我国通信领域大事件！6G时代要被它 “弯道超车”？

摘要：由中国科学院空天信息创新研究院独立研制的 500 毫米口径激光通信地面系统在帕米尔高原成功建成，并步入常态化运行阶段。

近期，我国通信领域发生了一件重大事件，不知大家是否有所关注？

由中国科学院空天信息创新研究院独立研制的 500 毫米口径激光通信地面系统在帕米尔高原成功建成，并步入常态化运行阶段。

此乃我国首个投入业务化运行的星地激光通信地面站。

500 毫米口径激光通信地面系统在帕米尔高原成功建成

对于不太熟悉通信领域的朋友而言，可能会感到困惑，激光通信究竟是什么呢？我们不是还在使用 5G 吗？难道下一代通信跳过 6G 直接迈入激光通信时代了？

今天，我们就来深入探讨一下激光通信。

简而言之，激光通信是一种借助激光束在两点之间传输数据的技术。

这有点类似于我们小时候玩的土电话，只不过土电话是通过机械振动来传输数据，而激光通信则利用光波。

激光通信

相比之下，我们日常通信所使用的 wifi、蜂窝网络等都是以无线电波作为载体。

与无线电波相比，激光通信所使用的光波频谱极广，频率可达太赫兹级别，能够实现极高的传输速率，支持海量数据传输，点对点速度快且带宽大，这恰恰是星地通信所迫切需要的。

可能有朋友会好奇，既然激光通信如此强大，为何不应用于日常通信呢？这是因为激光通信用的是光波，波长一般在几百纳米到几微米之间。

波长越短，在遇到障碍物时就越容易被吸收、反射或散射。

而我们日常通信所处的环境极为复杂，在这种情况下，波长更长、信号能够通过衍射、反射和散射绕过障碍物的无线电波反而效果更好。

当然，从我们日常通信产生的数据量以及部署成本来看，将激光通信用于日常通信也并不划算。

目前，激光通信主要应用于星地和星际通信。

在帕米尔高原星地激光通信地面站建成之前，我国卫星数据接收只能依靠微波地面站。

微波地面站

微波通信是一种通过微波频段的电磁波来传输信息的通信方式，也是星际之间主要的通信方式。

这是为什么呢？因为微波能够穿透云层、雨雪，非常适合星际之间全天候通信。由于具有覆盖范围广、穿透能力强、抗干扰性好等优点，微波通信被广泛应用于各个领域，我们生活中的卫星电视、卫星导航、移动通信、气象预报等都离不开它。

既然微波通信有如此多的优点，为何还要让激光通信上位呢？

主要原因是微波通信的能力逐渐无法满足卫星通信的需求。

这就如同我们从 3G 升级到 4G、5G 一样。

想象一下，如果不升级，我们刷视频就会很卡顿。

用激光通信代替微波通信也是同样的道理。

随着卫星技术的发展，卫星上的成像传感器、雷达系统和光谱分析仪等设备的分辨率和精度不断提高，这意味着需要传输的数据量越来越大。

以美国国家航空航天局 1972 年发射的遥感卫星陆地卫星一号为例，当时卫星上搭载的多光谱扫描仪的空间分辨率为 80 米。空间分辨率是指图像上可以检测的最小单元的大小，空间分辨率的值越小，图像中的细节就越多。

陆地卫星一号一次成像大约生成 80KB 的图像文件，每天能捕捉数百幅图像，总数据量不到几十兆字节。而 2013 年发射的陆地卫星八号搭载了陆地成像仪和热红外传感器，空间分辨率升级为 15 米，每天产生的数据量超过 700GB。

现在卫星每天生成的数据量一般为几百 GB 到数 TB。这个数据量的变化对于微波通信意味着什么呢？我们可以简单换算一下，常用的微波频段有 X 波段，带宽通常为 500 兆赫兹左右；KU 波段，带宽可以达到 1G 赫兹；KA 波段，带宽可以达到 2 至 4G 赫兹。

如果用 X 波段进行数据传输，假设传输速率为 100 兆比特每秒，那么传输 50 兆的数据大概只需要 4 秒，足以应对陆地卫星一号的几十兆的数据。

而现在即使用传输速度为1000兆比特每秒的高频ka波段传输陆地卫星八号的 70GB 的数据，也得花超过一个半小时。

考虑到卫星运行和地面通信的时间窗口是有限的，这个时间极大地影响了数据传输的有效性。而且在长距离的星际通信中，微波通信很容易出现信号衰减，特别是在传输大数据量时，信号衰减更为严重。

当然，也有传输速率更快的波段，比如微波段以及毫米波段，传输速率可能达到 10 千兆比特每秒至 20 千兆比特每秒，甚至更高。

不过这些波段波长较短，更适合短距离通信。

所以说，微波通信已经无法满足现代卫星通信的需求了，激光通信无疑是目前更好的选择。这是为什么呢？

因为微波通信的短板正好是激光通信的长板。

前面我们提到激光通信使用的是光波频率，在太赫兹范围频谱资源非常丰富。这就意味着和微波通信相比，激光通信的带宽可以提升数十倍甚至数千倍，足以满足目前海量数据的星地通信需求。

激光具有高度定向性，在传播过程中几乎不会发散，所以信号的强度和质量都非常稳定。

激光具有高度定向性

在进行远距离数据传输时，不需要频繁中继或者放大信号。

另外，由于激光通信使用的频率远高于无线电波，所以在这个频段电磁环境非常干净，几乎没有其他设备在同一频段中工作。也就是说，激光通信不容易受到其他电磁波源的干扰，信号更为清晰稳定。这就好比大马路上只有你一辆汽车，路况自然就非常简单了。除此之外，激光通信还有低延迟、可以并行数据传输等特性，这些特性让激光通信在卫星通信、深空探测等需要高速大数据量传输的场景中具有很大潜力。

当然，没有任何技术是完美的，激光通信的缺点也很明显。

我们前面提到了，由于光波的波长非常短，很容易被吸收、反射或散射，所以激光通信很容易受天气影响，多云、雨雪以及大气湍流都会影响激光通信的质量。这也是为什么我们首个星际激光通信地面站会选址在帕米尔高原。

帕米尔高原地区平均海拔高，气候干燥，通信站所在的塔格峰区域大气条件良好，湿凝度非常好，而且干燥少雨，全年均可以开展星地激光通信任务。

为了建成帕米尔高原星地激光通信地面站，我国的科研人员付出了巨大努力，实现了许多突破。

比如，为了解决激光通信容易受天气影响的问题，中国科学院空天信息创新研究院开发了自适应光学校正技术，能够实时修正大气湍流带来的信号畸变，从而确保在不良气象条件下仍然可以维持高质量的数据传输。

中国科学院空天信息创新研究院的科研人员还突破了激光通信不能见光的障碍。

此前，激光通信一般都是在晚上进行，因为白天太阳光带来的强背景光会给激光通信造成严重干扰，这种光噪声会显著降低接收设备的信噪比，导致通信不稳定或者中断。

科研人员攻克了这一难题，实现了全天候的通信，将星际激光通信的可用时段延长了将近一倍。