200Gbps!科学家实现迄今为止最快的空地激光通信链路
来自美国国家航空航天局、麻省理工学院和其他机构的一组研究人员实现了迄今为止最快的天地激光通信链路，比去年创下的纪录翻了一番。在每秒200千兆比特的数据速率下，一颗卫星可以在地面站上传输超过2TB的数据，大约相当于1000部高清电影。
美国国家航空航天局太空通信和导航项目的航空航天工程师Jason Mitchell说：“这一影响深远，因为简单地说，更多的数据意味着更多的发现”。
新的通信链路是通过在地球表面上方约530公里的轨道上运行的TeraByte红外发射（TBIRD）系统实现的。TBIRD于去年5月发射到太空，截至去年6月，它在加利福尼亚州的地面接收器实现了高达每秒100千兆比特的下行链路速率。这比大多数城市最快的互联网速度快100倍，比传统上用于与卫星通信的无线电链路快1000多倍。
地球上最快的数据网络通常依赖于光纤激光通信。然而，卫星上还不存在基于激光的高速互联网。相反，太空机构和商业卫星运营商最常使用无线电与太空中的物体进行通信。激光通信可以使用的红外光频率比无线电波高得多，因此可以实现更高的数据速率。
航天工程师、麻省理工学院林肯实验室TBIRD团队的工作人员Kat Riesing说：“目前轨道上的卫星受到其能够下行链路的数据量的限制，随着更多能力的卫星的发射，这一趋势只会增加。由于下行链路速率的限制，即使是国际空间站上的高光谱成像仪HISUI也必须通过货船上的存储驱动器将数据发送回地球。TBIRD是收集地球气候和资源重要数据的任务以及黑洞成像等天体物理学应用的重要推动者。”
麻省理工学院林肯实验室在2014年将TBIRD设想为一种低成本、高速访问航天器数据的方式。它减少开支的一个关键方法是使用最初为地面使用开发的商业现成组件。其中包括为光纤通信开发的高速光学调制解调器和用于保存数据的高速大容量存储，Riesing说。
TBIRD位于美国国家航空航天局的探路者技术演示者3号（PTD-3）卫星上，于2022年5月25日在佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地执行太空探索技术公司的“运输者-5”拼车任务时被送入轨道。PTD-3卫星是一颗大约12公斤重的立方体卫星，大约有两个堆叠的麦片盒大小，其TBIRD有效载荷不大于平均的纸巾盒。Mitchell说：“工业界对小型、低功耗、高数据率光学收发器的追求使我们能够实现即使适用于小型卫星的紧凑外形”。
TBIRD的发展面临着诸多挑战。首先，地面组件并不是为了经受发射到太空和在太空中运行的严酷考验而设计的。例如，在模拟设备在太空中可能面临的极端温度的热测试期间，光信号放大器中的光纤熔化了。
问题是，当按原计划使用时，大气可以通过对流帮助冷却放大器。在真空模拟空间中进行测试时，放大器产生的热量被吸收。为了解决这个问题，研究人员与放大器的供应商合作对其进行了修改，使其通过传导来释放热量。
此外，从太空到地球的激光束可能会因大气影响和天气条件而失真。这会导致波束的功率损失，进而导致数据丢失。
作为补偿，科学家们开发了他们自己的自动重复请求(ARQ)版本，这是一种用于控制通信链路上数据传输错误的协议。在这种安排中，地面终端使用低速率上行链路信号让卫星知道它必须重新传输任何丢失或损坏的数据块或帧。新协议让地面站告诉卫星它正确接收了哪些帧，这样卫星就知道要重传哪些帧，而不是浪费时间发送它不需要的数据。
科学家们面临的另一个挑战源于激光如何形成比无线电传输窄得多的光束。为了成功传输数据，这些光束必须精确对准它们的接收器。这通常是通过将激光器安装在万向架上来实现的。然而，由于TBIRD体积小，它反而操纵携带它的CubeSat 将其指向地面，使用它接收到的任何误差信号来纠正卫星的方向。这种无万向节的策略还有助于进一步缩小TBIRD，使其发射成本更低。
Riesing说，TBIRD的架构可以通过波长分离支持多个信道，从而实现更高的数据速率。她解释说，这就是TBIRD如何在4月28日通过使用两个每秒100吉比特的信道实现每秒200吉比特的下行链路。Riesing指出：“如果该链接旨在支持未来的任务，那么它可以进一步扩展”。
研究小组的下一步是探索在即将进行的任务中将这项技术应用到哪里。“这项技术对于科学任务特别有用，在这些任务中收集大量数据可以带来显着的好处，”Riesing说。“由此实现的一个任务概念是Event Horizon Explorer任务，它将扩展Event Horizon Telescope在以更高分辨率成像黑洞方面的激动人心的工作。”
Riesing说，科学家们还想探索如何将这项技术扩展到不同的场景，例如地球静止轨道。此外，Mitchell说，他们正在寻找将TBIRD的能力推向远至月球的方法，以支持未来在那里的任务。正在考虑的速率在每秒1到5吉比特的范围内。这似乎不是很大的改进，但请记住，月球距离地球大约40万公里，这是一个相当长的距离。
这项新技术还可能用于地面的高速大气数据链路。Riesing说：“例如，从一栋建筑到另一栋建筑，或者穿过不适宜居住的地形，比如从山顶到山顶，铺设光纤系统的成本可能过高”。
6G引领“星”征程 一文读懂“空地一体”技术发展
空地一体通信技术是一种综合运用卫星空间通信、地面无线通信、互联网、计算机等多种通信技术手段，实现高速、高质量、多功能通信网络的技术。它将多种通信技术融合在一起，形成互补、相互协作的新型通信技术体系，构建一个覆盖全球、无处不在、高速智能、安全可靠的通信网络。该网络充分利用不同轨道卫星、无人机、高空平台等空中资源，以及地面蜂窝移动网络、物联网、云计算等技术，实现多层次、多连接、多接入的新型融合架构。
空地一体融合网络将面向偏远地区、荒漠、海洋、低空等陆海空全域立体空间实现“泛在连接”（如图1所示），提供大众手机直连、行业终端直连卫星以及各类应急救援保障等“泛在场景”新服务。
图1 空地一体融合网络服务
这种技术体系的核心在于将地面通信与空中通信进行有机结合，以实现更广泛的覆盖范围和更高效的数据传输。它支持高速移动、大容量、低时延、高可靠性的通信需求，为用户提供优质、高效、智能的通信服务。空地一体通信技术不仅可以为传统的地面通信网络提供备份和增强，还可以在地面通信设施受到损害地面通信网络或无法覆盖的区域（如偏远山区、海洋等）提供可靠的通信服务。
空地一体通信技术具有广泛的应用前景，特别是在公共安全、应急救援、远程教育、智能交通、物联网等领域。它不仅能够提供快速、准确的数据传输和高精度定位，还可以在极端环境下保持稳定运行，为各种应用场景提供可靠、高效的通信服务。
01
空地一体关键技术
空地一体化通信网络关键技术是一个综合性的技术体系，涉及多个关键领域，涵盖了网络融合、高速数据传输、移动性管理、安全防护、智能化管理以及空地协同定位等多个方面，这些技术的研发和应用将推动空地一体化网络的发展，为各行业提供更为便捷、高效和安全的通信服务。空地一体化网络涉及众多技术，以下将重点介绍其中七大关键技术。
一是网络融合技术。空地一体化网络的核心在于实现地面通信网络与空中通信网络的深度融合。这包括网络架构的设计、通信协议的制定以及网络资源的优化配置。网络融合技术旨在确保地面与空中网络的无缝衔接，实现数据的高效传输和共享。空间容延迟网络技术（DTN）和自组织网络技术（Ad Hoc）的应用，使得通信网络能够应对复杂多变的通信环境。
二是高速数据传输技术。空地一体化网络需要支持高速、大容量的数据传输。为此，采用先进的调制编码技术、多址接入技术以及信道优化技术等是必要的。这些技术可以有效提升数据传输的速度和效率，满足高清视频、大数据等高速率业务的需求。
三是移动性管理技术。在空地一体化网络中，通信终端可能频繁地在地面和空中之间切换。因此，移动性管理技术对于确保通信的连续性和稳定性至关重要。这包括位置预测、切换策略、资源预留等方面的技术，以此应对终端移动带来的通信挑战。
四是安全防护技术。空地一体化网络面临着复杂的安全威胁，如信号干扰、数据窃取等。安全防护技术包括加密技术、认证技术、入侵检测与防御技术等，用于保护通信过程的安全性和数据的完整性。这些技术可以有效防止未经授权的访问和数据泄露，确保网络的安全稳定运行。
在空地一体化通信网络中，安全防护技术至关重要。混沌序列扩频测控通信技术、扩/跳结合的测控通信技术以及“空-时”“空-频”自适应处理技术等的应用，为通信网络提供了强大的安全防护能力。
五是智能化管理技术。随着空地一体化网络的规模和复杂性不断增加，智能化管理技术变得尤为重要。这包括网络性能监控、故障预测与恢复、资源动态调度等方面的技术。通过引入人工智能和机器学习等先进技术，可以实现网络的自动化、智能化管理，提高网络运行效率和可靠性。
六是空地协同定位技术。空地一体化网络需要实现高精度的定位服务。空地协同定位技术通过整合地面基站和空中卫星的定位信息，提供更为准确、可靠的定位服务。这对于导航、救援等应用具有重要意义。
激光测控通信技术在空地一体化通信网络中扮演着至关重要的角色，通过与其他技术的结合应用能够实现快速、准确的数据传输和位置定位，从而满足日益增长的通信需求。空地一体化通信网络中的新兴导航定位技术，如脉冲星X射线导航、星上光学导航以及组合导航等，为飞行器提供了自主定位能力。这些技术通过将不同导航源的信息融合，提高了导航精度和可靠性。
七是模块化开放式结构设计技术。模块化开放式结构设计技术的应用使得空地一体化通信网络设备具备即插即用、易于升级和重构的特点。这种技术采用开放式硬件设计、模块化软件设计和标准化接口设计，使得不同厂商的设备能够相互兼容和互操作。这不仅降低了设备成本和维护难度，还提高了通信网络的灵活性和可扩展性。
02
通信运营商在空地一体化方面
的技术研究和应用探索
通信运营商在空地一体化方面的技术研究主要聚焦于“如何整合地面通信网络和空中通信网络，以提供更为广泛、高效和可靠的通信服务”。以下是通信运营商五大关键技术研究方向。
一是空地融合网络技术。研究如何将地面通信网络（如4G、5G以及未来的6G网络）与空中通信网络（如卫星通信、无人机通信等）进行深度融合。这涉及网络架构的设计、通信协议的制定以及网络资源的优化配置等方面，旨在实现空地通信的无缝衔接和高效协同。
二是高速数据传输技术。针对空地通信中可能遇到的传输延迟、带宽限制等问题，研究如何提升数据传输的速度和效率。其中包括采用先进的调制编码技术、多址接入技术以及信道优化技术等，以支持高清视频、大数据等高速率业务的需求。
三是移动性管理技术。在空地一体化通信中，通信终端可能频繁地在地面和空中网络之间切换，因此需要研究有效的移动性管理技术。其中包括位置预测、切换策略、资源预留等方面的技术，以确保通信的连续性和稳定性。
四是安全防护技术。空地一体化通信面临着更为复杂的安全威胁，如信号干扰、数据窃取等。因此，通信运营商需要研究相应的安全防护技术，包括加密技术、认证技术、入侵检测与防御技术等，以确保通信的安全性和数据的保密性。
五是智能网络管理技术。随着空地一体化通信网络的规模和复杂性不断增加，智能网络管理技术变得尤为重要。其中包括网络性能监控、故障预测与恢复、资源动态调度等方面的技术，以实现网络的自动化、智能化管理。
通过深入研究以上关键技术，通信运营商可借此推动空地一体化通信技术的快速发展和应用，为用户提供更加便捷、高效和安全的通信服务。同时，这也将有助于提升通信运营商的市场竞争力，推动整个通信行业的进步。
03
通信运营商在空地一体化
方面的应用探索
中国移动在空地一体化方面的应用探索
中国移动在空地一体化方面的应用探索展现出了其在这一领域的雄厚实力和前瞻性视野。
首先，中国移动致力于推动空地一体化通信技术的研发和应用。通过5G无人飞艇应急系统，中国移动成功搭建了空中和地面控制两大平台，实现了通信保障、环境监测、高清云瞰、应急救援四项应急保障功能。这一系统不仅体现了中国移动在空地一体化通信技术方面的实力，也为应急管理和公共安全提供了新的解决方案。
其次，中国移动积极参与国际标准化工作，推动空地一体化通信技术的标准化进程。通过主导完成固移卫融合确定性网络、定位业务增强、QoS（服务质量）保障等多项标准立项，中国移动在ITU-T（国际电信联盟标准化部门）等国际组织中发挥了重要作用，为我国卫星互联网产业与国际接轨奠定了标准基础。
最后，中国移动还积极探索空地一体化在医疗救援领域的应用。其发布的空地一体化医疗救援体系，融合了5G、物联网、人工智能等技术，实现了患者呼叫“呼入即定位”、急救调度“空地一体化”等四个升级，为患者争取了更多生存机会。这一创新应用不仅提升了医疗救援的效率和质量，也展示了中国移动在空地一体化领域的创新能力。
此外，中国移动还发布了空地一体超级专线，为湖南等地区的数字经济高质量发展提供助力。这一专线通过5G空口、固线双链路接入，实现空地一体联动，保证了业务的“永远在线”和快速开通，满足了“应急快开”诉求。这一产品的推出，进一步拓展了中国移动在空地一体化通信领域的市场应用。
中国联通在空地一体化方面的应用探索
中国联通在空地一体化方面的应用探索体现在多个层面和合作项目中。
首先，中国联通在技术研发和产品创新方面取得了显著成果。中国联通发布了5G RedCap 端网业协同一体化产品、5G-TSN确定性工业网络系列创新产品等一系列空地一体化创新成果。这些产品展示了中国联通在空地一体化方面的技术实力和应用能力，为各行业提供了一站式的5G升级服务。
其次，中国联通积极开展对外合作，与合作伙伴共同推进空地一体化技术的发展。中国联通与华为、银河航天等合作伙伴签署了战略合作协议，共同探索基于空地联合的卫星物联网、卫星车联组网等业务应用，并搭建演示平台以验证空地一体化技术的可行性。
再次，中国联通还关注空地一体化技术在应急通信领域的应用，发布了包括沃星海、沃星陆、沃星空、沃星图在内的四大卫星系列产品，展示了其在“天、地、海”一体化应急通信服务领域的能力。
最后，中国联通在空地一体化技术的持续研究方面也作出了努力。中国联通研究院对空地一体化组网和光传输技术进行了深入研究，成功验证了自由空间光通信的可行性，为未来的融合通信技术提供了新的解决方案。
04
空地一体通信产业化发展
空地一体产业化发展是一个涉及多个领域和多项技术的复杂过程，它涵盖了从技术研发、设备制造、网络建设、运营服务到应用推广等多个环节。空地一体通信产业化发展包含以下五个关键方面。
一是技术研发与突破。空地一体通信技术的发展离不开持续的技术创新和突破，其中对包括在激光测控通信、新兴导航定位、网络、安全防护等技术的深入研究和开发。通过不断的技术创新，提高空地一体通信网络的传输速度、覆盖范围、安全性和可靠性，满足各种应用场景的需求。
二是设备制造与产业链完善。随着空地一体通信技术的成熟，相关设备制造的产业链也将不断完善，其中包括通信设备、卫星制造、发射服务、地面设备等多个环节。通过推动产业链的协同发展，形成完整的空地一体通信设备制造和供应链体系，降低设备成本，提高生产效率。
三是网络建设与优化。空地一体通信产业化发展的关键在于网络的建设和优化，包括卫星网络的布局和优化、地面通信网络的升级和融合等方面。通过合理的网络规划和布局，实现空地一体通信网络的全球覆盖和高效运行。同时，通过优化网络结构和算法，提高网络的传输效率和稳定性。
四是运营服务与市场拓展。空地一体通信网络的运营服务是产业化发展的重要环节。通过提供专业的运营服务（包括网络维护、数据处理、用户管理等），确保网络的稳定运行和用户体验。同时，积极开拓市场空间，推动空地一体通信技术在公共安全、应急救援、远程教育、智能交通等领域的应用，培育新的增长点。
五是政策支持与产业协同。空地一体通信产业化发展需要政府政策的支持和产业协同的发展。政府可以出台相关政策，鼓励技术创新和产业发展，并提供资金支持、税收优惠等扶持措施。同时，加强产业协同和合作，推动产业链上下游企业的紧密合作，共同推动空地一体通信产业化发展。
05
空地一体未来发展规划
空地一体未来发展规划是一个综合性的战略体系，需要政府、企业和社会各方的共同努力和协作。通过技术创新、网络优化、市场拓展以及产业协同等方面的持续推动，空地一体通信将迎来更加丰富的应用场景和更加广阔的发展前景。以下是关于空地一体通信技术方面的具体发展规划以及建议。
关键技术具体研发规划
深化对激光测控通信技术的研究，提升数据传输速度和精度，特别是在复杂环境下的通信稳定性；推动新兴导航定位技术的发展，如星上光学导航，以提高空地通信网络的定位精度和自主性；加强网络技术的研发，包括空间容延迟网络技术和自组织网络技术，以优化网络结构和提升通信效率；投入更多资源于安全防护技术的研发，包括混沌序列扩频测控通信技术和新型加密认证技术，以确保通信过程的安全性和数据的完整性。
网络基础设施发展规划
构建并完善空地一体通信网络的卫星系统，包括低轨卫星、中轨卫星和高轨卫星，实现全球范围内的无缝覆盖；加强地面通信网络的升级和融合，包括5G、6G等新一代移动通信技术的部署和应用，提升地面通信网络的容量和速度；优化网络拓扑结构，提升网络传输效率和稳定性，降低通信延迟，确保高质量的服务体验。
市场拓展与应用推广规划
深入挖掘公共安全、应急救援、远程教育、智能交通等领域对空地一体通信技术的需求，推动相关应用的研发和推广；加强与产业链上下游企业的合作，共同推动空地一体通信技术在物联网、工业互联网等领域的融合应用；拓展国际市场，参与国际竞争与合作，推动空地一体通信技术的全球化发展。
标准化与法规建设规划
大力推动空地一体通信技术的标准化工作，制定并完善相关标准和规范，促进技术的互通性和互操作性；加强与政府部门和监管机构的沟通与合作，制定有利于空地一体通信技术发展的政策和法规，为产业的健康发展提供有力保障。
人才培养与队伍建设规划
加强空地一体通信技术领域的人才培养，包括高层次人才、创新型人才和技能型人才的引进和培育；构建“产学研用”紧密结合的创新体系，推动高校、科研机构和企业之间的深度合作，共同培养具备创新能力和实践经验的空地一体通信技术人才。
展望未来，空地一体化通信具有广阔的发展前景和巨大的应用潜力，将朝着更高速度、更大容量、更广覆盖的方向发展，为人类社会带来更多的便利和福祉。随着新一代卫星系统的部署和地面通信网络的升级，空地一体化网络将实现全球无缝覆盖，为各类用户提供更加便捷、高效的通信服务。同时，随着人工智能、大数据等技术的不断发展，空地一体化通信技术也将与这些先进技术相结合，实现更加智能化、自动化的通信管理和服务。
*本文刊载于《通信世界》总第942期 2024年4月25日 第8期原文标题：《空地一体技术和产业探讨》 END 作者：中国移动通信集团设计院有限公司刁兆坤 宿金峰 梁道龙 黄广荣责编/版式：王禹蓉审校：王 涛 梅雅鑫
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