1565
低空經(jīng)濟(jì)作為新興產(chǎn)業(yè)，對網(wǎng)絡(luò)的需求存在諸多不確定性。低空網(wǎng)絡(luò)作為新型基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，對低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有不可估量的重要性。為滿足未來空間智能體互聯(lián)等新興業(yè)務(wù)的通信需求，低空網(wǎng)絡(luò)應(yīng)與地面固定通信網(wǎng)絡(luò)以及空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合，構(gòu)建起立體化、多層次的廣域骨干通信網(wǎng)絡(luò)，推動(dòng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)從“面向人”覆蓋向“面向物”覆蓋轉(zhuǎn)變，為用戶的各類應(yīng)用提供全域寬帶連接支持。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)SO（Free Space Optical Communica tions，自由空間光通信）將在未來通信網(wǎng)絡(luò)中扮演更為重要的角色。FSO因在高速率、低時(shí)延和高安全性等方面具備優(yōu)勢，目前已成為業(yè)界公認(rèn)的可增強(qiáng)衛(wèi)星間通信能力的互聯(lián)方案。此外，F(xiàn)SO能夠?qū)崿F(xiàn)不受傳輸介質(zhì)限制的靈活部署，在真空和大氣等自由空間中傳遞信息。面向太空、大氣層、地面三個(gè)空間維度，F(xiàn)SO既可作為微波通信的增強(qiáng)技術(shù)，也可作為地面光纖通信的補(bǔ)充技術(shù)。在太空和大氣層，以及與地面的互聯(lián)場景中，相較于微波通信，F(xiàn)SO能進(jìn)一步提升數(shù)據(jù)傳輸能力，提供更大帶寬和更高保密性。在地面場景下，F(xiàn)SO能在地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的情況下，靈活提供通信能力。
本文首先對低空網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了低空網(wǎng)絡(luò)的多種應(yīng)用場景以及面臨的挑戰(zhàn)。其次闡述了FSO的基本原理、發(fā)展現(xiàn)狀、具備的優(yōu)勢，以及通信感知一體化技術(shù)。最后針對低空網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，結(jié)合FSO的獨(dú)特優(yōu)勢，提出了基于FSO的空天地一體組網(wǎng)方案，并探討了FSO未來的發(fā)展趨勢，期望為未來低空網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供一些有價(jià)值的建議。
01、低空網(wǎng)絡(luò)概述
低空網(wǎng)絡(luò)簡介
低空通常指距離地面垂直高度不超過3000米的空域范 圍。這片空域與地面距離較近，氣流穩(wěn)定，且不受中高空飛行器的干擾，因此成為許多飛行器活動(dòng)的理想?yún)^(qū)域。低空領(lǐng)域的飛行器不僅有無人機(jī)、無人飛行汽車，還包括有人駕駛的航空器，例如直升機(jī)、小型飛機(jī)等。
低空網(wǎng)絡(luò)是依托蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建的一個(gè)集通信、感知、計(jì)算于一體的智能互聯(lián)低空服務(wù)體系，該體系被視為低空經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基石。當(dāng)下，5G等新一代信息通信技術(shù)為低空網(wǎng)絡(luò)提供了強(qiáng)大的通信支持。作為5G網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)和增強(qiáng)版本，5G-A是5G向6G演進(jìn)的關(guān)鍵階段，其在繼承5G高速率、低時(shí)延、大連接等核心優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，集成了通信感知一體化、空天地一體化、通算智一體等多項(xiàng)革命性新技術(shù)，進(jìn)一步提升了網(wǎng)絡(luò)性能，拓展了應(yīng)用場景，成為推動(dòng)無人機(jī)等低空飛行器乃至整個(gè)低空監(jiān)管生態(tài)系統(tǒng)向智能化、安全化、高效化發(fā)展的核心動(dòng)力。
然而，如同任何新技術(shù)的推廣過程一樣，5G-A技術(shù)在低空網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。首先，5G-A技術(shù)的部署和運(yùn)營成本高昂，這一問題不可回避。作為前沿技術(shù)，5G-A的組網(wǎng)需要大量建設(shè)基站、數(shù)據(jù)中心等基礎(chǔ)設(shè)施。其次，為確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，還需要持續(xù)投入資金用于設(shè)備維護(hù)、電力消耗以及網(wǎng)絡(luò)安全保障等方面。此外，低空網(wǎng)絡(luò)的持續(xù)發(fā)展，將帶來更加復(fù)雜和多樣化的通信需求。
低空應(yīng)用場景
5G-A通過整合通信、感知和智算技術(shù)，為低空物流、應(yīng)急救援、環(huán)境監(jiān)測與治理、農(nóng)林植保、測繪勘探及管線巡檢等場景提供全方位支持。
在低空物流方面，低空網(wǎng)絡(luò)能夠突破地理環(huán)境的制約，讓無人機(jī)等低空飛行器開展快速且精確的貨物運(yùn)輸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高效率和低成本的配送服務(wù)。
在應(yīng)急救援方面，低空網(wǎng)絡(luò)能在各類場景中發(fā)揮重要作用，特別是在緊急情況下，能夠提供快速、可靠的通信服務(wù)。借助無人機(jī)和直升機(jī)等低空飛行器，可在受災(zāi)區(qū)域迅速部署通信網(wǎng)絡(luò)，為救援工作及時(shí)提供通信支持，并且還能與衛(wèi)星通信、地面通信系統(tǒng)協(xié)同配合，構(gòu)建空天地立體化、多層次的通信應(yīng)急保障體系。
在環(huán)境監(jiān)測與治理方面，通過低空網(wǎng)絡(luò)，低空飛行器可應(yīng)用于水域環(huán)境的監(jiān)測和治理工作，如水污染監(jiān)測、生物多樣性保護(hù)等。通過搭載水質(zhì)檢測儀、生物識(shí)別系統(tǒng)等設(shè)備，低空飛行器可以遠(yuǎn)程監(jiān)測水域環(huán)境的變化情況，為相關(guān)部門提供執(zhí)法依據(jù)。
在農(nóng)林植保領(lǐng)域，無人機(jī)使用其搭載的傳感器和攝像頭，可以實(shí)時(shí)采集農(nóng)田數(shù)據(jù)，監(jiān)測農(nóng)作物的生長態(tài)勢和病蟲害的發(fā)生情況。這些數(shù)據(jù)可用于指導(dǎo)精準(zhǔn)施藥，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定量噴灑，進(jìn)而提升農(nóng)藥使用的效果，降低農(nóng)藥對環(huán)境的影響。
在測繪勘探及管線巡檢方面，無人機(jī)依托低空網(wǎng)絡(luò)，能夠協(xié)助勘察設(shè)計(jì)人員開展勘察、航拍攝影等工作。無人機(jī)可以迅速到達(dá)指定區(qū)域上空，采集現(xiàn)場圖片和視頻，為勘察設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。與此同時(shí)，無人機(jī)還能幫助維護(hù)人員進(jìn)行常規(guī)管線巡檢，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障。
低空網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)
盡管低空網(wǎng)絡(luò)有著豐富的應(yīng)用場景和廣闊的發(fā)展前景，但仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。
一是廣域覆蓋挑戰(zhàn)。當(dāng)前移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)地面用戶，其網(wǎng)絡(luò)部署和組網(wǎng)形式以地面場景覆蓋為主，難以有效實(shí)現(xiàn)立體空間的廣域連續(xù)覆蓋，已覆蓋區(qū)域呈現(xiàn)碎片化狀態(tài)。
二是網(wǎng)絡(luò)干擾挑戰(zhàn)。若低空網(wǎng)絡(luò)與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)同頻部署，地面基站的上旁瓣就會(huì)對低空用戶產(chǎn)生下行干擾；此外，低空用戶的上行發(fā)射也會(huì)對地面用戶造成上行干擾。因此，低空網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備強(qiáng)大的干擾檢測與消除能力，以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。
三是空口資源分配挑戰(zhàn)。在無線電頻譜資源愈發(fā)稀缺的背景下，如何在不增加空口資源的前提下實(shí)現(xiàn)空天地一體網(wǎng)絡(luò)，將二維網(wǎng)絡(luò)空間拓展到三維，成為亟待研究的問題，這其中涵蓋空天地融合調(diào)度優(yōu)化、空天地業(yè)務(wù)協(xié)同等。
四是大帶寬與低時(shí)延通信挑戰(zhàn)。低空應(yīng)用存在高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。無人機(jī)傳輸?shù)囊曨l、圖像和傳感器數(shù)據(jù)量龐大，需要大帶寬予以支 持。同時(shí)，一些場景（如 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控、遠(yuǎn) 程 航 控 等）對時(shí)延的要求也極 為嚴(yán)格。
五是網(wǎng)絡(luò)信息安全挑戰(zhàn)。低空網(wǎng)絡(luò)在信息傳輸層面同樣面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。具體而言，低空用戶在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，有可能遭遇惡意攻擊，導(dǎo)致信息泄露或被竊取。同時(shí)，低空飛行器在飛行過程中可能捕捉到敏感信息，怎樣保護(hù)這些信息不被非法竊取，成為低空網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵問題。
02、FSO概述
FSO基本原理
光通信包括有線光通信和無線光通信，其中有線光通信指的是光纖通信，無線光通信也被稱作光無線通信或FSO。FSO融合了光通信技術(shù)和無線通信技術(shù)，以光波作為載波，把大氣、水等當(dāng)作信道來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)建起“空空”“空天地”“地地”“星地”“星間”等完整的組網(wǎng)通信系統(tǒng)。FSO系統(tǒng)主要由發(fā)射系統(tǒng)、信道與接收系統(tǒng)構(gòu)成（如圖1所示）。
FSO系統(tǒng)框架
FSO的基本原理是信息的電信號通過調(diào)制加載到光信號上，收發(fā)兩端通過“捕獲-對準(zhǔn)-跟蹤”技術(shù)（APT）建立通信鏈路，以光波為載波在自由空間信道中傳輸信息。FSO技術(shù)兼具無線通信和光纖通信的優(yōu)勢，具有通信速率高、傳輸容量大、安全性好、波段范圍廣等特點(diǎn)，并且終端設(shè)備體積小、重量輕、能耗低、安裝簡便，可以根據(jù)需要快速部署，在民用和軍事領(lǐng)域都具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
FSO現(xiàn)狀及優(yōu)勢
在20世紀(jì)80年代，F(xiàn)SO技術(shù)便引起了人們的關(guān)注。然而，由于當(dāng)時(shí)的技術(shù)尚不成熟，加之大氣信道光傳輸存在不穩(wěn)定性等因素，使FSO的傳輸距離和信號質(zhì)量受到限制，阻礙了FSO的進(jìn)一步發(fā)展。隨著時(shí)間的推移，光纖技術(shù)不斷成熟，促使光纖通信得以快速發(fā)展并廣泛應(yīng)用，而FSO技術(shù)則逐漸淡出人們的視野。不過，近年來，隨著大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)的成熟、骨干網(wǎng)的建成，以及“最后一公里”問題的出現(xiàn)，F(xiàn)SO技術(shù)的研究再度受到重視。
FSO主要具備四大優(yōu)勢。一是頻率高、頻帶寬、承載信息 容量大，而且無需頻率許可證，頻率資源豐富。二是抗電磁干擾能力與截獲能力強(qiáng)。三是保密性好，具有較好的方向性。四是天線尺寸較小，功耗和成本低，以大氣作為信號傳播的媒介，省去了光纜鋪設(shè)及維護(hù)工作。
目前FSO主要扮演兩個(gè)角色：一是作為微波通信的增強(qiáng)手段，二是作為地面光纖通信的補(bǔ)充。其主要應(yīng)用場景涵蓋衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)傳輸、航空器通信、機(jī)載應(yīng)急通信和地面通信等空天地一體的立體廣域覆蓋場景。
FSO立體空間網(wǎng)絡(luò)體系
FSO能夠?yàn)楹娇掌?、無人機(jī)、高空飛艇等提供高速、安全的通信鏈路。各類航天器通常各自組網(wǎng)，不同網(wǎng)絡(luò)之間能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)。機(jī)載應(yīng)急通信可通過無人機(jī)攜帶一體化小型基站，該基站包括輕小型激光通信終端及射頻模塊等；而在地面，正常運(yùn)行的機(jī)房同樣配備激光通信終端。利用無人機(jī)和機(jī)房的激光通信終端，可建立大帶寬通信鏈路，從而為災(zāi)區(qū)提供通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。與之類似，F(xiàn)SO在其他低空場景中均具備潛在的應(yīng)用價(jià)值。
通感一體
通信感知一體化技術(shù)使得系統(tǒng)同時(shí)擁有通信能力和高精度感知能力，具備提升系統(tǒng)頻譜效率、提高硬件資源利用率、降低應(yīng)用成本等特點(diǎn)。作為6G技術(shù)發(fā)展的潛在關(guān)鍵使能技術(shù)之一，通信感知一體化技術(shù)為移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)賦予了新功能，如測距、測速、定位、目標(biāo)成像和識(shí)別等，以滿足智慧交通、無人機(jī)監(jiān)控、自動(dòng)駕駛環(huán)境感知、人機(jī)交互等智能化場景的新需求。
FSO同樣具備感知能力，光譜的大帶寬、視距 傳輸、無射頻干擾、高能量效率等特性，為未來6G應(yīng)用場景提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和廣闊的想象空間。光波段擁有取之不盡的頻譜資源，可同時(shí)用于通信和感知。光具有亞微米級波長和高指向性，適用于超高精度感知和電磁敏感場景。光無線通感技術(shù)可以自然地融入已有的照明系統(tǒng)，屆時(shí)，每一盞燈、每一個(gè)屏幕都可以成為未來6G光無線通感系統(tǒng)的一部分。作為未來6G主要應(yīng)用場景之一，光無線通感系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)超大帶寬與超低時(shí)延通信、超高精度感知，以及低能耗、高私密性等方面，具有很大潛力。
03、基于FSO的空天地一體組網(wǎng)方案
組網(wǎng)架構(gòu)
鑒于光波段與射頻波段存在驚人的相似性，且光器件技術(shù)日漸成熟，為FSO應(yīng)用于低空網(wǎng)絡(luò)等通信領(lǐng)域，提供了極大的可能性。FSO具備其他通信方式所不具有的優(yōu)勢，能夠很好地應(yīng)對低空網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)。因此，基于FSO的空天地一體化組網(wǎng)有望為未來低空網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展提供有價(jià)值的解決方案，該方案可分為衛(wèi)星組網(wǎng)、近地大氣層飛行器組網(wǎng)，以及各個(gè)子網(wǎng)絡(luò)之間及其與地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。
FSO空天地一體網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案
FSO在太空、大氣層、地面空間中能夠?qū)崿F(xiàn)大帶寬通信，構(gòu)建靈活通信鏈路，所支持實(shí)現(xiàn)的能力包括以下兩點(diǎn)。其一為通信性能提升，利用激光實(shí)現(xiàn)比微波傳輸更大的帶寬、更低的時(shí)延和更高的保密性，在部分場景中可替代微波通信。其二是地面網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)充覆蓋，因其具備無需在特定介質(zhì)中傳輸?shù)撵`活性，所以能夠在地面無光纖網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下提供大帶寬通信能力。
當(dāng)前，特殊地理環(huán)境下對高速通信的需求愈發(fā)迫切。湖泊、江河、山區(qū)等復(fù)雜地形給光纜鋪設(shè)帶來了極大挑戰(zhàn)，微波通信則在帶寬方面存在限制，而FSO可迅速在大氣中建立高速傳輸通道，有效解決了“最后一公里”通信問題。
機(jī)遇與挑戰(zhàn)
近年來，半導(dǎo)體激光器和光電探測器技術(shù)的顯著進(jìn)步，推動(dòng)了FSO通信的快速發(fā)展，使其受到廣泛關(guān)注。這些技術(shù)革新不僅提升了FSO通信的性能，還拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域。FSO 技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢，展現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應(yīng)用前景。然而，由于FSO技術(shù)自身存在局限性，在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
一是對環(huán)境的適應(yīng)能力差。FSO系統(tǒng)對天氣條件非常敏感，大氣衰減便是影響系統(tǒng)性能的因素之一。截至目前，國內(nèi)外針對大氣傳輸特性已開展大量研究，并取得重大進(jìn)展，通常會(huì)采用更高功率的激光器二極管、更為先進(jìn)的光學(xué)器件以及多光束來攻克這一難題，推出的產(chǎn)品具備全天候通信能力。
二是傳輸距離與信號質(zhì)量的矛盾突出。隨著FSO傳輸距 離的增加，激光波束會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，導(dǎo)致接收端收到的光信號質(zhì)量變差。激光鏈路受光束發(fā)散角、強(qiáng)太陽背景噪聲，以及大氣信道對于信號的吸收與散射等因素影響，在經(jīng)過長距離空間傳輸后，其能量大幅衰減且信號質(zhì)量嚴(yán)重劣化。為解決這一問題，需要考慮在空間激光通信網(wǎng)絡(luò)中繼節(jié)點(diǎn)處對信號進(jìn)行放大及再生處理，滿足至下一節(jié)點(diǎn)的高性能數(shù)據(jù)傳輸需求。
三是收發(fā)端對準(zhǔn)問題。FSO作為一種視距寬帶通信技術(shù)，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間需要具備嚴(yán)格的視距傳輸條件才能實(shí)現(xiàn)通信。在城市環(huán)境中，建筑物的阻隔以及收發(fā)機(jī)的晃動(dòng)都會(huì)對收發(fā)兩點(diǎn)之間的激光對準(zhǔn)造成影響。目前，偏光法和動(dòng)態(tài)跟蹤法可以解決這一問題。
四是激光的安全問題。激光束的安全性對于FSO而言是一個(gè)重要的問題。為避免激光束對人類的眼睛造成傷害，光信號發(fā)射功率必須限制在安全范圍內(nèi)，這也限制了FSO的通信距離。
04、總結(jié)
低空網(wǎng)絡(luò)作為低空經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，具有不可 替代的作用。低空網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)將助推低空經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，使其釋放出巨大的經(jīng)濟(jì)潛力，促進(jìn)現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系的構(gòu)建和高質(zhì)量發(fā)展。FSO有助于應(yīng)對低空網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)，滿足未來低空網(wǎng)絡(luò)多種應(yīng)用場景的需求，還能作為微波通信的有力補(bǔ)充。相信在不久的將來，F(xiàn)SO將產(chǎn)生巨大的效益，為未來低空經(jīng)濟(jì)的發(fā)展注入新的生機(jī)與活力。
*本文刊載于《通信世界》總第961期 2025年2月10日 第3期原標(biāo)題：《FSO在低空網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探究》
作者：中通服咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司 張杰
責(zé)編/版式：王禹蓉
審校：王 濤?梅雅鑫
監(jiān)制：劉啟誠
