圖蟲創(chuàng)意
最近我國通信領(lǐng)域發(fā)生了一件大事，不知道大家有沒有關(guān)注。由中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院自主研制的500毫米口徑激光通信地面系統(tǒng)在帕米爾高原正式建成，并進(jìn)入常態(tài)化運(yùn)行階段。這是我國首個(gè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的星地激光通信地面站。
對(duì)通信不太了解的朋友可能已經(jīng)一頭霧水了。激光通信是啥？咱不是還在用5G嗎？下一代跳過 6G，直接到激光通信啦？
簡單來說，激光通信是一種利用激光束在兩個(gè)點(diǎn)之間傳輸數(shù)據(jù)的技術(shù)。這有點(diǎn)兒像我們小時(shí)候玩的“土電話”，只不過“土電話”傳輸數(shù)據(jù)的方式是機(jī)械振動(dòng)，而激光通信則使用了光波。與之相比，我們?nèi)粘Ｍㄐ攀褂玫腤iFi、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等等，都是以無線電波作為載體。
和無線電波相比，激光通信使用的是光波，高頻譜非常廣，頻率可達(dá)太赫茲（THz）級(jí)別，能夠?qū)崿F(xiàn)極高的傳輸速率，支持海量數(shù)據(jù)傳輸。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、速度快、帶寬又大，這不正是星地通信需要的嘛。
有朋友可能好奇，激光通信這么牛，為啥不用在日常通信上。因?yàn)榧す馔ㄐ庞玫氖枪獠?，波長一般在幾百納米到幾微米之間（1納米=十億分之一米）。波長越短，遇到障礙物時(shí)越容易被吸收、反射或散射。而我們?nèi)粘Ｍㄐ潘幍沫h(huán)境非常復(fù)雜，用激光通信效果反而不如波長更長，信號(hào)可以通過衍射、反射或散射繞過障礙物的無線電波。當(dāng)然啦，從我們?nèi)粘Ｍㄐ女a(chǎn)生的數(shù)據(jù)量和部署成本來說，把激光通信用于日常通信也不值當(dāng)。
所以，目前，激光通信主要應(yīng)用于星地和星際通信。
在帕米爾高原星地激光通信地面站正式建成之前，我國衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收只能靠微波地面站。微波通信是一種通過微波頻段（通常在300 MHz到300 GHz之間）的電磁波來傳輸信息的通信方式。微波通信是星地之間主要的通信方式。
為什么呢？因?yàn)槲⒉艽┩冈茖?、雨雪非常適合星地之間全天候通信。由于覆蓋范圍廣、穿透能力強(qiáng)、抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn)，微波通信被用于各個(gè)領(lǐng)域，像我們生活中的衛(wèi)星電視、衛(wèi)星導(dǎo)航導(dǎo)航、移動(dòng)通信、氣象預(yù)報(bào)都離不開它。
既然微波通信優(yōu)點(diǎn)這么多，為啥要把激光通信推上位呢？
主要原因是，微波通信的能力慢慢地跟不上衛(wèi)星通信的需求了。這有點(diǎn)類似咱從3G 升級(jí)到4G、5G，因?yàn)槿绻簧?jí)的話，我們刷視頻就會(huì)卡。用激光通信替代微波通信，也是同樣的原因。
隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星上的成像傳感器、雷達(dá)系統(tǒng)和光譜分析儀等設(shè)備的分辨率和精度不斷提高，這就意味著需要傳遞的數(shù)據(jù)量也越來越大。拿美國國家航空航天局1972 年發(fā)射的遙感衛(wèi)星陸地衛(wèi)星1號(hào)（Landsat 1）來說， 當(dāng)時(shí)衛(wèi)星上搭載的多光譜掃描儀的空間分辨率為 80 米，空間分辨率是指圖像上可以檢測最小單元的大小，空間分辨率的值越小，圖像中的細(xì)節(jié)就越多。
陸地衛(wèi)星1號(hào)一次成像大約生成80 KB的圖像文件。每天能捕捉數(shù)百幅圖像，總數(shù)據(jù)量不到幾十兆字節(jié)。而2013 年發(fā)射的陸地衛(wèi)星8號(hào)（Landsat 8）搭載了陸地成像儀（OLI）和熱紅外傳感器（TIRS），空間分辨率升級(jí)為 15 米，每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量超過 700****GB?，F(xiàn)在，衛(wèi)星每天生成的數(shù)據(jù)量一般為幾百GB到數(shù)TB。
這個(gè)數(shù)據(jù)量的變化對(duì)于微波通信什么概念呢？我們可以簡單算一下。
常用的微波頻段有：X波段（8-12 GHz），帶寬通常為500 MHz左右；Ku波段（12-18 GHz），帶寬可以達(dá)到1 GHz；Ka波段（26-40 GHz），帶寬可以高達(dá)2-4 GHz。
如果用 X 波段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，假設(shè)傳輸速率為100 Mbps，那么傳輸 50MB的數(shù)據(jù)大概只需要 4 秒（1 字節(jié)（B） = 8 比特（b），50 MB = 50 × 8 = 400 Mb（兆比特），傳輸時(shí)間 = 數(shù)據(jù)量 / 傳輸速率 = 400 Mb / 100 Mbps = 4 秒），足以應(yīng)對(duì)陸地衛(wèi)星1號(hào)的幾十兆的數(shù)據(jù)。
而現(xiàn)在，即使用傳輸速度為1 Gbps的高頻Ka波段，傳輸陸地衛(wèi)星8號(hào)的 700GB的數(shù)據(jù)也得花超過一個(gè)半小時(shí)?？紤]到衛(wèi)星運(yùn)行和地面通信的時(shí)間窗口是有限的，這個(gè)時(shí)間極大影響了數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>
而且，在長距離的星地通信中，微波通信很容易信號(hào)衰減，特別是在傳大數(shù)據(jù)量時(shí)，信號(hào)衰減更嚴(yán)重。當(dāng)然，也有傳輸速率更快的波段，比如 V 波段（40-75 GHz）以及毫米波段（30-300 GHz），傳輸速率能達(dá)到 10 Gbps至20 Gbps，甚至更高。不過，這些波段波長較短，更適合短距離通信。所以說，微波通信已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在衛(wèi)星通信的需求。激光通信無疑是目前更好的選擇。
為啥？因?yàn)槲⒉ㄍㄐ诺亩贪逭檬羌す馔ㄐ诺拈L板。
前面我們說了，激光通信使用的是光波，頻率在太赫茲（THz）范圍，頻譜資源非常豐富。這就意味著，和微波通信相比，激光通信的帶寬可以提升數(shù)十倍甚至數(shù)千倍，足以滿足目前海量數(shù)據(jù)的星地通信需求。
激光具有高度定向性，在傳播過程中幾乎不會(huì)發(fā)散，所以信號(hào)的強(qiáng)度和質(zhì)量非常穩(wěn)定，在進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，不需要頻繁中繼或放大信號(hào)。另外，由于激光通信使用的頻率遠(yuǎn)高于無線電波，所以在這個(gè)頻段，電磁環(huán)境非常干凈，幾乎沒有其他設(shè)備在同一頻段中工作，也就是說，激光通信不容易受到其他電磁波源的干擾，信號(hào)更為清晰、穩(wěn)定。這就好比大馬路上就你一輛車，路況非常簡單。
除此之外，激光通信還有低延遲、可以并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍匦?。這些特性讓激光通信在衛(wèi)星通信、深空探測等需要高速、大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)膱鼍坝泻艽鬂摿Α?/p>
當(dāng)然啦，沒有技術(shù)是完美的。激光通信的缺點(diǎn)也很明顯。我們前面也提到了，由于光波的波長非常短，很容易被吸收、反射或散射，所以激光通信很容易受天氣影響，多云、雨、雪以及大氣湍流都會(huì)影響激光通信的質(zhì)量。這也是為什么咱首個(gè)星地激光通信地面站會(huì)選在帕米爾高原。帕米爾高原地區(qū)平均海拔高、氣候干燥，通信站所在的塔格峰區(qū)域大氣條件好，視寧度非常好，而且干燥少雨，全年均可開展星地激光通信任務(wù)。
為了建成帕米爾高原星地激光通信地面站，咱的科研人員吃了不少苦頭，實(shí)現(xiàn)了很多突破。
比如，為了解決激光通信容易受天氣影響的問題，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院開發(fā)了自適應(yīng)光學(xué)校正技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)修正大氣湍流帶來的信號(hào)畸變，從而確保在不良?xì)庀髼l件下，仍然可以維持高質(zhì)量的數(shù)據(jù)傳輸。
中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院的科研人員還突破了激光通信“不能見光”的障礙。此前，激光通信一般都是晚上進(jìn)行，因?yàn)?，白天太陽光帶來的?qiáng)背景光會(huì)給激光通信造成嚴(yán)重干擾，這種光噪聲會(huì)顯著降低接收設(shè)備的信噪比，導(dǎo)致通信不穩(wěn)定或中斷?？蒲腥藛T攻克了這一難題，實(shí)現(xiàn)了全天候的通信，將星地激光通信的可用時(shí)段延長了近一倍。
除此之外，這些突破代表咱們國家激光通信的技術(shù)水平，在全球范圍內(nèi)，可以毫不心虛地說，處于先進(jìn)水平。放眼望去，沒有哪個(gè)國家敢說，激光通信技術(shù)整體實(shí)力比咱的強(qiáng)。因?yàn)槭澜绺鲊募す馔ㄐ偶夹g(shù)雖然各有所長，比如美國國家航空航天局（NASA）的激光通信中繼演示（Laser Communications Relay Demonstration，簡稱LCRD）側(cè)重于高容量數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)中繼功能；歐洲的數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)（EDRS）主要集中于衛(wèi)星間數(shù)據(jù)中繼傳輸；但是他們基本上都沒實(shí)現(xiàn)全天候通信。由此可見帕米爾高原星地激光通信地面站常態(tài)化運(yùn)行的含金量。
看到這，相信你除了自豪之外，頭上大概還冒出了一個(gè)問號(hào)：激光通信和我有啥關(guān)系？
這么說吧，我們關(guān)于未來世界的幻想，很多都和激光通信有關(guān)。比如6G 通信。激光通信是 6G 的核心技術(shù)之一，通過激光傳輸，6G可以實(shí)現(xiàn)超高速的無線網(wǎng)絡(luò)，支持超高清視頻流、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）等新興應(yīng)用。比如自動(dòng)駕駛。激光通信能夠?yàn)樽詣?dòng)駕駛汽車提供更快的反應(yīng)速度和更安全的通信鏈路，提升智能交通系統(tǒng)的整體效率。
除此之外，智能城市、量子通信、太空移民等等都需要激光通信加持。
雖然目前來說，將激光通信從星地通信全面應(yīng)用到其他領(lǐng)域還有很多挑戰(zhàn)，但以目前的發(fā)展速度來看，我們可以樂觀地憧憬，在不遠(yuǎn)的未來，那束激光能從深空照進(jìn)我們的生活。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：零一
審核：韓蕾 通信高級(jí)工程師
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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