无线电频谱广泛，不同频率的电波用途各异(如上图所示)。作为无线通信的一种，卫星通信目前使用的频段主要有L(1GHz)、S(2GHz)、C(4/6GHz)、Ku(12/14GHz)和Ka(18/29GHz)，大部分属于微波频段范围(3-30GHz)。再往上则是毫米波、太赫兹等，频段越高，可用频谱越宽，通信系统能够得到的容量就越高。近年来由于无线电频谱资源日趋紧张，因此卫星通信在向比目前Ka更高的频段发展，如Q/V频段(40/50GHz)。

 而光通信则是通过光波来传输信息的一种通信方式，使用红外光甚至更高的可见光，工作频率更高。利用光波作载波，以光纤作为传输媒质的光纤通信是有线传输的一种方式，具有低损耗、大容量的特点，在20世纪90年代得到了飞速发展，早已经取代了卫星通信的干线传输地位，成为地面骨干网传输，甚至实现跨洋通信的主要手段。

 曾经是竞争对手，而后各自独立发展的两个通信领域近几年产生了交集。卫星应用中的光通信被越来越多地提及，从实验室研究到开始进入实际应用中。不同于以光纤为介质，卫星光通信是在自由空间以激光方式传输的。光通信与卫星行业得以结合，受到更多关注，究其原因可能有以下几点：

·        低轨星座全球部署的需要。鉴于全球范围内建设关口站所面临的困难非常大，近年来星间链路成为低轨星座组网的必要条件，而激光通信就是星间链路未来采用的主要传输手段；

·        大数据量星地链路传输的需要。卫星地面站通过激光传输方式，实现星地之间的数据通信，如用于大量遥感数据的接收；

·        6G网络中不可缺少的传输环节。6G通信网是天地一体化的多通信手段融合的网络，其中如低轨卫星与高轨卫星之间的中继、卫星与地面之间的高速链路等，都要用到光通信。

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一、光通信系统的组成和发展

    光通信系统包括发射机(将信息编码成为光信号)、信道、接收机(从接收到的光信号恢复出原始信息)。光网络系统会用到激光、光纤、光放大器、交换机、路由器、软件和其它相关技术。自由空间的光通信通过激光在空间传输信号，在地面使用时受限于地形、气候等条件。光纤是使用最普及的光通信传输信道。光纤链路中的发射机一般为发光二极管(LED)，或激光二极管，使用的是红外线而不是可见光，因为光纤中红外线波长的损耗和色散更小。在光的调制解调方面，通常使用简单的强度调制，尽管相位和频率调制曾在实验室中得到过验证。使用双级掺铒光放大器的密集波分复用方式，不仅大大降低了成本，也延长了链路的传输距离，可以说波分复用的出现大大改善了光网络的能力。地球上的空间光通信系统可以被用于最后一公里的通信，只要在源和目的地之间没有视线阻挡，能传输几公里，接收机能可靠地解码传输的信息。光通信其实非常适合自由空间中的长距离通信，由于光谱宽，光通信能够实现几Gbps到几Tbps的数据速率，容量大，而且通常使用小型、轻量化、低功耗的系统。以提供全球宽带覆盖为目的的几个NGSO卫星星座，如SpaceX的星链(Starlink)第二代、Telesat的光速(LightSpeed)、亚马逊的柯伊伯(Kuiper)星座等，都设计有星间链路，使用激光通信方式作为其星座系统内几百到成千上万颗卫星之间的星间传输链路，形成太空中的光网络，作为整个网络中的重要组成部分。预计未来的几年，光通信技术将在近地和深空探测任务中扮演重要角色。实现地面与卫星之间光链路通信的地面关口站技术和设备也逐渐成熟，开始了商用化进程，这有助于打破长期以来“卫星光通信发展中“鸡和蛋”的僵局：缺乏相应地面站，卫星制造商不愿开发具有光下行链路的卫星；没有卫星资源，实际需求少，就很少有人愿意去研发地球站的光通信技术……”

二、激光通信的优势和挑战

 与微波相比，激光通信具备多个方面的优势：1)可用频带宽度多，链路吞吐量更高；2)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；3)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。

 但在具备以上优势的同时，激光通信也有其自身的局限性，如链路的稳定性较低是激光通信的缺点之一。造成这一缺点的原因有三点：一是光波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；二是在穿过大气层时信号质量会受到大气条件的影响，光信号很难穿过云层，因此光地面站理想来说应该建在一年大多数时间为晴空的地点；三是星间传输时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。

 此外，光通信中的信号波形和编码没有现成的标准。为了使不同厂家的终端能够互通，有统一的标准遵循是必须的，现在空间数据系统(CCSDS )咨询委员会在进行统一标准的开发。从DVB标准的发展看，只有一个被广泛采纳的标准才能保证互操作性，使行业的整个产业链受益。

 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。

三、市场应用和需求

 根据NSR最近发布的“光卫星通信市场(第3版)”，未来10年光通信终端的市场有30亿美元的市场机会，2025年有超过1000个提供空间应用的激光终端发货，不仅仅用于卫星方面的应用，还包括使用大型无人飞行器的近地应用。

 根据NSR， 尽管无线电频率(RF)通信尚未达到所能提供的容量的极限，但随着不断增加的大数据应用的出现，将推动卫星光通信的应用。激光光通信可以引以为傲的是超高的数据速率，但从中短期来看，在与射频设备竞争中，激光设备的价格仍是大的阻碍。

 目前在光卫星通信市场领域，除了SpaceX在进行光通信终端的生产，其它参与者计划在今后3年开展超过15个在轨验证实验，如Airbus, Xenesis, 美国国防部和NASA等。这意味着业内将有更多在太空中验证过的激光终端和相关必要器件出现在市场上。2025年之后规模经济效应会促使终端价格的下降。

 光通信技术为商业卫星和科学任务以及地面站服务商提供了独特的发展机会。

 最开始得到应用的场景就是地面对遥感数据接收。用户端是射频的Ka频段，关口站端则是光设备。地球观测数据对时延要求不高，不必非到某个特定地球站下载数据，而是通过一个全球性的网络集中下载。将来决定是使用光还是射频链路将基于哪个方案可以提供更高的吞吐量。对于遥感应用，光通信的潜能会超过射频链路。使用光多任务接收机，能够取得大概10Gbps的速率，而这个数字将来还会增加。用射频链路很难达到同样的提升。然而射频链路的信号稳健性更好，因此业务可用度更高，这给了两种方案各自的发展空间。

 其它适合的应用还包括：回传、安全监控，跟踪和监测，企业连接、最后公里接入、研究和空间探测以及中继通信。由于M2M、物联网等应用的增多，高速数据不断增加，要求高达Gbps的容量作为回传通路。此外，由于安全性高，光通信对于军事用户的吸引力也很大。

 近期由一个德国系统集成商Astelco在希腊建设了一个光通信关口站，包括专业的光学透镜系统(即光学天线)，用于测试地球站与卫星之间的通信。地面站的光通信系统相对较小，光学透镜本身约50cm，有一个2米的基座。这个光地面站与已建好的射频地面站同址，选择此处也是由于该地夏季95%的时间都是晴空。

 我国于2019年由长征五号火箭发射升空的实践二十号卫星上就搭载了很多先进载荷，用于技术验证和测试，其中就有激光通信终端。开展的星地通信实验传输速率达到10Gbps，未来卫星通信容量最终有望实现指数级增长，这项技术也可用于卫星之间的中继传输。

 总之，光通信目前仍处于产业发展的起步阶段，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，未来有望在技术上进一步实现突破，具备更加成熟的产业应用条件，成为天地一体化高速网络中不可缺少的环节。

参考：

.  1.  2021.11 Satellte Market & Research， “Optical Communications For Satellite Applications”,作者:Virgl Labrador

.    2.  “卫星光通信关键技术及发展态势分析”，信息通信技术与政策, 2021, 47(11): 65-72,作者：崔潇