卫星通信传统上依靠射频(RF)信号。这些信号容易受到黑客攻击，存在单点故障(SPOF)风险，而且数据速率难以满足未来的需求。本文将探讨以激光为基础的卫星通信，其目标就在于解决这些缺点。
当今互联网的根源可追溯到阿帕网(ARPANET)，该网络早在20世纪60年代即由美国国防部(DoD)的一个分支ARPA资助，其后发展为美国国防高级研究计划局(DARPA)，现正率先开发基于激光卫星通信的下一代通信系统(见图1)。这个系统被称为天基自适应通信节点(Space-BACN)，最初计划用于军事用途，但除此之外还有更深远的商业应用。
图1：基于卫星的激光通信网络。(来源：DARPA)
基于激光的卫星通信具有诸多优点：
Space-BACN的目标在于拥有低成本、可重新配置的光通信终端，最初放置在低地球轨道(LEO)卫星上。这种被称为1003的光终端主要目标如下：
这些目标是为了使这些终端在大多数卫星系统上得到普遍应用。主要的卫星通信公司如亚马逊(Amazon)和SpaceX，现已计划将这些光学收发器纳入其未来卫星星座。
可重新配置能力是一项关键要求。目前，卫星星座允许存在彼此不兼容的专有通信协议。通过Space-BACN，卫星可在属于不同营运商的星座之间传输数据，也可能在不同轨道上传输。这种成体系系统(system-of-systems)的方法允许跨越各种地形的低延迟数据传输，容易被窃听地区的地面天线可以被绕过。星间链路(OISL)创建了一个卫星网络，使天基互联网与地面互联网一样具有弹性。
如图2所示，Space-BACN需要解决三个技术领域(TA)：
图2：Space-BACN计划中的3个技术领域。
让我们更详细地看看这些技术及其计划中的一些解决方案。
专门从事激光通信产品的Mynaric，针对TA1光学孔径部分进行开发。该公司现有的产品如Condor MK3光通信终端(如图3所示)，可以放在LEO卫星上。它是为了在各种轨道上进行平面内和跨平面的卫星间连接，以及太空-太空、太空-大气或太空-地面通信。它支持高达10,000公里的链路距离以及高达100Gbps的灵活数据率。
图3：Mynaric Condor MK3光通信终端。
LEO的飞行速度约为7.8 km/s。狭窄的激光束需要极高的精度，以便能够将光束指向目标，大量的技术开发都集中在这一点上。Mynaric使用马达驱动的透镜和倾斜镜系统，可将激光的轨迹调整仅仅5720万分之一度。
位于爱尔兰的mBryonics则是另一家从事TA1研发的公司。他们采用电子信号来改变光的相位，从而细微地调整光束方向。基于单模相干光纤的孔径的另一挑战是对进入该单模光纤的光子进行检测和聚焦。mBryonics计划使用复杂的曲面，将光子重定向到一个聚焦装置，然后将其送入光纤。这必须跨越太空中可能存在的巨大热和振动波动来运作。
但即使有了这些精确的调整，也很难获得直接命中，这可以采用盲目搜索模式等方法。成功接收后进行握手协议，然后再加以链接。
CACI致力于一系列的信息技术，并已经开发了基于FSOC的激光终端，称为紧凑型卫星间通信和数据链接(CICADA)。CACI的FSOC系统计划的一些应用包括Orion Artemis II月球任务，将用于为绕月轨道上的宇宙飞船展示宽带数据能力。
英特尔(Intel)则在研究能够满足Space-BACN对于<100W功耗要求的低功耗处理器。在所需的数据处理速度下实现这一点是相当具挑战性的，为此可以采用许多小芯片(chiplet)的途径。
据估计，未来十年将发射到太空的LEO卫星数量可能将达到数千个。OISL以及使用人工智能(AI)的智能路由工具，可以将卫星群转化为一个智能网状网络，使其具有弹性和高效率。Space-BACN预期的低成本、高数据率和“多语言”终端，可以在LEO星座营运商使用的各种不同协议之间进行通信，从而作为创建下一代天基互联网的推动力。
(原文刊登于EDN姊妹网站EEWeb，参考链接：Lasers-based satellite communication，由Susan Hong编译。)
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