基于自由空间光学的通信非地面网络

文章来源：睐芯科技LightSense

原文作者：LIG在车公庙烧水

本文介绍了6G技术的关键技术之一：通讯非地面网络。

第五代移动无线通信系统(5G)引入了增强型移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)、大规模机器类型通信(mMTC，mMTC)和超可靠低延迟通信(Ultra-Reliable Low Latency Communications，URLLC)的概念，以满足新兴服务和应用日益增长的需求。这些推动并推动了地面网络(terrestrial networks，TN)的要求，使其能够在目前无法以成本效益的方式提供服务的地区提供新的服务。因此，正在探索在这些领域提供服务的新方法。随着SpaceX、Starlink等公司最近的发射，以低延迟在无法到达的地区提供卫星宽带服务，开辟了前所未有的可能性。

此外，第六代(6G)技术将通过地面和非地面传输实现未来服务的交付，从而彻底改变无线生态系统。非地面网络(Non-terrestrial networks，NTN)是指基于星载飞行器或机载平台进行通信传输的网络。预计的6G无线生态系统对于确保服务可用性、连续性、普遍性和可扩展性至关重要。由于地面网络在部署和覆盖方面存在局限性，因此非地面网络被认为是实现全球连接的补充，例如通过纳米卫星星座。然而，NTN的区别特征(如轨道类型、高度、足迹大小)在很大程度上取决于NTN平台类型，从地球静止/中/低地球轨道(具有Geostationary/Medium/Low Earth Orbit，GEO、MEO、LEO)的太空卫星到无人机系统(High Altitude Platform Systems，UAS)，包括机载高空平台系统(High Altitude Platform Systems，HAPS)。

图1：非地面网络示例

必须研究使用自由空间光学(Free-Space Optical，FSO)通信链路进行跟踪和捕获对准的技术挑战和重要问题，如FSO单元精度对准和大气引起的光束衰减/波动。必须同样研究网络接入的可用性。图显示了不同NTN平台之间的不同空中链路。这些平台与其地面GW之间的连接未显示。

许多组织认识到NTN是未来6G无线通信网络中提供经济高效和高容量连接的关键组成部分。尽管有这个前提，但正确的网络设计仍有许多问题需要回答，包括与延迟和覆盖范围限制相关的问题。

当前的服务使传统部署的射频(Radio Frequency，RF)频谱拥塞。自由空间光学作为一种光载波，与射频通信相比具有许多优势，被认为是高速宽带连接的下一个前沿，因为它提供了极高的带宽、易于部署、无需许可的频谱分配、降低的功耗(约为射频的1/2)、减小的尺寸(约为RF天线直径的1/10)和提高的信道安全性。此外，与频谱使用受到限制的RF载波相反，光载波不需要任何频谱许可，因此对于高带宽和容量应用来说是一个有吸引力的前景。必须研究链路的高方向性及其对传播信道上观测到的条件(特别是大气层低层的天气条件)的高灵敏度，以确定服务的可用性。此外，应研究利用链路方向性的充分用例的识别、光链路跟踪性能的挑战、光学子系统(特别是卫星段)的成本、简化和小型化、链路可用性和链路分集(混合方法FSO/RF等)。