一文读懂：FSO在低空网络中的应用探究

低空经济作为新兴产业，对网络的需求存在诸多不确定性。低空网络作为新型基础设施的重要组成部分，对低空经济的发展具有不可估量的重要性。为满足未来空间智能体互联等新兴业务的通信需求，低空网络应与地面固定通信网络以及空间卫星网络融合，构建起立体化、多层次的广域骨干通信网络，推动传统网络从“面向人”覆盖向“面向物”覆盖转变，为用户的各类应用提供全域宽带连接支持。

随着技术的不断发展，FSO（Free Space Optical Communica tions，自由空间光通信）将在未来通信网络中扮演更为重要的角色。FSO因在高速率、低时延和高安全性等方面具备优势，目前已成为业界公认的可增强卫星间通信能力的互联方案。此外，FSO能够实现不受传输介质限制的灵活部署，在真空和大气等自由空间中传递信息。面向太空、大气层、地面三个空间维度，FSO既可作为微波通信的增强技术，也可作为地面光纤通信的补充技术。在太空和大气层，以及与地面的互联场景中，相较于微波通信，FSO能进一步提升数据传输能力，提供更大带宽和更高保密性。在地面场景下，FSO能在地面网络覆盖不足的情况下，灵活提供通信能力。

本文首先对低空网络进行了阐述，详细介绍了低空网络的多种应用场景以及面临的挑战。其次阐述了FSO的基本原理、发展现状、具备的优势，以及通信感知一体化技术。最后针对低空网络面临的挑战，结合FSO的独特优势，提出了基于FSO的空天地一体组网方案，并探讨了FSO未来的发展趋势，期望为未来低空网络的发展提供一些有价值的建议。

01

低空网络概述

低空网络简介

低空通常指距离地面垂直高度不超过3000米的空域范 围。这片空域与地面距离较近，气流稳定，且不受中高空飞行器的干扰，因此成为许多飞行器活动的理想区域。低空领域的飞行器不仅有无人机、无人飞行汽车，还包括有人驾驶的航空器，例如直升机、小型飞机等。

低空网络是依托蜂窝移动通信网络、物联网、云计算等先进基础设施，构建的一个集通信、感知、计算于一体的智能互联低空服务体系，该体系被视为低空经济发展的重要基石。当下，5G等新一代信息通信技术为低空网络提供了强大的通信支持。作为5G网络的演进和增强版本，5G-A是5G向6G演进的关键阶段，其在继承5G高速率、低时延、大连接等核心优势的基础上，集成了通信感知一体化、空天地一体化、通算智一体等多项革命性新技术，进一步提升了网络性能，拓展了应用场景，成为推动无人机等低空飞行器乃至整个低空监管生态系统向智能化、安全化、高效化发展的核心动力。

然而，如同任何新技术的推广过程一样，5G-A技术在低空网络中的应用也面临一些挑战。首先，5G-A技术的部署和运营成本高昂，这一问题不可回避。作为前沿技术，5G-A的组网需要大量建设基站、数据中心等基础设施。其次，为确保网络的稳定运行，还需要持续投入资金用于设备维护、电力消耗以及网络安全保障等方面。此外，低空网络的持续发展，将带来更加复杂和多样化的通信需求。

低空应用场景

5G-A通过整合通信、感知和智算技术，为低空物流、应急救援、环境监测与治理、农林植保、测绘勘探及管线巡检等场景提供全方位支持。

在低空物流方面，低空网络能够突破地理环境的制约，让无人机等低空飞行器开展快速且精确的货物运输，实现远距离、高效率和低成本的配送服务。

在应急救援方面，低空网络能在各类场景中发挥重要作用，特别是在紧急情况下，能够提供快速、可靠的通信服务。借助无人机和直升机等低空飞行器，可在受灾区域迅速部署通信网络，为救援工作及时提供通信支持，并且还能与卫星通信、地面通信系统协同配合，构建空天地立体化、多层次的通信应急保障体系。

在环境监测与治理方面，通过低空网络，低空飞行器可应用于水域环境的监测和治理工作，如水污染监测、生物多样性保护等。通过搭载水质检测仪、生物识别系统等设备，低空飞行器可以远程监测水域环境的变化情况，为相关部门提供执法依据。

在农林植保领域，无人机使用其搭载的传感器和摄像头，可以实时采集农田数据，监测农作物的生长态势和病虫害的发生情况。这些数据可用于指导精准施药，实现定点、定量喷洒，进而提升农药使用的效果，降低农药对环境的影响。

在测绘勘探及管线巡检方面，无人机依托低空网络，能够协助勘察设计人员开展勘察、航拍摄影等工作。无人机可以迅速到达指定区域上空，采集现场图片和视频，为勘察设计提供数据支撑。与此同时，无人机还能帮助维护人员进行常规管线巡检，及时发现并排除故障。

低空网络面临的挑战

尽管低空网络有着丰富的应用场景和广阔的发展前景，但仍然面临诸多挑战。

一是广域覆盖挑战。当前移动通信网络主要服务地面用户，其网络部署和组网形式以地面场景覆盖为主，难以有效实现立体空间的广域连续覆盖，已覆盖区域呈现碎片化状态。

二是网络干扰挑战。若低空网络与地面移动网络同频部署，地面基站的上旁瓣就会对低空用户产生下行干扰；此外，低空用户的上行发射也会对地面用户造成上行干扰。因此，低空网络应具备强大的干扰检测与消除能力，以确保网络的稳定性。

三是空口资源分配挑战。在无线电频谱资源愈发稀缺的背景下，如何在不增加空口资源的前提下实现空天地一体网络，将二维网络空间拓展到三维，成为亟待研究的问题，这其中涵盖空天地融合调度优化、空天地业务协同等。

四是大带宽与低时延通信挑战。低空应用存在高速率数据传输的需求。无人机传输的视频、图像和传感器数据量庞大，需要大带宽予以支 持。同时，一些场景（如 实 时 监 控、远 程 航 控 等）对时延的要求也极 为严格。

五是网络信息安全挑战。低空网络在信息传输层面同样面临严峻的挑战。具体而言，低空用户在进行数据传输时，有可能遭遇恶意攻击，导致信息泄露或被窃取。同时，低空飞行器在飞行过程中可能捕捉到敏感信息，怎样保护这些信息不被非法窃取，成为低空网络需要解决的关键问题。

02

FSO概述

FSO基本原理

光通信包括有线光通信和无线光通信，其中有线光通信指的是光纤通信，无线光通信也被称作光无线通信或FSO。FSO融合了光通信技术和无线通信技术，以光波作为载波，把大气、水等当作信道来进行数据传输，从而构建起“空空”“空天地”“地地”“星地”“星间”等完整的组网通信系统。FSO系统主要由发射系统、信道与接收系统构成（如图1所示）。

FSO系统框架

FSO的基本原理是信息的电信号通过调制加载到光信号上，收发两端通过“捕获-对准-跟踪”技术（APT）建立通信链路，以光波为载波在自由空间信道中传输信息。FSO技术兼具无线通信和光纤通信的优势，具有通信速率高、传输容量大、安全性好、波段范围广等特点，并且终端设备体积小、重量轻、能耗低、安装简便，可以根据需要快速部署，在民用和军事领域都具有重要的应用价值。

FSO现状及优势

在20世纪80年代，FSO技术便引起了人们的关注。然而，由于当时的技术尚不成熟，加之大气信道光传输存在不稳定性等因素，使FSO的传输距离和信号质量受到限制，阻碍了FSO的进一步发展。随着时间的推移，光纤技术不断成熟，促使光纤通信得以快速发展并广泛应用，而FSO技术则逐渐淡出人们的视野。不过，近年来，随着大功率半导体激光器技术的成熟、骨干网的建成，以及“最后一公里”问题的出现，FSO技术的研究再度受到重视。

FSO主要具备四大优势。一是频率高、频带宽、承载信息 容量大，而且无需频率许可证，频率资源丰富。二是抗电磁干扰能力与截获能力强。三是保密性好，具有较好的方向性。四是天线尺寸较小，功耗和成本低，以大气作为信号传播的媒介，省去了光缆铺设及维护工作。

目前FSO主要扮演两个角色：一是作为微波通信的增强手段，二是作为地面光纤通信的补充。其主要应用场景涵盖卫星互联网、卫星遥感数据传输、航空器通信、机载应急通信和地面通信等空天地一体的立体广域覆盖场景。

FSO立体空间网络体系

FSO能够为航空器、无人机、高空飞艇等提供高速、安全的通信链路。各类航天器通常各自组网，不同网络之间能够实现互联。机载应急通信可通过无人机携带一体化小型基站，该基站包括轻小型激光通信终端及射频模块等；而在地面，正常运行的机房同样配备激光通信终端。利用无人机和机房的激光通信终端，可建立大带宽通信链路，从而为灾区提供通信网络服务。与之类似，FSO在其他低空场景中均具备潜在的应用价值。

通感一体

通信感知一体化技术使得系统同时拥有通信能力和高精度感知能力，具备提升系统频谱效率、提高硬件资源利用率、降低应用成本等特点。作为6G技术发展的潜在关键使能技术之一，通信感知一体化技术为移动蜂窝网络赋予了新功能，如测距、测速、定位、目标成像和识别等，以满足智慧交通、无人机监控、自动驾驶环境感知、人机交互等智能化场景的新需求。

FSO同样具备感知能力，光谱的大带宽、视距 传输、无射频干扰、高能量效率等特性，为未来6G应用场景提供了坚实的技术基础和广阔的想象空间。光波段拥有取之不尽的频谱资源，可同时用于通信和感知。光具有亚微米级波长和高指向性，适用于超高精度感知和电磁敏感场景。光无线通感技术可以自然地融入已有的照明系统，届时，每一盏灯、每一个屏幕都可以成为未来6G光无线通感系统的一部分。作为未来6G主要应用场景之一，光无线通感系统在实现超大带宽与超低时延通信、超高精度感知，以及低能耗、高私密性等方面，具有很大潜力。

03

基于FSO的空天地一体组网方案

组网架构

鉴于光波段与射频波段存在惊人的相似性，且光器件技术日渐成熟，为FSO应用于低空网络等通信领域，提供了极大的可能性。FSO具备其他通信方式所不具有的优势，能够很好地应对低空网络面临的挑战。因此，基于FSO的空天地一体化组网有望为未来低空网络的发展提供有价值的解决方案，该方案可分为卫星组网、近地大气层飞行器组网，以及各个子网络之间及其与地面网络的互联互通。

FSO空天地一体网络组网方案

FSO在太空、大气层、地面空间中能够实现大带宽通信，构建灵活通信链路，所支持实现的能力包括以下两点。其一为通信性能提升，利用激光实现比微波传输更大的带宽、更低的时延和更高的保密性，在部分场景中可替代微波通信。其二是地面网络补充覆盖，因其具备无需在特定介质中传输的灵活性，所以能够在地面无光纤网络的环境下提供大带宽通信能力。

当前，特殊地理环境下对高速通信的需求愈发迫切。湖泊、江河、山区等复杂地形给光缆铺设带来了极大挑战，微波通信则在带宽方面存在限制，而FSO可迅速在大气中建立高速传输通道，有效解决了“最后一公里”通信问题。

机遇与挑战

近年来，半导体激光器和光电探测器技术的显著进步，推动了FSO通信的快速发展，使其受到广泛关注。这些技术革新不仅提升了FSO通信的性能，还拓展了其应用领域。FSO 技术以其独特优势，展现出巨大的发展潜力和广阔的应用前景。然而，由于FSO技术自身存在局限性，在实际应用中仍面临诸多挑战。

一是对环境的适应能力差。FSO系统对天气条件非常敏感，大气衰减便是影响系统性能的因素之一。截至目前，国内外针对大气传输特性已开展大量研究，并取得重大进展，通常会采用更高功率的激光器二极管、更为先进的光学器件以及多光束来攻克这一难题，推出的产品具备全天候通信能力。

二是传输距离与信号质量的矛盾突出。随着FSO传输距 离的增加，激光波束会发生扩散，导致接收端收到的光信号质量变差。激光链路受光束发散角、强太阳背景噪声，以及大气信道对于信号的吸收与散射等因素影响，在经过长距离空间传输后，其能量大幅衰减且信号质量严重劣化。为解决这一问题，需要考虑在空间激光通信网络中继节点处对信号进行放大及再生处理，满足至下一节点的高性能数据传输需求。

三是收发端对准问题。FSO作为一种视距宽带通信技术，发射机与接收机之间需要具备严格的视距传输条件才能实现通信。在城市环境中，建筑物的阻隔以及收发机的晃动都会对收发两点之间的激光对准造成影响。目前，偏光法和动态跟踪法可以解决这一问题。

四是激光的安全问题。激光束的安全性对于FSO而言是一个重要的问题。为避免激光束对人类的眼睛造成伤害，光信号发射功率必须限制在安全范围内，这也限制了FSO的通信距离。

04

总结

低空网络作为低空经济的重要基础设施之一，具有不可 替代的作用。低空网络的建设将助推低空经济快速发展，使其释放出巨大的经济潜力，促进现代产业体系的构建和高质量发展。FSO有助于应对低空网络面临的挑战，满足未来低空网络多种应用场景的需求，还能作为微波通信的有力补充。相信在不久的将来，FSO将产生巨大的效益，为未来低空经济的发展注入新的生机与活力。

*本文刊载于《通信世界》

总第961期 2025年2月10日 第3期

原标题：《 FSO在低空网络中的应用探究 》

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作者：中通服咨询设计研究院有限公司 张杰

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