衛星互聯網星間激光通信的分析及建議

摘要：衛星互聯網星間激光通信擁有諸多優勢，如超高效率傳輸、容量龐大、安全可靠等，受到了人們的高度重視，在未來有著廣闊的發展空間，這也是通信業務的重點發展方向。本文旨在對衛星互聯網星間激光通信的關鍵技術展開分析和研究，探討發展衛星互聯網星間激光通信技術面臨的困難和挑戰，并提出切實可行的解決策略，最后對星間激光通信的發展趨勢進行展望，以期推動星間激光通信技術的研發速度，擴大星間激光通信技術的應用范圍。

關鍵詞：衛星；互聯網；激光通信

一、引言

衛星之間的通信都是以電磁波為媒介，以電磁波頻段為劃分依據，衛星之間的信息通信分為微波通信、激光通信等幾種形式，其中微波通信的使用頻率最高，使用范圍也最為廣泛，這也是星間激光通信的重中之重。該通信技術主要應用在衛星與地面、衛星與衛星之間的鏈路傳輸，擁有技術成熟、傳輸距離長、覆蓋面積大的典型特征[1]。隨著衛星及航天設施的數量越來越多，微波通信已經難以滿足人們的通信容量需求，星間激光通信逐漸走進了人們的視野。星間激光通信的特點如下：

（一）可用寬帶大、速率高

對于通信網絡來說，載波頻率和帶寬承載力呈現出明顯的正比例關系。在應用過程中，光載波中心頻率可達到1016Hz，就算承載率為1%，其承載帶寬也可達到100THz，這是傳統射頻微波無法比擬的。隨著當下通信技術的飛速發展，地面光纖通信系統傳輸效率有了極大的提升，從最初的2.5 Gbit/s到10Gbit/再到100Gbit/s，直到目前能達到的400Gbit/s的發展歷程來看，星間激光通信鏈路單波速率達到400Gbit/s的級別是完全可以預見的。

（二）功能損耗少

星間激光的波長比微波波長短，方向性好，能量不易分散，能夠大大地減少收發設備的功率消耗。此外，星間激光通信系統需要的光學天線和收發設備體積比較小，重量也比較輕，能夠實現輕量化、低功耗的設計目標。

（三）穩定性強

以往的微波通信一般采用一對多通信模式，一旦出現相似頻段，就會出現信號干擾，通信被竊取和被解密的事情就無可避免。星間激光通信的束發散角小、束寬非常窄、方向性好，在傳輸過程中不容易被竊取，保密性也非常出色。

（四）無頻譜限制

微波的散角非常大，很容易對周圍的接收器造成信號干擾，航空領域可用波段呈現出明顯的下降趨勢，此外微波頻率所受監管非常嚴格。但星間激光通信的發射精準度非常高，抗干擾性能好，頻率受限程度也非常小。

二、星間激光通信的關鍵技術

星間激光通信的關鍵技術包括物理連接技術和光傳送接口技術。下面分別論述。

（一）物理連接技術

星間激光通信物理連接技術包括光收發技術、跟瞄技術等兩種類型，前者又分為直接探測、相干探測等兩種形式，其中直接探測是借助通斷鍵控（OOK）控制，相干探測是借助二進制相移鍵控（BPSK）控制，兩者的異同點如下：首先，靈敏度和傳輸距離不同。由于直接探測的結構復雜度較低，信號收發靈敏度比較低，而相干探測技術的結構復雜度高，信號收發的靈敏度大大提升，當兩者的速率一樣時，后者的靈敏度具有無可比擬的優勢。其次，通信速率不同。相干探測的兼容性能更強，不管是高階調制，還是波分服用技術，相干探測技術都能無縫銜接，這也使該技術的通信速率大大提升。最后，功能損耗不同。相干探測技術的靈敏度較高，因此其光學口徑較小，這使得天線以及相關設備的質量及功能損耗大大減小，這是傳統通信技術無法比擬的。

總而言之，相干探測技術與直接探測技術相比有著無與倫比的優勢，在未來有著巨大的發展空間。

（二）光傳送接口技術

星間激光通信要在廣闊的地空之間構建穩定可靠的通信網絡，并妥善處理衛星運動、遠距離傳輸、太空噪聲輻射所帶來的負面影響，這就需要光傳送接口擁有高超的鏈路保護技術，當下最常用的當屬CCSDS鏈路技術，該技術能夠增強星間激光通信技術的魯棒性，通信穩定性也得到進一步增強。截至目前，光傳送網絡（OTN）已經相當成熟，具有抗干擾性能強、高度智能化等特征，因此把OTN技術融入到星間激光通信協議中是一個非常不多的選擇。

首先，承載性能好。光傳送網絡（OTN）能夠將客戶業務適配到傳輸網絡當中，使得客戶業務與剛性管道之間無縫融合[3]。OTN使用直接映射技術，承載效率能達到87%以上，對通信數據長度不會造成太大的干擾，這使得星間激光通信的抗干擾性能大大提升。傳統的CCSDS協議的承載效率不夠穩定，當原始數據幀長發生改變時，其承載效率也會出現明顯變化，發生通信中斷的概率也會大大提升。其次，抗突發誤碼性能強。在衛星超長距離的信息傳輸中，突發誤碼事件時有發生，過去人們都是借助交織編碼算法解決此類問題。其原理是對突發誤碼實施離散操作，將其轉化成隨機誤碼，最后借助前向糾錯（FEC）編碼技術抵消隨機無法。交織深度和離散程度、抗突發誤碼性能有著明顯的正相關關系，交織深度越大，抗突發誤碼性能就越強。但是在另一方面，該技術在處理抗突發誤碼問題時，會產生一定的延遲，因此在抗突發誤碼性能和時間延遲之間找到一個平衡點就顯得尤為重要。例如當交織深度為16時，光傳送接口技術可以兼顧時間延遲、抗突發誤碼性能，為星間激光通信提供良好的保障。再次，隔離性能強。OTN協議定義了低階通道向高階通道的復用體系，低階通道能夠在帶寬和資源之間形成硬性隔離，這是典型的硬切片網絡隔離技術。此外OTN切片管道結束靜態部署之后，具有時間延遲小、抗抖動能力強的優勢特征，因此在星間激光通信中得到了廣泛的應用。最后，安全可靠。OTN層加密與客戶類型、協議、速率之間沒有明顯關聯。OTN的服務目標是有效載荷幀，而且能夠保留開銷字節承載加密認證標簽。除此之外，OTN層加密技術對資源的需求比較少，只用添加少數緩存就能完成，延時非常小，不管是什么樣的加密、解密光通道凈荷單元，都能達到1μs延遲水平；OTN層加密技術不用對多類型客戶、數據幀長添加冗余開銷，能夠實現100%數據寫入和讀??；擁有可拓展性和靈活性的典型優勢，不僅可以對子速率端口進行加密處理，還能對復用后的通道進行加密處理[4]。

總之，光傳送接口技術能夠與相干、子載波等技術相融合，而且擁有較強的承載魯棒性能，相關標準較為完善，可廣泛應用于地面光電器件，所以可以使用OTN進行衛星互聯網星光通信，打造一個穩定、可靠和智能化的高速光承載網。

三、星間激光通信技術面臨的困難與挑戰

星間激光通信是超遠距離、超弱信號之間的數據傳輸，在功能實現中面臨著接收功率不穩定、地空環境惡劣、帶寬不足、精準度差等諸多難題，如何解決這些問題，不僅是通信行業的當務之急，也是突破星間激光通信瓶頸的關鍵所在。

（一）接收功率抖動

衛星激光通信接收端和發送端之間的距離非常遙遠，衛星自身的抖動會導致發射光束出現抖動，導致激光鏈路的穩定性大打折扣，進而出現接收功率抖動甚至誤碼的現象。此外衛星始終處于高速運動中，衛星的相對位置也不是一成不變的，星間激光通信對光學跟瞄系統的精度提出了很高的要求，但是光學跟瞄系統的精度會受到光學天線精度、軌道預測精度以及載荷控制補償精度等多種因素的影響，導致衛星激光通信的質量不夠穩定，很容易出現噪聲干擾和通信中斷等問題。

（二）地空環境惡劣

星間激光通信運行過程中，日月運行、天體輻射會帶來一些的負面影響，而且這些負面影響是極其不穩定的，這使得激光通信受到極大的干擾，因此必須想方設法提升星間激光通信的抗干擾性能。然而目前的技術遠遠達不到這樣的要求，人類在提升星間激光通信技術的穩定性方面還有很長的路要走。

（三）器件帶寬和計算精度不足

衛星激光通信過程中，接收端和發送端需要參考傳輸延時和衛星運轉速度進行角度調整，但是激光器件獲取星歷信息的能力有限，精準度不達標，使得激光組件對接收端和發送端的預測精度十分低下。除此之外，衛星自身的低頻振動也會拉低跟瞄系統的精準度，再加上功耗與成本、采樣與驅動電路的帶寬與時延等因素的影響，目前只能克服1KHz的衛星振動，這與星間激光通信要求達到的標準相比還有很大的差距。從整體角度分析，星間激光通信鏈路在運行過程中，還面臨著地空環境惡劣、信息傳遞干擾等因素的影響。所以在以后的發展過程中，要加大技術研發力度，盡快攻克難關，創新構建一個傳輸效率高、穩定性強的星間激光通信網絡。

四、星間激光通信相關問題的解決策略

對于日凌、高速運動、信號干擾等復雜的環境問題，而OTN協議能夠有效處理這些問題，該技術一方面能夠提高星間通信鏈路的傳輸能力，另一方面能夠大大增強通信鏈路的抗突發誤碼性能，使得星間激光通信的精準度、穩定性大大提升。在路由協議組網技術的支持下，OTN可以組建一個大范圍、高可靠、效率高的信息傳輸網絡。

（一）OTN協議提供穩定可靠的通信管道

OTN協議的兼容性非常強，功能多種多樣，而且硬管道隔離技術可以提升星間激光通信鏈路的傳輸速度、可靠性，為大型客戶帶來更穩定、更便捷的信息傳輸服務。從傳送角度分析，OTN能夠兼容多種形式的FEC，滿足不同距離的通信需求；除此之外，OTN還擁有全面的標準體系和演進方向，已經定義的標準接口速率可支持1.25-800Gbit/s，在衛星與地面之間構建一個穩定可靠的通信網絡[5]。地面100Gbit/s的OTN應用已經有了10年歷史，網絡應用從骨干網、地域網延伸到接入網，構建了一個覆蓋多種業務的通信網絡。由于100Gbit/s相干和10Gbit/s非相干的靈敏度基本相同，而且100Gbit/s相干可以兼容地面產業鏈，在降低建設成本的同時，還能提升星間激光通信性能。因此在以后的發展過程中，應該重點關注100Gbit/s相關技術。

（二）路由組網構建穩定可靠的傳輸路徑

OTN協議能夠有效提升信息通信的容錯率，但是在日月運行、太空輻射等因素的影響下，通信管道中斷的問題無法徹底杜絕，因此提升通信鏈路的穩定性就顯得尤為重要。在地面5G承載網中，SRV6擁有源路由特性、可拓展性、多編程環境等多種優點，極大地滿足了定義網絡（SDN）的高標準需求，在以后的發展中有著巨大的潛力，是連接星間激光通信組網的不二之選。

五、星間激光通信的發展趨勢展望

隨著技術的發展，衛星激光通信的帶寬會越來越大，再經過五年的技術研發，星間激光通信會與地面網絡完美融合，人們隨時隨地都能享受高效率、高可靠的星間激光通信，人類社會的通信業務也將再上一個臺階。在星間激光通信網絡建設過程中，空間和地面的承載網應該在技術架構、協議及管控方面形成一個整體。就目前來看，衛星互聯網星間激光通信技術還有諸多問題尚未克服。

（一）OTN傳輸速度提升到400Gbit/s

根據預測，2030年衛星互聯網星間激光通信鏈路的帶寬將達到100Gbit/s，并向著400Gbit/s的方向推進，這使得相干技術顯得尤為重要。企業對星間鏈路的帶寬、傳輸速率、穩定性要求越來越高，這使得OTN技術顯得尤為重要，該技術為星間激光通信提供了堅實的保障。

（二）OTN向著高可靠組網的方向演進

OTN擁有靈活性高、穩定性強的光業務單元（OSU）軟硬管道，還擁有基于段層和鏈路鏈接層的靈活光業務單元（OUS）、全連接網絡和光線路層保護等。激光鏈路能夠使用多波長復用組網，利用多個波長實現調度功能，提升組網容量。

（三）星間激光通信管控平臺向著智能化方向發展

當下人們對智能化水平提出了越來越高的要求，衛星互聯網星間激光通信也是如此，鑒于各種復雜的地空環境、日凌現象以及網絡管控問題，設計出智能化程度高的星間激光通信管控平臺就顯得尤為重要?；谥悄芑夹g的星間激光通信管控平臺將擁有自動優化、自動調配和自動管理的功能作用，在提升星間激光通信質量的同時，還能減輕地面工作人員的工作負擔。

六、結束語

衛星互聯網星間激光通信技術擁有可用寬帶大、速率高、功能損耗少及穩定性強的優勢特點，成為衛星互聯網產業的發展熱點，也是未來6G網絡的重要組成部分。星間激光通信的關鍵技術包括物理連接技術、光傳送接口技術，兩者都有各自的優勢和缺點，因此人們應該根據實際需要，選擇合適的通信技術和組網方法。

但是，星間激光通信技術也面臨著諸多問題與挑戰，諸如接收功率抖動、地空環境惡劣、器件帶寬和精度不足等問題，因此在以后的技術研發過程中，要著重向OTN傳輸速度提升、高可靠組網及智能化的方向發展，只有這樣星間激光通信技術才能得到更好的發展，人們才能隨時隨地享受高速率、高可靠的星間通信服務。

參考文獻

[1]欒曉輝，劉吉.基于軌道動量的星間激光通信技術[J].空間電子技術，2023，（08）：25.

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[3]劉政麟，汪逸群.星間激光通信激光軸指向誤差源分析與補償控制[J].中國激光，2023，（02）：26.

[4]陶坤宇，楊奇.基于IM/DD體制的星間激光通信測距技術[J].遙測遙控，2022，（07）：15.

[5]孟凡斌，吳剛.一種輕小型、低功耗星間激光通信系統[J].光電技術應用，2021，（04）：25.