徐常志 靳 一 李 立 張學(xué)嬌 謝天嬌汪曉燕 李明玉 曹振新

①(東南大學(xué)毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 南京 210096)

②(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院 西安 710100)

③(重慶大學(xué)微電子與通信工程學(xué)院 重慶 400044)

1 引言

5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)于2019年10月底開(kāi)始商用，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界圍繞新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(6G)的發(fā)展愿景、能力需求和核心技術(shù)進(jìn)行了探索性研究。文獻(xiàn)[1]構(gòu)思了由“智慧連接”、“深度連接”、“全息連接”和“泛在連接”共同組成的“一念天地，萬(wàn)物隨心”的6G總體愿景，重點(diǎn)分析了實(shí)現(xiàn)此愿景的挑戰(zhàn)與潛在候選技術(shù)，以期為6G技術(shù)發(fā)展提供方向性指引。文獻(xiàn)[2]探討了通過(guò)擴(kuò)展移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)來(lái)構(gòu)建泛在的智能移動(dòng)社會(huì)的6G愿景，分析了6G的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、挑戰(zhàn)以及可能的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[3]圍繞6G應(yīng)用范疇的再擴(kuò)展與技術(shù)性能的再提升問(wèn)題，概括了星地融合與覆蓋擴(kuò)展、毫米波與太赫茲通信、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能與內(nèi)生安全、分布式協(xié)作MIMO等可能涉及的技術(shù)領(lǐng)域，展望了實(shí)現(xiàn)廣域物聯(lián)網(wǎng)所亟需突破的若干關(guān)鍵技術(shù)。

截止目前，國(guó)內(nèi)外尚未就6G形成一致的共識(shí)。根據(jù)移動(dòng)通信每10年更新1代的發(fā)展規(guī)律，6G可預(yù)期的商用時(shí)間約為2030年[4]?？梢灶A(yù)計(jì)，未來(lái)6G將具備更廣闊的覆蓋范圍、更大的通信容量、更小的傳輸時(shí)延和更多的用戶連接能力，輔以人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和區(qū)塊鏈等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加泛在、智能、安全、可信的公共移動(dòng)信息基礎(chǔ)服務(wù)能力[5]。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文從網(wǎng)絡(luò)通信角度出發(fā)，概括總結(jié)了一些認(rèn)可度較高的核心技術(shù)，具體為：

(1) 星地深度融合：5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍受限于陸地，無(wú)法經(jīng)濟(jì)有效地解決航空、航海、沙漠等人口稀少地區(qū)，以及地震、火災(zāi)和泥石流等應(yīng)急場(chǎng)景下的通信難題。充分利用地面移動(dòng)通信的大容量傳輸能力，結(jié)合天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋優(yōu)勢(shì)，構(gòu)建星地深度融合的天地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)6G無(wú)處不在的寬帶連接[6]；

(2) 新譜段通信：5G移動(dòng)通信系統(tǒng)使用的6 GHz以下頻段，非常擁擠，且可用帶寬有限?；诖?，B5G正在考慮使用大帶寬的毫米波頻段(24.25～27.5 GHz, 37～43.5 GHz, 66～71 GHz)，甚至有些學(xué)者認(rèn)為太赫茲通信是未來(lái)6G的核心技術(shù)[7]，但均存在器件不成熟、信道測(cè)量與建模難和窄波束精密跟蹤等難題，距離工程應(yīng)用尚有距離。目前，以近紅外作為業(yè)務(wù)波段的激光通信已應(yīng)用于星間骨干鏈路，將會(huì)是6G應(yīng)用的主要通信手段。此外，可見(jiàn)光、中紅外激光等可能應(yīng)用于6G場(chǎng)景的新譜段通信，也值得去探索研究；

(3) 大規(guī)模分布式協(xié)作MIMO：面向未來(lái)6G大幅提升頻譜效率的發(fā)展需求，我國(guó)學(xué)者提出了基于網(wǎng)絡(luò)云化與虛擬化的大規(guī)模分布式協(xié)作MIMO技術(shù)，充分利用時(shí)間、頻率和空間3個(gè)維度資源，具備優(yōu)異的傳輸性能和廣闊的發(fā)展前景[8,9]。進(jìn)一步地，基于傳統(tǒng)Shannon信息論及其擴(kuò)展形式的非構(gòu)造性特點(diǎn)，探討了通過(guò)信道極化和特征模式傳輸來(lái)構(gòu)造性逼近信道容量，從而為6G通信潛能的挖掘指明了方向[10]；

(4) 智能通信：將人工智能與通信系統(tǒng)有機(jī)融合，可顯著提升移動(dòng)通信系統(tǒng)的效能。早期的人工智能與通信融合局限于網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，隨著以深度學(xué)習(xí)為代表的機(jī)器學(xué)習(xí)飛速發(fā)展，將機(jī)器學(xué)習(xí)用于通信的物理層成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[11,12]。

本文重點(diǎn)圍繞基于星地深度融合的天地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行探討，針對(duì)6G可能存在的兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，深入分析了星間高速鏈路、星地饋電鏈路、星地用戶鏈路的特點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展需求，綜述了以上3種不同類(lèi)型鏈路的高速通信進(jìn)展情況。然后，對(duì)6G亟需突破的光學(xué)相控陣多用戶接入、高效能星地激光通信和光電一體化組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析與展望。最后，進(jìn)行了總結(jié)概述。

2 典型的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2020年4月20日，國(guó)家發(fā)展改革委員會(huì)首次將5G與衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)同時(shí)納入“新基建”范疇，使得未來(lái)兩者深度融合上升為國(guó)家戰(zhàn)略性工程，從而實(shí)現(xiàn)6G的寬帶互聯(lián)。6G將集成地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，借助智能移動(dòng)性管理技術(shù)，在陸、海、空、天、地等多種復(fù)雜場(chǎng)景中提供高速互聯(lián)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、按需服務(wù)、隨遇接入、安全可信的網(wǎng)絡(luò)通信能力[2]。目前，一種典型的能夠?qū)崿F(xiàn)6G功能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要采用“骨干網(wǎng)+接入網(wǎng)”的模式[13]，其總體框架如圖1所示。該架構(gòu)由天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)組成，天基網(wǎng)絡(luò)包括天基骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)絡(luò)，地面網(wǎng)絡(luò)包括Internet互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。其中，天基骨干網(wǎng)主要由同步地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit, GEO)衛(wèi)星和地面站組成，為各類(lèi)天基接入網(wǎng)提供全球范圍的互聯(lián)服務(wù)。天基接入網(wǎng)是由多顆中軌(Middle Earth Orbit, MEO)及低軌(Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星組成獨(dú)立的星座網(wǎng)絡(luò)，各星座網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立管控和為用戶提供服務(wù)。天基接入網(wǎng)通過(guò)一顆或多顆衛(wèi)星接入天基骨干網(wǎng)，以為用戶提供全球無(wú)處不在的互聯(lián)互通服務(wù)。

隨著航天技術(shù)的蓬勃發(fā)展，可實(shí)現(xiàn)全球無(wú)盲區(qū)覆蓋的中低軌星座網(wǎng)絡(luò)再次掀起了新的發(fā)展熱潮。其中，最具代表性的有“另外的30億(O3b)”、“一網(wǎng)(OneWeb)”和“星鏈(Starlink)”[14]，以及我國(guó)航天科技集團(tuán)的“鴻雁”、航天科工集團(tuán)的“虹云”和部分民營(yíng)企業(yè)籌劃的衛(wèi)星星座[15]，使人們看到一種新的6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其總體框架如圖2所示。6G系統(tǒng)通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相互融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，可共同構(gòu)成全球無(wú)縫覆蓋的空域、陸地、海洋一體化綜合通信網(wǎng)，滿足用戶無(wú)處不在的多種業(yè)務(wù)需求。在地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)、飛機(jī)或者遠(yuǎn)洋艦艇上，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可提供可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將6G網(wǎng)絡(luò)延伸到地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)法到達(dá)的地方。

低軌星座不僅可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以作為一個(gè)“接入網(wǎng)”與GEO衛(wèi)星組成“主干網(wǎng)+接入網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?！爸鞲删W(wǎng)+接入網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)協(xié)議更復(fù)雜，但境外測(cè)控更簡(jiǎn)單，延遲更低。

綜上所述，6G無(wú)論是采用“主干網(wǎng)+接入網(wǎng)”架構(gòu)，還是低軌星座網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，要實(shí)現(xiàn)寬帶可靠的服務(wù)能力，均需要強(qiáng)大的物理層通信鏈路作為支撐。這里，6G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要包括星間鏈路、星地饋電鏈路和星地用戶鏈路3種類(lèi)型，不同類(lèi)型鏈路的信道特性導(dǎo)致其潛在的候選技術(shù)存在差異，具體為：

(1)星間高速鏈路：屬于自由空間傳輸信道，鏈路距離遠(yuǎn)，激光通信是其主要的發(fā)展方向；

(2)星地饋電鏈路：在衛(wèi)星與地面進(jìn)行大容量通信的過(guò)程中，作為信息載體的毫米波或激光經(jīng)過(guò)地球表面大氣層時(shí)，容易受到云、霧、降雨和大氣湍流等天氣因素的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致可用度不高，實(shí)際應(yīng)用效能受限。高效能的新型激光通信和激光/微波混合傳輸是其未來(lái)的主要選擇；

(3)星地用戶鏈路：隨著饋電鏈路選用高頻段的毫米波或激光進(jìn)行通信時(shí)，可完全將Ka頻段分配給用戶鏈路使用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的大幅提升。

圖1 “主干網(wǎng)+接入網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3 星地融合場(chǎng)景下的高速通信進(jìn)展

本小節(jié)將分別從星間高速鏈路、星地饋電鏈路和星地用戶鏈路出發(fā)，綜述國(guó)內(nèi)外高速通信的最新進(jìn)展，分析其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

3.1 星間高速鏈路

激光通信具有信道容量大、保密性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)和無(wú)需頻率使用許可等優(yōu)點(diǎn)，成為星間高速通信的主要發(fā)展方向。歐洲、美國(guó)和日本已陸續(xù)開(kāi)展了多次星間激光通信試驗(yàn)，取得了一系列國(guó)際領(lǐng)先的研究成果。表1給出了2020年在軌和在研的典型激光通信鏈路。

隨著國(guó)內(nèi)外各類(lèi)天基信息系統(tǒng)的建設(shè)提速，選用GEO衛(wèi)星作為星間高速數(shù)據(jù)中繼節(jié)點(diǎn)的需求與日劇增，GEO激光中繼鏈路將成為構(gòu)建天基信息網(wǎng)絡(luò)的基石。2001年，歐空局(ESA)在SILEX計(jì)劃中首次實(shí)現(xiàn)了高軌對(duì)低軌的雙向激光鏈路，速率為50 Mbps。目前，在軌運(yùn)行的高軌衛(wèi)星激光鏈路主要有ESA的歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)[16]、美國(guó)的激光通信中繼演示驗(yàn)證(LCRD)[30]和日本的高速通信先進(jìn)激光儀器(HICALI)[31,32]。2016年，EDRS首顆正樣星發(fā)射升空，正式提供商用激光數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，標(biāo)志著星間激光鏈路已進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)階段。

與GEO系統(tǒng)相比，LEO通信系統(tǒng)具有傳輸時(shí)延低、終端體積小、發(fā)射成本低和便于快速部署等優(yōu)點(diǎn)。將激光通信應(yīng)用于中低軌星間鏈路，可在較短的建鏈時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。LEO-LEO鏈路方面，美國(guó)和德國(guó)在2008年聯(lián)合進(jìn)行了NFIRE和TerraSAR-X之間的高速激光通信試驗(yàn)，數(shù)據(jù)速率高達(dá)5.65 Gbps[33]。面向未來(lái)商業(yè)航天的發(fā)展需要，國(guó)外相繼開(kāi)展了大量的立方衛(wèi)星激光鏈路驗(yàn)證，如TESAT的CUBELCT和CUBESOTA等計(jì)劃。

3.2 星地饋電鏈路

圖2 低軌星座網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

表1 國(guó)內(nèi)外星間激光鏈路代表性研究成果

隨著衛(wèi)星載荷的數(shù)量越來(lái)越多，時(shí)、空、頻分辨率越來(lái)越高，對(duì)星地饋電鏈路海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨笈c日劇增。目前，星地饋電鏈路主要采用C,Ku和Ka等微波頻段，可用帶寬非常受限，難以滿足不斷增長(zhǎng)的高速傳輸需求。因此，星地饋電傳輸正朝著高頻段、大帶寬和小型化的毫米波和激光通信方向發(fā)展。這里，將分別從微波高速傳輸、星地激光通信、微波/激光混合傳輸?shù)确矫孢M(jìn)行綜述。

3.2.1 微波高速傳輸

國(guó)外IPSTAR, Spaceway和ViaSat等多顆通信衛(wèi)星饋電鏈路主要使用Ka頻段。為應(yīng)對(duì)降雨對(duì)Ka信號(hào)帶來(lái)的衰減，提升星地鏈路傳輸效能，這些衛(wèi)星通過(guò)上行鏈路的功率控制和下行鏈路的自適應(yīng)編碼調(diào)制自動(dòng)對(duì)鏈路衰減做出響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)高于99.6%的鏈路可用率[34,35]。

隨著Ka頻段頻譜資源的使用趨于飽和，Q/V頻段的大帶寬、窄波束和小型化等優(yōu)勢(shì)日益明顯。一方面，可提升單信關(guān)站傳輸能力和增加管理的用戶波束數(shù)量，減少所需的信關(guān)站，從而降低系統(tǒng)建設(shè)總成本；另一方面，可完全將Ka頻段分配給用戶鏈路使用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的大幅提升[36]。然而，Q/V頻段用作對(duì)地通信時(shí)，大氣衰減明顯高于Ka頻段，且在雨、雪、霧等復(fù)雜天氣環(huán)境下，空間鏈路損耗急劇增加?，F(xiàn)有技術(shù)很難建立Q/V頻段的降雨衰減模型，無(wú)法估算星地鏈路的通斷，只能通過(guò)空間試驗(yàn)測(cè)試獲得星地信道有效數(shù)據(jù)。意大利航空局在AlphaSat平臺(tái)開(kāi)展了Q/V頻段信標(biāo)測(cè)量試驗(yàn)，通過(guò)自適應(yīng)編碼調(diào)制技術(shù)，對(duì)Q/V頻段在未來(lái)商業(yè)應(yīng)用中的性能進(jìn)行了評(píng)估[37]。2019年12月，航天五院西安分院在實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星上測(cè)試了Q/V頻段的大氣傳輸和雨衰特性，進(jìn)行了抗雨衰試驗(yàn)，成功驗(yàn)證了采用Q/V關(guān)口站的載荷系統(tǒng)方案，為未來(lái)超大容量通信衛(wèi)星的研制奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

3.2.2 星地激光通信

星地激光通信先后經(jīng)歷了理論研究、試驗(yàn)驗(yàn)證和工程應(yīng)用3個(gè)階段，具有代表性的已發(fā)射星地激光通信試驗(yàn)有：2010年，德國(guó)在地面站和NFIRE衛(wèi)星(LEO)之間實(shí)現(xiàn)了5.625 Gbps的星地光通信鏈路，通信時(shí)長(zhǎng)約為8 min[38-40]。2014年，美國(guó)光學(xué)有效載荷項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了第1個(gè)國(guó)際空間站(ISS)對(duì)地約400 km的激光通信[41]。美國(guó)的LCRD計(jì)劃和日本的HICALLI均開(kāi)展了高軌對(duì)地的激光鏈路實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證10～100 Gbps的高速激光對(duì)地鏈路[42,43]。2019年，ESA與日本計(jì)劃共同開(kāi)發(fā)高軌對(duì)地的激光數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，將于2025年實(shí)現(xiàn)全球空間激光通信網(wǎng)路業(yè)務(wù)。國(guó)內(nèi)方面，哈工大的“海洋二號(hào)”和“實(shí)踐十三衛(wèi)星”、中科院的“墨子號(hào)”先后開(kāi)展了星地激光通信試驗(yàn)。航天五院西安分院通過(guò)實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首個(gè)QPSK相干體制的星地激光通信鏈路，衛(wèi)星激光終端如圖3所示，其速率高達(dá)10 Gbps，為世界在軌的激光鏈路最高速率。

圖3 實(shí)踐二十號(hào)衛(wèi)星激光終端

3.2.3 微波/激光混合傳輸

星地激光鏈路會(huì)受到惡劣天氣和大氣湍流等影響，導(dǎo)致其鏈路可用率較低，限制了其在星地饋電傳輸?shù)膽?yīng)用。為解決此瓶頸難題，微波/激光混合傳輸思路應(yīng)運(yùn)而生：在星地之間分別建立微波和激光兩條鏈路，當(dāng)天氣極好時(shí)，采用激光進(jìn)行高速通信；當(dāng)天氣惡劣時(shí)，采用微波鏈路進(jìn)行輔助傳輸，以保障鏈路的高可用度。美國(guó)賓州大學(xué)、弗吉尼亞大學(xué)等開(kāi)展了微波/激光混合傳輸試驗(yàn)，顯著提升通信容量的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了99.999%的鏈路可靠性[44-46]。此外，實(shí)施了“自由空間光試驗(yàn)網(wǎng)計(jì)劃”，搭建了一個(gè)綜合自由空間光學(xué)和射頻技術(shù)的高寬帶通信系統(tǒng)，通過(guò)FSO和射頻無(wú)縫切換，實(shí)現(xiàn)100%數(shù)據(jù)送達(dá)，且性能仍有提升空間[47]。

3.3 用戶鏈路

星地用戶鏈路主要以低頻段為主，國(guó)外正在嘗試應(yīng)用高頻段(Ka)來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星對(duì)地面用戶通信。美國(guó)Spaceway3衛(wèi)星系統(tǒng)采用了Ka頻段、多波束及星上快速包交換技術(shù)，使終端之間能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)狀通信，大大縮短了傳輸時(shí)延。歐洲新一代通信衛(wèi)星KA-SAT設(shè)計(jì)了82個(gè)Ka波段點(diǎn)波束，通信總?cè)萘砍^(guò)70 Gbps。

4 有待突破的關(guān)鍵技術(shù)

未來(lái)6G天地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)將是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)等多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體化融合，現(xiàn)有的各通信鏈路能力仍難以滿足其跨越式發(fā)展需求，需重點(diǎn)從以下關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行突破。

4.1 基于光學(xué)相控陣的多用戶接入技術(shù)

通過(guò)星際鏈路實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星互聯(lián)互通，形成空間高速光通信網(wǎng)絡(luò)，是星間激光通信的主要發(fā)展趨勢(shì)。因此，研究激光組網(wǎng)技術(shù)迫在眉睫?？臻g激光組網(wǎng)的首要環(huán)節(jié)是同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)空間大范圍內(nèi)多個(gè)目標(biāo)的快速捕獲對(duì)準(zhǔn)跟蹤(APT)和切換，光束操控裝置是APT系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其性能直接影響建鏈時(shí)間和鏈路穩(wěn)定性。目前，工程上主要使用機(jī)械式、壓電陶瓷或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)反射鏡來(lái)改變光束偏轉(zhuǎn)方向，存在響應(yīng)帶寬低、體積大和功耗高等缺點(diǎn)，無(wú)法適應(yīng)星載設(shè)備小型化、低功耗發(fā)展需求。此外，單片反射鏡無(wú)法同時(shí)獨(dú)立控制多個(gè)光束。為使激光終端具備多目標(biāo)接入能力，需要配備多個(gè)望遠(yuǎn)鏡或探測(cè)器，使得終端重量和功耗成倍增加。

光學(xué)相控陣作為一種新型的任意方向光束指向控制技術(shù)，可獨(dú)立控制多個(gè)光束的掃描偏轉(zhuǎn)、偏轉(zhuǎn)范圍大、分辨率高，且不受機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)影響，是未來(lái)多用戶接入技術(shù)的發(fā)展方向。當(dāng)前，最為成熟是液晶光學(xué)相控陣，仍然存在著響應(yīng)速度慢、掃描角度小等缺點(diǎn)，難以克服。發(fā)展高性能光學(xué)相控陣有以下難點(diǎn)有待突破：

(1) 大規(guī)模2維陣列結(jié)構(gòu)：陣列規(guī)模越大，光束的發(fā)散角越小，掃描控制精度越高，容易與高增益的望遠(yuǎn)鏡相匹配，更符合空間應(yīng)用的需求，但隨之而來(lái)會(huì)產(chǎn)生大量的功耗，是需要突破的一個(gè)難點(diǎn)；

(2) 高速、高效和高精準(zhǔn)的相位調(diào)制：高速高效的相位調(diào)制是實(shí)現(xiàn)光束快速靈活掃描的前提，如何采用一種技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)兼具高速度、高效率和高精準(zhǔn)的相位控制是需要突破的另外一個(gè)難點(diǎn)；

(3) 大角度范圍的波束控制：光學(xué)相控陣的掃描視場(chǎng)主要受柵瓣影響，需要突破新的器件結(jié)構(gòu)，在亞波長(zhǎng)陣列單元間距的前提下實(shí)現(xiàn)大掃描視場(chǎng)的波束控制。

上述難點(diǎn)均對(duì)光學(xué)相控陣的加工工藝提出了更高的要求，通過(guò)集成光電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)光學(xué)相控陣成為了新的發(fā)展趨勢(shì)。DARPA在2013年通過(guò)集成光電子技術(shù)，驗(yàn)證了64×64單元陣列的硅基光學(xué)相控陣[48]，芯片尺寸為576×576 μm2。其中，8×8陣列為基本單元，利用熱光移相器調(diào)整波前，得到完美MIT圖樣，通過(guò)對(duì)整個(gè)相控陣周期的操控使MIT圖樣在橫向偏轉(zhuǎn)6°，實(shí)現(xiàn)了任意方向光束指向的雛形。首先，集成光電子技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)光波導(dǎo)、光柵、調(diào)相器等光學(xué)器件的片上集成，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的2維結(jié)構(gòu)；其次，利用電光、熱光等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速、高效的相位調(diào)制，對(duì)光束進(jìn)行快速靈活控制；最后，依托現(xiàn)有成熟的CMOS工藝，實(shí)現(xiàn)更小的器件單元尺寸。

4.2 高效能的星地激光通信技術(shù)

大氣湍流是制約星地高速激光通信的主要瓶頸難題，嚴(yán)重時(shí)可直接導(dǎo)致鏈路中斷。為對(duì)抗大氣湍流的惡劣影響，世界各國(guó)都在從事高效能的星地激光通信研發(fā)，主要的研究方向有：

(1) 自適應(yīng)光學(xué)(AO)預(yù)失真：在地面站的上行鏈路中，采用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)校正，以減小衛(wèi)星接收機(jī)的光信號(hào)波動(dòng)。歐洲D(zhuǎn)LR在真實(shí)的湍流場(chǎng)景中，進(jìn)行了自適應(yīng)光學(xué)預(yù)失真試驗(yàn)，以評(píng)估AO對(duì)發(fā)射和接收信道的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：光纖耦合效率和觀察到的閃爍均有明顯改善。在地面實(shí)驗(yàn)中，星載激光接收機(jī)收集到的功率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示：應(yīng)用AO預(yù)校正時(shí)，上行傳輸光束性能獲得大幅提升[49]。

(2) 中長(zhǎng)波紅外激光通信：目前，星地激光通信主要采用800 nm, 1064 nm和1550 nm等近紅外波段，但是這些波段受到大氣湍流的影響較為嚴(yán)重，導(dǎo)致鏈路可用率不高。采用中長(zhǎng)波紅外波段作為載波波長(zhǎng)，在克服大氣湍流影響等方面有明顯優(yōu)勢(shì)，可顯著提升星地激光鏈路對(duì)大氣信道的適應(yīng)能力[50]。

(3) 鋒芒激光通信：星地大氣信道的傳輸介質(zhì)具有隨機(jī)性、多變性等特點(diǎn)，大氣湍流會(huì)對(duì)所傳輸?shù)募す夤馐腚S機(jī)橫向波矢，從而導(dǎo)致光束性能急劇惡化?；诖耍袊?guó)科學(xué)院在發(fā)射端構(gòu)建了一種特殊的光場(chǎng)分布，使激光在傳輸過(guò)程中逐步消除橫向波矢，從而產(chǎn)生能夠抑制大氣湍流影響的穩(wěn)態(tài)光場(chǎng)。與傳統(tǒng)大氣湍流抑制方法相比，該方法應(yīng)用難度和成本明顯降低。2019年，中國(guó)光電院在傳輸距離為1 km、存在大氣湍流時(shí)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了鋒芒光束的接收性能。如圖4所示[51]，與常規(guī)高斯光束相比，鋒芒光束可保持較為完好的光斑，傳輸性能提升3個(gè)數(shù)量級(jí)。

(4) 網(wǎng)絡(luò)級(jí)效能提升：采用自適應(yīng)光學(xué)預(yù)失真、中長(zhǎng)波紅外激光和鋒芒激光可以顯著改善單鏈路的星地激光效能，但單鏈路效能的最大化并不意味著全網(wǎng)效能的最優(yōu)。未來(lái)，星間將采用激光進(jìn)行高速通信，星地采用激光微波混合傳輸，6G網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一種激光與微波構(gòu)成的光電混合網(wǎng)絡(luò)。因此，通過(guò)光電混合網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度和分配，實(shí)現(xiàn)星地傳輸效能的顯著提升，是一個(gè)新的研究方向。

4.3 光電混合組網(wǎng)

6G天基骨干傳輸要求滿足激光鏈路承載的大吞吐量業(yè)務(wù)，以及不同用戶接入時(shí)微波鏈路承載多類(lèi)型、小吞吐量業(yè)務(wù)，因此需要研究具有激光和微波兩種鏈路類(lèi)型的星載光電混合交換技術(shù)[52-54]。星載光電混合交換需要完成激光鏈路承載的光業(yè)務(wù)和微波鏈路承載的電分組業(yè)務(wù)的交換功能，其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該交換結(jié)構(gòu)具有激光數(shù)據(jù)輸入接口、電信號(hào)分組數(shù)據(jù)輸入接口以及控制信號(hào)接口，通過(guò)光/分組交換控制中心實(shí)現(xiàn)對(duì)光交換單元和電信號(hào)分組交換單元的集中控制，光/電轉(zhuǎn)化及電/光轉(zhuǎn)化模塊可實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)混合傳輸功能。

圖4 穿過(guò)大氣湍流的常規(guī)高斯光束和鋒芒光束的光強(qiáng)模式比較

圖5 星載光電混合交換結(jié)構(gòu)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)作為一種控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有靈活性、開(kāi)放性及可編程性等優(yōu)點(diǎn)，從而成為未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展方向。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源受限、成本高且不易維護(hù)，非常適合采用SDN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。目前，軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)具備一定的研制基礎(chǔ)[55-58]，結(jié)合“骨干網(wǎng)+接入網(wǎng)”以及星載光電混合交換的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)控制平面下發(fā)規(guī)則對(duì)數(shù)據(jù)平面的各個(gè)模塊進(jìn)行編程調(diào)用。其中，控制器通過(guò)收集的拓?fù)湫畔⒑透鱾€(gè)數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)反饋的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景變化，自適應(yīng)地對(duì)所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)平面模塊，包括光電混合交換器進(jìn)行調(diào)控。這里，數(shù)據(jù)平面的管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)衛(wèi)星軌道高度、編隊(duì)規(guī)則及下傳節(jié)點(diǎn)的選取等進(jìn)行配置。

圖6 6G軟件定義網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

面向現(xiàn)階段可預(yù)計(jì)到的6G發(fā)展愿景，本文重點(diǎn)探討了天地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的典型拓?fù)浼軜?gòu)，綜述了星間高速鏈路、星地饋電鏈路、星地用戶鏈路的高速通信的國(guó)內(nèi)外新進(jìn)展，對(duì)未來(lái)6G亟需突破的光學(xué)相控陣多用戶接入、高效能星地激光通信和光電一體化組網(wǎng)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與展望。對(duì)于6G發(fā)展可能涉及的其他關(guān)鍵技術(shù)，如新型編碼調(diào)制、軌道角動(dòng)量、無(wú)蜂窩移動(dòng)通信以及通信、感知和計(jì)算的多功能融合等，并未進(jìn)行全面闡述。限于作者水平有限，本文僅起到拋磚引玉作用，以期為6G相關(guān)技術(shù)發(fā)展起到牽引作用。