激光牵手卫星打通信息高速公路，通信速率提升一个数量级

北京日报客户端 | 记者 刘苏雅

一束激光从地面射向太空，与飞翔的卫星精准“牵手”，搭建起一条联通天地的信息高速公路。近日，中国科学院空天信息创新研究院利用自主研制的500毫米口径激光通信地面系统，与吉林一号MF02A04星开展了星地激光通信实验，通信速率达到10吉比特每秒（Gbps），获取的卫星载荷数据质量良好，可满足高标准业务化应用需求。这标志着

当前，星地通信主要采用微波技术，但微波频段资源有限。常用的X频段仅有375兆赫兹，近年开始应用的Ka频段也只有1.5吉赫兹，难以满足星地海量数据的传输需求，而激光频谱资源极其丰富，带宽可达数百吉赫兹。

“如果说X频段是单车道，Ka频段可达四车道，激光则能容纳成百甚至上千条车道。利用激光通信，每秒可传输1部高清电影，速率比现有的微波通信高1至2个量级，最高可达近千倍 。”空天院激光地面系统技术负责人、高级工程师李亚林介绍。

同时，由于激光的发散角很小，能量高度集中，地面系统接收到的功率密度高，卫星就能“轻装上阵”，以远小于微波通信载荷的体积、重量和功耗，实现超高速率的通信。激光拥有更强的抗电磁干扰能力，用它作为数据的载体，还能显著提高星地通信的安全性。

要在天地间搭建起激光通信的高速公路，空天院联合中国科学院光电所、北京融为科技有限公司，先后突破了大气信道预测及任务规划调度、激光信号的快速捕获建链和自适应光学校正、复杂大气条件下的无误码传输等一系列关键技术。在本次星地激光通信实验中，科研人员成功实现了激光信号双向捕获、稳定建链，通信数据能实时解析、误码重传、断点续传，实现了在非稳态信道下的星地激光高速、高可靠通信。

中国科学院院士、空天院院长吴一戎表示，目前我国遥感卫星探测获取的海量数据无法及时落地，严重影响了卫星应用效能发挥。他建议，在充分利用现有微波地面站的基础上，积极布局国家卫星激光通信地面站网，解决我国星地通信瓶颈，为经济社会高质量发展和社会公共需求提供更好的技术支撑和服务。

激光通信：连接世界的光速桥梁

激光通信的产生可追溯到20世纪中叶，自激光问世后，其凭借单色性、方向性好和亮度高等优势，被人们应用在科学、医学、工业等领域。而后，随着信息社会的到来，通信需求急剧增长。传统的电磁波通信技术在数据传输速率和带宽方面逐渐受到限制，因此人们开始寻求新的通信技术来满足这一增长的需求。光纤通信因其具备大带宽、低损耗等优点，可大大提高信息传输的速率和距离，在众多通信方式中脱颖而出。在这种背景下，光纤通信技术在20世纪70年代末至80年代初得到了快速发展，并为激光通信提供了重要的技术支持和应用基础。

激光通信是指利用激光光束作为信息传输载体的通信技术。除了光纤通信领域，由于激光通信一般具有高速、大容量、低延迟等优点，适用于长距离、高带宽需求的通信场景，因此也被人们广泛应用于空间通信、卫星通信等领域，为信息传输提供了更快、更可靠的解决方案。

接下来，请随激光评论一起进入激光通信的世界。

图1 激光通信的应用举例

光纤通信技术

光纤通信是激光通信的一种形式。在光纤通信中，激光光源产生的光通过光纤传输信息。光纤作为一种传输介质，能够有效地传输激光中的信息信号，实现高速、远距离的通信。光纤通信技术是现代通信网络框架的重要组成部分，当代互联网世界的蓬勃发展离不开光纤通信技术的在其中起到的中流砥柱作用。光纤通信技术一般由三大要素组成：光源、光纤、光电探测器。光纤通信技术当中一般采用激光器作为光源，既能减少信号在传输过程中的损耗，又能保持信号的一致性与稳定性[1]。光纤通信中信息的高速传输同样与光纤紧密相关，诺贝尔物理学奖得主高锟博士指出，玻璃光纤能够满足激光通信中对于波导的需求。此外，玻璃光纤在传输过程中的瑞利散射损耗非常低，而光纤中能量的损耗往往来源于材料中杂质对光的吸收,因此，对光纤中的材料进行提纯是减小通信损耗，保持良好通信性能的关键[2]。

图2 导线中的光纤

自20世纪90年代以来，信息时代的浪潮席卷全球，人们对于互联网流量的需求度与日俱增，随之而来的是对光纤通信容量增长的需要。光纤通信容量的增长可通过多种技术手段来实现。首先是波分复用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技术，它允许在同一根光纤上同时传输多个不同波长的光信号，每个波长可以承载独立的数据流，从而提高了光纤通信系统的传输容量。其次是高速调制和解调技术，通过提高单个光信号的调制速率，使其能够携带更多的数据，进而增加了单个波长上的数据传输速率。另外，相干调制技术可以提高光信号的传输效率和抗干扰能力，从而进一步提高了光纤通信系统的容量。

图3 波分复用示意图

在现代社会中，光纤通信被广泛运用在各个领域，包括但不限于互联网、电信、广播电视、军事、医疗等。光纤通信是支撑互联网和电信网络的关键技术之一。根据国际电信联盟（ITU）的数据，截至2021年底，全球光纤通信网络的总长度已经超过数百万公里。大多数互联网骨干网络和电信运营商的主干网络都采用了光纤传输技术。例如，中国的“宽带中国”计划中，光纤网络建设是其中重要的一部分。此外，随着高清、4K、8K视频的普及，对于宽带和高速数据传输的需求越来越高。光纤通信技术能够提供足够的带宽和稳定的传输速率，诸多有线电视运营商都逐渐将同轴电缆网络升级成光纤网络。

光纤通信技术的发展面临着日益增长的带宽需求挑战。随着数据量的不断增加，尤其是人工智能、虚拟现实、元宇宙等应用的普及，对通信带宽的需求不断提升，光纤通信技术需要不断提高其传输速率和容量，以满足日益增长的数据传输需求。此外，成本和资源消耗也是光纤通信技术继续发展的一类难题。光纤通信系统的建设和维护成本较高，需要光纤材料、光学器件、设备和人力资源等方面的投入，除此之外，光纤通信系统的建设还需要大量的基础设施和资源支持，包括地面站、光纤网络等设施的搭建。

光纤通信网络历经长久的发展，已然成为信息时代的重要基石，也形成了一个规模巨大的学科与产业领域。随着人们对信息传递需求的不断增加，光纤通信技术必将朝着超大容量、智能化、集成化方向演化发展，继续为服务社会，造福人民发挥力量。

空间激光通信

空间激光通信技术是一种利用激光光束在太空或大气中进行数据传输的通信技术。它利用激光的高方向性和高频率特性，并结合了无线电通信和光纤通信的优点，通过激光光束进行通信，以实现高速、大容量、长距离的数据传输。空间激光通信技术通常应用于卫星通信、航天器之间的通信以及地球与空间站之间的通信等场景。相比传统的无线电通信技术，空间激光通信具有更高的传输速率、更低的延迟和更高的安全性，在军用领域与民用领域都展现出了重大优势[3-4]。

该技术可作为应急通信解决方案，适用于抗震救灾、突发事件、反恐、公安侦查等领域。具体来说，该技术能够为多种兵种的联合攻防提供军事保密信息服务，在局部战争、战地组网和信息对抗等方面具有显著优势。此外，由于其高带宽、快速传输和低成本等特点，空间激光通信技术被视为解决信息传输“最后一公里”和第五代移动通信技术（5G）小微基站传输的最佳选择[5]。

图4 空间激光通信链路分类

在空间激光通信中，捕获跟踪技术是关键技术之一，用于确保激光光束能够准确地指向通信终端，以实现高效的数据传输。该技术包括捕获和跟踪两个方面。捕获技术是在通信建立之前，需要将激光光束精确地对准接收终端，这个过程需要通过精密的控制系统来实现。跟踪技术则是在通信过程中持续追踪和调整激光光束的方向，以适应通信终端的运动和位置变化，需要利用反馈控制系统和光学设备来实现精确调整。在空间激光通信中，通常借助光源的小发散角波束提供高功率增益，这使得捕获跟踪技术面临更高的要求：更快速、高概率、大范围的捕获和更稳定的高带宽、高精度的跟踪。光束捕获采用激光瞄准技术和粗/精跟踪相互独立的运行机制，粗跟踪是利用大视场相机和伺服转台进行调节，而精跟踪则采用高帧频相机和快速振镜的闭环系统进行控制，两者相互配合以抑制光束运动和抖动引起的扰动。随着激光技术的进步，新技术如激光光束智能变换、激光相控阵的发展成熟，使空间激光通信技术的捕获、瞄准、跟踪系统发生改变，提高了跟瞄精度、速度和可靠性。同时，小型高效率激光器的出现推动了跟瞄系统向小型化、轻型化和集成化的发展。我国的空间激光通信技术虽起步较晚，但成果也十分显著，在该技术的多种链路中成功开展了大量实验，如星地链路、星间链路、星空链路、空空链路、空地链路等。

大气干扰是空间激光通信技术发展的主要挑战之一。大气中的云、雨、雾等天气条件会对激光光束造成散射和吸收，影响通信的稳定性和可靠性。相比传统的无线通信技术，空间激光通信技术还需要更多的设备和资源投入，包括激光器、光学设备、跟踪系统等，成本较高。如何降低空间激光通信系统的建设和运营成本，提高其成本效益，是值得思考的问题。其次，激光通信系统需要具备精确的光束捕获和跟踪能力，以确保激光光束能够准确地指向通信终端，因此，捕获跟踪技术的迭代更新显得尤为重要。

卫星激光通信技术

卫星激光通信和空间激光通信密切相关，两者都是利用激光技术进行数据传输的重要应用领域。卫星激光通信是指利用卫星作为中继站，通过激光光束在地球上不同地点之间传输数据的通信方式。随着人类对外太空的探索和利用不断深入，对于太空通信的需求日益增加。利用卫星作为通信系统中的中继站，在地面和地面、地面和空间、甚至地面和其他星球之间实现高速、高带宽的数据传输。

图5 卫星激光通信

近年来，随着遥感技术的广泛应用，以单颗卫星作为中继站的方式已经难以满足日益增长的业务需要，卫星组网的趋势逐渐在各国散播开来。各国争先恐后地开展卫星激光通信网络的布局和建设工作以抢占有限的空间频谱和轨道资源。在组网过程中，由于每颗卫星的负载、坐标不尽相同，导致针对单颗在轨卫星的硬件更新维护成本较高。由此人们引入了软件定义卫星网络，软件定义的卫星激光通信网络是一种利用软件定义网络和网络功能虚拟化等技术构建的高度灵活、可编程的卫星通信网络[6]。其通过集中式控制器对网络进行统一管理和控制，同时实现了网络功能的虚拟化和软件化，灵活部署各种卫星通信功能，如路由器、交换机、数据处理器等。此外，该技术还结合了人工智能和机器学习等技术，实现了网络的智能化管理和优化，自动识别和解决网络中的问题，提高网络的性能和可靠性。

图6 卫星激光通信网络

卫星通信的难点之一在于组建卫星网络架构。将多个卫星进行联网，在线上进行统一的资源调度与网络管理工作，以保障整个通信系统的运行性能与通信效率。设计高效运行的卫星组网拓扑结构、制定合理的资源分配策略，值得人们进行深入思考与探索。

除此之外，卫星网络路由算法上也有挑战摆在人们眼前。其一是如何在动态的网络拓扑结构下实现高效的数据传输，其间需考虑到卫星轨道的变化、信号覆盖范围的变化等因素。其二是如何优化路由算法来应对大气干扰、星际干扰等客观存在的干扰，确保通信的稳定性和可靠性。其三需要解决时延和吞吐量优化的问题，以提高数据传输的效率和及时性。设计兼顾动态性、稳定性和效率性的卫星通信网络路由算法，是一个充满挑战性的任务。

总结

21世纪以来，激光通信技术仍具有巨大的发展潜力，未来在各个领域能够实现更广泛更深入的应用。随着通信需求不断增长、技术不断进步，激光通信已然成为现代通信网络的重要组成部分，持续为互联网、电信、军事、医疗等领域提供稳定且高效的通信服务。在太空通信领域，激光通信技术还将成为星际通信和甚至探索外太空的主要方式，为人类探索宇宙提供重要的技术支持。

参考文献：

[1]谈仲纬,吕超.光纤通信技术发展现状与展望[J].中国工程科学,2020,22(03):100-107.

[2]Kao K C，Hockham G A. Dielectric-fibre surface waveguides for optical frequencies [J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1966, 113(7): 1151–1158.

[3]Jiang H L, An Y, Zhang Y L, et al. Analysis of the status quo, development trend and key technologies of space laser communication [J]. Journal of spacecraft TT & C Technology, 2015, 34(3): 207-217.

[4]Gao D R, Li T L, Sun Y, et al. Latest developments and trends of space laser communication [J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 901-913.

[5]杨乾远, 孙晖, 马拥华, 等．5G基站前传和中传的无线光通信方案设计 [J]．光通信技术, 2019, 43(9): 23-26．

[6]张家铭.卫星激光通信网络研究进展[J].光通信技术,2023,47(05):37-44.DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2023.05.008.

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