📘 《AI 時代系列（6）：進階通訊工程——邁向2035年太空星鏈網路時代》
📘 第 11周: 🔭 太赫茲（THz）革命 × 光無線通訊 × 全雙工
6G 高频 × 光 × 激光鏈路的未來主戰場
107／150單元： FSO（自由空間光）🔦 城市與太空應用
Free-Space Optics: High-Capacity Optical Backhaul for Urban & Space Networks
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🎯 單元導讀
VLC 是「室內光無線」。
而當光無線被推到公里級、城市級、衛星級，就成為：
⭐ FSO — Free Space Optics（自由空間光通訊）
它利用：
✔ 紅外光（850 nm / 1550 nm）
✔ 雷射（Laser-based optical links）
✔ 高方向性光束（光版毫米波）
在大氣或太空中傳輸資料，效能直接對標「光纖」。
FSO 是 6G × NTN（非地面網路）的核心技術，因為：
🚀 超高速（10 Gbps → 100 Gbps → Tbps）
🚀 不需鋪纜、不需頻譜、不怕 RF 干擾
🚀 LEO 星間鏈路（ISL）全部採用 FSO
🚀 地面回傳 Backhaul 的最佳替代方案
一句話：
🔦 FSO = 光纖搬到天空，用光速建構城市與太空骨幹網路。
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🧠 一、FSO 是什麼？基本概念
FSO 指用導向光束（Laser Beam）在空氣或太空傳送資料。
光源選用：
• 850 nm（便宜，短距）
• ⭐ 1550 nm（安全、低散射、最常用）
• 更高階：波長可調雷射、相干光
接收：
• 光電二極體（PD）
• APD
• 相干接收器（Coherent Rx）
通常採用：
✔ 光纖級調變
✔ 光纖級 BER 效能
✔ 光纖級容量
但不用拉光纖。
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🧠 二、FSO vs VLC（可見光）
技術 光域 距離 速率 場景
VLC 可見光 (400–700 nm) 公尺級 Mbps–Gbps 室內、燈光
FSO 近紅外 (850/1550 nm) 公里級 10G–Tbps 城市、衛星、基地台回傳
一句話：
📌 VLC 是 Wi-Fi 光版；FSO 是光纖光版。
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🧠 三、FSO 通道模型：大氣、吸收、散射、湍流
總體通道增益可表示為：
h = h_atm · h_turb · h_geo
• h_atm（大氣衰減）
• 來源：霧、雨、雪、沙塵、氣體吸收
• 影響：整體光功率隨距離快速衰減
• 特性：與天氣高度相關、變化慢但幅度大
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• h_turb（大氣亂流）
• 來源：溫度與氣壓不均造成折射率波動
• 影響：閃爍（scintillation）、功率起伏
• 特性：隨時間快速變化，造成隨機衰落
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• h_geo（幾何損失）
• 來源：光束擴散、指向誤差、對準偏移
• 影響：接收端截獲能量比例下降
• 特性：與距離、光束寬度、追蹤精度有關
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🔑 一句話總結
FSO 的通道品質高度受制於大氣，一旦霧或湍流惡化，即使硬體再好，連線也可能瞬間失效。
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🧠 四、幾何損耗（Geometric Loss）
光束擴散造成能量下降：
h_geo = A_r / (θ · L)²
• θ = 發散角
• L = 距離
• A_r = 接收器面積
這也是為何 FSO 都要用：
✔ 雷射
✔ 超窄光束
✔ 自動追踪（ATP）
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🧠 五、FSO 的三大應用場景
⭐ 1. 城市級 Backhaul（光纖替代）
• 樓頂到樓頂
• 建物之間
• 避開挖馬路牽纜
容量：
→ 10 Gbps–100 Gbps（商用）
→ Tbps（實驗室）
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⭐ 2. 地面與空中（UAV / 高空平台）
• UAV 當 Relay
• HAPS（高空平台）
• 太陽能無人機
因為光速快
→ 適合低延遲服務（AR / 工廠）
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⭐ 3. LEO 星間鏈路（ISL，星鏈主力）
SpaceX Starlink 的 ISL（laser link）使用 FSO：
✔ 1,550 nm
✔ 大氣 = 0（在太空）
✔ 多點星間光纖級連通
✔ 全球最低延遲（光速 + 低軌道）
Space ISL = FSO 最完美的運行環境。
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🧠 六、FSO 調變格式（光纖等級）
FSO 用的就是「光纖調變」：
✔ OOK（On-Off Keying）
最簡單、便宜、短距離。
✔ PPM（Pulse Position Modulation）
適合大氣干擾環境。
✔ DPSK / DQPSK
比 OOK 抗噪能力好。
✔ OFDM（IM/DD 或 Coherent）
載入超高頻寬，達百 Gbps–Tbps。
✔ 相干光（Coherent FSO）
最佳性能，LEO ISL 使用。
• QPSK
• 16-QAM
• 64-QAM
• DP-QPSK（Dual Polarization）
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🧠 七、FSO 的工程挑戰
❗ 1. 霧
霧 = FSO 最大天敵
→ 衰減 20–80 dB/km
→ 有霧時 FSO 幾乎掛掉
需備用：
• RF (mmWave) hybrid
• Multi-path FSO
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❗ 2. 光束追蹤（ATP）
距離一公里，偏 1 mm 都收不到。
需：
• 精準雲台
• 微型馬達
• AI 視覺追踪
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❗ 3. 大氣湍流
→ 需要 adaptive optics（自適應光學）
→ 濾除閃爍、抖動
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❗ 4. 眼睛安全
1550 nm 安全但仍需控能量。
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🧠 八、AI-native × FSO：6G 的主戰力
AI 幫 FSO 解決三大問題：
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✔ (1) AI-based ATP（光束追蹤）
• 用影像辨識 + Kalman filter
• 自動校正光束對準
→ 追踪誤差可降到微弧度級
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✔ (2) AI-based turbulence mitigation
• 用 RNN / Transformer 從歷史光強度預測湍流
• Adaptive filtering
→ BER 大幅下降
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✔ (3) AI-based hybrid switching（FSO × mmWave × Fiber）
霧來時：自動切到 mmWave
天清時：自動切回 FSO
→ 保持 99.999% 可靠度
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🧠 九、ASCII：城市 FSO Backbone 示意圖
Building A Building B
[FSO Tx/Rx] <------ Laser ------> [FSO Tx/Rx]
| |
[5G/6G gNB] [Edge Cloud]
↑ ↑
| FSO + mmWave Hybrid |
此示意圖描述城市中的 FSO 骨幹（Backbone）架構：兩棟建築物之間以 FSO 雷射鏈路進行點對點高速傳輸，作為樓對樓的無線光纖替代，用來承載大量資料流量；左側連接 5G/6G 基地台（gNB），將無線接取流量回傳，右側則直達 Edge Cloud 以支援低延遲運算與服務。同時搭配 FSO + mmWave 混合架構，在天氣不佳時由毫米波接手，提升整體鏈路的穩定性與可用度，符合實際城市部署的設計邏輯。
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🧠 十、模擬題
1️⃣ 模擬霧（Fog）造成的衰減，計算在 30 dB/km 下的可用距離。
2️⃣ 比較 OOK / PPM / DQPSK 在湍流通道下的 BER。
3️⃣ 建立 FSO × mmWave hybrid 切換策略（AI-based）。
4️⃣ 模擬星鏈式 LEO ISL 光鏈路容量（DP-QPSK @ 1550 nm）。
5️⃣ 量化光束對準誤差（pointing error）造成的 SNR loss。
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🧠 十一、小結
✔ FSO = 光纖搬到天空的超高速骨幹
✔ 城市 backhaul、HAPS、UAV、LEO 都需要
✔ LEO 星間鏈路完全仰賴 FSO
✔ 霧 / 湍流 / 對準 是三大限制
✔ AI-native 能補上最大弱點
✔ 是 6G × NTN 主建設技術之一
一句話：
🔦 FSO 是 6G × 太空網路的「光速主幹道」，連結城市、天空與軌道。
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