MIT利用太空激光通信系统打造更快、更精确的水下通信系统

据外媒报道，深空探测和水下探测有什么共同点呢？--实际上相当多。于2013年投入使用的月球激光通信演示(LLCD)系统现在在经过MIT的林肯实验室的改造后能够进入水下研究领域。海洋是地球上最后的伟大疆域之一，然而在许多方面人们甚至还停留在非常浅显的研究阶段。

通信就是其中一个例子，与潜水器和无人潜水器保持通信意味着要么使用绳索、要么使用机械设备、要么使用短程光学系统。然而问题是水会对电磁通信造成使用局限。比如潜水艇只有在浮到水面并升起无线电天线或拖着一长串传感器阵列之后才能接受极低频的无线电信号，而这些信号的传输速率非常低。

某些方面，在水下建立一套可靠的高速数据链路类似于在数亿英里的距离内通过深空探测器进行高速通信。于是林肯实验室的科学家们想到了开发一套适用于水下的窄束激光系统。

MIT指出，在水下，激光通信算不上完美，因为即便是最清澈的水也会吸收和散射激光。再加上其他浮游生物和悬浮碎片，问题就变得更加严重了。目前的光学与激光通信系统能够利用广角波束来管理链路，但只能在短范围内进行并且数据交换律也很小。而科研人员需要的是一种能够比现有一系统高出一万倍的速度连接两台设备的装置，它必须是一个不依赖GPS来确定接收器位置的系统。

研究小组成员Thomas Howe表示，潜水器依靠大型、昂贵的惯性导航系统来计算位置，然而位置计算对噪音很敏感，当一潜水器在水下停留很长一段时间那么它可能会很快形成数百米的误差。

而MIT的系统依靠的则是扫描，其利用狭窄的光束寻找并获取水下目标。一旦获得目标之后，系统就会锁定，然后两个潜水器之间可以以很高的精准度进行定位、追踪和收发。

目前，这套系统已经在马萨诸塞州列克星敦市的波士顿体育俱乐部游泳池的可控和良性环境下使用。在那里，两个潜水器能够在一秒不到的时间内定位并锁定在一起，其中产生的链接可以处理数百千兆字节。

MIT称，他们接下来将要向美国海军展示这套系统的潜力并在水面舰船和水下目标之间展开连接测试。他们希望未来某一天能用上这种集成蓝绿色光电技术、氮化镓激光阵列和硅盖格尔雪崩光电二极管阵列技术并最终在清澈的海水中实现每秒兆位到千兆位的传输速度和数百米的运行距离。

人类通信的新征程 - 激光通信

人类对无线通信的探索经历了长波、中波、短波、V/UHF等多个阶段。如今，无线蜂窝网络的主流频段已经稳定在700兆赫兹到2500兆赫兹之间，密集高速率的5G覆盖则开始使用300G的毫米波技术。但无线射频的频率并不能无限制提高下去。如今的频谱利用基本已经走到了尽头，从毫米波再往上走是太赫兹信号。当穿过大气层时，太赫兹辐射会被大气气体（特别是水蒸气）大量吸收。这将空气中太赫兹辐射的范围限制在数十米，不适合长距离通信。

那么人类的通信能力真的被无线射频的瓶颈锁死了吗？不是的，无线射频信号的有限性迫使人类寻求更先进的技术，那就是激光通信技术。特别是近红外激光，受大气吸收的影响较小，可以用于更长距离的自由空间通信。随着2023年龙飞船ILLUMA-T的成功发射与装载，这项伟大的试验已经开始进行了，激光通信可能成为改变游戏规则的未来通信方式。

技术优势

激光的波长远远小于电波，有助于减小大气吸收和散射的影响，使其更适用于大气条件较为复杂的环境。紫外光激光： 波长在10纳米到400纳米之间。紫外光激光可分为近紫外（NUV，例如355纳米）和远紫外（DUV，例如193纳米）。可见光激光： 波长在400纳米（紫外/蓝紫）到700纳米（红）之间。典型的颜色包括蓝光（例如450纳米）、绿光（例如532纳米）、红光（例如650纳米）等。红外激光： 波长在700纳米到1毫米之间。这包括近红外（NIR）、中红外（MIR）和远红外（FIR）激光。常见的通信系统电波波长 - 毫米波：10毫米-1毫米， 800Mhz 40毫米，2GHz：15毫米更高的带宽和数据速率：激光波长是电波波长的百分之一到万分之一。不考虑衰减，当前已经实现的激光承载的带宽是射频系统的百倍以上。随着激光技术的发展，与射频相比，传输带宽可能达到射频系统的万倍。稳定抗干扰在太空介质中充分使用激光通信，消除了大气层的影响，可以获得稳定而高效的传输。太空对地面的服务中使用激光通信可以采用波束赋形技术，红外激光波束非常集中，可以更精确地穿越大气层，减轻湍流引起的扰动, 提高信号传输效率。在一些需要在大气中长距离传输并受到湍流和湿度等影响的场景中，激光在大气中传播时更不容易受到大气吸收和散射的影响，从而减小了信号的衰减，激光通信可能具有相对更好的性能。使用高级的调制和编码技术可以进一步提高传输速率。这包括使用更高阶的调制方案和更有效的前向纠错编码。天然获得的低延迟网络全光交换机可以以非常高的速度运行，从而实现快速、高效、低延迟的数据传输。这对于需要实时数据处理和低响应时间的应用程序来说特别有利。全光开关通常具有较低的插入损耗，从而可以高效传输光信号，而不会出现明显的信号衰减。通过透明的全光开关核心传输原始输入光信号，而不将其转换为电格式。全光交换机的透明特性使其与协议、格式和数据速率无关。这对于维持信号质量并最大限度地减少长途光通信网络中信号再生的需求具有重要意义。成本比较：由射频通信所需的基础设施（包括大型天线和复杂的信号处理设备）,地面站组网规模和发射机功率、频谱License以及干扰控制等决定，目前的地面电波通信网络通常会产生巨大的成本。激光通信系统虽然提供更高的数据速率和带宽，但可能需要在技术开发以及光学地面站和空间终端的部署方面进行初始投资。然而，一旦建立，激光通信系统可以在降低功耗、更小、更轻的终端以及更高的数据传输效率方面提供成本优势。由于波束集中的特点，激光通信的发射与接收设备更便宜，功率要求更小。RF射频技术迭代已经进入瓶颈期。而激光的束形，调制，编码技术才刚刚兴起。随着激光通信技术的不断进步，它有更大空间实现经济高效的解决方案。

工程进展

1- 空对地 - 200Gbps

2023年4 月 28 日，NASA 及其合作伙伴实现了未来太空通信的一个重要里程碑——在轨道卫星与地球之间的空对地光链路上实现了每秒 200 吉比特 (Gbps) 的吞吐量，这是有史以来通过光通信技术达到的最高数据速率。

MIT林肯实验室的激光通信终端TBIRD，只有一个纸巾盒大小。他被科学家安装在太阳同步轨道的卫星PTD-3上，六分钟内向地球地面站戈达德航天中心的地面站发送7 TB 的测试数据。1 TB 相当于大约 500 小时的高清视频。PTD-3距离地面450公里。这是人类有史以来在超长距离无线通信的最高速率的实现。

2- 端到端（地-空-地） 1Gbps

麻省理工林肯实验室与NASA合作用激光通信 ILLUMA-T替换国际空间站 (ISS) 上现有的无线电通信系统。

在NASA的空间通信和导航部门（SCaN）的协调管理下，ILLUMA-T正在与该机构的LCRD（激光通信中继）合作，完成NASA的首个双向端到端激光通信中继。LCRD于2021年12月发射。LCRD的实验包括研究大气对激光信号的影响，确认LCRD能够与多用户并行工作，测试延迟/中断容忍网络（DTN）在激光链路上的能力，并研究改进导航能力。

激光通信中继演示（LCRD）已经于2021年12月发射。LCRD和ILLUMA-T将共同完成NASA的首个双向端到端激光通信系统

MIT实验室的ILLUMA-T载荷交付给SpaceX的龙船。该载荷整合到龙船的尾部，于2023年11月9日的发射成功，正在与国际空间站集成。

ILLUMA-T的光学模块由望远镜和双轴万向节组成，可用于指向和跟踪地球同步轨道上的LCRD。其光学模块的大小与微波炉相当，有效载荷本身与标准冰箱接近。ILLUMA-T将数据从空间站传输到LCRD，然后LCRD将数据发送到加利福尼亚或夏威夷的光地面站。一旦数据到达这些地面站，它将被发送到位于新墨西哥州拉斯克鲁塞斯的NASA白沙复合体的LCRD任务操作中心。之后，数据将被发送到位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德航天中心的ILLUMA-T地面操作团队。在那里，工程师们将确定通过这种端到端中继过程发送的数据是否准确且高质量。

与 ILLUMA-T 等光通信系统相比，太空探索中常用的传统射频通信系统通常以较低的数据速率运行。例如，美国宇航局的太空通信和导航（SCaN）计划主要依靠无线电波进行通信，但该机构也在开发利用红外激光进行通信的方法，这将为任务提供比以往更高的数据速率。过去使用 Ka 频段，星际任务实现的最高带宽约为 4.0 Mbps。（这是火星勘测轨道飞行器 (MRO) 的传输速率）。而使用S波段实现的太空传输最高带宽则只有480K。作为一个比较，ILLUMA-T的传输速率为1.2 Gbps，可以在不到一分钟的时间内传输相当于一部普通电影的数据量。

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