將網(wǎng)絡建到太空

劉露

被譽為“互聯(lián)網(wǎng)之父”的溫頓·瑟夫曾預想互聯(lián)網(wǎng)未來的發(fā)展空間將是整個宇宙，甚至可以在火星上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)。當時，許多人都覺得他這個想法過于超前。然而，在瑟夫的言論發(fā)布后不久，太空互聯(lián)網(wǎng)就開始慢慢出現(xiàn)了。2010年底，思科公司研制出了太空互聯(lián)網(wǎng)路由器。在不利用任何地面基站的情況下，思科完成了業(yè)界首次太空網(wǎng)絡電話通話，讓互聯(lián)網(wǎng)走出了地球。我們千萬不要小看這個“不落地”的研發(fā)成功，思科在互聯(lián)網(wǎng)進入太空走出的這一小步，未來也許將帶來全世界互聯(lián)網(wǎng)使用環(huán)境的整體改變。

據(jù)思科公司相關人士介紹，使用太空互聯(lián)網(wǎng)路由器帶來的好處包括：可以在太空中的衛(wèi)星之間指定IP數(shù)據(jù)包的路由，工作原理類似地面上的互聯(lián)網(wǎng)，這樣可以減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t，節(jié)省衛(wèi)星通信帶寬，提供更高的網(wǎng)絡靈活性。

在此之前，如果要通過多顆衛(wèi)星進行衛(wèi)星通信，需要由不同的衛(wèi)星進行轉發(fā)，每一次轉發(fā)都需要傳回到地面站。因為衛(wèi)星無法智能判斷數(shù)據(jù)路徑，這樣，每一次路由選擇都需要把數(shù)據(jù)包傳回地球，再由地面站選擇下一個“接力”的衛(wèi)星，在此過程中，數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t大大增加，效率也很低。

未來，安裝在衛(wèi)星上的太空互聯(lián)網(wǎng)路由器將會決定下一個直接傳輸?shù)男l(wèi)星，從而無需地面人員干預。按照這一設計，美國的“太空互聯(lián)網(wǎng)路由”計劃可以歸避地面光纖網(wǎng)絡帶來的諸多問題，從而有效地保證互聯(lián)網(wǎng)的無縫聯(lián)通，這是下一代太空通信技術重點發(fā)展的方向之一。

當然，太空互聯(lián)網(wǎng)路由器并不是把現(xiàn)有的路由器安裝在衛(wèi)星上那么簡單。現(xiàn)在，我們地球上的網(wǎng)絡使用的是TCP/IP 協(xié)議，它對延時和中斷的忍受程度較低。這對地球上數(shù)千千米距離的通信來說不是大問題，但星球之間動輒就有幾十萬千米，信息從一點到另一點所需的時間會延長許多，而且當探測器飛行到某顆行星背后或發(fā)生太陽風暴時，通信網(wǎng)絡就會產(chǎn)生中斷。

對星際網(wǎng)絡來說，最重要的就是一種能夠克服長時間延時和中斷問題的新網(wǎng)絡協(xié)議。在這里，思科采用的是一種名為“容斷網(wǎng)”的新型網(wǎng)絡技術。它發(fā)送信息的方式與目前世界通用的互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制協(xié)議不同，并不是以“連續(xù)的、端對端的”連接為基礎。在“容斷網(wǎng)”的傳輸中，假如通往目的地的路徑一時無法找到，數(shù)據(jù)包也不會丟失，每個網(wǎng)絡節(jié)點會暫為保管這個數(shù)據(jù)包，直到與另一個節(jié)點安全“交接”，就像在籃球場上傳球一樣，沒有好的出手時機，隊員會一直控球。因此它能應付頻繁的、不可預測的通信延遲、中斷、節(jié)點改變等狀況。這一工作原理恰好適用于太空通信。

除了美國，另一個航天技術大國俄羅斯也積極開展對太空互聯(lián)網(wǎng)的研究。俄羅斯擬組建的太空互聯(lián)網(wǎng)將由“信使”衛(wèi)星系統(tǒng)公司負責研發(fā)。該公司總裁加利克維奇透露，太空互聯(lián)網(wǎng)將由48顆衛(wèi)星組成。每顆衛(wèi)星重200～250千克，所有的衛(wèi)星都將在高度為1500千米的低軌道運行。該網(wǎng)建成后，可為全球提供語音通話、寬帶上網(wǎng)、視頻會議等服務。屆時，無論在地面還是飛機上，在航船上或是太空中，任何地方都可以登錄互聯(lián)網(wǎng)。

俄羅斯全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)總設計師烏爾利奇奇強調(diào)，太空互聯(lián)網(wǎng)尤其適用于災區(qū)通信、與各海域船只保持聯(lián)絡、危險貨物運輸監(jiān)控等方面，其優(yōu)點在于不會完全依托地球上的某處設施，即使地面發(fā)生嚴重災害或其他意外，該互聯(lián)網(wǎng)仍會穩(wěn)定運行。

此外，隨著人類未來太空活動的更加頻繁，在不久的將來，現(xiàn)有的微波通訊方式將不能滿足需求。那時，大量的數(shù)據(jù)將依靠什么技術從空間站、月球甚至火星傳回到地球呢？

美國宇航局正在開發(fā)新型激光太空通信系統(tǒng)，以此來實現(xiàn)“太空—地球”遠距、大數(shù)據(jù)通信。這種技術能將衛(wèi)星通信的速率提高到相當于地球上高速光纖網(wǎng)絡的水平。這套系統(tǒng)的主要部件包括激光器、望遠鏡、光學系統(tǒng)、探測器組合以及信號處理線路。一旦開始工作，在一個萬向架的支承下，望遠鏡或平面反射鏡、中繼光學組件、光學跟蹤系統(tǒng)以及信號探測組件與激光器和二色分光鏡結合起來構成接收和發(fā)射系統(tǒng)，可同時發(fā)射和接收激光，隨之實現(xiàn)信號跟蹤和信號輸出。

使用激光太空通信系統(tǒng)的優(yōu)勢在于它擁有更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，而這種速率是之前使用的微波通信系統(tǒng)所達不到的。同時，由于通信光束嚴格聚焦，激光太空通信系統(tǒng)的抗干擾和防竊聽能力非常強，而這種高度準直的光束完全可以實現(xiàn)遠距離通信。另外，激光波長比微波短，因而可以借助較小的發(fā)射望遠鏡產(chǎn)生嚴格聚焦的光束，與相同性能的射頻系統(tǒng)所需的微波天線相比，這種發(fā)射望遠鏡要小整整一個量級。對于在空間站上控制通信系統(tǒng)的人來說，這意味著工作大大簡化，同時，空間站的重量和負載空間都因激光太空通信系統(tǒng)擁有更小的信號傳送器而大大節(jié)省。

未來，太空旅游和太空旅館將帶來更多的太空游客，在太空登錄互聯(lián)網(wǎng)將是他們太空生活重要的一部分。通過太空互聯(lián)網(wǎng)技術，人類或?qū)㈤_啟至月球的快速可靠的數(shù)據(jù)連接網(wǎng)絡，甚至還可以連接至火星和更遙遠的星球。在太空生活的人們將可以與地球上的家人、朋友進行高清視頻聊天、互發(fā)微博等。