基于波分復用的衛星光通信網絡多普勒影響研究

摘要：衛星通信技術近年來獲得了良好的發展，隨著經濟水平不斷提升，其重要程度也愈發明顯。衛星通信技術不僅應用于軍事與應急通信領域，在工業生產等行業也被廣泛應用。應用衛星光通信技術增強通信能力是增加衛星載荷效率的有效途徑，但是衛星運行引發的多普勒效應有一定概率對衛星間的激光通信造成不利影響。文章對光通信中多普勒頻移對波分復用衛星的相對運動的影響展開分析，重點分析了多普勒頻率變化的幅度。

關鍵詞：多普勒;衛星光;通信網絡;波分復用

中圖法分類號：TN929文獻標識碼：A

Research on Doppler effect of satellite optical communicationnetwork based on wavelength division multiplexing

WANG Lu

（Early Warning Section of Command Information Support Center of Tangshan Civil Air Defense Office（Civil Defense），Tangshan，Hebei 063000，China）

Abstract：Satellite communication technology has achieved good development in recent years.With thecontinuous improvement of economy， the importance is becoming more and more obvious. Satellitecommunication technology is not only used in the field of military and emergency communication，but also widely used in various industries such as industrial production. Using satellite opticalcommunication to enhance communication capability is an effective way to increase satellite loadefficiency， but the Doppler effect caused by satellite relative operation has a certain probability tocause adverse effects on laser communication between satellites. This paper analyzes the influence ofDoppler frequency shift on the relative motion of WDM satellites in optical communication，focuseson the amplitude of Doppler frequency change.

Key words： Doppler， satellite light， communication network， wavelength division multiplexing

多普勒效應最早由奧地利數學家、物理學家多普勒于1842年提出。他認為，物體的輻射頻率以及波長會隨著觀察者和光源的運動而改變。包含光波在內的所有波動現象均有多普勒效應，當前很多研究者的研究重點集中于計算衛星間光通信鏈路多普勒頻率變化的方法之上，當使用極地軌道時，衛星間的光載波的波長會發生一系列變化[1]。這是因為光通信的波長可與云和大氣霧的粒徑相媲美，光通信在衛星鏈路中的使用受到嚴格限制，但是在衛星間的連接中則不存在這樣的問題。如今，建立光通信網絡的方法已成為許多國家的重點研究對象，兩顆通信衛星的相對運動都極有可能引起多普勒效應。在普通的衛星通信中，通常可使用鎖相環來跟蹤多普勒頻率的變化，但在光通信網絡中，這很困難，不需要類似的解決方案去解決。本文研究了多普勒效應對衛星間光通信的影響，并提出了相關建議。

1概述

1.1衛星網絡通信技術

簡單而言，衛星通信技術是利用人造衛星來轉發電波的一種通信手段。在整個衛星網絡通信的過程中，以衛星為中間站，實現各個用戶之間的信息傳遞。整個衛星網絡通信系統由三部分組成，即地面端、空間端以及用戶端。地面端包括網絡控制中心、衛星控制中心、信息通信中心，所有地面端操作設備保證了網絡通信的暢通，并將移動終端接入核心網絡;空間端是指衛星轉發無線電波，完成各類通信信號空間傳輸;用戶端根據使用情況分為機載用戶、艦船用戶、手持用戶等。衛星網絡通信能夠實現全球信息傳輸，但其缺點也顯而易見，如在信息通信過程中出現延時、通信信號傳輸質量差。目前，衛星通信不僅在軍事上得到了廣泛應用，在各個工業生產領域及百姓生活也普遍應用，尤其是5G 時代的到來，以5G 為主的相關科技為衛星網絡通信提供了更大的發展空間，也讓衛星定位功能在移動通信上得到廣泛應用，實現了導航、定位、測速測距，讓每個終端用戶獲得了良好的使用體驗[2]。

1.2多普勒效應

光通信網絡的多普勒效應只被觀察者和波源的相對運動軌跡所影響，有基于相對論的電子學表明，當觀察者和波源之間發生相對運動的時候，洛倫茲變換獲得可以得出光波的多普勒頻移量。假設波源在波源的運動方向上運動，但傳播軌跡和波源的夾角是θ，此時就可以通過“Lorentz”進行轉換。

1.3多普勒頻移

如今，移動衛星通信服務讓“全球通”得到了落實和實現。通過衛星實現移動通信的方式有很多種，如低軌道（ LEO ）衛星、中軌道（ MEO ）和靜止軌道（GEO）衛星。為保證全球信號的連續覆蓋，移動衛星通信系統需要合理利用不同的衛星（如 Irilim 系統就利用了六十六顆衛星）來創建星座。當然，把衛星連接起來創建一個移動通信體系，便形成了 ISL 系統。通信的終端個人通信和寬帶化日益增長的需求將使得 ISL 從微波技術轉向更大容量的波分復用衛星光通信技術或者激光技術。在此，我們將量化不同情況下的多普勒頻率變化，以及對 ISL 的可能影響。

2我國衛星網絡通信的發展現狀

2.1寬帶多媒體領域

近年來，衛星通信技術的發展讓網絡寬帶多媒體逐步走向成熟，網絡多媒體作為信息技術的重要組成部分，實現了服務與技術的融合，網絡多媒體技術離不開衛星通信技術的支持，二者相輔相成，衛星網絡通信、量能指標與傳輸效率決定最終用戶端的多媒體技術實踐與發展，并且隨著衛星網絡通信的不斷提升，多媒體技術整體也得到了明顯改善，更好地服務于工業生產，滿足了用戶更高的網絡通信要求[3]。

2.2衛星電視直播領域

隨著我國經濟的發展及社會生活的需要，衛星網絡通信技術已經被引入電視直播領域，并且很早就進入了快速發展通道，相關網絡直播設備（如數字電視、衛星電視等）也得到了快速發展，已經普遍走進了大眾的娛樂生活。良性的網絡通信技術發展刺激了市場需求，并且以各類賽事及綜藝直播活動為載體的內容被現場直播給廣大受眾，用戶也越來越接受網絡直播類信息通信內容，且根據大數據統計，滿意度呈上升趨勢。從某種意義而言，衛星通信已是當前網絡電視發展的主流方向，也是未來衛星通信的主要內容。

2.3快速增長的消費需求

從社會服務屬性角度而言，衛星通信技術已為公益事業服務發展注入了新的動力，尤其是近年來衛星通信服務呈上升趨勢，衛星通信與當前的市場消費已密不可分。衛星網絡通信技術的發展讓市場消費需求逐步膨脹。反之，如果衛星網絡通信技術止步不前，也最終會導致市場緊縮與萎靡。衛星網絡通信技術已成為經濟、娛樂、工業生產等各個領域的發展主流，社會對衛星網絡通信技術要求也越來越高。從通信行業長遠發展的角度而言，社會消費需求的膨脹既是一種全新的挑戰，也是網絡衛星通信的一次發展機遇，只有跟隨時代發展的步伐，才能讓更多的消費者受益于衛星網絡信息通信技術[4]。

3衛星光通信網絡的多普勒影響分析

3.1單波長非相干光通信

在通過衛星進行的光通信過程中，半導體的光檢測器通常用于檢測光信號。由不同材料制成的光電探測器都可以對各種波長的光波做出反映，這是因為整個宇宙中有眾多的擾動，假如不采取動作，大波長范圍之內的太陽光和星光等宇宙景觀會刺激光探測器的光度計電流。強烈的背景噪音會降低系統的信噪比，更有可能完全切斷通信，所以目前這個問題急須解決。一般的方法是在接收端用光學器件在光電進行檢測之前過濾窄帶信號，同時使信號光的波長得以通過，以過濾通信中該長度的大部分背景光，保證可以使得通信信噪比得到滿足。當然，在保證通過的條件下，濾波器的通帶越窄，系統的信噪比就更好。但是，如果系統改變多普勒頻率，那么濾波器通帶不可以沒有限制的減小，通帶的波長一定要比多普勒效應引起的峰值波長范圍要大，才可以確保信號能夠通過。與多普勒頻率不變的狀態進行對比，這種效應降低了接收端的信噪比，可能會引起接收靈敏度下降。所以，在離散單波長激光通信的狀況之下，當兩顆通信衛星間出現相對運動時，首先要慎重考慮濾光片的傳輸范圍。另外，應增加天線增益或發射功率，對接收靈敏度降低進行補償[5]。

3.2多波長非相干光通信

針對非相干的多波長光通信，對于系統除了造成描述中的影響以外，還規定了關于幾個光載波間的距離和波長分離設備的傳輸特性的要求。光纖通信應用極為寬廣的多波長系統是眾所周知的 DWDM（密集波分復用）。選擇此波長范圍時，特別要考慮如下因素：（1）光載波自身譜線的寬度，當前用于通信的縱向單模半導體（SLMLD）激光器的譜寬可以小于4nm，但是和波長相比，也是不可以忽視的;（2）信號調制產生的光諧波放大在1550mm 波端，25Gbit/s 信號調制后的光載波頻譜比 Q02nm 寬。此外，內部調制頻譜也可以實現某種程度的頻譜增益;（3）由于光源老化引起的波長發生偏移，如果相鄰信道的波長偏移太大，很明顯會導致信道間的干擾過大，并產生一些錯誤;（4）分波復用器隔離寬度;（5）光纖摻雜放大器具有很寬的增益譜，常見的放大器有效增益光譜在50nm 之內，較小的波長范圍對于該光譜寬度內對齊盡可能多的波長有幫助，可以提升系統的整體容量。在衛星之間傳輸多個波長時，需要清楚地考慮上述大部分因素，還需要綜合深入考慮衛星相對運動引起的多普勒頻移。可以預見，衛星之間的波分復用通信需要選取更大的波長范圍。與此同時，傳輸范圍也應增加，并在通道區域盡可能保持平坦。

3.3相干光通信

針對相干光通信，光接收機的接收端的等效輸入光功率是光信號功率和本振的光功率之間乘積平方根。所以，當在功率較大的區域使用功率振蕩器時，系統可以容納10～25分貝的本地振蕩器，從而大大提高了接收靈敏度，這對于光遠距離通信具有重要意義。

在光纖通信中，因為通過相干光通信保持所需偏振狀態的條件難以得到響應，而 EDFA 能夠補償光功率的損失，所以相干光通信并未得到廣泛應用。衛星之間之所以采用激光通信，一是空間距離很大、功率損失很大，并且無法補償;二是在空間中傳播的光能夠保持一致的外觀，所以相干光通信具有很強的實用性。但是，如果改變多普勒的頻移，就會導致嚴峻的問題，一是本地提供本振光，此時本振波長固定、載波固定，光信號受頻移的影響進而發生變化。當本振可以隨著信號光載波頻率的變化時，衛星網絡通信中的基本技術問題已得到解決，但同時需要調整本地激光振蕩器的頻率才能實現對網絡信號的同步跟蹤。從技術執行角度而言;三是本鎮光波發射端接收光波時出現問題，這時信號光和本振光出現了同樣的多普勒頻移現象，對應的檢測輸出不受多普勒頻移的影響。但因為本振光是經歷了很長一段距離的傳輸，導致接受功率比較低，最后的結果就是只得到了極小的本振收益，沒有達到提升靈敏度的目標。

總之，相干光通信雖然可以讓接收機檢測到本振，增大接收敏度度，但不適用于通信雙方衛星因存在多普勒頻移而發生相對運動的情況。但是，在 GEO 衛星之間建立連接時，因為 GEO 衛星間無相對運動和距離，因此光信號范圍的傳播損失較大，此時光通信應該具有較強的可用性。

4結束語

隨著社會的發展，衛星網絡通信技術已經應用于社會生產生活的各個方面，對于諸多領域的發展具有重要作用。多普勒效應是因為衛星之間出現相對運動導致的，這可能會致使信號提供者的頻率發生波動，在 ISL 中使用激光通信增加衛星的有效載荷時，多普勒效應對通信有一定的影響。本文對其展開了討論和評估，最后從結果可以看出，當 LEO 軌道間衛星使用波長為1550nm 的激光產生 ISL 時，多普勒效應會引起高達10個數量級的頻移。對于具有單一波長的離散激光通信，接收器的靈敏度會降低。對于具有多個波長的離散激光通信，本文提出了對通帶帶寬和器件載波波長范圍的需求，不可以直接使用地板解復用波分的 DWDM 規范。與此同時，本文還指出了多普勒效應對不離散通信有嚴重影響，應盡可能規避在相對運動的衛星之間使用不離散的光通信。

參考文獻：

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[3]李科新，尤力，高西奇.基于大規模 MIMO 的低軌衛星通信系統[J].天地一體化信息網絡，2022，3（1）：2?8.

[4]陳鵬，吳成杰，朱俊清，等.衛星通信系統中功率控制的設計分析[J].數字通信世界，2022（3）：66?68.

[5]柴瀛.海洋物聯網中的衛星通信[ J].物聯網技術，2022，12（3）：28?30.

作者簡介：

王璐（1983—），本科，工程師，研究方向：電子工程類（空情、雷達、衛星等）。