中国信通院崔潇:卫星光通信关键技术及发展态势分析

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关键词:中国信通院崔潇

    伴随着5G的正式商用,国内外研究机构和标准组织对6G的研究布局也已陆续开启。6G网络的覆盖范围更加广泛,将从地球进一步延伸到太空,实现地面、卫星和机载网络等的无缝连接。6G网络传输速率将达到5G网络的10倍以上,峰值速率可达100 Gbit/s~1 Tbit/s;时延则比5G网络缩短10倍,低至0.1 ms[1]。如何突破当前5G光纤网络覆盖范围的限制,实现空间、海洋等更加复杂的业务传输场景,是未来6G技术需要突破的难题。


    不同于传统的微波卫星通信,卫星光通信的原理是直接通过激光在大气或太空传输,从而实现信息的传递。与微波相比,激光具备多个方面的优势:激光通信可利用的频带宽度超过GHz,高达微波频带宽度总和的一万多倍;激光通信使用频段不受限制;通信设备的尺寸与波长成正比,因此激光卫星通信设备的尺寸和重量远低于微波卫星通信设备,灵活性与可扩展性强;激光光束发散角小、方向性好,通信链路不易被截断,具有较强的保密性。但在具备众多优越条件的同时,激光通信链路的稳定性较低是卫星光通信的缺点之一。造成卫星光通信这一缺点的原因是由于信号在传输过程中无法改变链路方向,因此极易受障碍物的阻挡,而在通过大气传输的情况下将受到大气条件的影响;且通信链路两端平台易受空间环境的影响产生震动和位移,从而降低了链路的稳定性。总体而言,卫星光通信大带宽、组网灵活、保密性好等优势使其具备成为未来6G组网关键技术之一的潜力。


    1 卫星光通信发展现状


    1.1  试验验证项目开展现状


    卫星光通信的研究最早可以追溯到1967年,随着激光器等硬件设备的发展,卫星光通信的理论研究逐渐深入。在经历了早期理论研究阶段之后,20世纪70年代,各研究机构开始开展包括器件、终端、系统设计在内的系统性研究;20世纪80年代开展的卫星光通信研究主要针对星地链路;到20世纪90年代后才逐渐拓展到太空中卫星间的光通信链路。在早期发展阶段中,卫星光通信的工程试验大多为点到点,直到近年来商用项目的部署中才出现了星间的大规模应用。图1以时间线的形式展示了国内外卫星光通信验证项目的开展状况。


    由于技术难点多、设备研发价格高、试验条件复杂等因素,卫星光通信项目的研发对国家的科研能力、经济实力要求较高。美国、欧洲等国家/地区早在20世纪就凭借强大的综合实力和资金支持,开始对卫星光通信进行研究、开展试验验证项目,经过长期积累,在早期就已实现了技术复杂度更高的星间链路试验。


    日本是卫星光通信领域的后起之秀,虽然起步较晚,但技术发展和项目开展迅速,并且与欧洲合作密切,已经开展了多次星地和星间验证项目。我国涉足卫星光通信领域的时间较短,前期开展的试验项目以复杂度相对较低的星地链路为主,后期星间链路试验的规模不断扩大。


    1.2  产业发展现状


    自卫星光通信技术的相关研究逐步开展以来,卫星光通信长期处在技术突破和试验验证阶段。而在2015年美国SpaceX宣布开始布局“星链”(Starlink)项目,2019年正式将首批60颗卫星发送入轨道,在星间采用卫星光通信技术。大规模的卫星光通信技术得到采用,才使卫星光通信正式向产业化方向发展。自此,星座网络开始吸引大众的视线,并且呈加速发展的态势,成为大国之间博弈的热点。图2为国内外参与卫星光通信领域研发的科研机构、高校及企业的活跃度分布情况。


    目前,美国、欧洲、日本以及中国的相关机构及企业都具有较高的活跃度。尤其是美国,因为技术成熟度高且航天产业资本参与度高,在卫星光通信领域内的优势显著。以美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)为代表的众多科研机构、高校以及企业都在积极参与系统性研发和试验工作。其中,活跃度高的包括NASA、NASA下属的加州理工大学喷气动力实验室、麻省理工学院林肯实验室、SpaceX。美国的研究机构和企业之间的合作非常紧密,技术大多实现互通,因此在很大程度上促进了美国卫星光通信整个产业的活跃度。欧洲与日本的科研机构之间的合作紧密,企业和科研机构的研究方向也有所侧重,企业偏向于终端研究,科研机构大部分都在研究搭建整个卫星光通信系统,科研机构活跃度明显大于企业。此外,俄罗斯研制的星间激光数据传输系统已经在空间站和航天器等平台上得到了应用;以色列、法国、加拿大、韩国等也在积极探索这一领域,有望在不久的将来实现产业上的突破。


    2018年起,我国多个天基系统项目陆续公开,虹云工程、鸿雁工程、行云工程由航天科工、航天科技两大集团主导,正式进行天基网络的商用布局。除此之外,更多的企业力量在近几年也加入了研究行列,主要开展终端研制方面的工作。


    尽管卫星光通信目前仍处于产业发展的起步阶段,多数项目仍然以点到点的单链路通信形式开展试验,大规模的星间商用部署仍在进行当中,但是将其应用为6G组网技术的潜力已经被各大研究机构和企业所挖掘,未来将在技术上进一步实现突破,使其具备更加成熟的产业应用条件。各国的产业生态也将进一步扩展,引导更多企业加入卫星光通信技术与设备的研究行列。


    1.3  标准化现状


    国内外许多标准组织都开展了航天通信的标准化工作,不仅有传统的航天标准组织,还有许多通信标准组织。其中,国际标准组织有航天数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems, CCSDS)、国际标准化组织(International Organization for Standardization,ISO)、国际标准组织国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)和3GPP(3rd Generation Partnership Project);欧盟的标准组织有欧洲电信标准协会(European Telecommunications Standards Institute,ETSI)、欧洲航天标准化合作组织(European Cooperation for Space Standardization,ECSS)、欧洲航天局(European Space Agency,ESA);美国的标准组织有国际自动机工程师学会(SAE International)、美国航天航空学会(American Institute of Aeronautics and Astronautics,AIAA)、美国国防部标准化局;中国的标准组织有全国宇航技术及其应用标准化技术委员会和全国通信标准化技术委员会(CCSA)。


    航天数据系统咨询委员会对卫星光通信领域的标准化研究最为深入,2014年1月成立了光通信工作组,NASA担任主席。该工作组的研究内容包括:适合卫星光通信的波长、调制、编码、交织、同步和采集等方面的新标准研究;卫星光通信链路中天气数据的定义、交换和存档标准研究等。截至目前光通信工作组已经输出了两份转化为ISO标准的完整推荐标准(Blue Books),一份信息报告(Green Books)和一份试验记录(Orange Books)。


    通信领域的代表性标准化组织ITU T17-SG15于2020年8月提交了启动自由空间光通信系统研究的提案,2021年3月正式上会讨论了自由空间光通信的应用,而卫星光通信包含在自由空间光通信的范畴之内。ITU的卫星光通信的标准化研究正在逐步走向正轨。


    国内的CCSA在2019年由航天科工牵头新成立了TC12航天通信工作委员会,目前下设航天通信系统工作组(WG1)、航天通信应用工作组(WG2)和协同组网通信工作组(WG3)。截至目前TC12已经召开了4 次全会,仅有一个已立项的研究课题与卫星光通信相关。国内卫星光通信的标准化研究有待进一步深入。


    整体而言,由于卫星光通信在全球范围内的产业应用中的互通程度仍然较低,各国前期各自开展研发工作,网络架构中使用的各类技术不完全统一,且研究水平也存在差距。因此,在目前标准化进展处于初期起步阶段的情况下,全球标准化研究仍然由资历深且技术成熟度高的美国NASA在CCSDS中牵头主导,而其他标准化机构跟随其后在卫星光通信领域也开始进行相应布局。当前,初期的标准化研究主要围绕以下几个方面开展:首先,在物理层解决最关键的数据互通问题,需要对光通信信号和信标光信号特性(例如通信激光信号的中心频率、激光线宽、偏振性、调制方式等)进行规范;其次,在同步和信道编码层实现信号在发送端和接收端的转换,涉及调制、同步、编码和验证等关键流程,其中同步和编码方式需要进行标准化研究。此外,上层的数据链路协议层和网络层标准化研究也将在前期的标准化逐渐成熟后进一步开展。可以预见,未来的标准研究范围将进一步涉及卫星光通信组网的路由交换、网络管理和控制等。在制定基础标准的同时,需要同步开展先进课题的研究,例如端到端系统的试验性研究、卫星光通信系统中各技术环节的研究等,为后续标准化开展提供支撑。


    2 卫星光通信关键技术


    卫星光通信技术涉及到多领域的交叉研究,复杂度高、难度大,相关的研究领域包括光学、机械、信号处理、数学和计算机等。图3展示了卫星光通信链路间传输的一个典型系统,以及系统中各部分所对应使用的主要技术。其中,光学技术包括高功率光源技术、高质量光学系统设计技术;信号处理技术包括调制解调技术、背景噪声抑制技术、大气信道影响补偿技术、高灵敏度探测技术;机械技术包括平台振动与姿态补偿技术、器件部件空间适应性技术;高精度捕获跟踪瞄准(Acquisition,Tracking and Pointing,ATP)技术等。本文重点介绍卫星光通信研究中需要重点关注的关键技术。


    2.1  光学关键技术


    高质量光学系统设计技术的核心包含波长选取和光路设计两部分。选取波长时首先应保证光信号在传播过程中透过大气时损耗小、受太阳辐射影响小,同时在该波长下探测器具有高响应度。由于通信业务的多样化发展,卫星光通信网络中往往需要多波长同时进行传输以保证业务传输质量和带宽容量。Liu等[2]研究了拓扑变化对所需波长的影响,搭建了基于时空演化图的模型。依据模型分析得出卫星光通信网络中对波长的要求取决于网络连接跳数和所需到达时间,而光路重叠少有助于降低对波长的要求。星地链路间的常用波长有1.55、0.85和10 μm,根据天气条件和大气湍流条件,Harris等[3]对3种波长的传输特性进行了分析。总之,卫星光通信网络中的波长选取需根据传输类型、传输环境和业务需求进行具体的选取与设计。另一方面,光路设计也是高质量光学系统设计的核心技术之一。光路设计中最重要的环节是光学天线设计,在卫星通信链路中,光信号通过光学天线进行发射和接收。传统的光学天线设计已经非常成熟,但由于存在体积大和质量大的缺陷,在当前光通信卫星正向微小型化发展的趋势下,已不能满足需求。文献[4]设计了一种小型激光通信卫星上适用的集成光学天线,该光学天线被设计在具有两个不同光栅耦合器的绝缘体上的硅(SOI)芯片上。未来卫星光通信设备上的光学天线也将在保证低偏振角误差的前提下与载荷的体积、质量同步向轻型化方向发展。


    卫星光通信信号通过接收端机接收后首先被传输到信号处理模块进行信号探测。选择探测器的依据包括信号光功率、入射光的波长范围、尺寸及其他机械要求等。雪崩光电二极管(APD)和PIN光电二极管是最常用于各类实验和实际终端中的光电探测器,对于1550 nm的卫星光通信传输系统,APD光电二极管的Q因子优于 PIN光电二极管,具有更好的探测性能[5]。


    通过增加接收器孔径的大小同样能够减轻大气湍流对信号的影响,利用孔径的平滑效应可以消除由小涡流引起的相对快速的波动,并有助于减少信道损耗。文献[6]验证了通过使用孔径平滑效应可以实现星地链路的性能改进,实现了在星地下行链路中信道编码和孔径平滑互相协同的实际应用,并利用不同光学孔径的雪崩光电二极管接收器进行了信号质量评估。当孔径的平均天顶角≤80°能够保证接收器的稳健性。


    大气对光波的影响中最重要的一个方面是闪烁效应,为了克服大气闪烁,自适应光学技术通过矫正相位实现低误码率传输。目前,自适应光学技术已经受到广泛的关注,许多试验和应用已经在卫星光通信系统中开展。文献[7]介绍了欧洲航天局的光学地面站接收端自适应光学附件的设计、制造和工厂验收测试结果:该系统能够利用300多个“模式”来消除大部分湍流引起的静态波前误差。利用自适应光学进行预补偿可以将地面-卫星的上行链路所需的发射光功率保持在合理范围内,文献[8]通过数值模拟的方法对自适应光学对光馈线链路进行预补偿的预期性能开展了研究。用自适应光学方法进行编码矫正的可靠性也已经通过数值模拟实验得到证实。


    2.2  信号处理关键技术


    信号调制解调技术与背景噪声抑制技术有部分技术交叉,特定的调制解调技术也能够实现对信号背景噪声的抑制。信号调制解调技术的选择依据包括光功率效率和带宽效率、信息传输速率以及抗干扰能力等多个方面。卫星光通信中的调制方案可以支持多种二进制格式和多级调制格式,其中二进制由于具有简单高效的特点成为最常用的格式。其中,开关键控(OOK)和脉冲位置调制(PPM)是二进制中最为常用的两种调制方式。由于其简单的特性,OOK调制方案在卫星光通信中成为了主流技术之一,且通常和强度调制/直接检测(IM/DD)传输和接收机制同步部署。文献[9]采取不同强度调制方案来削弱大气湍流对信号产生的影响,并分析效果。其中,OOK在湍流大气条件下自适应阈值可以获得最佳削弱效果。


    太空环境中背景噪声主要来源于太阳辐射,且辐射强度随波长的增加而减小。为达到抑制背景噪声的目的,一般采用的技术包括空间滤波和信号调制技术。滤波器的设计需要考虑的因素包括信号的到达角、多普勒频移激光线宽以及时间模式的数量[10]。多脉冲位置调制(MPPM)是最为常用的背景噪声抑制调制技术之一,在目前的技术发展阶段中常与其他调制方式混合使用以实现更高效率的传输。Khallaf等[11]将正交振幅调制(QAM)和MPPM混合的调制方法应用于无湍流和伽马-伽马自由空间光学(FSO)通道中,相比于传统调制方式,此混合调制方式能够得到更好的误码率性能。Elfiqi等[12]提出了一种混合两级多脉冲位置调制-多进制差分相移键控(2L-MPPM-MDPSK)技术,实现了更高功率和频谱效率。Numata等[13]提出了一种多脉冲位置调制和脉冲间距调制(PSM)融合的方案,在仿真的噪声场景下进行误码率分析,验证实现了高速率传输。


    为减小星地链路间大气条件对传输信号的影响,除了可以利用孔径平滑效应、空间分集、时间分集和频率分集等技术外,还可以利用根据季节、时间、环境、天气进行调节的大气影响被动补偿技术。Polnik等[14]对大气中的云覆盖量进行预测,搭建了两种不确定性模型:具有多面体不确定性集的稳健优化模型和具有基于矩的模糊集分布的稳健优化模型。在卫星与位于英国的地面站之间的链路中分析计算了不同模型的性能,并以此为依据实现了长达6个月的卫星运行规划。


    2.3  ATP技术


    快速精确的捕获、跟踪和瞄准技术是实现远距离空间光通信的基础,尤其是星地链路间的核心技术。ATP系统包括粗跟踪(捕获)系统和精跟踪(跟踪和瞄准)系统两部分。ATP系统先通过粗跟踪系统在大范围视线内进行扫描,捕获到传输信号后再使用精跟踪系统在小范围内进行扫描。采用这种粗跟踪系统和精跟踪系统结合的方式可以快速有效地捕获到信号。图4展示了ATP系统的基本组成。

    由于ATP技术直接决定了光信号是否能够成功传输,一直以来都受到科研人员的高度关注。初始指向作为获取的第一步起着至关重要的作用,Chen等[15]建立了星间激光通信初始指向的数学模型,仿真得到初始方位角 和俯仰角。Arvizu等[16]搭建了用于Cubesat和光学地面站之间的光量子通信链路的ATP系统原型,并在实验室和中短距离地面链路中展示了在受控光湍流条件下的ATP系统性能。


    2.4  机械关键技术


    器件部件空间适应性技术包含多种类型,目的是减小空间环境对部件产生的影响。此类技术包括反射镜表面性能防护技术、机械部件防冷焊、日凌下热控、杂散光抑制、放大器抗辐射技术等。其中,放大器抗辐射技术是机械技术中的研究要点之一。光纤放大器属于光纤类器件,受空间的辐射环境影响非常严重,会因此产生色心从而严重影响光纤放大器的放大性能。目前,主要采用退色心抗辐射技术、预辐射载氢抗辐射技术和光纤制作工艺的抗辐射技术。


    总体而言,卫星光通信中各环节的关键技术最终是为了支撑实现两个主要目标:保证链路稳定性和提高信号传输质量。随着小型化低轨卫星数量的显著增加,卫星光通信终端正在向高数据率、低功耗、小型化、低成本的趋势发展。因此,卫星光通信的各个关键技术的发展不仅要在实现基本目标的基础上优化技术实现方式,元件设计和选取还需要符合终端发展趋势的要求:关键元件质量小、功耗低,关键系统设计向微小型化发展,从而为整体产业的发展提供坚实的技术基础。


    3 卫星光通信发展态势


    卫星光通信从试验验证向工程应用演进,各国工程项目布局竞争激烈。目前,国内外已经部署了众多工程 项 目,例如国外的“Kuiper”星座(3236 颗)、“Telesat”星座(298 颗)、“Starlink”网络(1.2 万颗);国内有“鸿雁”星座(300 颗)、“虹云”星座(156 颗)。卫星光通信工程项目的布局正在如火如荼地开展。


    卫星光通信正在向双向传输、点对多点传输方向组网化发展。为了建立空天地海一体化网络,卫星业务数据需要回传至地球表面,在此过程中,在星间实现数据中继传输是必不可少的环节。具有双向传输的卫星通信网络终端能够更加高效地进行信息传输,数据收发速率能够得到保障。由于激光的束散角小,且易产生动态变化,当前卫星光通信链路多为点对点传输,为了进一步扩展卫星组网,则需要在技术上实现点对多点传输。


    国外卫星光通信技术研发将加强布局,国内技术路线有待明确。NASA作为航空领域的领军机构,在2020年发布的《2020 NASA技术分类》[17]中明确列出了未来将重点关注的光通信技术:探测器、超大光学孔径、激光器、ATP技术、光学测量学、创新信号调制等。此技术分类报告是以2015年NASA发布的技术路线图为基础进行的梳理。NASA在未来卫星光通信研究中的技术研究重点与研究思路规划已经十分细致与清晰,而国内尚未有相关研究机构公开技术研究线路,未来我国的研究方向将结合当前的技术研究现状进一步明确规划侧重点,紧跟国外领先技术的步伐。


    当前卫星光通信领域仍处于技术向产业转化的初期,参与方以科研机构和高校为主,由于产业规模小且终端产品技术复杂度高,仍然对企业缺乏吸引力,企业参与度较低。在卫星光通信工程项目实现后,进一步推进大规模的组网部署将极大地推动产业链发展,吸引更多企业和其他组织机构参与到整个产业链中。


    4 结束语


    卫星光通信正处于技术验证和商用探索的起步阶段,技术覆盖领域广、复杂度高。目前,国内外已经有多个天基网络项目的星间链路使用此技术,但距在天基网络链路中大规模覆盖使用仍有距离,重点、难点技术研究仍有待突破。以美国、欧洲、日本、中国为首,各国/地区科研机构和企业正在不断加大人力和资金投入,开展试验验证和产业项目布局。当前阶段,由于技术研究起步较晚,重点、难点技术仍需突破,且缺少整体清晰的技术路线规划,我国卫星光通信在技术成熟度、研发规模和企业参与度上与先进国家仍有较大差距。此外,我国长期以来在航天领域的研究和产业布局都由传统航天企业主导,其他中小企业在卫星光通信产业中的参与度较低。为缩小与国外在卫星光通信领域的差距,亟需制定相关政策、提供研发资金引导科研、产业与生态的协同发展。


    (审核编辑: Mars)