衛(wèi)星激光網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)研究

2023-02-09 03:36:40張德鵬

光通信研究 2023年1期

張德鵬,俞研，王悅

(1.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210094； 2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

高速發(fā)展的數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)推動了衛(wèi)星星座化和網(wǎng)絡(luò)化部署。傳統(tǒng)通信衛(wèi)星采用Ka和Ku等微波通信頻段，其頻率及帶寬資源的緊缺，使得通信容量達(dá)到一定瓶頸。衛(wèi)星激光通信具有無頻率限制、大帶寬、高速率和高安全性等特點(diǎn)，同時其載荷及終端具有體積小、重量輕和功耗低等優(yōu)勢，是高效解決衛(wèi)星射頻通信問題的有效途徑[1]。

1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國、歐洲和日本等對衛(wèi)星激光通信的研究起步較早，技術(shù)發(fā)展較為全面及成熟，在該領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展具有一定的代表性[2-4]。表1統(tǒng)計(jì)了美國、歐洲和日本在衛(wèi)星激光通信方面開展的典型技術(shù)驗(yàn)證及未來發(fā)展規(guī)劃。

表1 美國、歐洲和日本衛(wèi)星激光典型研究計(jì)劃

1.1 LCRD

2020年，美國航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)實(shí)施了LCRD計(jì)劃，作為美國下一代跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星的先驗(yàn)系統(tǒng)，用以驗(yàn)證衛(wèi)星激光鏈路與網(wǎng)絡(luò)和微波—激光混合通信等關(guān)鍵技術(shù)[5]。2020年7月，LCRD系統(tǒng)完成與國防部空間試驗(yàn)計(jì)劃衛(wèi)星6號(Space Test Program Satellite-6，STPSat-6)衛(wèi)星平臺的裝載，8月正式升空，針對光學(xué)地面站間的雙向激光通信和地面站—地球同步軌道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)—地面站的激光中繼通信，開展為期兩年的在軌試驗(yàn)。LCRD由2個光學(xué)地面站組成[6]，其中1個作為用戶終端，在大氣湍流環(huán)境下進(jìn)行激光通信、編解碼和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等性能的測試，后續(xù)將根據(jù)ILLUMA-T激光終端計(jì)劃(預(yù)計(jì)2022年)開展激光數(shù)據(jù)中繼試驗(yàn)，終端實(shí)物如圖1所示。

圖1 LCRD終端實(shí)物圖

1.2 TBIRD

2022年，NASA將啟動TBIRD計(jì)劃，用以測試小型衛(wèi)星平臺與小型地面終端之間高速的點(diǎn)對點(diǎn)激光通信能力和高速突發(fā)通信能力。TBIRD激光通信終端將部署于探路者技術(shù)演示(Pathfinder Technology Demonstration，PTD)—3立方星平臺，實(shí)現(xiàn)最高200 Gbit/s的傳輸速率[7]。該項(xiàng)目關(guān)鍵組件已完成相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)，其終端組成及實(shí)物如圖2所示。

圖2 TBIRD終端組成及實(shí)物圖

1.3 EDRS

EDRS系統(tǒng)由EDRS-A、EDRS-C和EDRS-D 3顆高軌衛(wèi)星組成，可實(shí)現(xiàn)空間激光通信傳輸。2016年1月，EDRS-A成功入軌，其搭載的激光通信終端實(shí)現(xiàn)了星間鏈路通信，Ka頻段發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)了星地鏈路通信[8]。同年6月，EDRS-A首次與“哨兵-1A”建立傳輸速率為1.8 Gbit/s的激光通信鏈路，將接收圖片成功傳回地面。目前EDRS-A穩(wěn)定在軌運(yùn)行，激光建鏈次數(shù)高達(dá)25 000次，星間建鏈時間小于3 s，單次建鏈時長約為14.5 min，通信數(shù)據(jù)吞吐量達(dá)到787.9 TB，鏈路可用度超過99.7%。2019年8月，EDRS-C激光終端成功入軌，進(jìn)一步提升了EDRS系統(tǒng)探測能力，預(yù)計(jì)2025年入軌的EDRS-D將與前兩顆衛(wèi)星共同組建全球網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)亞太地區(qū)的數(shù)據(jù)回傳，屆時EDRS系統(tǒng)將提供3.6 Gbit/s的全球數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。EDRS終端原理及實(shí)物如圖3所示。

圖3 EDRS終端組成及實(shí)物圖

1.4 JDRS

2020年11月，JDRS光學(xué)數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星成功入軌，通過星間光通信鏈路和Ka頻段饋電鏈路，提供了1.8 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)中繼傳輸[9]。該項(xiàng)目除了完成高軌光學(xué)通信終端和地面站的研制建設(shè)外，還對低軌光學(xué)通信終端進(jìn)行了研發(fā)，并通過“先進(jìn)光學(xué)衛(wèi)星”平臺的搭載，實(shí)現(xiàn)了與高軌衛(wèi)星之間的信息交互。JDRS計(jì)劃的任務(wù)周期為10年，期間除完成原定任務(wù)外，還將完成與日本宇航探索局(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)其他低軌衛(wèi)星之間的通信連接。

1.5 HICALI

2014年，日本國家信息與通信技術(shù)研究所(National Institute of Information and Communications Technology，NICT)啟動HICALI計(jì)劃，并迅速開展地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和關(guān)鍵技術(shù)的研究驗(yàn)證。2021年，HICALI激光終端正式入軌，提供了10 Gbit/s的激光通信鏈路。HICALI激光終端由光學(xué)頭部、光放大器、光學(xué)收發(fā)單元、激光—射頻轉(zhuǎn)換單元和數(shù)據(jù)單元組成，支持?jǐn)?shù)字通信和射頻信號的透明轉(zhuǎn)發(fā)。HICALI系統(tǒng)在東京、神戶、鹿島和沖繩等地建設(shè)了具有自適應(yīng)光學(xué)(Adaptive Optics，AO)校正系統(tǒng)的分布式光學(xué)地面站，并通過多環(huán)境因素的全面分析，提高了鏈路的通信效率，地面站部署如圖4所示。2023年，NICT計(jì)劃發(fā)射一顆低軌衛(wèi)星CubeSOTA[10](通信速率可達(dá)10 Gbit/s)，并與HICALI聯(lián)合建鏈，以驗(yàn)證高低軌星間鏈路的通信性能。

圖4 HICALI地面站部署情況

由上述調(diào)研情況分析可知，美國、歐洲和日本均完成了相干與非相干激光通信體制驗(yàn)證。其中，非相干通信體制的傳輸速率在Mbit/s量級，主要用于低—地的短距離通信和低—高的返向低速通信；相干通信體制的傳輸速率在Gbit/s量級，主要用于高—地和高—低的長距離通信；在通信波長方面，美國和日本以1 550 nm為主，歐洲以1 064 nm為主。

2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

國內(nèi)衛(wèi)星激光通信研究起步相對較晚，各院校及科研單位將空間激光通信的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)與驗(yàn)證作為主要發(fā)展方向。

2011年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的激光通信終端由“海洋二號”衛(wèi)星搭載升空，利用IM/DD通信體制，實(shí)現(xiàn)了星地間2 000 km距離、20、252和504 Mbit/s速率的通信傳輸，填補(bǔ)了國內(nèi)星地激光通信的試驗(yàn)空白；2016年，上海光機(jī)所等共同研制的激光通信終端由“墨子號”量子衛(wèi)星搭載升空，完成了我國首次相干通信體制(DPSK-PPM)的星地激光通信驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了星地間1 200 km距離、下行5.12 Gbit/s和上行20 Mbit/s速率的通信傳輸，具備視頻及圖片的傳輸能力[11]；2016年，“天宮二號”空間實(shí)驗(yàn)室搭載的激光通信終端完成了與地面接收站之間的通信實(shí)驗(yàn)，采用IM/DD通信體制，實(shí)現(xiàn)了星地1.6 Gbit/s的通信傳輸，本次實(shí)驗(yàn)還首次完成了白晝激光通信，可實(shí)現(xiàn)白晝激光跟蹤能力相近；2017年，“實(shí)踐十三號”衛(wèi)星搭載哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的激光通信終端升空，利用IM/DD通信體制，實(shí)現(xiàn)了同步軌道衛(wèi)星與地面間45 000 km距離、5 Gbit/s的高速通信傳輸[12]；2019年，航天科技集團(tuán)五院西安分院研制的激光通信終端由“實(shí)踐二十號”衛(wèi)星搭載升空，該終端搭建了國際首個正交相移鍵控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)相干體制星地激光鏈路，通信速率達(dá)到10 Gbit/s，各項(xiàng)指標(biāo)位于國際先進(jìn)水平[13]；2020年，“行云二號”01星和02星搭載物聯(lián)網(wǎng)星間激光通信載荷升空，該終端是Laser Fleet公司為微小衛(wèi)星研制的一款緊湊型激光通信終端，可實(shí)現(xiàn)不少于3 000 km距離、100 Mbit/s速率的通信傳輸，該項(xiàng)目是我國首次對低—地激光通信實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證[14]。

3 發(fā)展趨勢分析

隨著通信網(wǎng)絡(luò)由平面化向立體化的發(fā)展，快速建立星間、星地高速通信鏈路是未來信息發(fā)展的主要脈絡(luò)。市場需求的驅(qū)動給衛(wèi)星激光通信發(fā)展帶來巨大空間，結(jié)合空間網(wǎng)絡(luò)的長期應(yīng)用需求，衛(wèi)星激光通信將向高速化、網(wǎng)絡(luò)化和全光化發(fā)展。

3.1 高速化

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的大力發(fā)展催使衛(wèi)星激光通信向更高速率方向轉(zhuǎn)化，國內(nèi)外的衛(wèi)星激光通信計(jì)劃達(dá)到的速率在幾Gbit/s到十幾Gbit/s之間，與通信網(wǎng)絡(luò)預(yù)期的100 Gbit/s甚至Tbit/s速率相差較大，因此需要在關(guān)鍵光電器件發(fā)展較慢的環(huán)境下，通過星上的高階調(diào)制技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光網(wǎng)絡(luò)的高速通信。

不同于地面成熟的高階調(diào)制技術(shù)，衛(wèi)星激光通信會受到衛(wèi)星震動、空間環(huán)境和高能輻射等影響，同時受限于衛(wèi)星裝載平臺的能力，其可搭載的計(jì)算資源和處理資源有限，因此在設(shè)計(jì)衛(wèi)星激光通信的高階調(diào)制技術(shù)時，需實(shí)現(xiàn)高效光/電轉(zhuǎn)換、高穩(wěn)態(tài)調(diào)制解調(diào)和高效星上信息處理等技術(shù)的突破。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化

衛(wèi)星激光通信成熟的“點(diǎn)對點(diǎn)”使用模式已無法滿足網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用需求，各國均在向“一點(diǎn)對多點(diǎn)、多點(diǎn)共同組網(wǎng)”的方向發(fā)展?！耙稽c(diǎn)對多點(diǎn)”需要突破一對多的光學(xué)天線技術(shù)和多體制兼容的調(diào)制解調(diào)技術(shù)，其中多點(diǎn)光學(xué)天線可通過相控陣天線和旋轉(zhuǎn)拋物面天線實(shí)現(xiàn)，多體制調(diào)制解調(diào)技術(shù)則需將OOK、BPSK、DPSK和QPSK等信號體制集成到單一收發(fā)機(jī)中，雖然提升了收發(fā)機(jī)的性能并降低了資源空間及成本，但也提高了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度?！岸帱c(diǎn)共同組網(wǎng)”需要突破自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、自適應(yīng)路由選擇和高動態(tài)信令并發(fā)等技術(shù)。

為了提升激光鏈路的可用度，提高通信傳輸質(zhì)量，將激光/微波混合使用，構(gòu)建未來空間信息網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)星地通信鏈路環(huán)境因素質(zhì)量好時采用激光通信，當(dāng)環(huán)境因素質(zhì)量不理想時采用微波鏈路。目前激光/微波混合鏈路是各國研究的重點(diǎn)，主要需要突破的關(guān)鍵技術(shù)包含激光/微波鏈路自適應(yīng)選擇、微波鏈路自適應(yīng)切換、微波信號光域轉(zhuǎn)換和微波光電鏈路非線性失真等。

3.3 全光化

衛(wèi)星激光通信電中繼模式，將接收的光信號轉(zhuǎn)換為電信號放大和處理后，再調(diào)制為激光信號發(fā)射，是一個光轉(zhuǎn)電和電轉(zhuǎn)光的過程。在該過程中存在系統(tǒng)收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和電子芯片速率低無法匹配光通信速率的問題，因此全光通信技術(shù)被提上研究日程。利用全光網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號的傳輸、放大、再生、處理及交換，可實(shí)現(xiàn)信號的多體制兼容、大幅提升通信速率和提高網(wǎng)絡(luò)交換效率。全光網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)可分為光線路交換、光分組交換和光突發(fā)交換，其中光線路交換適用于骨干節(jié)點(diǎn)間的激光通信，光分組交換適用于骨干節(jié)點(diǎn)和接入節(jié)點(diǎn)間的激光通信，光突發(fā)交換則是介于兩者之間的過渡交換方式。

4 關(guān)鍵技術(shù)研究

針對上述分析的衛(wèi)星激光通信技術(shù)發(fā)展趨勢，本文針對高速化和網(wǎng)絡(luò)化方向開展研究，設(shè)計(jì)空間光通信的編碼技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高的通信傳輸速率；設(shè)計(jì)高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)，以解決激光通信的組網(wǎng)相關(guān)問題；設(shè)計(jì)激光/微波融合應(yīng)用系統(tǒng)，以提高衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)的綜合可用性。

4.1 空間光通信的編碼技術(shù)

衛(wèi)星激光鏈路在經(jīng)過湍流大氣層時會產(chǎn)生湍流效應(yīng)，導(dǎo)致星地鏈路的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)降低，通過使用信道糾錯編碼技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對湍流效應(yīng)影響的補(bǔ)償。當(dāng)大氣環(huán)境進(jìn)一步惡化時，通信鏈路將產(chǎn)生突發(fā)誤碼群效應(yīng)，單純依賴于信道糾錯編碼技術(shù)，無法實(shí)現(xiàn)對信號衰減的補(bǔ)償，需引入交織編碼技術(shù)，使其與糾錯編碼技術(shù)聯(lián)合使用，以實(shí)現(xiàn)對傳輸信號質(zhì)量的保障。本文采用信道糾錯編碼和自適應(yīng)交織編碼融合的技術(shù)，對通信信號質(zhì)量和速率的提升進(jìn)行仿真驗(yàn)證。同時考慮到噴泉編碼無固定碼率、參數(shù)配置靈活和反饋信息依賴度低等特點(diǎn)，其在大氣湍流效應(yīng)下有更強(qiáng)的信號質(zhì)量、更高的傳輸速率和更穩(wěn)定的通信連接，因此將噴泉編碼一同納入仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證其實(shí)際通信效果。

利用Von Karman模型得到大氣折射功率譜φn(k)為

光場功率譜密度φφ(k)為

大氣湍流影響公式為

對試驗(yàn)參數(shù)具體設(shè)定如下：激光波長為1 550 nm；傳輸速率為2.5 Gbit/s；調(diào)制方式為OOK；通信距離為250 km；大氣湍流外徑尺寸為1.3 m、內(nèi)徑尺寸為5 nm；接收孔徑為35 cm；大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)為1.7×10-14m-2/3；地表風(fēng)速為23 m/s。

在上述試驗(yàn)環(huán)境下，得到低密度奇偶校驗(yàn)(Low Density Parity Check，LDPC)碼、Turbo碼和各自結(jié)合交織碼的誤碼率(Bit Error Ratio，BER)曲線蒙特卡洛仿真圖如圖5所示。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在大氣湍流信道條件下，由于光信號的隨機(jī)波動和突發(fā)誤碼群效應(yīng)，單一的糾錯編碼技術(shù)對BER的改善效果并不明顯，但與交織碼結(jié)合使用后均對BER性能帶來了一定的提升。在BER為5.5×10-2的未編碼系統(tǒng)中，LDPC碼結(jié)合交織碼可將BER由1.6×10-2降至2.9×10-6，同時帶來3.1 dB的等效編碼增益；Turbo碼結(jié)合交織碼可將BER由3.2×10-2降低至4.7×10-5，并帶來2.3 dB的等效編碼增益。

圖5 LDPC、Turbo和各自交織碼結(jié)合應(yīng)用BER性能仿真圖

表2所示為信道糾錯編碼和自適應(yīng)交織編碼融合技術(shù)下，不同調(diào)制編碼方式的ES/N0(ES：Energy of Symbol，符號的能量；N0：noise power，噪聲的功率譜密度)性能提升情況，與協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義的門限值相比，新算法下的門限值提高幅度在0.5 dB左右。

表2 系統(tǒng)門限提升對比

圖6所示為3種噴泉編碼(盧比變換(Luby Transform,LT)、Raptor10和Spinal碼)在大氣湍流信道條件下的BER曲線蒙特卡洛仿真圖。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在低SNR環(huán)境下，噴泉編碼能對突發(fā)誤碼群效應(yīng)進(jìn)行更有效的補(bǔ)償，其性能優(yōu)于LDPC碼結(jié)合交織碼。以編碼性能最優(yōu)的LT碼為例，在BER為6.5×10-2的未編碼系統(tǒng)中，LT碼可將BER降至4.0×10-6，并帶來3.5 dB的等效編碼增益。

圖6 LT、Raptor10和Spinal碼BER性能仿真圖

由實(shí)驗(yàn)結(jié)論可知，LDPC碼結(jié)合交織碼在改善BER性能方面效果最好，而LT碼則具有低SNR環(huán)境下最優(yōu)的抗突發(fā)誤碼群效應(yīng)性能，兩者結(jié)合使用可有效保證衛(wèi)星激光鏈路的高速率、高穩(wěn)定性及高可靠性傳輸。

4.2 高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)技術(shù)

本節(jié)將針對衛(wèi)星激光組網(wǎng)通信所需解決的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造、動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)、高動態(tài)信令并發(fā)和自適應(yīng)路由選擇技術(shù)開展研究，以為后續(xù)研究設(shè)計(jì)提供參考。

(1)自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造技術(shù)

衛(wèi)星激光鏈路通常根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闹芷谛裕瑢⑼負(fù)浞譃镹個時間片，在每個時間片內(nèi)拓?fù)浔怀橄鬄殪o態(tài)結(jié)構(gòu)，在該靜態(tài)拓?fù)渲羞M(jìn)行路由計(jì)算。但隨著衛(wèi)星數(shù)量的增長及運(yùn)行周期的增加，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)占據(jù)了巨大的星上存儲資源和處理資源。本文以增長激光鏈路可用時間和降低時間片內(nèi)路由重算次數(shù)為目標(biāo)，設(shè)計(jì)了星間鏈路可用時間最長和時間片內(nèi)重新計(jì)算鏈路數(shù)量最少(Longest Time Minimum Calculation，LTMC)算法，通過初始化計(jì)算確定時間片的持續(xù)周期Δt，再針對剩余可用時間<Δt的可變動態(tài)激光鏈路進(jìn)行重新計(jì)算，從而降低拓?fù)溆?jì)算所消耗的系統(tǒng)資源，滿足網(wǎng)絡(luò)動態(tài)自適應(yīng)使用需求[16]。LTMC算法包含初始化計(jì)算和更新計(jì)算兩部分：

(a)初始化計(jì)算

初始化計(jì)算僅在第1個時間片中進(jìn)行，完成網(wǎng)絡(luò)中所有星間激光鏈路的計(jì)算，并確定時間片的持續(xù)周期Δt。具體計(jì)算過程如下：① 在同一軌道面中，為每顆衛(wèi)星建立與該軌道面內(nèi)下一顆衛(wèi)星之間的固定鏈路，直至該軌道面內(nèi)所有衛(wèi)星成環(huán)；②在不同軌道面間建立唯一一條不變動態(tài)激光鏈路，直至所有軌道面均完成不變動態(tài)激光鏈路的建立；③在不同軌道面間建立可變動態(tài)激光鏈路，直至所有軌道面均完成可變動態(tài)激光鏈路的建立；④計(jì)算所有可變動態(tài)激光鏈路的持續(xù)時間，將最小值作為時間片持續(xù)周期Δt的最大取值，計(jì)算時間片N值，使T/N(T為一個周期的持續(xù)時間；N為一個周期內(nèi)的時間片數(shù)量)的值盡量接近Δt的最大取值。初始化計(jì)算后，每顆高軌衛(wèi)星均對應(yīng)1個中軌和2個低軌軌道，相鄰的中軌或低軌軌道間至少建立一條動態(tài)激光鏈路，不同軌道面間建立多條不變動態(tài)激光鏈路，實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)，增加網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞€(wěn)定性。

(b)更新計(jì)算

更新計(jì)算在除第1個時間片外的所有時間片中進(jìn)行，根據(jù)時間片內(nèi)拓?fù)渥兓詣痈掠?jì)算，滿足動態(tài)網(wǎng)絡(luò)變化的使用需求。更新計(jì)算僅對時間片中剩余可用時間小于Δt的鏈路進(jìn)行重新計(jì)算，極大地節(jié)省了系統(tǒng)的計(jì)算資源。

采用傳統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)建算法(L算法)和LTMC算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)建模，分析LTMC算法的實(shí)際性能。實(shí)驗(yàn)設(shè)定時間片N=95，持續(xù)周期Δt=15 min。如圖7所示，圖7(a)為算法驗(yàn)證的星座仿真模型，圖7(b)為鏈路計(jì)算比(Link Calculation Ratio，LCR)結(jié)果。

圖7 星座仿真模型和LCR值對比結(jié)果

由圖可知，傳統(tǒng)拓?fù)錁?gòu)建算法在每個時間片內(nèi)均會對所有鏈路進(jìn)行重新計(jì)算，而LTMC算法除了在第1個時間片內(nèi)對所有鏈路進(jìn)行計(jì)算外，其余時間片的LCR均處于0.06～0.23之間，只需進(jìn)行20%左右的鏈路重新計(jì)算，極大降低了系統(tǒng)資源的占用，同時也提供了一個更為穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

(2)時變拓?fù)涞膭討B(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)策略

衛(wèi)星激光系統(tǒng)負(fù)載會隨網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性變化，如何快速對資源合理化調(diào)度，降低中斷和資源浪費(fèi)率，是動態(tài)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)需要解決的首要問題。機(jī)器學(xué)習(xí)能夠適應(yīng)激光網(wǎng)絡(luò)的周期性變化，通過規(guī)律總結(jié)實(shí)現(xiàn)資源的快速分配，滿足動態(tài)重構(gòu)使用需求[17]。利用基于歷史和當(dāng)前流量的感知策略，對網(wǎng)絡(luò)負(fù)載及資源進(jìn)行預(yù)判和調(diào)度，實(shí)現(xiàn)資源需求的快速響應(yīng)，并避免資源碎片化，提高系統(tǒng)資源利用率。

將激光網(wǎng)絡(luò)的歷史流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)作為反向傳播人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Back Propagation-Artificial Neural Network，BP-ANN)模型的學(xué)習(xí)樣本，依據(jù)反向傳播模型特點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)和挖掘，并獲得預(yù)測流量的權(quán)重偏置；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前負(fù)載和權(quán)重偏置預(yù)測未來流量變化情況；當(dāng)預(yù)測流量超過網(wǎng)絡(luò)閾值時，觸發(fā)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)；對當(dāng)前業(yè)務(wù)按帶寬和剩余時間等要素進(jìn)行排隊(duì)，構(gòu)建待重構(gòu)業(yè)務(wù)集；為待重構(gòu)業(yè)務(wù)逐一分配資源和鏈路信息，直至預(yù)測流量低于網(wǎng)絡(luò)閾值，停止網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)。

(3)高動態(tài)信令并發(fā)技術(shù)

由于衛(wèi)星激光網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化，需要頻繁的建鏈操作，因此將產(chǎn)生大量的信令信息，如何快速實(shí)現(xiàn)信令的收發(fā)建鏈，降低端對端業(yè)務(wù)中斷的影響，是衛(wèi)星激光通信系統(tǒng)需要解決的重要問題。傳統(tǒng)的通用多協(xié)議標(biāo)簽交換(Generalized Multiprotocol Label Switching，GMPLS)協(xié)議依賴節(jié)點(diǎn)之間的控制信息，交互繁瑣，不適用于規(guī)?；墓饩W(wǎng)絡(luò)信令傳輸。本文采用基于段路由(Segment Routing，SR)的信令并發(fā)技術(shù)，降低了信令傳輸時延，提高了建鏈速度與通信效率。SR突破了傳統(tǒng)控制器與節(jié)點(diǎn)之間的直接交互模式，采用面向服務(wù)的路徑制定策略，由源節(jié)點(diǎn)確定數(shù)據(jù)傳輸途徑[18-19]。對于大規(guī)模動態(tài)光通信網(wǎng)絡(luò)，可以采用多域和多控制器模式，實(shí)現(xiàn)信令的高速并發(fā)傳輸。信令并發(fā)流程如下：(a)域控制器收到跨域業(yè)務(wù)傳輸申請，將請求信息發(fā)送至相鄰域；(b)域控制器對本域內(nèi)路徑進(jìn)行計(jì)算，同時生成段標(biāo)識(Segment ID，SID)，為了確保域內(nèi)信息的安全，域控制器對SID進(jìn)行隱藏處理，并將其發(fā)送至上一鄰域。隱藏后的SID僅在本域中有效，其他域不對其進(jìn)行識別操作；(c)源節(jié)點(diǎn)域控制器收到全部路徑信息后，啟動信令發(fā)送，各域收到啟動信號后并行建鏈，縮短信令傳輸所需的建鏈時間。

圖8所示為跨域信令并發(fā)流程示意圖。圖中，控制器1收到目的節(jié)點(diǎn)12的業(yè)務(wù)傳輸申請，將傳輸申請轉(zhuǎn)發(fā)至控制器2，并由控制器2轉(zhuǎn)發(fā)至控制器3；控制器3選擇與控制器2相連的邊緣節(jié)點(diǎn)作為源節(jié)點(diǎn)，并將計(jì)算后的路徑A發(fā)回控制器2；控制器2計(jì)算的路徑B返回至控制器1；控制器1完成域內(nèi)路徑計(jì)算后開始建鏈，同時將建鏈啟動信息通知控制器2；控制器2收到通知啟動域內(nèi)建鏈，并將通知轉(zhuǎn)發(fā)至控制器3；控制器3完成域內(nèi)建鏈，信令完成到目的節(jié)點(diǎn)12的傳輸。

圖8 跨域信令并發(fā)流程示意圖

(4)自適應(yīng)路由選擇技術(shù)

自適應(yīng)路由算法的目的在于降低路徑的傳輸時延和處理時延，本文將兩項(xiàng)因素綜合考慮，設(shè)計(jì)最短路徑延遲(Shortest Path Delay，SPD)路由算法，計(jì)算兩者時間加和最短的路徑作為最終的傳輸路徑[16]?；谏鲜鰧?shí)驗(yàn)的第13個時間片拓?fù)溥M(jìn)行仿真，在隨機(jī)生成的30條低軌星間業(yè)務(wù)鏈路中使用SPD算法，并將其與最短路徑跳數(shù)(Shortest Path Hop，SPH)算法進(jìn)行性能比較。圖9(a)所示為算法性能測試模型，圖9(b)所示為SPD和SPH算法路徑時延仿真對比圖。

圖9 SPD和SPH算法路徑時延仿真對比

由圖可知，在大多數(shù)業(yè)務(wù)中，SPD算法的時延遠(yuǎn)小于SPH算法，同時在剩余業(yè)務(wù)中，兩者時延相近，因此SPD算法的整體性能優(yōu)于SPH算法。但SPD算法可能產(chǎn)生更多的路徑跳數(shù)，針對該問題開展了SPD和SPH算法跳數(shù)的仿真比較。圖10(a)所示為不同算法的跳數(shù)變化統(tǒng)計(jì)，圖10(b)所示為SPD和SPH算法跳數(shù)仿真對比。

圖10 SPD和SPH算法跳數(shù)仿真對比

由圖可知，SPD算法跳數(shù)略大于SPH算法，但當(dāng)SPD算法跳數(shù)較大時，其路徑時延遠(yuǎn)小于SPH算法。因此，綜合考慮各項(xiàng)因素，SPD算法以適度的路徑跳數(shù)為代價，大幅降低了路徑傳輸所需的時間。

4.3 激光/微波融合技術(shù)

激光/微波融合應(yīng)用可在系統(tǒng)鏈路質(zhì)量不高的情況下提升信號傳輸質(zhì)量，提高系統(tǒng)可用度及傳輸效率。本文將對激光/微波融合應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計(jì)，并給出合理性建設(shè)意見。系統(tǒng)由光學(xué)地面站(Optical Ground Station，OGS)、通信衛(wèi)星和用戶終端(User Terminals，UTs)組成，OGS將用戶信息經(jīng)光饋電鏈路復(fù)用后傳輸至通信衛(wèi)星，衛(wèi)星完成光波信號向電信號的轉(zhuǎn)換，并將解復(fù)用信息通過射頻點(diǎn)波束轉(zhuǎn)發(fā)至UTs。系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D11所示。

圖11 激光/微波融合應(yīng)用系統(tǒng)拓?fù)鋱D

(1)OGS：OGS對多路光信號進(jìn)行子載波強(qiáng)度調(diào)制(Subcarrier Index Modulation，SIM)或OOK。SIM成本低、實(shí)現(xiàn)簡單，但所需的電偏置會消耗大部分的發(fā)射功率，造成能源使用率低；OOK則需采用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對聚合信號進(jìn)行采樣和量化，并將采樣后的比特流映射到OOK脈沖中，因此星上也需配套使用數(shù)/模轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換。兩者需綜合考慮，以選擇最優(yōu)的調(diào)制方式。

(2)光/電轉(zhuǎn)換：衛(wèi)星通過同一孔徑接收多個發(fā)射機(jī)的光束，并通過摻鉺光纖放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)對光信號進(jìn)行放大。當(dāng)EDFA內(nèi)部溫度高于0 K時，光子產(chǎn)生干涉光波效應(yīng)，經(jīng)放大后形成自發(fā)輻射噪聲(Amplified Spontaneous Emission，ASE)，可通過增加光學(xué)濾波器來降低光波噪聲產(chǎn)生的影響。同時電信號會受到暗電流、脈沖和熱噪聲等影響，可通過增加電子濾波器降低電子噪聲影響。

(3)射頻鏈路：光/電轉(zhuǎn)換后的電信號是具有功率偏置的基帶信號，將偏置信號移除后，解復(fù)用的聚合信號被分解為多個子信道，經(jīng)功率放大器放大后，通過不同點(diǎn)波束發(fā)送至接收UTs。

5 結(jié)束語

衛(wèi)星激光通信憑借其大帶寬、高速率和高安全等特性，成為構(gòu)建衛(wèi)星寬帶互聯(lián)網(wǎng)的一種重要手段。本文通過對國內(nèi)外衛(wèi)星激光通信發(fā)展的調(diào)研，結(jié)合未來通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，總結(jié)出高速化、網(wǎng)絡(luò)化和全光化是衛(wèi)星激光通信的技術(shù)發(fā)展趨勢，同時對所涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，并給出了試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，可為后續(xù)衛(wèi)星激光通信研究提供參考與借鑒。