīng)難以滿足人們的通信容量需求，星間激光通信逐漸走進(jìn)了人們的視野。星間激光通信的特點如下：

（一）可用寬帶大、速率高

對于通信網(wǎng)絡(luò)來說，載波頻率和帶寬承載力呈現(xiàn)出明顯的正比例關(guān)系。在應(yīng)用過程中，光載波中心頻率可達(dá)到1016Hz，就算承載率為1%，其承載帶寬也可達(dá)到100THz，這是傳統(tǒng)射頻微波無法比擬的。隨著當(dāng)下通信技術(shù)的飛速發(fā)展，地面光纖通信系統(tǒng)傳輸效率有了極大的提升，從最初的2.5 Gbit/s到10Gbit/再到100Gbit/s，直到目前能達(dá)到的400Gbit/s的發(fā)展歷程來看，星間激光通信鏈路單波速率達(dá)到400Gbit/s的級別是完全可以預(yù)見的。

（二）功能損耗少

星間激光的波長比微波波長短，方向性好，能量不易分散，能夠大大地減少收發(fā)設(shè)備的功率消耗。此外，星間激光通信系統(tǒng)需要的光學(xué)天線和收發(fā)設(shè)備體積比較小，重量也比較輕，能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化、低功耗的設(shè)計目標(biāo)。

（三）穩(wěn)定性強(qiáng)

以往的微波通信一般采用一對多通信模式，一旦出現(xiàn)相似頻段，就會出現(xiàn)信號干擾，通信被竊取和被解密的事情就無可避免。星間激光通信的束發(fā)散角小、束寬非常窄、方向性好，在傳輸過程中不容易被竊取，保密性也非常出色。

（四）無頻譜限制

微波的散角非常大，很容易對周圍的接收器造成信號干擾，航空領(lǐng)域可用波段呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢，此外微波頻率所受監(jiān)管非常嚴(yán)格。但星間激光通信的發(fā)射精準(zhǔn)度非常高，抗干擾性能好，頻率受限程度也非常小。

二、星間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)

星間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)包括物理連接技術(shù)和光傳送接口技術(shù)。下面分別論述。

（一）物理連接技術(shù)

星間激光通信物理連接技術(shù)包括光收發(fā)技術(shù)、跟瞄技術(shù)等兩種類型，前者又分為直接探測、相干探測等兩種形式，其中直接探測是借助通斷鍵控（OOK）控制，相干探測是借助二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）控制，兩者的異同點如下：首先，靈敏度和傳輸距離不同。由于直接探測的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度較低，信號收發(fā)靈敏度比較低，而相干探測技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高，信號收發(fā)的靈敏度大大提升，當(dāng)兩者的速率一樣時，后者的靈敏度具有無可比擬的優(yōu)勢。其次，通信速率不同。相干探測的兼容性能更強(qiáng)，不管是高階調(diào)制，還是波分服用技術(shù)，相干探測技術(shù)都能無縫銜接，這也使該技術(shù)的通信速率大大提升。最后，功能損耗不同。相干探測技術(shù)的靈敏度較高，因此其光學(xué)口徑較小，這使得天線以及相關(guān)設(shè)備的質(zhì)量及功能損耗大大減小，這是傳統(tǒng)通信技術(shù)無法比擬的。

總而言之，相干探測技術(shù)與直接探測技術(shù)相比有著無與倫比的優(yōu)勢，在未來有著巨大的發(fā)展空間。

（二）光傳送接口技術(shù)

星間激光通信要在廣闊的地空之間構(gòu)建穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，并妥善處理衛(wèi)星運(yùn)動、遠(yuǎn)距離傳輸、太空噪聲輻射所帶來的負(fù)面影響，這就需要光傳送接口擁有高超的鏈路保護(hù)技術(shù)，當(dāng)下最常用的當(dāng)屬CCSDS鏈路技術(shù)，該技術(shù)能夠增強(qiáng)星間激光通信技術(shù)的魯棒性，通信穩(wěn)定性也得到進(jìn)一步增強(qiáng)。截至目前，光傳送網(wǎng)絡(luò)（OTN）已經(jīng)相當(dāng)成熟，具有抗干擾性能強(qiáng)、高度智能化等特征，因此把OTN技術(shù)融入到星間激光通信協(xié)議中是一個非常不多的選擇。

首先，承載性能好。光傳送網(wǎng)絡(luò)（OTN）能夠?qū)⒖蛻魳I(yè)務(wù)適配到傳輸網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，使得客戶業(yè)務(wù)與剛性管道之間無縫融合[3]。OTN使用直接映射技術(shù)，承載效率能達(dá)到87%以上，對通信數(shù)據(jù)長度不會造成太大的干擾，這使得星間激光通信的抗干擾性能大大提升。傳統(tǒng)的CCSDS協(xié)議的承載效率不夠穩(wěn)定，當(dāng)原始數(shù)據(jù)幀長發(fā)生改變時，其承載效率也會出現(xiàn)明顯變化，發(fā)生通信中斷的概率也會大大提升。其次，抗突發(fā)誤碼性能強(qiáng)。在衛(wèi)星超長距離的信息傳輸中，突發(fā)誤碼事件時有發(fā)生，過去人們都是借助交織編碼算法解決此類問題。其原理是對突發(fā)誤碼實施離散操作，將其轉(zhuǎn)化成隨機(jī)誤碼，最后借助前向糾錯（FEC）編碼技術(shù)抵消隨機(jī)無法。交織深度和離散程度、抗突發(fā)誤碼性能有著明顯的正相關(guān)關(guān)系，交織深度越大，抗突發(fā)誤碼性能就越強(qiáng)。但是在另一方面，該技術(shù)在處理抗突發(fā)誤碼問題時，會產(chǎn)生一定的延遲，因此在抗突發(fā)誤碼性能和時間延遲之間找到一個平衡點就顯得尤為重要。例如當(dāng)交織深度為16時，光傳送接口技術(shù)可以兼顧時間延遲、抗突發(fā)誤碼性能，為星間激光通信提供良好的保障。再次，隔離性能強(qiáng)。OTN協(xié)議定義了低階通道向高階通道的復(fù)用體系，低階通道能夠在帶寬和資源之間形成硬性隔離，這是典型的硬切片網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)。此外OTN切片管道結(jié)束靜態(tài)部署之后，具有時間延遲小、抗抖動能力強(qiáng)的優(yōu)勢特征，因此在星間激光通信中得到了廣泛的應(yīng)用。最后，安全可靠。OTN層加密與客戶類型、協(xié)議、速率之間沒有明顯關(guān)聯(lián)。OTN的服務(wù)目標(biāo)是有效載荷幀，而且能夠保留開銷字節(jié)承載加密認(rèn)證標(biāo)簽。除此之外，OTN層加密技術(shù)對資源的需求比較少，只用添加少數(shù)緩存就能完成，延時非常小，不管是什么樣的加密、解密光通道凈荷單元，都能達(dá)到1μs延遲水平；OTN層加密技術(shù)不用對多類型客戶、數(shù)據(jù)幀長添加冗余開銷，能夠?qū)崿F(xiàn)100%數(shù)據(jù)寫入和讀取；擁有可拓展性和靈活性的典型優(yōu)勢，不僅可以對子速率端口進(jìn)行加密處理，還能對復(fù)用后的通道進(jìn)行加密處理[4]。

總之，光傳送接口技術(shù)能夠與相干、子載波等技術(shù)相融合，而且擁有較強(qiáng)的承載魯棒性能，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)較為完善，可廣泛應(yīng)用于地面光電器件，所以可以使用OTN進(jìn)行衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星光通信，打造一個穩(wěn)定、可靠和智能化的高速光承載網(wǎng)。

三、星間激光通信技術(shù)面臨的困難與挑戰(zhàn)

星間激光通信是超遠(yuǎn)距離、超弱信號之間的數(shù)據(jù)傳輸，在功能實現(xiàn)中面臨著接收功率不穩(wěn)定、地空環(huán)境惡劣、帶寬不足、精準(zhǔn)度差等諸多難題，如何解決這些問題，不僅是通信行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急，也是突破星間激光通信瓶頸的關(guān)鍵所在。

（一）接收功率抖動

衛(wèi)星激光通信接收端和發(fā)送端之間的距離非常遙遠(yuǎn)，衛(wèi)星自身的抖動會導(dǎo)致發(fā)射光束出現(xiàn)抖動，導(dǎo)致激光鏈路的穩(wěn)定性大打折扣，進(jìn)而出現(xiàn)接收功率抖動甚至誤碼的現(xiàn)象。此外衛(wèi)星始終處于高速運(yùn)動中，衛(wèi)星的相對位置也不是一成不變的，星間激光通信對光學(xué)跟瞄系統(tǒng)的精度提出了很高的要求，但是光學(xué)跟瞄系統(tǒng)的精度會受到光學(xué)天線精度、軌道預(yù)測精度以及載荷控制補(bǔ)償精度等多種因素的影響，導(dǎo)致衛(wèi)星激光通信的質(zhì)量不夠穩(wěn)定，很容易出現(xiàn)噪聲干擾和通信中斷等問題。

（二）地空環(huán)境惡劣

星間激光通信運(yùn)行過程中，日月運(yùn)行、天體輻射會帶來一些的負(fù)面影響，而且這些負(fù)面影響是極其不穩(wěn)定的，這使得激光通信受到極大的干擾，因此必須想方設(shè)法提升星間激光通信的抗干擾性能。然而目前的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到這樣的要求，人類在提升星間激光通信技術(shù)的穩(wěn)定性方面還有很長的路要走。

（三）器件帶寬和計算精度不足

衛(wèi)星激光通信過程中，接收端和發(fā)送端需要參考傳輸延時和衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)速度進(jìn)行角度調(diào)整，但是激光器件獲取星歷信息的能力有限，精準(zhǔn)度不達(dá)標(biāo)，使得激光組件對接收端和發(fā)送端的預(yù)測精度十分低下。除此之外，衛(wèi)星自身的低頻振動也會拉低跟瞄系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，再加上功耗與成本、采樣與驅(qū)動電路的帶寬與時延等因素的影響，目前只能克服1KHz的衛(wèi)星振動，這與星間激光通信要求達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)相比還有很大的差距。從整體角度分析，星間激光通信鏈路在運(yùn)行過程中，還面臨著地空環(huán)境惡劣、信息傳遞干擾等因素的影響。所以在以后的發(fā)展過程中，要加大技術(shù)研發(fā)力度，盡快攻克難關(guān)，創(chuàng)新構(gòu)建一個傳輸效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)的星間激光通信網(wǎng)絡(luò)。

四、星間激光通信相關(guān)問題的解決策略

對于日凌、高速運(yùn)動、信號干擾等復(fù)雜的環(huán)境問題，而OTN協(xié)議能夠有效處理這些問題，該技術(shù)一方面能夠提高星間通信鏈路的傳輸能力，另一方面能夠大大增強(qiáng)通信鏈路的抗突發(fā)誤碼性能，使得星間激光通信的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性大大提升。在路由協(xié)議組網(wǎng)技術(shù)的支持下，OTN可以組建一個大范圍、高可靠、效率高的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（一）OTN協(xié)議提供穩(wěn)定可靠的通信管道

OTN協(xié)議的兼容性非常強(qiáng)，功能多種多樣，而且硬管道隔離技術(shù)可以提升星間激光通信鏈路的傳輸速度、可靠性，為大型客戶帶來更穩(wěn)定、更便捷的信息傳輸服務(wù)。從傳送角度分析，OTN能夠兼容多種形式的FEC，滿足不同距離的通信需求；除此之外，OTN還擁有全面的標(biāo)準(zhǔn)體系和演進(jìn)方向，已經(jīng)定義的標(biāo)準(zhǔn)接口速率可支持1.25-800Gbit/s，在衛(wèi)星與地面之間構(gòu)建一個穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)絡(luò)[5]。地面100Gbit/s的OTN應(yīng)用已經(jīng)有了10年歷史，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用從骨干網(wǎng)、地域網(wǎng)延伸到接入網(wǎng)，構(gòu)建了一個覆蓋多種業(yè)務(wù)的通信網(wǎng)絡(luò)。由于100Gbit/s相干和10Gbit/s非相干的靈敏度基本相同，而且100Gbit/s相干可以兼容地面產(chǎn)業(yè)鏈，在降低建設(shè)成本的同時，還能提升星間激光通信性能。因此在以后的發(fā)展過程中，應(yīng)該重點關(guān)注100Gbit/s相關(guān)技術(shù)。

（二）路由組網(wǎng)構(gòu)建穩(wěn)定可靠的傳輸路徑

OTN協(xié)議能夠有效提升信息通信的容錯率，但是在日月運(yùn)行、太空輻射等因素的影響下，通信管道中斷的問題無法徹底杜絕，因此提升通信鏈路的穩(wěn)定性就顯得尤為重要。在地面5G承載網(wǎng)中，SRV6擁有源路由特性、可拓展性、多編程環(huán)境等多種優(yōu)點，極大地滿足了定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的高標(biāo)準(zhǔn)需求，在以后的發(fā)展中有著巨大的潛力，是連接星間激光通信組網(wǎng)的不二之選。

五、星間激光通信的發(fā)展趨勢展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星激光通信的帶寬會越來越大，再經(jīng)過五年的技術(shù)研發(fā)，星間激光通信會與地面網(wǎng)絡(luò)完美融合，人們隨時隨地都能享受高效率、高可靠的星間激光通信，人類社會的通信業(yè)務(wù)也將再上一個臺階。在星間激光通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，空間和地面的承載網(wǎng)應(yīng)該在技術(shù)架構(gòu)、協(xié)議及管控方面形成一個整體。就目前來看，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信技術(shù)還有諸多問題尚未克服。

（一）OTN傳輸速度提升到400Gbit/s

根據(jù)預(yù)測，2030年衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信鏈路的帶寬將達(dá)到100Gbit/s，并向著400Gbit/s的方向推進(jìn)，這使得相干技術(shù)顯得尤為重要。企業(yè)對星間鏈路的帶寬、傳輸速率、穩(wěn)定性要求越來越高，這使得OTN技術(shù)顯得尤為重要，該技術(shù)為星間激光通信提供了堅實的保障。

（二）OTN向著高可靠組網(wǎng)的方向演進(jìn)

OTN擁有靈活性高、穩(wěn)定性強(qiáng)的光業(yè)務(wù)單元（OSU）軟硬管道，還擁有基于段層和鏈路鏈接層的靈活光業(yè)務(wù)單元（OUS）、全連接網(wǎng)絡(luò)和光線路層保護(hù)等。激光鏈路能夠使用多波長復(fù)用組網(wǎng)，利用多個波長實現(xiàn)調(diào)度功能，提升組網(wǎng)容量。

（三）星間激光通信管控平臺向著智能化方向發(fā)展

當(dāng)下人們對智能化水平提出了越來越高的要求，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信也是如此，鑒于各種復(fù)雜的地空環(huán)境、日凌現(xiàn)象以及網(wǎng)絡(luò)管控問題，設(shè)計出智能化程度高的星間激光通信管控平臺就顯得尤為重要?；谥悄芑夹g(shù)的星間激光通信管控平臺將擁有自動優(yōu)化、自動調(diào)配和自動管理的功能作用，在提升星間激光通信質(zhì)量的同時，還能減輕地面工作人員的工作負(fù)擔(dān)。

六、結(jié)束語

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間激光通信技術(shù)擁有可用寬帶大、速率高、功能損耗少及穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)勢特點，成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展熱點，也是未來6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。星間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)包括物理連接技術(shù)、光傳送接口技術(shù)，兩者都有各自的優(yōu)勢和缺點，因此人們應(yīng)該根據(jù)實際需要，選擇合適的通信技術(shù)和組網(wǎng)方法。

但是，星間激光通信技術(shù)也面臨著諸多問題與挑戰(zhàn)，諸如接收功率抖動、地空環(huán)境惡劣、器件帶寬和精度不足等問題，因此在以后的技術(shù)研發(fā)過程中，要著重向OTN傳輸速度提升、高可靠組網(wǎng)及智能化的方向發(fā)展，只有這樣星間激光通信技術(shù)才能得到更好的發(fā)展，人們才能隨時隨地享受高速率、高可靠的星間通信服務(wù)。

參考文獻(xiàn)

[1]欒曉輝，劉吉.基于軌道動量的星間激光通信技術(shù)[J].空間電子技術(shù)，2023，（08）：25.

[2]謝珊珊，梁曉莉.國外衛(wèi)星激光通信技術(shù)發(fā)展分析[J].中國航天，2021，（12）：15.

[3]劉政麟，汪逸群.星間激光通信激光軸指向誤差源分析與補(bǔ)償控制[J].中國激光，2023，（02）：26.

[4]陶坤宇，楊奇.基于IM/DD體制的星間激光通信測距技術(shù)[J].遙測遙控，2022，（07）：15.

[5]孟凡斌，吳剛.一種輕小型、低功耗星間激光通信系統(tǒng)[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2021，（04）：25.