太空中也能刷短视频？激光通信的“光语言”揭秘

01

保持通信，在千万公里外

在人类真正踏上火星前，除了制造更大的火箭、研究怎么在陌生星球生存外，我们还要解决一个重要问题：如何保持与地球的通信？深空通信项目的价值正在于此。

广义上讲，月球轨道及以外的宇宙空间都是深空，当探测器深入千万乃至上亿公里外的宇宙时，与地球的时空纽带就会成为其顺利完成探测任务的关键保障。

如今，随着遥感技术发展，发射到深空的探测器往往会配备高光谱成像仪、合成孔径雷达等高分辨率图像采集设备，会采集到各种复杂的科学信息、高清图像；常见的机器人或载人探测任务也会产生许多语音、视频、宇航员健康监测数据等。传统以微波为主的通信手段已经很难满足信息传输的通信速率要求，以激光为载波的深空光通信系统走到聚光灯下。

2023年年末，NASA公开了一段15秒的“萌宠”视频，视频里的橘猫Taters正在追逐着一个移动激光光点。这段在抖音上或许平平无奇的视频，却标志着一个历史性的里程碑——这是人类首次利用激光，成功地将一段超高清视频由“灵神星”号（Psyche）探测器从约3100万公里（大概是地月距离的80倍）外的深空发送到地球。

此外，这段视频还包含了几个重要技术参数，比如“灵神星”号的轨道路径、帕洛玛天文台海尔望远镜的穹顶，以及有关激光及其数据比特率的技术信息。还有Taters的心率、颜色和品种等数据，也实时展示在上面，直接对标人类宇航员。

“灵神星”号深空传回的视频，包含诸多数据

更重要的是，通过NASA给出的数据，这段视频通过“飞行激光收发器”（ flight laser transceiver）发出后，视频信息编码为近红外激光束，以每秒267兆比特（Mbps）的系统最大比特率发送到美国加州大学的帕洛玛天文台，仅仅用了101秒。

这比研究人员在天文台，通过移动互联网发送同一视频到加州南部的实验室还要快。这意味着借助激光通信，未来有一天，当人类真的登上距离地球2.25亿公里的火星后，激光通信技术也能满足我们传输复杂信息以及高清图像、视频的需要。

02

激光通信的“光语言”解码

激光通信和我们曾解读过的量子通信有“异曲同工”之妙——它们都属于光通信范畴下的技术路线，但细究起来，两者其实是毫不相干的两码事。

量子通信是利用光量子的偏振态特性发出真正随机生成的二进制密钥，同时利用光量子不可逆的特性秘密传输信息，重点在于其安全性。

而激光通信就是利用激光光束本身传递信息，重点在于“量大、速度快”。

NASA这次完成的深空激光通信原理其实很简单，数据信号先是转换为串行二进制，再被转换为光信号，并通过激光器以高能量的激光光束的形态射出；然后，激光光束再通过真空传播，最终到达接收器；接收器接收到激光光束后，要将光信号转换回电信号，才能恢复出原始的数据信息。

地面接收设备模拟

与传统的无线电波通信技术相比，激光通信系统所用的红外光是一种频率比较高的波，能比普通微波频率高3到4个数量级。根据无线电通用的“经验公式”，频率越高也就意味着频宽（带宽）越大——其实就是因为高频段的频谱资源空白较多，低频段频谱资源都已经拥挤不堪，高频段自然频宽更大。

业内人士表示，如今星间激光通信还无需申请频率许可，而传统的无线电波频段是战略资源，目前国际电联严格管控星载微波频段，很难再申请到大容量数据带宽。

打个比方，频宽可以理解为水管，通常我们说网络传输速度快的意思其实是，单位时间内数据的吞吐量越大表示越快。频宽越宽代表水管越粗，在同等流速情况下，水管越粗的在单位时间内流出的水量也就越大，这样就能理解为什么频宽越大，传输速率越快、内容“载重”越大了吧。

激光通信就如同弹簧“压缩”一般，压入大量数据，并且其从深空传输数据的速度能比目前使用的最先进无线电通信技术快10至100倍。通过激光通信下载一部高清电影只需几秒钟，而传统无线电通信可能需要几小时，这就好比从拨号上网一下跳升到了光纤上网。

03

挑战“不掉线”

按照激光通信的过程，光是“打包压缩”信息、再以红外光波的形式送出去还不够，要保证信息原封不动的传递到地球，激光光束还需要经过精确的定向、聚焦和接收处理。

中国科学院微小卫星创新研究院研究员李锐解释，由于激光方向性强，需要通过高精度对准平台实现天地收发端精确对准，才能传输信号，也就要求高精度光学对准技术发展。

方向性好且能量集中，一方面是优势——地面接收望远镜口径可以做得小一点，摆脱了无线电波通信系统巨大的碟形天线设备，探测器端也可以做的体积更小、重量更轻。经济效益上看，也能让激光通信相关系统、设备的建造和维护费用相对低廉。

但从另一方面来看，这些特点就变成了挑战。我们可以把激光发射器想象成一盏高瓦数但不发散的射灯，深空到地球传信意味着要准确地在千万公里外，穿进一枚铜币的中心，而这枚铜币和射灯本身都在运行中且不同步。

在尝试深空激光通信前，NASA曾利用激光光束把一段高清视频从距地面400公里国际空间站传送回地面，那一次主要的挑战就是如何“极度精确地”锁定位于美国加州一个小镇的地面站。NASA当时的项目负责人曾表示，这一任务就像要求“在10米开外，于行走中始终用激光指针瞄准某根头发的末梢”。

此外，从深空到地面，激光通信还要求发射方和接收方之间应没有遮挡，也就是满足“通视”这一激光通信的首要条件。

激光通信首先要避免光束与太阳在一条直线上，因为太阳辐射能量分布在从伽马射线、X射线、紫外线、可见光、红外线到无线电波的整个电磁波谱区内；其次，还要考虑大气内的气象因素，也就是地球大气层和云雾的影响，云层很有可能会导致通信质量下降甚至无法通信。

不过这些难题“灵神星”号都有所准备。比如为了提升通信的可靠性和稳定性，“灵神星”号采用了高效编码技术，通过对数据进行优化编码以及前向纠错编码等技术，在有限的带宽内实现更高数据传输速率的同时，降低了误码率，也就是避开宇宙射线、尘埃等物质，进一步提高数据传输的准确性。

不过，深空激光通信技术还不算尽善尽美，要想在复杂的深空环境中保持稳定的通信联系还需要高效半导体激光器、低噪声高灵敏度单光子探测等技术不断研发迭代。2016年时NASA曾预计，光通信技术将在2025年真正应用于深空探测任务中，并逐渐开始占据主导地位，高速、高通量的天地一体化通信网络或许近在眼前。

日本推新一代光通信标准，能走多远

近日，有日媒报道称，为应对新一代通信标准“6G”的普及，日本总务省最早将于2024年夏季公开募集相关企业，建立使用光的高速通信相关标准。目标是在2028年时制定出规则，以便各领域的企业和团体积极采用光通信技术，在这一领域建立起国际标准。需要明确的是，一般意义上的“6G”标准，指第六代移动通信技术，即以移动通信为核心的系列通信标准。此“6G”非彼“6G”，日本总务省的目标并不是建立移动通信标准，而是要大力推动IOWN（Innovative Optical & Wireless Network）。这是一种为应对6G时代，面向未来的基础传输网络，重点是提升基础的固定网络传输能力，完善大规模的数据传输。整体来看，它其实是下一代网络的组成部分之一。而随着大容量信息通信的要求不断上升，它也将是未来信息传输的核心技术问题。IOWN概念提出于2019年，目标是通过全光子网络构建一个高效率的固网，让功耗降低100倍，传输容量提升125倍，端到端延迟降低200倍。这种用更高速度固网作为移动通信网络的传输构想，需要在光交换技术和光路由设备上取得较大突破，特种光纤技术、光路由技术等方面也需要进行新的定义，更需要海量的设备支持，将为光器件技术带来进一步发展。从技术方向上看，IOWN是没有问题的；而日本希望在这个领域有所作为，甚至主导国际标准也可以理解。但是，日本能否成为标准的主导者还有待观察。今天，主导世界通信标准的主要有三大力量：市场、研发能力和部署能力。首先，较大市场在通信标准制定中将拥有更多话语权，一个国家实力强大的电信运营商往往可以影响该国的通信标准走向。对IOWN来说，日本第一大电信运营商NTT扮演了重要角色。在它的推动下，微软、丰田、爱立信等31家跨国企业参与到其合作框架之中。然而这样一个联盟，却并没有得到世界第一大通信市场中国的支持。在没有一家中国的电信运营商和设备制造商加入该联盟的情况下，仅靠人口1亿出头、网民约9000万的日本自身，很难有足够大的市场空间来摊薄成本，市场效果有限。而要制定一个通行世界的通信标准，更是底气不足。其次，要推进IOWN，研发能力是基础性问题。作为电信运营商，NTT自身恐怕并没有足够的科研能力独立研发相关设备和器件，日本本土的通信设备制造能力也已衰落，不具备这一领域成套尖端设备的研发能力。虽然目前IOWN联盟已招揽到几十家企业，但微软、戴尔、丰田这类公司在通信设备领域的技术积累有限，只有诺基亚、爱立信实力较强。而缺少华为、中兴、中信科这些技术成熟的企业加入，对IOWN的研发能力是不小的损失。最后，网络的部署能力也是新一代通信技术普及不可缺少的能力。组建高性能网络，不只需要技术攻关，唯有让基站、电网等网络基建设施铺开，才能实现尽可能多的用户覆盖与良好的使用体验，这需要政府协调能力、工程能力等方面形成集成。截至2023年底，我国累计建成5G基站337.7万个，占全球5G 基站总数的60%以上。这些基础能力将直接影响IOWN能否形成有效覆盖，并最终决定IOWN是否足以成为下一代固定网络的标准。对于下一代网络，我国也早有部署。早在2019年科技部就会同国家发改委、工信部等部门举行会议，宣布成立国家6G技术研发推进工作组和总体专家组，正式启动相关研发工作。几年来，通过在太赫兹通信、大规模MIMO等关键技术领域不断深耕，同时与欧洲方面积极合作，专家预计，在2030年6G将推进到规模商用阶段。日本政府此次通过政企合作，希望在下一代通信网络发展中有所作为，是对未来的探索，也是人类技术发展迈出的勇敢一步。但是背后的种种考量，把中国企业排除在外，寄希望于依靠小集团的力量，形成相对封闭的标准，实在是给自己出了一道大难题。通信技术发展如今已走到深水区，早已过了抢占话语权和定义权的阶段，最终决定发展前景与高度的，是真正的实力和开放共赢的精神。这既需要庞大的市场作为保障，也需要完备的产业链和强大的研发能力支撑，还需要完善的统筹与建设能力来构建整个生态。脱离市场和环境实际，盲目地追求领先一步，结果可能只会“欲速则不达”。（作者是中关村信息消费联盟理事长）▲

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