自由空間光通訊系統架構的進展：不同光學地面站網路配置的效能分析

核心概念

自由空間光通訊 (FSO) 技術具有巨大潛力，但成本和技術挑戰阻礙了其廣泛採用，特別是在地面站基礎設施方面；本文探討了小型、可攜式地面站網路作為替代方案的可行性，與傳統大型地面站相比，這些網路提供了更高的空間多樣性和彈性。

摘要

自由空間光通訊技術現況與產業生態系統

優點

• 相較於射頻系統，FSO 能夠實現更高的傳輸速率，潛在數據速率從每秒千兆位 (Gbps) 到每秒兆位 (Tbps) 不等。
• FSO 系統增強了信號安全性，因為它們具有窄波束發散性，並且不受電磁干擾的影響。
• FSO 技術無需頻率許可，從而消除了與基於衛星的射頻通信相關的監管成本和複雜性。

挑戰

• 光學系統對天氣影響高度敏感，雲層覆蓋是造成信號衰減的主要原因。
• 大氣湍流，其特徵在於折射率結構參數 (C_n²)，會隨著海拔高度而變化，對上行鏈路和下行鏈路的影響不同，並導致光束漂移，從而增加上行鏈路的誤碼率 (BER)。
• FSO 系統比射頻系統需要更高的指向精度，通常需要使用角分辨率在微弧度範圍內的雲台進行粗略指向。
• 光學元件的材料、製造工藝和專用設備的成本和可用性可能相當高，而且高檔元件價格昂貴。

緩解策略

• 實時表徵大氣對光鏈路的影響，可以預測鏈路中斷。
• 在特定波長窗口（850 納米、1060 納米、1250 納米和 1550 納米）內運行，可以將衰減降低至 0.2 dB/km 以下。
• 自適應光學技術可以減輕大氣湍流的影響。
• 調整接收器的直徑有助於減輕由大氣湍流引起的強度波動和接收光降解。
• 結合 FSO 和射頻系統的混合配置增強了通信能力和靈活性。
• 地面站通常位於天文望遠鏡站點或附近，這些站點具有良好的環境，可以最大程度地減少由於雲層覆蓋而導致的鏈路中斷。
• 地面站站點的空間多樣性通過減少所有地面站同時受到雲層影響的可能性，顯著提高了網路可用性。
• 相干調製技術可以顯著提高數據速率。
• 前向糾錯碼（如 Reed-Solomon 編碼）通常用於衛星電信，並且在中度到強烈的大氣湍流下（誤碼率增加）可以有效地檢測和糾正錯誤。
• 降低成本、改進製造技術以及對關鍵光學元件（如透鏡）進行質量控制方面的行業進步，顯著提高了 FSO 系統的性能和可靠性。

衛星自由空間光通訊產業生態系統現況

• 地球觀測：主要依賴於 LEO-GEO 星間鏈路數據中繼系統，例如 EDRS。光學下行鏈路仍在開發中，Skyloom 的 Sky-Compass、ESA 的 HydRON 網路、WARPSPACE 和吉林一號星座等新興技術預計將在未來的地球觀測基礎設施中發揮關鍵作用。
• 衛星通訊：Hellas Sat 5 是唯一公開宣傳的採用空間對地光纖饋線的 GEO 電信衛星。OISL 網狀網路在巨型星座上的技術日趨成熟，運營商越來越多地採用空間對空間數據中繼。
• 量子密鑰分發 (QKD)：重點從現有任務轉移到立方體衛星作為技術演示的一種方式。中國的 QLD 星座和 EAGLE-1 等更大的項目正在進行中。
• 現有光學地面站網路：ESA 的 EONN、NODES、NASA 的 JPL、DLR、ASA OGS、NICT、澳大利亞航天局、中國科學院國家天文台興隆站。
• 光學地面站的商業化：小型地面站市場的主要參與者包括 Archangel Lightworks、Mynaric、Astrolight 和 Cailabs。大型地面站系統通常具有大於 1 米的孔徑尺寸，開發和運營成本高昂。

網路模擬方法

• 衛星軌跡建模：使用軌道參數（在雙行根數 (TLE) 文件中定義）對衛星的軌跡進行建模。
• 雲層覆蓋和湍流建模：利用 EUMETSAT 的雲層覆蓋數據和 James Osborne 博士提供的全球湍流強度圖。
• 數據吞吐量分析：考慮衛星通道、環境條件和物理系統參數，量化從衛星傳輸到地面站的數據總量。

研究結果

• 本文比較了單個大型地面站和分佈在歐洲的多達六個較小型移動地面站的鏈路性能和網路可用性，這些地面站與小型 LEO 遙感衛星配合使用。
• 研究結果為 FSO 行業利益相關者提供了基於證據的見解和建議，幫助他們評估小型地面站如何重塑未來的通信格局。

統計資料

光學系統的潛在數據速率範圍為每秒千兆位 (Gbps) 到每秒兆位 (Tbps)。
射頻系統的典型數據速率範圍為每秒千比特 (Kbps) 到每秒千兆位 (Gbps)。
大多數商用 FSO 系統都在 850 納米、1060 納米、1250 納米和 1550 納米的特定波長窗口內運行。
使用 Reed-Solomon 編碼（開銷為 50%），可以實現 10-9 的誤碼率。
小型地面站的成本約為數千美元。
大型地面站的成本估計約為每個站點 200 萬美元，範圍為 100 萬至 500 萬美元。
大型地面站的維護和運營成本平均每個站點約為 80 萬美元。
EUMETSAT 雲層覆蓋數據的空間分辨率為 3 公里 x 3 公里，時間分辨率為 15 分鐘。
湍流強度數據的空間分辨率約為 10 公里，時間分辨率為 3 小時。

引述

“目前，空間對空間光鏈路市場提供的機會遠遠大於空間對地部分，因為後者的技術成熟度和商業可行性有限。”
“下一代空間對地光通信網路的設計必須最大限度地提高整體數據吞吐量和系統可用性，同時保持採購和運營成本的可承受性。”
“為了促進小型或便攜式地面站的廣泛採用，必須與大型傳統系統相比，定量評估其整體性能，從而評估其對 FSO 格局的真正附加值。”

從以下內容提煉的關鍵洞見

Advancing Free-Space Optical Communication System Architecture: Performance Analysis of Varied Optical Ground Station Network Configurations

by Eugene Rothe... 於 arxiv.org 11-01-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.23470.pdf

深入探究

隨著 FSO 技術的不斷發展，我們如何才能有效地解決與大氣條件相關的剩餘挑戰，並確保在空間對地通信中實現可靠和穩健的鏈路？

為了確保空間對地自由空間光通信 (FSO) 的可靠性和穩健性，即使在大氣條件不理想的情況下，以下方法至關重要：

優化站點選擇： 通過選擇具有良好天氣模式、雲層覆蓋率低和空氣湍流最小化的地點，可以顯著提高 FSO 鏈路的可用性。高海拔地區通常更有利，因為它們可以最大限度地減少大氣效應。

建立地面站網路： 通過在地理上分散的地點部署多個地面站，可以減輕單個站點因雲層覆蓋而導致中斷的影響。當一個地面站不可用時，網路可以切換到另一個具有清晰視線的地面站，從而確保連續覆蓋。

利用自適應光學： 自適應光學系統可以實時補償大氣湍流引起的波前畸變。這些系統通常使用波前感測器來測量畸變，並使用可變形鏡來校正光束，從而提高鏈路性能和可靠性。

混合 RF/FSO 系統： 結合 FSO 和射頻 (RF) 通信的混合系統可以提供增強的可靠性。在 FSO 鏈路受到大氣條件嚴重影響的時期，系統可以切換到 RF 鏈路，確保不間斷的連接。

先進的調製和編碼技術： 使用先進的調製方案（如相移鍵控 (PSK) 或正交幅度調製 (QAM)）可以提高數據速率並提高 FSO 鏈路的可靠性。此外，採用糾錯碼可以減輕大氣衰減和湍流的影響。

通過實施這些策略，可以有效地解決與大氣條件相關的挑戰，並為空間對地通信建立可靠且穩健的 FSO 鏈路。

雖然小型、可攜式地面站網路提供了優勢，但僅依靠這些網路是否會限制數據速率和整體網路性能，特別是在需要高带宽的應用中？

是的，僅依靠小型、可攜式地面站網路可能會限制數據速率和整體網路性能，特別是在需要高带宽的應用中。這是由於以下因素造成的：

孔徑尺寸： 小型地面站通常具有較小的望遠鏡孔徑，這會限制它們的光收集能力。較小的孔徑會導致接收信號較弱，從而導致數據速率較低或需要更高的發射功率來維持相同的數據速率。

指向精度： 小型地面站可能具有與較大型地面站相比指向精度較低的指向和跟踪系統。這種精度降低會導致指向損耗增加和數據速率降低，尤其是在長距離或大氣湍流存在的情況下。

處理能力： 可攜式地面站可能具有有限的處理能力，這可能會影響它們處理高速數據的能力，尤其是在使用先進的調製或編碼方案時。

網路容量： 僅依靠小型地面站的網路可能具有有限的網路容量，這可能會導致擁塞和數據速率降低，尤其是在多個地面站同時傳輸數據時。

然而，小型、可攜式地面站網路在某些應用中仍然可以提供優勢，例如：

靈活性和可移植性： 小型地面站可以快速部署到遠程或難以到達的地區，使其適用於需要機動性和靈活性的應用。

成本效益： 小型地面站通常比大型地面站更具成本效益，使其成為預算有限的組織或應用的有吸引力的選擇。

冗餘和彈性： 小型地面站網路可以提供冗餘和彈性，因為如果一個地面站發生故障，其他地面站可以接管其功能。

總之，雖然僅依靠小型、可攜式地面站網路可能會限制數據速率和整體網路性能，尤其是在需要高带宽的應用中，但它們在某些情況下仍然可以提供優勢。最終決定將取決於具體的應用要求和約束條件。

FSO 通信的進步如何促進我們探索和理解宇宙的能力，推動科學發現和對太陽系及其他地區的探索？

FSO 通信的進步為我們探索和理解宇宙提供了前所未有的能力，推動了科學發現和對太陽系及其他地區的探索。以下是 FSO 如何徹底改變太空探索的一些方法：

高數據速率： 與基於射頻的通信相比，FSO 能夠以更高的數據速率傳輸數據。這種增強的带宽允許從航天器傳輸大量科學數據，包括高分辨率圖像、視頻和光譜數據，從而實現對遙遠天體和現象的更深入分析。

減少延遲： FSO 鏈路表現出比射頻通信更低的延遲，這對於需要實時數據傳輸的任務至關重要，例如對快速移動的物體或需要快速決策的機器人探索的觀測。

增強的靈敏度： FSO 系統可以檢測到微弱的信號，從而能夠與距離地球更遠或發射功率有限的航天器進行通信。這種增強的靈敏度擴展了我們探索太陽系的範圍，並允許與星際探測器進行通信。

小型化和集成： FSO 系統的進步導致了更小、更輕的組件的開發，這些組件可以輕鬆集成到航天器中。這種小型化降低了任務成本和複雜性，使更頻繁地發射和部署 FSO 使能的航天器成為可能。

光通信和數據中繼： FSO 鏈路可用於在航天器之間建立高速數據中繼網路，從而能夠在整個太陽系中高效地傳輸數據。這對於支持載人火星任務或建立月球基地等雄心勃勃的任務至關重要。

總之，FSO 通信的進步正在徹底改變我們探索和理解宇宙的方式。通過實現更高的數據速率、減少延遲和增強的靈敏度，FSO 使我們能夠收集更多關於遙遠天體的信息，並將我們的探索範圍擴展到太陽系及其他地區。隨著 FSO 技術的進步，我們可以期待在未來幾年和幾十年內取得更多開創性的發現和探索。