100Gbps！麻省理工通信系统实现迄今最快的太空激光通信传输

近日，由麻省理工学院（MIT）工程师开发打造出来的一颗小型卫星创造了卫星与地球之间数据传输的新纪录。

据悉，麻省理工学院的TeraByte红外传输（TBIRD）系统以破纪录的每秒100千兆比特（100Gbps）的速度从卫星向地球传输了太比特（TB／Terabyte）级别的海量数据，这一速度有望改变未来的一系列科学任务。

具体来看，这一数据传输速率比传统上用于卫星通信的射频链路高出1000多倍，也是迄今为止从太空到地面的激光链路所达到的最高速率。

100Gbps的速度有多快呢？要知道，SpaceX耗巨资打造的Starlink卫星互联网计划下行链路的速度为500Mbps（1Gbps＝1000Mbps），而即便是国际空间站的数据传输最高也能只是达到600Mbps左右。这也就意味着，TBIRD系统的速度要比它们快上200倍。

除了这让人吃惊的速度之外，TBIRD系统在防止数据损坏这一块上也极大地突破了以往的限制，能够克服一系列的工程挑战。通过小而低成本的空间和地面终端，TBIRD系统可以让来自世界各地的科学家充分利用激光通信来下行链接他们曾经希望传输的海量数据。

以往，基于激光的空间通信始终存在一些工程上的挑战。首先，与无线电波不同，激光形成的光束通常很窄。为了成功实现流畅的数据传输，这种窄波束需要在地面上的发送方和接收方之间进行更精确的对齐。虽然激光可以在太空中传播很长的距离，但由于大气和天气条件的影响，激光束会被扭曲，最终导致数据丢失。

TBIRD任务与技术是由MIT林肯实验室与美国宇航局戈达德太空飞行中心合作开发的。TBIRD卫星通信系统集成了三个关键的商用现成部件：一个高速率光学调制解调器，一个大型高速存储驱动器和光信号放大器，所有这些都装在一个纸巾盒大小的通信有效载荷中。为了处理数据丢失，该团队开发了一个新版本的自动重复请求（ARQ）。ARQ是一种用于控制通信链路上数据传输错误的协议，它让地球上的接收器能够通过低速率上行链路信号提醒发送者重新传输丢失或损坏的任何数据块。

“如果是信号中断，那数据还可以重新传输；但如果是因为效率低下，这就意味着你把所有的时间都花在了发送重复数据而不是新数据上，这个过程中你可能会损失很多数据吞吐，”TBIRD系统工程师与技术人员Curt Schieler解释称，“通过使用我们的ARQ协议，接收器会告诉有效载荷它正确接收了哪些帧，因此有效载荷知道需要重新发送哪些帧。”

此外，TBIRD系统不再不需要一个指向窄激光束的万向架。相反，它依赖于实验室开发的错误信号系统来精确指向航天器的本体。该系统通过调整整个卫星本身，从而精确地指向接收器。该团队表示，如果没有万向节，其有效载荷甚至可以进一步小型化。

目前对于卫星而言，基于激光通信的高速互联网还没有真正地被打造出来。与无线电波相比，现在用于激光通信的红外光具有更高的频率（或更短的波长），这允许在每次传输中包含更多的数据。从地球观测到太空探索，一系列科学任务都将受益于数据的高速传输。而随着仪器能力的进步，科学家们可以捕获更多的高分辨率数据。

该团队研究负责人Jade Wang表示：“我们打算展示一种低成本的技术，能够快速将大量数据从近地轨道下行连接到地球，以支持科学任务。在短短几周的运营中，我们已经实现了这一目标，实现了高达每秒100千兆比特的前所未有的传输速率。接下来，我们计划使用TBIRD系统的其他功能，包括将速率提高到每秒200千兆比特，使下行链路超过2Tb的数据（相当于1000部高清电影）在5分钟的时间内一次性通过地面站。