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我国信通院崔潇:卫星光通讯要害技能及展开态势剖析_通讯国际网
发布日期:2022-06-19 13:14:29 来源:m6米乐网页版

  伴跟着5G的正式商用,国内外研讨安排和规范安排对6G的研讨布局也已连续敞开。6G网络的掩盖规划愈加广泛,将从地球进一步延伸到太空,完成地上、卫星和机载网络等的无缝衔接。6G网络传输速率将抵达5G网络的10倍以上,峰值速率可达100 Gbit/s~1 Tbit/s;时延则比5G网络缩短10倍,低至0.1 ms[1]。怎么打破当时5G光纤网络掩盖规划的约束,完成空间、海洋等愈加杂乱的事务传输场景,是未来6G技能需求打破的难题。

  不同于传统的微波卫星通讯,卫星光通讯的原理是直接经过激光在大气或太空传输,然后完成信息的传递。与微波比较,激光具有多个方面的优势:激光通讯可运用的频带宽度超越GHz,高达微波频带宽度总和的一万多倍;激光通讯运用频段不受约束;通讯设备的尺度与波长成正比,因而激光卫星通讯设备的尺度和分量远低于微波卫星通讯设备,灵敏性与可扩展性强;激光光束发散角小、方向性好,通讯链路不易被切断,具有较强的保密性。但在具有很多优胜条件的一起,激光通讯链路的稳定性较低是卫星光通讯的缺点之一。形成卫星光通讯这一缺点的原因是因为信号在传输过程中无法改动链路方向,因而极易受障碍物的阻挠,而在经过大气传输的状况下将遭到大气条件的影响;且通讯链路两头渠道易受空间环境的影响发生轰动和位移,然后下降了链路的稳定性。全体而言,卫星光通讯大带宽、组网灵敏、保密性好等优势使其具有成为未来6G组网要害技能之一的潜力。

  卫星光通讯的研讨最早可以追溯到1967年,跟着激光器等硬件设备的展开,卫星光通讯的理论研讨逐步深化。在阅历了前期理论研讨阶段之后,20世纪70年代,各研讨安排开端展开包含器材、终端、体系规划在内的体系性研讨;20世纪80年代展开的卫星光通讯研讨首要针对星地链路;到20世纪90年代后才逐步拓宽到太空中卫星间的光通讯链路。在前期展开阶段中,卫星光通讯的工程实验大多为点到点,直到近年来商用项意图布置中才呈现了星间的大规划运用。图1以时刻线的办法展现了国内外卫星光通讯验证项意图展开状况。

  因为技能难点多、设备研制价格高、实验条件杂乱等要素,卫星光通讯项意图研制对国家的科研才能、经济实力要求较高。美国、欧洲等国家/区域早在20世纪就凭仗强壮的归纳实力和资金支撑,开端对卫星光通讯进行研讨、展开实验验证项目,经过长时刻堆集,在前期就已完成了技能杂乱度更高的星间链路实验。

  日本是卫星光通讯范畴的后起之秀,虽然起步较晚,但技能展开和项目展开敏捷,而且与欧洲协作亲近,现已展开了屡次星地和星间验证项目。我国进入卫星光通讯范畴的时刻较短,前期展开的实验项目以杂乱度相对较低的星地链路为主,后期星间链路实验的规划不断扩大。

  自卫星光通讯技能的相关研讨逐步展开以来,卫星光通讯长时刻处在技能打破和实验验证阶段。而在2015年美国SpaceX宣告开端布局“星链”(Starlink)项目,2019年正式将第一批60颗卫星发送入轨迹,在星间选用卫星光通讯技能。大规划的卫星光通讯技能得到选用,才使卫星光通讯正式向工业化方向展开。自此,星座网络开端招引群众的视野,而且呈加快展开的态势,成为大国之间博弈的热门。图2为国内外参加卫星光通讯范畴研制的科研安排、高校及企业的活跃度散布状况。

  现在,美国、欧洲、日本以及我国的相关安排及企业都具有较高的活跃度。尤其是美国,因为技能老练度高且航天工业资本参加度高,在卫星光通讯范畴内的优势显着。以美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)为代表的很多科研安排、高校以及企业都在积极参加体系性研制和实验作业。其间,活跃度高的包含NASA、NASA部属的加州理工大学喷气动力实验室、麻省理工学院林肯实验室、SpaceX。美国的研讨安排和企业之间的协作非常严密,技能大多完成互通,因而在很大程度上促进了美国卫星光通讯整个工业的活跃度。欧洲与日本的科研安排之间的协作严密,企业和科研安排的研讨方向也有所偏重,企业倾向于终端研讨,科研安排大部分都在研讨树立整个卫星光通讯体系,科研安排活跃度显着大于企业。此外,俄罗斯研制的星间激光数据传输体系现已在空间站和航天器等渠道上得到了运用;以色列、法国、加拿大、韩国等也在积极探究这一范畴,有望在不久的将来完成工业上的打破。

  2018年起,我国多个天基体系项目连续揭露,虹云工程、鸿雁工程、行云工程由航天科工、航天科技两大集团主导,正式进行天基网络的商用布局。除此之外,更多的企业力气在近几年也参加了研讨队伍,首要展开终端研制方面的作业。

  虽然卫星光通讯现在仍处于工业展开的起步阶段,大都项目依然以点到点的单链路通讯办法展开实验,大规划的星间商用布置仍在进行傍边,可是将其运用为6G组网技能的潜力现已被各大研讨安排和企业所发掘,未来将在技能上进一步完成打破,使其具有愈加老练的工业运用条件。各国的工业生态也将进一步扩展,引导更多企业参加卫星光通讯技能与设备的研讨队伍。

  航天数据体系咨询委员会对卫星光通讯范畴的规范化研讨最为深化,2014年1月成立了光通讯作业组,NASA担任主席。该作业组的研讨内容包含:合适卫星光通讯的波长、调制、编码、交错、同步和收集等方面的新规范研讨;卫星光通讯链路中气候数据的界说、交流和存档规范研讨等。到现在光通讯作业组现已输出了两份转化为ISO规范的完好引荐规范(Blue Books),一份信息陈述(Green Books)和一份实验记载(Orange Books)。通讯范畴的代表性规范化安排ITU T17-SG15于2020年8月提交了发动自由空间光通讯体系研讨的提案,2021年3月正式上会评论了自由空间光通讯的运用,而卫星光通讯包含在自由空间光通讯的范畴之内。ITU的卫星光通讯的规范化研讨正在逐步走向正轨。

  国内的CCSA在2019年由航天科工牵头新成立了TC12航天通讯作业委员会,现在下设航天通讯体系作业组(WG1)、航天通讯运用作业组(WG2)和协同组网通讯作业组(WG3)。到现在TC12现已召开了4 次全会,仅有一个已立项的研讨课题与卫星光通讯相关。国内卫星光通讯的规范化研讨有待进一步深化。

  全体而言,因为卫星光通讯在全球规划内的工业运用中的互通程度依然较低,各国前期各自展开研制造业,网络架构中运用的各类技能不完全一致,且研讨水平也存在间隔。因而,在现在规范化展开处于初期起步阶段的状况下,全球规范化研讨依然由资格深且技能老练度高的美国NASA在CCSDS中牵头主导,而其他规范化安排跟从这以后在卫星光通讯范畴也开端进行相应布局。当时,初期的规范化研讨首要环绕以下几个方面展开:首要,在物理层处理最要害的数据互通问题,需求对光通讯信号和信标光信号特性(例如通讯激光信号的中心频率、激光线宽、偏振性、调制办法等)进行规范;其次,在同步和信道编码层完成信号在发送端和接纳端的转化,触及调制、同步、编码和验证等要害流程,其间同步和编码办法需求进行规范化研讨。此外,上层的数据链路协议层和网络层规范化研讨也将在前期的规范化逐步老练后进一步展开。可以预见,未来的规范研讨规划将进一步触及卫星光通讯组网的路由交流、网络办理和操控等。在拟定根底规范的一起,需求同步展开先进课题的研讨,例如端到端体系的实验性研讨、卫星光通讯体系中各技能环节的研讨等,为后续规范化展开供给支撑。

  卫星光通讯技能触及到多范畴的穿插研讨,杂乱度高、难度大,相关的研讨范畴包含光学、机械、信号处理、数学和计算机等。图3展现了卫星光通讯链路间传输的一个典型体系,以及体系中各部分所对应运用的首要技能。其间,光学技能包含高功率光源技能、高质量光学体系规划技能;信号处理技能包含调制解调技能、背景噪声按捺技能、大气信道影响补偿技能、高灵敏度勘探技能;机械技能包含渠道振荡与姿势补偿技能、器材部件空间适应性技能;高精度捕获盯梢瞄准(Acquisition,Tracking and Pointing,ATP)技能等。本文要害介绍卫星光通讯研讨中需求要害重视的要害技能。

  高质量光学体系规划技能的中心包含波长选取和光路规划两部分。选取波长时首要应确保光信号在传达过程中透过大气时损耗小、受太阳辐射影响小,一起在该波长下勘探器具有高呼应度。因为通讯事务的多样化展开,卫星光通讯网络中往往需求多波长一起进行传输以确保事务传输质量和带宽容量。Liu等[2]研讨了拓扑改变对所需波长的影响,树立了根据时空演化图的模型。根据模型剖析得出卫星光通讯网络中对波长的要求取决于网络衔接跳数和所需抵达时刻,而光路堆叠罕见助于下降对波长的要求。星地链路间的常用波长有1.55、0.85和10 μm,根据气候条件和大气湍流条件,Harris等[3]对3种波长的传输特性进行了剖析。总归,卫星光通讯网络中的波长选取需根据传输类型、传输环境和事务需求进行详细的选取与规划。另一方面,光路规划也是高质量光学体系规划的中心技能之一。光路规划中最重要的环节是光学天线规划,在卫星通讯链路中,光信号经过光学天线进行发射和接纳。传统的光学天线规划现已非常老练,但因为存在体积大和质量大的缺点,在当时光通讯卫星正向微小型化展开的趋势下,已不能满意需求。文献[4]规划了一种小型激光通讯卫星上适用的集成光学天线,该光学天线被规划在具有两个不同光栅耦合器的绝缘体上的硅(SOI)芯片上。未来卫星光通讯设备上的光学天线也将在确保低偏振角差错的前提下与载荷的体积、质量同步向轻型化方向展开。

  卫星光通讯信号经过接纳端机接纳后首要被传输到信号处理模块进行信号勘探。挑选勘探器的根据包含信号光功率、入射光的波长规划、尺度及其他机械要求等。雪崩光电二极管(APD)和PIN光电二极管是最常用于各类实验和实践终端中的光电勘探器,关于1550 nm的卫星光通讯传输体系,APD光电二极管的Q因子优于 PIN光电二极管,具有更好的勘探功能[5]。

  经过添加接纳器孔径的巨细相同可以减轻大气湍流对信号的影响,运用孔径的滑润效应可以消除由小涡流引起的相对快速的动摇,并有助于削减信道损耗。文献[6]验证了经过运用孔径滑润效应可以完成星地链路的功能改善,完成了在星地下行链路中信道编码和孔径滑润相互协同的实践运用,并运用不同光学孔径的雪崩光电二极管接纳器进行了信号质量评价。当孔径的均匀天顶角≤80°可以确保接纳器的稳健性。

  大气对光波的影响中最重要的一个方面是闪耀效应,为了战胜大气闪耀,自适应光学技能经过纠正相位完成低误码率传输。现在,自适应光学技能现已遭到广泛的重视,许多实验和运用现已在卫星光通讯体系中展开。文献[7]介绍了欧洲航天局的光学地上站接纳端自适应光学附件的规划、制造和工厂检验测验成果:该体系可以运用300多个“形式”来消除大部分湍流引起的静态波前差错。运用自适应光学进行预补偿可以将地上-卫星的上行链路所需的发射光功率保持在合理规划内,文献[8]经过数值模仿的办法对自适应光学对光馈线链路进行预补偿的预期功能展开了研讨。用自适应光学办法进行编码纠正的可靠性也现现已过数值模仿实验得到证明。

  信号调制解调技能与背景噪声按捺技能有部分技能穿插,特定的调制解调技能也可以完成对信号背景噪声的按捺。信号调制解调技能的挑选根据包含光功率功率和带宽功率、信息传输速率以及抗干扰才能等多个方面。卫星光通讯中的调制计划可以支撑多种二进制格局和多级调制格局,其间二进制因为具有简略高效的特色成为最常用的格局。其间,开要害控(OOK)和脉冲方位调制(PPM)是二进制中最为常用的两种调制办法。因为其简略的特性,OOK调制计划在卫星光通讯中成为了干流技能之一,且一般和强度调制/直接检测(IM/DD)传输和接纳机制同步布置。文献[9]采纳不同强度调制计划来削弱大气湍流对信号发生的影响,并剖析效果。其间,OOK在湍流大气条件下自适应阈值可以获得最佳削弱效果。

  太空环境中背景噪声首要来源于太阳辐射,且辐射强度随波长的添加而减小。为抵达按捺背景噪声的意图,一般选用的技能包含空间滤波和信号调制技能。滤波器的规划需求考虑的要素包含信号的抵达角、多普勒频移激光线宽以及时刻形式的数量[10]。多脉冲方位调制(MPPM)是最为常用的背景噪声按捺调制技能之一,在现在的技能展开阶段中常与其他调制办法混合运用以完成更高功率的传输。Khallaf等[11]将正交振幅调制(QAM)和MPPM混合的调制办法运用于无湍流和伽马-伽马自由空间光学(FSO)通道中,比较于传统调制办法,此混合调制办法可以得到更好的误码率功能。Elfiqi等[12]提出了一种混合两级多脉冲方位调制-多进制差分相移键控(2L-MPPM-MDPSK)技能,完成了更高功率和频谱功率。Numata等[13]提出了一种多脉冲方位调制和脉冲间隔调制(PSM)交融的计划,在仿真的噪声场景下进行误码率剖析,验证完成了高速率传输。

  为减细姨地链路间大气条件对传输信号的影响,除了可以运用孔径滑润效应、空间分集、时刻分集和频率分集等技能外,还可以运用根据时节、时刻、环境、气候进行调理的大气影响被迫补偿技能。Polnik等[14]对大气中的云掩盖量进行猜测,树立了两种不确定性模型:具有多面体不确定性集的稳健优化模型和具有根据矩的模糊集散布的稳健优化模型。在卫星与坐落英国的地上站之间的链路中剖析计算了不同模型的功能,并以此为根据完成了长达6个月的卫星运转规划。

  快速准确的捕获、盯梢和瞄准技能是完成远间隔空间光通讯的根底,尤其是星地链路间的中心技能。ATP体系包含粗盯梢(捕获)体系和精盯梢(盯梢和瞄准)体系两部分。ATP体系先经过粗盯梢体系在大规划视野内进行扫描,捕获到传输信号后再运用精盯梢体系在小规划内进行扫描。选用这种粗盯梢体系和精盯梢体系结合的办法可以快速有效地捕获到信号。图4展现了ATP体系的根本组成。

  因为ATP技能直接决议了光信号是否可以成功传输,一直以来都遭到科研人员的高度重视。初始指向作为获取的第一步起着至关重要的效果,Chen等[15]树立了星间激光通讯初始指向的数学模型,仿真得到初始方位角 和俯仰角。Arvizu等[16]树立了用于Cubesat和光学地上站之间的光量子通讯链路的ATP体系原型,并在实验室和中短间隔地上链路中展现了在受控光湍流条件下的ATP体系功能。

  器材部件空间适应性技能包含多种类型,意图是减小空间环境对部件发生的影响。此类技能包含反射镜外表功能防护技能、机械部件防冷焊、日凌下热控、杂散光按捺、扩大器抗辐射技能等。其间,扩大器抗辐射技能是机械技能中的研讨要害之一。光纤扩大器归于光纤类器材,受空间的辐射环境影响非常严峻,会因而发生色心然后严峻影响光纤扩大器的扩大功能。现在,首要选用退色心抗辐射技能、预辐射载氢抗辐射技能和光纤制造工艺的抗辐射技能。

  全体而言,卫星光通讯中各环节的要害技能终究是为了支撑完成两个首要方针:确保链路稳定性和进步信号传输质量。跟着小型化低轨卫星数量的显着添加,卫星光通讯终端正在向高数据率、低功耗、小型化、低成本的趋势展开。因而,卫星光通讯的各个要害技能的展开不只要在完成根本方针的根底上优化技能完成办法,元件规划和选取还需求契合终端展开趋势的要求:要害元件质量小、功耗低,要害体系规划向微小型化展开,然后为全体工业的展开供给坚实的技能根底。

  卫星光通讯从实验验证向工程运用演进,各国工程项目布局竞赛剧烈。现在,国内外现已布置了很多工程 项 目,例如国外的“Kuiper”星座(3236 颗)、“Telesat”星座(298 颗)、“Starlink”网络(1.2 万颗);国内有“鸿雁”星座(300 颗)、“虹云”星座(156 颗)。卫星光通讯工程项意图布局正在如火如荼地展开。

  卫星光通讯正在向双向传输、点对多点传输方向组网化展开。为了树立空六合海一体化网络,卫星事务数据需求回传至地球外表,在此过程中,在星间完成数据中继传输是必不可少的环节。具有双向传输的卫星通讯网络终端可以愈加高效地进行信息传输,数据收发速率可以得到保证。因为激光的束散角小,且易发生动态改变,当时卫星光通讯链路多为点对点传输,为了进一步扩展卫星组网,则需求在技能上完成点对多点传输。

  国外卫星光通讯技能研制将加强布局,国内技能道路有待明晰。NASA作为航空范畴的领军安排,在2020年发布的《2020 NASA技能分类》[17]中明晰列出了未来将要害重视的光通讯技能:勘探器、超大光学孔径、激光器、ATP技能、光学测量学、立异信号调制等。此技能分类陈述是以2015年NASA发布的技能道路图为根底进行的整理。NASA在未来卫星光通讯研讨中的技能研讨要害与研讨思路规划现已非常详尽与明晰,而国内没有有相关研讨安排揭露技能研讨线路,未来我国的研讨方向将结合当时的技能研讨现状进一步明晰规划偏要害,紧跟国外抢先技能的脚步。

  当时卫星光通讯范畴仍处于技能向工业转化的初期,参加方以科研安排和高校为主,因为工业规划小且终端产品技能杂乱度高,依然对企业短少招引力,企业参加度较低。在卫星光通讯工程项目完成后,进一步推进大规划的组网布置将极大地推进工业链展开,招引更多企业和其他安排安排参加到整个工业链中。

  卫星光通讯正处于技能验证和商用探究的起步阶段,技能掩盖范畴广、杂乱度高。现在,国内外现已有多个天基网络项意图星间链路运用此技能,但距在天基网络链路中大规划掩盖运用仍有间隔,要害、难点技能研讨仍有待打破。以美国、欧洲、日本、我国为首,各国/区域科研安排和企业正在不断加大人力和资金投入,展开实验验证和工业项目布局。当时阶段,因为技能研讨起步较晚,要害、难点技能仍需打破,且短少全体明晰的技能道路规划,我国卫星光通讯在技能老练度、研制规划和企业参加度上与先进国家仍有较大间隔。此外,我国长时刻以来在航天范畴的研讨和工业布局都由传统航天企业主导,其他中小企业在卫星光通讯工业中的参加度较低。为缩小与国外在卫星光通讯范畴的间隔,亟需拟定相关方针、供给研制资金引导科研、工业与生态的协同展开。

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