面向6G全域泛在通信的空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)綜述

通信世界網(wǎng)消息（CWW）空天地一體化網(wǎng)絡(luò)是6G全域泛在通信的核心基礎(chǔ)設(shè)施，自由空間光通信憑借超大帶寬、低時(shí)延、抗電磁干擾、高保密等天然優(yōu)勢，成為空天地立體組網(wǎng)的核心傳輸技術(shù)。該網(wǎng)絡(luò)融合天基衛(wèi)星光鏈路、空基平臺(tái)光中繼、地面光纖與無線光接入體系，構(gòu)建三維立體全域光傳輸架構(gòu)，有效突破傳統(tǒng)通信覆蓋受限、帶寬不足的瓶頸，可支撐偏遠(yuǎn)區(qū)域通信、海洋組網(wǎng)、災(zāi)害應(yīng)急、深空探測等重要業(yè)務(wù)場景。本文系統(tǒng)梳理空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的分層架構(gòu)、拓?fù)涮卣髋c鏈路類型，歸納國內(nèi)外典型研究成果與工程試驗(yàn)進(jìn)展，重點(diǎn)剖析大氣湍流抑制、高精度APT捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤、動(dòng)態(tài)智能組網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、輕量化終端集成等關(guān)鍵核心技術(shù)。同時(shí)，聚焦當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)存在的鏈路抗擾性弱、拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性強(qiáng)、異構(gòu)協(xié)同難度大、空天載荷受限、服務(wù)質(zhì)量保障缺失、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不完善等工程瓶頸，從智能抗擾組網(wǎng)、全域全光互聯(lián)、星地協(xié)同應(yīng)用、輕量化集成、量子安全傳輸、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化六個(gè)維度展望未來發(fā)展趨勢。本研究可為空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)迭代、工程落地及產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供系統(tǒng)性理論參考。

1 研究概述

1.1 研究背景

隨著6G全域泛在通信、空天物聯(lián)網(wǎng)、深空探測及應(yīng)急救災(zāi)業(yè)務(wù)快速發(fā)展，傳統(tǒng)通信體系短板愈發(fā)突出。地面光纖受地形與基建限制，無法實(shí)現(xiàn)海洋、極地、荒漠等全域覆蓋；無線射頻通信頻譜緊張、帶寬有限、抗干擾能力弱，難以滿足Tbit/s級(jí)空天高速傳輸需求[1,2]?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)整合天基衛(wèi)星、空基浮空/無人機(jī)平臺(tái)、地面通信設(shè)施，構(gòu)建三維立體覆蓋架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)全球泛在連接的必然發(fā)展形態(tài)。自由空間光通信（free-space optical，F(xiàn)SO）憑借帶寬無約束、傳輸時(shí)延低、保密性強(qiáng)、無需頻譜授權(quán)等優(yōu)勢，成為空天骨干網(wǎng)絡(luò)高速互聯(lián)的最優(yōu)載體?？仗斓匾惑w化光網(wǎng)絡(luò)融合光纖與空間光通信技術(shù)，形成“星—空—地”協(xié)同傳輸體系，是6G天地一體基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對(duì)空天通信技術(shù)迭代與工程落地具有重要意義。

1.2 研究意義

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)兼具理論與工程雙重價(jià)值。在理論方面，該網(wǎng)絡(luò)融合光通信、衛(wèi)星組網(wǎng)、智能網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等多學(xué)科技術(shù)，可完善動(dòng)態(tài)異構(gòu)光傳輸、智能抗擾組網(wǎng)等理論體系。在工程方面，其突破傳統(tǒng)通信覆蓋盲區(qū)，支撐衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、深空探測等重大工程，同時(shí)提升災(zāi)害應(yīng)急、國防保密通信的保障能力，是國家天地一體化信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要支撐。

現(xiàn)有研究多聚焦單一衛(wèi)星光通信或地面FSO技術(shù)，缺乏對(duì)空天地一體化組網(wǎng)的全局梳理，對(duì)動(dòng)態(tài)拓?fù)溲莼悩?gòu)協(xié)同調(diào)度、工程建設(shè)瓶頸及智能化趨勢的系統(tǒng)性總結(jié)較為匱乏?；诖?，本文以一體化組網(wǎng)視角，系統(tǒng)梳理網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、研究現(xiàn)狀、核心技術(shù)、現(xiàn)存挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢，彌補(bǔ)現(xiàn)有研究短板，為相關(guān)技術(shù)研發(fā)提供體系化參考。

2 空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)采用“天基骨干—空基中繼—地基接入”的三層立體架構(gòu)，各層級(jí)分工明確、功能互補(bǔ)、協(xié)同組網(wǎng)，形成全域覆蓋、動(dòng)態(tài)適配、異構(gòu)融合的高速光傳輸體系，可適配多場景、差異化的空天通信需求[2]。

2.1 分層空間架構(gòu)

2.1.1 天基骨干層

天基骨干層由地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO）、中地球軌道（medium earth orbit，MEO）、低地球軌道（low earth orbit，LEO）衛(wèi)星及深空探測器組成，承擔(dān)全域覆蓋與跨域傳輸任務(wù)。GEO衛(wèi)星軌道穩(wěn)定、覆蓋范圍廣，適用于固定星地中繼傳輸，但時(shí)延偏高；LEO衛(wèi)星具有低時(shí)延、低損耗優(yōu)勢，依托大規(guī)模星座與星間光鏈路構(gòu)建天基高速骨干；MEO衛(wèi)星作為高低軌過渡節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)跨軌道中繼與拓?fù)渚?，保障天基網(wǎng)絡(luò)全域連通。

2.1.2 空基中繼層

空基中繼層由無人機(jī)、平流層飛艇、高空氣球等機(jī)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，部署靈活、可動(dòng)態(tài)重構(gòu)，是銜接天基與地面的關(guān)鍵中繼樞紐。平流層平臺(tái)可長時(shí)間駐空，實(shí)現(xiàn)大范圍區(qū)域持續(xù)覆蓋；無人機(jī)集群可快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)，適配災(zāi)害應(yīng)急、局部區(qū)域補(bǔ)盲等場景?？栈脚_(tái)通過“空—空”“空—地”光鏈路實(shí)現(xiàn)區(qū)域中繼轉(zhuǎn)發(fā)，有效補(bǔ)齊星地鏈路落地“最后一公里”短板。

2.1.3 地基接入層

地基接入層包含地面光纖骨干網(wǎng)、地面FSO節(jié)點(diǎn)、用戶終端及管控中心，承擔(dān)數(shù)據(jù)匯聚、用戶接入及全網(wǎng)調(diào)度功能。光纖網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定大容量骨干傳輸；地面FSO節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)天地光鏈路落地對(duì)接，適配無光纖場景高速接入；全網(wǎng)管控中心負(fù)責(zé)拓?fù)涔芾?、資源調(diào)度與故障運(yùn)維，保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮卣?/strong>

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚邆潇o態(tài)穩(wěn)定、動(dòng)態(tài)時(shí)變、異構(gòu)融合三重特征。GEO星地鏈路、地面光纖構(gòu)成靜態(tài)拓?fù)?，適配固定業(yè)務(wù)傳輸；LEO星座與無人機(jī)高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致拓?fù)涿爰?jí)更迭，形成動(dòng)態(tài)容遲網(wǎng)絡(luò)（delay tolerant network，DTN）；網(wǎng)絡(luò)融合光纖、FSO、射頻多傳輸體制，以光鏈路為主、射頻為備份，兼顧傳輸性能與網(wǎng)絡(luò)抗毀性。

2.3 典型鏈路類型

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)核心鏈路分為四類：星間光鏈路工作于真空環(huán)境，損耗低、速率高，是天基組網(wǎng)的核心；星地光鏈路穿越大氣層，受湍流、氣象衰減影響最大，是可靠性研究的重點(diǎn)；“空—空”“空—地”光鏈路適配空基動(dòng)態(tài)中繼與應(yīng)急組網(wǎng)；地面FSO鏈路用于城市、偏遠(yuǎn)站點(diǎn)短距離高速補(bǔ)盲接入?？仗斓匾惑w化光網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)如圖1所示。

圖1 空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

美國、日本以及歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在空天光通信領(lǐng)域起步早、工程化程度高，已完成多代星載、機(jī)載光通信試驗(yàn)，形成成熟的技術(shù)與工程體系。

美國國家航空航天局開展LLCD（Lunar Laser Communication Demonstration，月球激光通信演示驗(yàn)證）、LCRD（Laser Communications Relay Demonstration，激光通信中繼演示驗(yàn)證）等深空激光通信試驗(yàn)，驗(yàn)證了天地、深空光傳輸可行性[3]；美國太空探索技術(shù)公司（Space Exploration Technologies Corp.，SpaceX）的星鏈計(jì)劃大規(guī)模部署星間激光鏈路，實(shí)現(xiàn)低軌星座全域高速互聯(lián)；DARPA（Defense Advanced Research Projects Agency，美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局）深耕無人機(jī)、平流層空基光組網(wǎng)技術(shù)。

在歐洲，ESA（European Space Agency，歐洲太空署）推進(jìn)SILEX（Semiconductor Laser Inter-satellite Link Experiment?，半導(dǎo)體激光星間鏈路試驗(yàn)）、EDRS（European Data Relay System?，歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)）激光中繼項(xiàng)目，建成成熟的天地光中繼體系，廣泛服務(wù)于對(duì)地觀測、氣象遙感等業(yè)務(wù)，在相干光通信、智能調(diào)度領(lǐng)域優(yōu)勢突出[4]。在日本，JAXA（Japan Aerospace Exploration Agency，日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)）聚焦微小衛(wèi)星輕量化光終端研發(fā)，適配小型星座組網(wǎng)。整體來看，國外單點(diǎn)光鏈路技術(shù)成熟，但三層一體化協(xié)同組網(wǎng)仍處于理論探索階段。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國依托6G專項(xiàng)與重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃實(shí)現(xiàn)技術(shù)快速追趕，航天院所、重點(diǎn)高校完成一系列星載、機(jī)載激光通信試驗(yàn)，技術(shù)水平逐步進(jìn)入國際先進(jìn)行列?！澳犹?hào)”衛(wèi)星完成星地量子激光通信與密鑰分發(fā)，實(shí)現(xiàn)光通信與量子安全融合驗(yàn)證；國內(nèi)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座持續(xù)推進(jìn)星間激光鏈路部署，逐步構(gòu)建自主可控天基光骨干網(wǎng)絡(luò)。

在空基層面，國內(nèi)高校與科研單位突破無人機(jī)高速光通信、多機(jī)集群動(dòng)態(tài)組網(wǎng)技術(shù)，完成多場景“空—空”“空—地”光鏈路試驗(yàn)，支撐應(yīng)急動(dòng)態(tài)組網(wǎng)應(yīng)用。在關(guān)鍵算法層面，我國在湍流抑制、APT（Acquisition, Pointing and Tracking，捕獲、對(duì)準(zhǔn)與跟蹤）、智能路由等領(lǐng)域成果豐富，整體邁入國際先進(jìn)行列，但在高端光電器件國產(chǎn)化、長期在軌可靠性、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化方面仍存在短板[5]。

4關(guān)鍵核心技術(shù)

4.1 大氣干擾抑制技術(shù)

大氣湍流、云霧雨雪衰減、背景光噪聲是空天FSO鏈路性能劣化的重要因素。大氣湍流引發(fā)光束抖動(dòng)、光斑畸變、相位起伏，造成鏈路誤碼率升高甚至傳輸中斷；天氣衰減導(dǎo)致光功率大幅損耗；背景光噪聲降低接收信噪比。

當(dāng)前主流抑制手段包含：自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics，AO）技術(shù)通過實(shí)時(shí)相位探測與變形鏡補(bǔ)償，有效校正湍流畸變，適用于長距離星地鏈路；空間/時(shí)間/波長分集接收技術(shù)通過多路徑信號(hào)合并，低成本抑制快衰落；MIMO（multiple-input multiple-output，多輸入多輸出）光通信利用多光束空間復(fù)用提升抗擾能力與傳輸容量；1550 nm最優(yōu)波長選擇、自適應(yīng)功率控制、鏈路動(dòng)態(tài)切換可有效緩解天氣衰減影響；窄帶濾波、相干探測、高靈敏度光電探測器可顯著抑制背景噪聲。目前，單一抗擾技術(shù)各有優(yōu)劣，融合式抗擾是主流發(fā)展方向。

4.2 高精度APT技術(shù)

APT技術(shù)是空天動(dòng)態(tài)光鏈路穩(wěn)定建立的關(guān)鍵，可以解決高速運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)間的光束精確對(duì)準(zhǔn)問題。整體采用“粗捕獲—精對(duì)準(zhǔn)—高精度跟蹤”三級(jí)工作機(jī)制。“粗捕獲”通過大范圍機(jī)械掃描完成目標(biāo)初始搜索；“精對(duì)準(zhǔn)”依托微振鏡、高精度角度傳感完成光斑精準(zhǔn)耦合；跟蹤環(huán)節(jié)則融合卡爾曼濾波、軌跡預(yù)測與視覺反饋機(jī)制，對(duì)平臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)引發(fā)的動(dòng)態(tài)偏差進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

當(dāng)前技術(shù)瓶頸主要體現(xiàn)在高動(dòng)態(tài)場景下跟蹤精度不足、微振動(dòng)抑制難度大、輕量化APT設(shè)備功耗與體積難以兼顧。基于深度學(xué)習(xí)的智能跟蹤預(yù)測算法、復(fù)合軸協(xié)同控制是提升動(dòng)態(tài)適配能力的重要研究方向。

4.3 動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M網(wǎng)與智能路由技術(shù)

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)為典型的時(shí)變DTN，拓?fù)鋭?dòng)態(tài)更迭、鏈路斷續(xù)頻繁，傳統(tǒng)靜態(tài)路由無法適配?，F(xiàn)有技術(shù)以DTN存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制解決斷續(xù)鏈路傳輸難題，結(jié)合深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)智能路由算法，實(shí)時(shí)感知拓?fù)渑c鏈路狀態(tài)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化轉(zhuǎn)發(fā)路徑。同時(shí)，星地協(xié)同路由、跨層優(yōu)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)全域資源統(tǒng)籌調(diào)度，大幅提升組網(wǎng)穩(wěn)定性與資源利用率[6]。

4.4 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)

空天地光網(wǎng)絡(luò)具有光纖、FSO、射頻多傳輸體制異構(gòu)共存的特征，各類鏈路時(shí)延、帶寬、可靠性差異顯著，協(xié)議體系不統(tǒng)一，協(xié)同調(diào)度難度大。異構(gòu)融合技術(shù)主要包含統(tǒng)一接口適配、全網(wǎng)資源協(xié)同調(diào)度、智能鏈路無縫切換三部分。通過標(biāo)準(zhǔn)化異構(gòu)接口實(shí)現(xiàn)多體制信號(hào)兼容互通；依托網(wǎng)絡(luò)切片與智能資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)帶寬、功率、時(shí)隙的動(dòng)態(tài)分配；利用鏈路狀態(tài)預(yù)測實(shí)現(xiàn)光/射頻鏈路的無縫切換，保障業(yè)務(wù)連續(xù)穩(wěn)定。

4.5 輕量化全光交換與虛擬化技術(shù)

空天平臺(tái)載荷受限，傳統(tǒng)電交換時(shí)延高、集成度低，難以適配高速傳輸需求。輕量化全光交換在光域直接完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，無需光電轉(zhuǎn)換，具備低時(shí)延、大帶寬、小體積優(yōu)勢，適配星載、機(jī)載部署。光網(wǎng)絡(luò)虛擬化與切片技術(shù)可實(shí)現(xiàn)物理資源抽象重構(gòu)，為差異化業(yè)務(wù)提供專屬邏輯通道，滿足高速遙感、低時(shí)延測控、應(yīng)急通信的分層服務(wù)需求。

4.6 物理層安全與量子加密傳輸技術(shù)

光通信天然抗電磁干擾，但仍存在光束截獲、偏振欺騙、鏈路干擾等安全風(fēng)險(xiǎn)。物理層安全通過光束成形、偏振加密、相位編碼，實(shí)現(xiàn)信號(hào)低截獲傳輸；量子密鑰分發(fā)技術(shù)依托量子不可克隆特性，實(shí)現(xiàn)理論上無條件安全的密鑰分發(fā)，可大幅提升天地光傳輸?shù)谋Ｃ艿燃?jí)，在國防通信、深空涉密傳輸場景具備重要應(yīng)用價(jià)值。

4.7 輕量化低功耗集成技術(shù)

基于硅光集成、微電子機(jī)械系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical Systems?，MEMS）技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光通信終端、APT模塊的小型化低功耗集成，搭配智能休眠、動(dòng)態(tài)功率管理機(jī)制，能夠適配衛(wèi)星、無人機(jī)長期駐空在軌工作需求，是技術(shù)工程化落地的重要基礎(chǔ)。收發(fā)端關(guān)鍵部件和技術(shù)如圖2所示。

圖2 收發(fā)端關(guān)鍵部件和技術(shù)

5 現(xiàn)存技術(shù)瓶頸與工程挑戰(zhàn)

當(dāng)前空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)單點(diǎn)鏈路通信技術(shù)已基本成熟，但大規(guī)模一體化組網(wǎng)、全天候可靠傳輸與工程化落地仍存在諸多瓶頸，核心挑戰(zhàn)可歸納為以下六大類。

5.1 鏈路全天候抗擾可靠性不足

大氣環(huán)境擾動(dòng)與空間傳輸損耗是空天光鏈路可靠性不足的根本原因。星地、空地光鏈路需要穿越對(duì)流層、平流層等復(fù)雜大氣環(huán)境，大氣湍流引發(fā)的光束漂移、光斑擴(kuò)展、相位畸變及光強(qiáng)閃爍，直接造成接收端光功率隨機(jī)起伏，大幅提升系統(tǒng)誤碼率，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)瞬時(shí)鏈路中斷。現(xiàn)有自適應(yīng)光學(xué)、分集接收等抗擾技術(shù)可有效補(bǔ)償常規(guī)弱湍流場景下的鏈路損耗，但在強(qiáng)湍流、風(fēng)切變等復(fù)雜空域環(huán)境中，補(bǔ)償精度與響應(yīng)速度仍存在明顯短板。同時(shí)，雨、雪、霧、霾等惡劣天氣會(huì)對(duì)激光信號(hào)產(chǎn)生強(qiáng)烈散射與吸收效應(yīng)，造成光功率大幅衰減，現(xiàn)有功率自適應(yīng)調(diào)節(jié)、波長優(yōu)選等技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)惡劣天氣下的全天候穩(wěn)定傳輸。此外，低軌衛(wèi)星、無人機(jī)的高速運(yùn)動(dòng)將引入顯著多普勒頻移，造成光信號(hào)載波偏移、解調(diào)失真，進(jìn)一步劣化傳輸性能。長距離空間鏈路的固有傳輸損耗，也對(duì)終端發(fā)射功率、接收靈敏度提出了極高要求，現(xiàn)有商用器件性能難以兼顧遠(yuǎn)距離、高速率、高可靠性的綜合傳輸需求。

5.2 高動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M網(wǎng)穩(wěn)定性差

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于傳統(tǒng)靜態(tài)光纖網(wǎng)絡(luò)，屬于典型的高動(dòng)態(tài)時(shí)變DTN。低軌衛(wèi)星星座高速繞地運(yùn)行、空基無人機(jī)集群機(jī)動(dòng)部署，使得全網(wǎng)拓?fù)涑尸F(xiàn)秒級(jí)快速更迭特征，鏈路連通時(shí)間短、通斷狀態(tài)隨機(jī)，難以形成穩(wěn)定的端到端傳輸路徑。傳統(tǒng)固定網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議與組網(wǎng)架構(gòu)基于靜態(tài)拓?fù)湓O(shè)計(jì)，無法適配鏈路頻繁中斷、拓?fù)鋵?shí)時(shí)重構(gòu)的工作場景，極易出現(xiàn)路由失效、數(shù)據(jù)包丟失、端到端時(shí)延劇烈抖動(dòng)等問題?，F(xiàn)階段基于DTN的存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、智能強(qiáng)化學(xué)習(xí)路由算法，雖能一定程度適配動(dòng)態(tài)拓?fù)?，但仍存在全網(wǎng)協(xié)同性差、大規(guī)模組網(wǎng)收斂速度慢、冗余開銷大、極端場景容錯(cuò)能力不足等問題。同時(shí)，空天地三層節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律差異化顯著，衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)具備可預(yù)測性，而無人機(jī)機(jī)動(dòng)運(yùn)動(dòng)具備隨機(jī)性，雙層動(dòng)態(tài)特性疊加，進(jìn)一步提升了全網(wǎng)拓?fù)漕A(yù)判與穩(wěn)定組網(wǎng)的難度，網(wǎng)絡(luò)自愈與動(dòng)態(tài)重構(gòu)能力亟待進(jìn)一步加強(qiáng)。

5.3 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)跨域協(xié)同調(diào)度復(fù)雜

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)是典型的多體制異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)，整合了地面光纖、自由空間光通信、射頻無線通信三類差異化傳輸體系，不同鏈路在傳輸帶寬、時(shí)延特性、抗干擾能力、覆蓋范圍、鏈路存續(xù)時(shí)間等方面存在巨大差異。光纖鏈路高穩(wěn)定低時(shí)延、帶寬充足，但覆蓋范圍固定；FSO鏈路高速、無頻譜約束，但易受環(huán)境干擾；射頻鏈路抗遮擋、連續(xù)性好，但帶寬受限。三類傳輸體制的接口協(xié)議、幀結(jié)構(gòu)、資源調(diào)度機(jī)制不統(tǒng)一，缺乏通用適配標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致跨體制、跨層級(jí)數(shù)據(jù)互通存在壁壘。同時(shí)，現(xiàn)有資源調(diào)度策略多針對(duì)單層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，無法實(shí)現(xiàn)天基、空基、地基全域資源的統(tǒng)一調(diào)度，資源閑置與資源擁堵并存的問題突出。在鏈路切換層面，光鏈路與射頻備份鏈路的無縫切換機(jī)制不成熟，切換預(yù)判精度不足、切換時(shí)延較高，高速業(yè)務(wù)、實(shí)時(shí)測控業(yè)務(wù)易出現(xiàn)數(shù)據(jù)斷流，難以滿足高連續(xù)性、高可靠性的業(yè)務(wù)傳輸需求，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的深度融合與統(tǒng)一管控仍是當(dāng)前行業(yè)關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)。

5.4 空天平臺(tái)載荷約束嚴(yán)苛

衛(wèi)星、無人機(jī)、平流層飛艇等空天平臺(tái)對(duì)搭載設(shè)備的體積、重量、功耗（Size,Weight and Power，SWaP）存在嚴(yán)苛約束，是空天光通信工程落地的主要瓶頸之一。高精度APT組件、高速光調(diào)制解調(diào)模塊、自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償設(shè)備、全光交換單元等核心器件，體積大、功耗高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以適配小型低軌衛(wèi)星、輕型無人機(jī)的載荷限制。現(xiàn)階段硅光集成、MEMS技術(shù)雖已實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕量化升級(jí)，但高端低噪聲光放大器、高靈敏度探測器、高精度微振鏡等核心芯片與器件仍存在技術(shù)短板，部分關(guān)鍵器件依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化替代程度不足。同時(shí)，輕量化改造往往伴隨性能損耗，小型化APT設(shè)備的跟蹤精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，輕量化光模塊的傳輸速率、抗擾能力均弱于大型地面設(shè)備，難以實(shí)現(xiàn)“小型化、低功耗、高性能”的完美平衡，因此嚴(yán)重制約了空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)終端的大規(guī)模部署與長期在軌穩(wěn)定運(yùn)行。

5.5 多業(yè)務(wù)QoS保障機(jī)制不完善

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)類型存在高度差異化，涵蓋高速遙感大數(shù)據(jù)傳輸、低時(shí)延衛(wèi)星測控、應(yīng)急指揮通信、全域物聯(lián)網(wǎng)接入、民用寬帶覆蓋等多類業(yè)務(wù)。不同業(yè)務(wù)對(duì)帶寬、時(shí)延、誤碼率、傳輸可靠性的需求差異極大：遙感業(yè)務(wù)需要超大帶寬支持海量數(shù)據(jù)回傳，測控業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延與穩(wěn)定性要求極高，應(yīng)急業(yè)務(wù)優(yōu)先保障鏈路可用性。海量異構(gòu)用戶接入與差異化業(yè)務(wù)并發(fā)，極易引發(fā)網(wǎng)絡(luò)擁塞、資源分配失衡等問題。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度多采用靜態(tài)或半動(dòng)態(tài)分配策略，無法實(shí)時(shí)適配業(yè)務(wù)流量波動(dòng)與鏈路狀態(tài)變化，缺乏精細(xì)化、智能化的服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）分級(jí)保障機(jī)制。同時(shí)，針對(duì)高動(dòng)態(tài)拓?fù)鋱鼍暗膿砣刂?、流量均衡技術(shù)尚未成熟，難以實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)并發(fā)場景下的全網(wǎng)資源最優(yōu)配置，無法兼顧各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求。

5.6 標(biāo)準(zhǔn)與工程驗(yàn)證體系不健全

目前，國內(nèi)外空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)發(fā)展仍處于技術(shù)迭代與試驗(yàn)驗(yàn)證階段，尚未形成統(tǒng)一、完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系。在技術(shù)層面，星間、星地、空地光鏈路的接口協(xié)議、幀格式、同步機(jī)制、組網(wǎng)交互標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，不同廠商、不同型號(hào)的光終端設(shè)備兼容性差，難以實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)、跨星座的互聯(lián)互通。在測試驗(yàn)證層面，缺乏統(tǒng)一的性能測試指標(biāo)、環(huán)境適應(yīng)性測試規(guī)范、可靠性評(píng)估體系，各研究單位試驗(yàn)數(shù)據(jù)不具備通用性與可比性。同時(shí)，現(xiàn)有工程驗(yàn)證多為短周期、單點(diǎn)場景試驗(yàn)，針對(duì)長期在軌運(yùn)行、極端氣象環(huán)境、高強(qiáng)度動(dòng)態(tài)干擾、大規(guī)模組網(wǎng)等復(fù)雜真實(shí)場景的驗(yàn)證數(shù)據(jù)嚴(yán)重不足，無法全面支撐技術(shù)迭代與系統(tǒng)優(yōu)化，極大制約了空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；涞?。圖3為中國聯(lián)通在ITU-T牽頭制定的G.641國際標(biāo)準(zhǔn)[7]。

圖3 中國聯(lián)通在ITU-T牽頭制定的G.641國際標(biāo)準(zhǔn)

6 未來發(fā)展趨勢

針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)短板，結(jié)合前沿技術(shù)迭代趨勢，未來空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)將向智能自適應(yīng)、全域全光互聯(lián)、器件國產(chǎn)化與輕量化、星地協(xié)同應(yīng)用、量子安全融合、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化六大方向演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)從單點(diǎn)驗(yàn)證到規(guī)?；逃玫目缭?。

6.1 人工智能將賦能智能自適應(yīng)光網(wǎng)絡(luò)

傳統(tǒng)空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)依賴固定算法與被動(dòng)補(bǔ)償機(jī)制，對(duì)復(fù)雜環(huán)境、動(dòng)態(tài)拓?fù)涞倪m配能力有限，人工智能與深度學(xué)習(xí)技術(shù)的融入，將徹底重構(gòu)空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行模式。未來將基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)等算法，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)全流程智能化升級(jí)：在鏈路抗擾層面，可通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)大氣湍流、天氣衰減的動(dòng)態(tài)特征，精準(zhǔn)預(yù)測鏈路質(zhì)量變化，結(jié)合自適應(yīng)光學(xué)、分集接收，實(shí)現(xiàn)智能聯(lián)合補(bǔ)償，大幅提升復(fù)雜環(huán)境下的鏈路穩(wěn)定性；在APT層面，依托智能軌跡預(yù)測算法，補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)與微振動(dòng)帶來的對(duì)準(zhǔn)偏差，實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)場景下的高精度穩(wěn)定跟蹤；在組網(wǎng)調(diào)度層面，智能算法可實(shí)時(shí)感知全網(wǎng)拓?fù)渥兓㈡溌坟?fù)載、業(yè)務(wù)流量分布，動(dòng)態(tài)優(yōu)化路由路徑與帶寬資源分配，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈、流量均衡與擁塞智能規(guī)避。人工智能將有效破解傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)適配性差、抗擾能力弱、資源利用率低的痛點(diǎn)，構(gòu)建高魯棒、自感知、自決策、自修復(fù)的新一代智能空天光傳輸體系。

6.2 “星—空—地”全域全光組網(wǎng)演進(jìn)

當(dāng)前空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)仍存在部分光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與異構(gòu)傳輸壁壘，全網(wǎng)傳輸時(shí)延、容量與互通性受限。未來網(wǎng)絡(luò)將逐步向全域全光組網(wǎng)架構(gòu)升級(jí)，徹底打通空天地三層傳輸邊界。天基層面，GEO、MEO、LEO衛(wèi)星將全面部署高速星間全光鏈路，構(gòu)建無斷點(diǎn)天基全光骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)星座間全域高速互聯(lián)，擺脫對(duì)地面關(guān)口站的過度依賴；空基層面，無人機(jī)、平流層飛艇等機(jī)動(dòng)平臺(tái)搭載輕量化全光交換終端，形成動(dòng)態(tài)可重構(gòu)空基全光中繼網(wǎng)絡(luò)，精準(zhǔn)彌補(bǔ)地面覆蓋盲區(qū)與星地鏈路落地短板；地基層面，實(shí)現(xiàn)地面光纖骨干網(wǎng)與地面FSO節(jié)點(diǎn)的全光融合，構(gòu)建全域地面全光接入體系。全域全光組網(wǎng)可省去頻繁光電轉(zhuǎn)換的過程，大幅降低全網(wǎng)傳輸時(shí)延、提升Tbit/s級(jí)超大帶寬傳輸能力，實(shí)現(xiàn)端到端高速、高效、透明的數(shù)據(jù)傳輸，全面適配未來高清遙感、深空探測等業(yè)務(wù)需求。

6.3 核心器件輕量化與國產(chǎn)化集成升級(jí)

針對(duì)空天平臺(tái)載荷受限的核心痛點(diǎn)，未來空天光通信終端將以硅光集成、微納光學(xué)、MEMS技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)器件芯片化、設(shè)備小型化、系統(tǒng)低功耗的全方位升級(jí)。在核心器件層面，高速光調(diào)制芯片、高靈敏度探測芯片、微型光放大芯片將實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化集成替代，解決高端器件“卡脖子”問題，同時(shí)大幅縮減器件體積與功耗；在終端設(shè)備層面，傳統(tǒng)大型APT系統(tǒng)、自適應(yīng)光學(xué)補(bǔ)償設(shè)備將迭代為微型集成化模塊，在保證跟蹤精度、抗擾性能的前提下，適配輕型無人機(jī)、小型低軌衛(wèi)星的載荷約束；在功耗優(yōu)化層面，通過智能功率調(diào)控、動(dòng)態(tài)休眠機(jī)制、低功耗調(diào)制算法，結(jié)合空天平臺(tái)太陽能供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備長期穩(wěn)定低功耗運(yùn)行。核心技術(shù)的集成化升級(jí)，將徹底解決性能與載荷的矛盾，為空天光網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模組網(wǎng)提供硬件支撐。

6.4 星地深度協(xié)同場景規(guī)?；瘧?yīng)用

未來空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)將突破單層獨(dú)立工作模式，實(shí)現(xiàn)天基廣域覆蓋、空基機(jī)動(dòng)補(bǔ)盲、地基精準(zhǔn)接入的深度協(xié)同聯(lián)動(dòng)，構(gòu)建全域一體化資源調(diào)度與應(yīng)用服務(wù)體系。天基衛(wèi)星負(fù)責(zé)跨域海量數(shù)據(jù)回傳與廣域組網(wǎng)調(diào)度，空基平臺(tái)針對(duì)災(zāi)害應(yīng)急、局部監(jiān)測、偏遠(yuǎn)區(qū)域補(bǔ)盲等場景實(shí)現(xiàn)快速機(jī)動(dòng)組網(wǎng)，地基網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)用戶接入、數(shù)據(jù)匯聚與全網(wǎng)管控。三者協(xié)同可實(shí)現(xiàn)資源全局最優(yōu)配置，適配多領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用。在航天領(lǐng)域，支撐深空探測、月球基地、衛(wèi)星遙感大數(shù)據(jù)高速回傳；在民生領(lǐng)域，解決海洋、荒漠、極地等無基建區(qū)域的寬帶覆蓋，縮小“數(shù)字鴻溝”；在應(yīng)急領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)地震、洪澇等災(zāi)害場景的快速組網(wǎng)，保障應(yīng)急指揮與救援通信暢通。

6.5 量子安全與光網(wǎng)絡(luò)深度融合

空天光通信天然具備抗電磁干擾、難截獲的優(yōu)勢，但高速動(dòng)態(tài)組網(wǎng)場景下的鏈路竊聽、信號(hào)欺騙、鏈路干擾等安全風(fēng)險(xiǎn)仍不容忽視。未來將實(shí)現(xiàn)量子加密技術(shù)與光傳輸網(wǎng)絡(luò)的深度融合，構(gòu)建全方位、多層次的全域安全傳輸體系。依托星地、星間量子密鑰分發(fā)技術(shù)，利用量子不可克隆、測不準(zhǔn)原理，實(shí)現(xiàn)理論上無條件安全的密鑰加密傳輸，徹底消除傳統(tǒng)加密算法被破解的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)結(jié)合光束成形、偏振加密、相位編碼等物理層安全技術(shù)，壓縮光束擴(kuò)散范圍、規(guī)避信號(hào)截獲、抑制鏈路欺騙與干擾攻擊。通過“物理層抗干擾+量子加密”的雙重安全機(jī)制，全面提升空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的傳輸保密性、抗攻擊能力與信息安全等級(jí)，滿足涉密通信、深空探測、國防通信等高安全等級(jí)業(yè)務(wù)需求。

6.6 標(biāo)準(zhǔn)化完善與產(chǎn)業(yè)生態(tài)構(gòu)建

隨著技術(shù)逐步成熟，標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化將成為未來空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向。國內(nèi)外將加快統(tǒng)一空天光通信接口協(xié)議、鏈路同步標(biāo)準(zhǔn)、組網(wǎng)交互規(guī)范、性能測試與可靠性評(píng)估體系，破解設(shè)備兼容性差、系統(tǒng)互通性弱的行業(yè)痛點(diǎn)，形成完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。在產(chǎn)業(yè)層面，依托產(chǎn)學(xué)研協(xié)同機(jī)制，打通核心器件研發(fā)、終端設(shè)備制造、系統(tǒng)集成、場景應(yīng)用的全產(chǎn)業(yè)鏈條，突破高端光電器件、集成化終端、智能調(diào)度系統(tǒng)等核心產(chǎn)品國產(chǎn)化技術(shù)，構(gòu)建自主可控的空天光通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)。同時(shí)，通過多場景工程試驗(yàn)與長期在軌驗(yàn)證，持續(xù)迭代優(yōu)化技術(shù)方案，推動(dòng)空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)從試驗(yàn)驗(yàn)證階段全面走向商用化、規(guī)?；涞?，使其成為6G天地一體信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要支撐。

7 結(jié)論

空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)是6G全域泛在通信的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，有效突破了傳統(tǒng)通信覆蓋與帶寬瓶頸。本文系統(tǒng)闡述了網(wǎng)絡(luò)的立體架構(gòu)、拓?fù)渑c鏈路特征，梳理了國內(nèi)外研究進(jìn)展，剖析了七大關(guān)鍵核心技術(shù)，聚焦鏈路可靠性弱、動(dòng)態(tài)組網(wǎng)不穩(wěn)定、異構(gòu)協(xié)同復(fù)雜、載荷受限、QoS保障不足、標(biāo)準(zhǔn)缺失六大挑戰(zhàn)，預(yù)判網(wǎng)絡(luò)智能化、全域全光化、器件國產(chǎn)化、應(yīng)用規(guī)?；踩惑w化、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化六大發(fā)展趨勢。

當(dāng)前單點(diǎn)光鏈路技術(shù)已趨于成熟，但三層協(xié)同組網(wǎng)、智能調(diào)度、全天候可靠傳輸?shù)群诵哪芰θ杂写黄啤Ｎ磥響?yīng)重點(diǎn)攻關(guān)國產(chǎn)化核心器件、智能抗擾組網(wǎng)、跨域協(xié)同管控等技術(shù)，補(bǔ)齊技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)短板，持續(xù)推動(dòng)空天地一體化光網(wǎng)絡(luò)向智能化、高可靠、產(chǎn)業(yè)化演進(jìn)，為我國6G建設(shè)、深空探測、國防通信等領(lǐng)域提供堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐。

作者

湯瀅琪1，魏步征2，張賀2，支春龍3，孫欽棟1，宋梅4，劉曉村5

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 311000；2.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司研究院，北京 100048；3.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營事業(yè)部，北京 100053；4.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司江蘇省分公司，江蘇 南京 210008；5.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司國際有限公司 香港）