Оптическая связь в космосе: проблемы и методы их устранения

В последние годы связь по свободному оптическому каналу (FSO) приобрела большое значение благодаря своим уникальным характеристикам: широкой полосе пропускания, нелицензируемому спектру, высокой скорости передачи данных, простоте и быстроте развертывания, а также низким требованиям к мощности и массе. В системах FSO используется оптическая несущая в ближнем инфракрасном диапазоне для организации наземных линий связи в атмосфере Земли, межспутниковых и дальних космических линий связи, а также линий «Земля—спутник» и «спутник—Земля». Такие системы также применяются в дистанционном зондировании, радиоастрономии, военной сфере, ликвидации последствий стихийных бедствий, обеспечении связи на последней миле, организации магистральных каналов для беспроводных сотовых сетей и во многих других областях. Однако, несмотря на значительный потенциал связи FSO, ее характеристики ограничиваются неблагоприятным воздействием атмосферного канала, а именно поглощением, рассеянием и турбулентностью. Из этих трех факторов атмосферная турбулентность представляет собой основную проблему, которая может привести к существенному ухудшению показателей битовой ошибки системы и сделать линию связи непригодной для эксплуатации. В статье представлен всесторонний обзор различных проблем, с которыми сталкиваются системы FSO в линиях «Земля—спутник», «спутник—Земля» и межспутниковых линиях связи. Кроме того, подробно рассмотрены различные методы компенсации ухудшений характеристик для обеспечения высокой доступности и надежности линий связи. В первой части статьи основное внимание уделено различным типам искажений, создающим серьезные препятствия для функционирования систем оптической связи в линиях «Земля—спутник», «спутник—Земля» и межспутниковых линиях. Во второй части представлен исчерпывающий обзор методов, применяемых как на физическом уровне, так и на других уровнях — канальном, сетевом и транспортном, — для противодействия неблагоприятному воздействию атмосферы. Также представлена недавно разработанная методика, основанная на использовании орбитального углового момента, для реализации преимущества высокой пропускной способности оптической несущей в космических и околоземных оптических линиях связи.