علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

علوم، فناوری و کاربردهای فضایی

مخابرات اپتیکی فضای آزاد: تحلیل تطبیقی استانداردهای جهانی و چشم‌اندازهای فناوری آینده

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسنده
پژوهشکده سامانه های ماهواره، پژوهشگاه فضایی ایران
چکیده
مخابرات اپتیکی فضای آزاد (FSOC) به‌عنوان یک فناوری تحول‌آفرین، پارادایم‌های مخابرات فضایی را با ارائه پهنای باند بی‌نظیر، امنیت اطلاعات فوق‌العاده، و کاهش در تأخیر دگرگون کرده است. این مقاله ابتدا مروری جامع و دقیق بر استانداردهای کلیدی در حوزه مخابرات اپتیکی فضایی را ارائه می‌دهد که توسط سازمان‌های بین‌المللی برجسته‌ای مانند کمیته مشورتی سامانه‌های داده فضایی (CCSDS)، اتحادیه بین‌المللی مخابرات (ITU)، آژانس فضایی اروپا (ESA) و آژانس توسعه فضایی (SDA) تدوین شده‌اند. مقایسه و تحلیل تطبیقی این استانداردها، نقاط قوت، محدودیت‌ها و کاربردپذیری آن‌ها را در طیف وسیعی از مأموریت‌های فضایی ارائه می‌دهد.

در این مقاله چالش‌های اساسی نظیر نبود استانداردسازی جامع جهانی، تأثیرپذیری از شرایط محیطی، و محدودیت‌های مقیاس‌پذیری در منظومه‌های ماهواره‌ای بزرگ، به‌طور سیستماتیک بررسی شده‌اند. این موانع نه تنها قابلیت همکاری سیستم‌های FSOC را محدود می‌کنند، بلکه پذیرش گسترده‌تر این فناوری را در مأموریت‌های چندملیتی پویا به تعویق می‌اندازند.

برای مقابله با این چالش‌ها، این مطالعه به بررسی پیشرفت‌های فناورانه تحول‌آفرین پرداخته و بر ادغام هوش مصنوعی برای مدیریت خودکار شبکه، توزیع کلید کوانتومی (QKD) برای امنیت بی‌نظیر، و شبکه‌های ترکیبی نوری-رادیویی برای عملکرد پایدار در شرایط نامساعد تأکید دارد. این نوآوری‌ها مسیرهایی امیدبخش برای افزایش مقیاس‌پذیری، قابلیت اطمینان و کارایی عملیاتی سیستم‌های FSOC ارائه می‌دهند و آن‌ها را برای پاسخگویی به تقاضاهای مخابرات فضایی آینده آماده می‌کنند.

این مقاله، مرجعی ارزشمند برای پژوهشگران، مهندسان، و سیاست‌گذاران فراهم می‌آورد و با ارائه درکی عمیق از استانداردهای مخابرات اپتیکی فضای آزاد، شناسایی شکاف‌های اساسی، و استراتژی‌های آینده‌نگر،FSOC را به‌عنوان زیربنای اصلی معماری‌های مخابرات فضایی نسل آینده معرفی می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

[1] D. Caplan, “Laser communication transmitter and receiver design,” Journal of Optical Communications and Reports, vol. 4, pp. 225–362, 2007, doi: 10.1007/s10297-006-0079-z.
[2] H. Willebrand and B. S. Ghuman, Free-Space Optics: Enabling Optical Connectivity in Today’s Networks. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2002.
[3] V. W. S. Chan, “Free-space optical communications,” Journal of Lightwave Technology, vol. 24, no. 12, pp. 4750–4762, 2006, doi: 10.1109/JLT.2006.885252.
[4] H. Kaushal, V. K. Jain, and S. Kar, Free Space Optical Communication. New Delhi, India: Springer, 2017.
[5] H. Hemmati, Ed., Deep Space Optical Communications. Hoboken, NJ, USA: Wiley, 2006.
[6] A. Biswas, K. Andrews, R. Bondurant, and S. Piazzolla, “Overview of NASA’s Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD),” in Proc. SPIE, vol. 8971, 2014, Art. no. 89710A, doi: 10.1117/12.2045535.
[7] D. M. Boroson, “Overview of the Lunar Laser Communication Demonstration,” in Proc. Int. Conf. Space Optics (ICSO), Kobe, Japan, 2014, pp. S1–S2, doi: 10.1117/12.2045508.
[8] K.-J. Schulz, “CCSDS standardization in optical communication,” presented at SkyLight Industry Day, Sep. 2017. [Online]. Available: https://connectivity.esa.int/sites/default/files/08%20-%20Klas-Juergen%20ESA.pdf
[9] B. L. Edwards, R. Daddato, K.-J. Schulz, et al., “An update on the CCSDS optical communications working group interoperability standards,” in Proc. IEEE Int. Conf. Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2019, pp. 1–8, doi: 10.1109/ICSOS45490.2019.8978979.
[10] B. Edwards, “Overview of the CCSDS optical communications interoperability standards,” NASA Tech. Rep., 2021. [Online]. Available: https://ntrs.nasa.gov/citations/20210016378
[11] B. Edwards, “Latest status of the CCSDS optical communications working group,” in Proc. IEEE Int. Conf. Space Optical Systems and Applications (ICSOS), 2022, doi: 10.1109/ICSOS53063.2022.9749734.
[12] CCSDS Secretariat, Optical High Data Rate (HDR) Communication—1064 nm, CCSDS 141.11-O-1 (Orange Book), Issue 1, 2018. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[13] CCSDS Secretariat, Optical High Data Rate (HDR) Communication—1550 nm, CCSDS 141.10-O-1 (Orange Book), Issue 1, 2022. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[14] CCSDS Secretariat, Optical Communications Physical Layer, CCSDS 141.0-B-1 (Blue Book), Issue 1, 2019. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[15] CCSDS Secretariat, Optical Communications Coding and Synchronization, CCSDS 142.0-B-1 (Blue Book), Issue 1, 2019. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[16] CCSDS Secretariat, Overview of Space Communications Protocols, CCSDS 130.0-G-4 (Green Book), Issue 4, 2023. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[17] CCSDS Secretariat, Real-Time Weather and Atmospheric Characterization Data, CCSDS 140.1-G-2 (Green Book), Issue 2, 2024. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[18] CCSDS Secretariat, Atmospheric Characterization and Forecasting for Optical Link Operations, CCSDS 141.1-M-1 (Magenta Book), Issue 1, 2022. [Online]. Available: https://public.ccsds.org
[19] Space Development Agency (SDA), Optical Communications Terminal Standard, Version 4.0.0, Office of the Under Secretary of Defense, 2024. [Online]. Available: https://www.sda.mil/
[20] European Space Agency (ESA) and ESA Member States Industry, ESA Specification for Terabit/Sec Optical Links (ESTOL), ESA-CSC-T-SP-0001, 2023. [Online]. Available: https://www.esa.int/
[21] R. J. Alliss and B. Felton, “The mitigation of cloud impacts on free-space optical communications,” in Proc. SPIE 8380, Atmospheric Propagation IX, 2012, Art. no. 83800S, doi: 10.1117/12.918403.
[22] K.-J. Schulz and J. Rush, “Results of the optical link study group,” in Proc. SpaceOps Conf., 2012, doi: 10.2514/6.2012-1275004.
[23] International Telecommunication Union (ITU), Guidelines on Frequency Allocations for FSOC Systems, ITU-R Recommendations, 2022. [Online]. Available: https://www.itu.int/
[24] International Telecommunication Union (ITU), Guidelines on Frequency Allocations for FSOC Systems, ITU-T Recommendations, 2022. [Online]. Available: https://www.itu.int/
[25] H. Kaushal and G. Kaddoum, “Optical communication in space: Challenges and mitigation techniques,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 19, no. 1, pp. 1–380, 2017, doi: 10.1109/COMST.2016.2603518.
[26] S. Zafar and H. Khalid, “Free space optical networks: Applications, challenges and research directions,” Wireless Personal Communications, vol. 121, pp. 429–457, 2021, doi: 10.1007/s11277-021-08644-4.
[27] A. Carrasco-Casado and R. Mata-Calvo, “Space optical links for communication networks,” in Springer Handbook of Optical Networks, B. Mukherjee et al., Eds. Cham, Switzerland: Springer, 2020, pp. 1–20, doi: 10.1007/978-3-030-16250-4_34.
[28] R. Saiyyed et al., “Free space optical communication system: A review of practical constraints, applications, and challenges,” Journal of Optical Communications, vol. 1, no. 1, pp. 1–15, 2024, doi: 10.1515/joc-2024-0011.
[29] Starlink satellite constellation. [Online]. Available: https://www.eoportal.org/satellite-missions/starlink (accessed Nov. 2024).
[30] M. Jin, W. Liu, Y. Hao, R. Wu, Z. Wei, D. Deng and H. Liu, “Hybrid dual-hop RF/FSO terrestrial–deep space communication system under solar scintillation during superior solar conjunction,” Applied Sciences, vol. 12, no. 2, Art. no. 619, 2022, doi: 10.3390/app12020619.
[31] C. Liu, M. Chen, S. Chen, and H. Xian, “Adaptive optics for the free-space coherent optical communications,” Optics Communications, vol. 361, pp. 21–24, 2016, doi: 10.1016/j.optcom.2015.10.033.
[32] R. Daoman, L. Chao, C. Mo , X. Hao, “Application of adaptive optics on the satellite laser communication ground station,” Opto-Electronic Engineering, vol. 45, no. 3, Art. no. 170647, 2018, doi: 10.12086/oee.2018.170647.
[33] T. Weyrauch and M. A. Vorontsov, “Free-space laser communications with adaptive optics: Atmospheric compensation experiments,” Journal of Optical and Fiber Communications Reports, vol. 1, pp. 355–379, 2004, doi: 10.1007/s10297-005-0033-5.
[34] A. Vettor, “Space systems for optical communications,” Ph.D. dissertation, Università degli Studi di Padova, Padova, Italy, 2023. [Online]. Available: https://hdl.handle.net/11577/3472994
[35] Y. Kaymak, R. Rojas-Cessa, J. Feng, N. Ansari, M. Zhou, and T. Zhang, “A survey on acquisition, tracking, and pointing mechanisms for mobile free-space optical communications,” IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2018, doi: 10.1109/COMST.2018.2804323.
[36] D. He, Q. Wang, B. Qi, J.W. Zhou, Z.J. Song, W.S. Liu, D.J. Zhong, I.G. Ren, S.K. Liao, J. Yin, and Y.M. Huang, “Acquisition technology for optical ground stations in satellite–ground quantum experiments,” Applied Optics, vol. 57, no. 6, pp. 1351–1358, 2018, doi: 10.1364/AO.57.001351.
[37] K. Thangavel, R. Sabatini, A. Gardi, K. Ranasinghe, S. Hilton, P. Servidia, and D. Spiller, “Artificial intelligence for trusted autonomous satellite operations,” Progress in Aerospace Sciences, vol. 144, Art. no. 100960, 2024, doi: 10.1016/j.paerosci.2023.100960.
[38] F. Fourati and M.-S. Alouini, “Artificial intelligence for satellite communication: A review,” Intelligent and Converged Networks, vol. 2, no. 3, pp. 213–243, 2021, doi: 10.23919/ICN.2021.0015.
[39] S. G. Bavachkar, A. S. Shewale, R. R. Potdar, and R. R. Chavan, “Satellite quantum communication with cryptography,” Recent Innovations in Wireless Network Security, vol. 1, no. 3, pp. 93–101, 2019.
[40] L. de Forges de Parny, O. Alibart, J. Debaud, S. Gressani, A. Lagarrigue, A. Martin, A. Metrat, M. Schiavon, T. Troisi, E. Diamanti, and P. Gélard, “Satellite-based quantum information networks: Use cases, architecture, and roadmap,” Communications Physics, vol. 6, Art. no. 12, 2023, doi: 10.1038/s42005-022-01123-7.
[41] S. Pirandola, “Satellite quantum communications: Fundamental bounds and practical security,” Physical Review Research, vol. 3, Art. no. 023130, 2021, doi: 10.1103/PhysRevResearch.3.023130.
[42] J. S. Sidhu, “Advances in space quantum communications,” IET Quantum Communication, 2021, doi: 10.1049/qtc2.12015.
[43] K. Abdelli, H. Grießer, and S. Pachnicke, “A machine learning-based framework for predictive maintenance of semiconductor lasers for optical communication,” Journal of Lightwave Technology, vol. 40, no. 14, pp. 4698–4708, 2022, doi: 10.1109/JLT.2022.3163579.
[44] A. Minbaleev and K. Evsikov, “Regulation of atmospheric optical quantum communication links,” E3S Web of Conferences, vol. 541, Art. no. 02001, 2024, doi: 10.1051/e3sconf/202454102001.
[45] X.-H. Huang et al., “WDM free-space optical communication system of high-speed hybrid signals,” IEEE Photonics Journal, vol. 10, no. 6, pp. 1–7, 2018, doi: 10.1109/JPHOT.2018.2881701.
[46] M. Elamassie and M. Uysal, “Free space optical communication: An enabling backhaul technology for 6G non-terrestrial networks,” Photonics, vol. 10, Art. no. 1210, 2023, doi: 10.3390/photonics10111210.
 
دوره 6، شماره 1
مهر 1405
صفحه 21-35

  • تاریخ دریافت 12 بهمن 1403
  • تاریخ بازنگری 28 فروردین 1404
  • تاریخ پذیرش 18 آبان 1404