卫星通信和地面移动通信具有较强的互补性，卫星互联网是当前产业发展的热点，也是未来6G网络的重要组成部分。全球覆盖需要星间组网，但星间通信带宽需求与自由空间信道带来的不稳定性对空间承载网提出了新的挑战。对星间通信及其传输链路进行对比分析，提出了基于星间激光的光传送网络（OTN）承载方案，以充分发挥地面光通信的成熟产业链优势和规模经济优势，构建经济性、兼容性、扩展性强的星地一体化网络。最后展望了星间激光通信的技术演进方向，并提出了我国产业发展建议。
从1G到5G，10年一代的地面移动通信经历了高速发展，取得了巨大成功。5G等地面移动通信在城镇等区域用户密集接入的场景具有规模经济优势，目前已服务的全球人口覆盖率约为70%，但受制于技术、经济成本等因素，仅覆盖了约20%的陆地面积，小于6%的地球表面积，且地面基站和网络对地震、洪水、海啸等自然灾难的抗毁能力弱、应急通信能力差。而卫星互联网通过卫星通信技术接入互联网，形成卫星规模组网，从而覆盖全球，构建具备实时信息处理、应急通信能力的卫星系统，有效地向偏远地区、海洋、沙漠、森林和空中等场景的广域稀疏用户或终端提供通信接入服务。相比于中高轨卫星，低轨卫星具备高带宽、低时延、低成本等优势，满足人类活动空间拓展和行业应用范围扩展的强劲需求，与5G等地面移动通信网络互为补充。
卫星通信与地面移动通信已由过去铱星系统与地面2G的竞争关系转变为今后的互补关系，卫星接入体制将融合到移动通信系统中。星地融合移动通信的技术发展路径将是“5G体制兼容、6G系统融合”。
卫星互联网将是6G的重要组成部分，对于6G实现全域覆盖、场景智联等愿景与目标具有重要意义。同时，由于近地轨道可容纳的低轨卫星数量有限，各国正在争相抢占优质的轨道资源。其中，美国SpaceX公司的低轨卫星在轨已超5 000 颗，我国卫星通信网络建设目前正在推进中。各国在卫星互联网领域的竞争日益激烈，由于国际电信联盟（International Telecommunication Union，ITU）的先占先得原则，先行者能够获得轨道与频率资源及市场先机。
宽带卫星通信网络建设和运营不仅是产业竞争与商业发展的必然趋势，也是国家和地区战略布局的重要组成部分，其必要性和重要性不言而喻，其紧迫性也要求我国航天、卫星、通信等研究机构与企业迅速行动，以适应不断变化的国际环境和市场需求。
卫星通信分为透明转发和再生处理两种类型。透明转发只完成信号的中继传输，功能简单，但要全球部署地面信关站；再生处理具有更优的通信性能和灵活性，且不受地面信关站的全球部署限制，但需要星间通信的支持，是卫星互联网的发展方向。众所周知，基于光纤通信的地面光承载网在5G网络中扮演着重要的角色，对于确保5G网络的高速、高效和可靠起着核心作用。例如，通过高效的传输技术提供大容量高速率的信号传输，通过灵活的组网技术确保数据传输的快速、低时延和高可靠性，通过网络架构的灵活扩展及控制功能的集中提高整体网络的性能和资源利用率。同样，采用星间激光通信技术的空间承载网作为卫星互联网信号与数据传输的基础设施，其技术选择对卫星互联网系统性能的影响尤其重要。国外的Starlink、OneWeb、Kuiper、Telesat等星座系统均已将激光星间通信作为核心传输链路之一。
相对地面以光纤为主要介质的通信系统，星间激光通信链路呈现出更加复杂、不稳定和不可靠的特征，例如，卫星相对运动带来的由光机跟瞄构建的链路质量不稳定、空间环境干扰带来的链路状态不可靠、卫星节点的意外失效等。因此，需要选择相对稳定的光传送技术来弥补上述不可靠因素。
本文将对星间激光通信关键技术进行详尽的分析与研究，并在此基础上提出我国发展星间激光通信的相关建议。
卫星主要以电磁波为载波信号进行无线连接。根据电磁波所处的频段不同，星间通信技术可分为微波通信、太赫兹通信、激光通信。长期以来，微波通信是卫星互联网的主要传输手段，用于连接星地、星间各类链路，具有技术成熟、传输距离远、覆盖范围广等优势。太赫兹通信所用波段位于红外激光和微波之间，频率范围为0.1～10 THz（波长为30 μm～3 mm），与微波通信相比波束窄、方向性好、在大气层外衰减较小，目前尚处于实验研究阶段，产业成熟度较低。然而，随着卫星及各种航天器所需的通信容量呈指数增长，微波通信已难以满足急剧增长的通信容量需求，星间激光通信被认为是最具潜力的空间通信技术。
激光的波长比微波小3～5个数量级，其极高的时空相干特性使得星间激光通信具有如下特点，星间微波与星间激光通信的比较见表1。
（1）可用带宽大、速率高：通信系统中，载波频率越高，承载带宽越大。光载波中心频率高达1016 Hz，即使在1%的承载效率下可用带宽也高达100 THz，其可用带宽是射频微波的万倍以上。参照地面光纤通信系统单通道传输速率2.5 Gbit/s→10 Gbit/s→100 Gbit/s→400 Gbit/s的技术演进历程，未来星间激光通信链路单波速率有望达到400 Gbit/s量级。
（2）体重小、功耗低：由于激光波长比微波波长小、方向性好且能量集中，可以有效降低收发机功耗。激光通信系统所需的光学天线、收发机等器件比微波通信系统尺寸小、质量轻，更容易满足星上有效载荷小型化、轻量化、低功耗的要求。
（3）抗干扰能力强：微波通常采取一对多的通信方式，容易被相似波段信号干扰且容易被窃取和破解。激光光束发散角小、束宽极窄、方向性好，在空间中不易被捕获和，具有较强的保密性，可有效提高抗干扰防能力。
（4）无频谱管制：因微波散角大，易对邻近接收器产生干扰，且用于航天行业的波段频率日益枯竭，ITU对微波频率有着严格管制。激光通信发散角小，抗干扰性强，其频率资源的使用不受限制。
此外，经过40多年的发展和演进，地面光通信技术有力地支撑了社会信息化的蓬勃发展以及产业成熟的进程，规模经济效益显著。星间激光通信可以充分共享地面光通信的成熟技术和规模产业链，以降低系统成本。
综上所述，星间激光通信具有通信带宽大、质量轻、体积小、功耗低、抗干扰能力强、安全性高、产业规模大等优点，可以更好地支持卫星互联网日益增长的大容量数据传输需求，增强星座系统的安全性和防能力，是星地融合网络的关键技术。
尽管成熟的地面光通信技术可为星间激光通信提供强大的技术和产业支撑，但由于卫星孤悬于太空并处于高速移动状态，受太空极端环境的影响，星间激光通信在传输介质、系统环境、节点移动性、链路稳定性、能源供给、存储处理、系统运维等方面与地面光纤通信系统存在显著差异，具体见表2。整体而言，星间激光通信技术目前仍处于起步阶段，尚面临诸多技术挑战。
星间激光通信是极远距离、极弱信号的探测，其技术难点来自超远距动态变化链路特性、复杂的空间环境和受限的能源供给、数据处理能力。
（1）卫星通信收发两端相距遥远且处于高速运动状态，卫星本身的振动可造成发射光束的抖动，激光链路的稳定性较低，使得激光信号传输时出现接收功率抖动甚至误码，快速光束捕获和高精度光束跟踪是星间激光通信的关键所在。由于卫星一直处于高速运动状态，卫星之间的相对位置时刻高速变化，星间激光通信依赖高精度的光学跟瞄系统保持星间链路的动态对准和连接，光学跟瞄系统的性能主要受光学天线精度、轨道预测精度、载荷控制补偿精度的约束。在卫星体积、质量、功耗和成本约束下，光学跟瞄系统难以确保足够的鲁棒性。
（2）卫星运行环境极度恶劣，星间激光通信受源于太阳、月球及其他星球的辐射和反射的背景噪声影响，有时候这种背景噪声光强度甚至超过所接收的信号光强度，要求星间激光通信系统具有较强的抗背景噪声能力。在这种运行环境下，上层的数据链路和路由承载协议的抗链路失效能力对卫星通信尤为关键。
（3）卫星的能源供给受限于太阳能帆板面积、星载电池容量、星蚀现象等因素，卫星载荷数据采集、存储、计算和转发等能力也相应受影响。一方面要求卫星载荷采用高级光电集成工艺，提高卫星载荷的处理转发能力，减小卫星载荷体积和功耗；另一方面需要对地面光通信成熟的信号传输、数据承载和网络路由算法进行简化，以适应卫星受限的能源供给和数据处理能力。
总之，星间链路的不稳定特性和复杂的空间环境给星间激光通信带来了极大的技术挑战。针对这些技术挑战，一方面需要技术创新提升光学跟瞄、能源供给及载荷处理性能，另一方面可以充分借鉴地面光网络几十年来成熟的经验和技术，从物理连接、数据承载和路由组网等多个方面入手，进一步优化卫星网络性能、降低卫星网络成本，提高卫星网络可靠性和安全性。
当前星间激光通信中物理连接技术，包括光收发技术和跟瞄技术，其中光收发技术分为直接探测和相干探测。直接探测主要采用通断键控（on-off keying，OOK）调制，相干探测主要采用二进制相移键控（binary phase-shift keying，BPSK）或四相移相键控（quadrature phase-shift keying，QPSK）调制，相干探测具备如下技术优势，具体星间相干探测技术与直接探测技术比较见表3。
（1）灵敏度和传输距离：直接探测技术架构简单但灵敏度低，相干探测技术架构相对复杂但灵敏度高。理论上，同样速率条件下相干探测接收灵敏度相较于直接探测提高1～2个数量级，优势明显。
（2）通信速率：相干探测可结合高阶调制和波分复用技术，更有利于提升通信速率，且已经在陆地光通信中得到广泛应用。
（3）成熟度：激光终端成熟度主要受制于激光种子源、调制器、高功率放大器、低噪声放大器、探测器、快反镜等关键部件。当前相干探测额外需要的外调制器和窄线宽高频稳激光器成熟，速率指标对应的高速ADC/DAC（analog- to-digital conversion/digital-to-analog conversion）问题已经解决，且多数研究单位均已突破数字解调技术。
（4）质量、功耗：相干探测技术灵敏度更高，光学口径更小，光放大功率需求更低，有利于减少天线及跟踪架质量。
总体而言，传统的直接探测通信技术难以满足星间激光通信大容量发展的需求，未来的研究应用方向逐渐转向相干探测技术。同时，面向卫星应用，相干探测技术也需要升级优化，例。
