卫星激光网络应用技术研究

2023-02-09张德鹏

光通信研究 2023年1期

张德鹏,俞研，王悦

(1.南京理工大学计算机科学与工程学院，南京 210094； 2.航天恒星科技有限公司，北京 100086)

0 引言

高速发展的数据通信业务推动了卫星星座化和网络化部署。传统通信卫星采用Ka和Ku等微波通信频段，其频率及带宽资源的紧缺，使得通信容量达到一定瓶颈。卫星激光通信具有无频率限制、大带宽、高速率和高安全性等特点，同时其载荷及终端具有体积小、重量轻和功耗低等优势，是高效解决卫星射频通信问题的有效途径[1]。

1 国外发展现状

美国、欧洲和日本等对卫星激光通信的研究起步较早，技术发展较为全面及成熟，在该领域内的发展具有一定的代表性[2-4]。表1统计了美国、欧洲和日本在卫星激光通信方面开展的典型技术验证及未来发展规划。

表1 美国、欧洲和日本卫星激光典型研究计划

1.1 LCRD

2020年，美国航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)实施了LCRD计划，作为美国下一代跟踪与数据中继卫星的先验系统，用以验证卫星激光链路与网络和微波—激光混合通信等关键技术[5]。2020年7月，LCRD系统完成与国防部空间试验计划卫星6号(Space Test Program Satellite-6，STPSat-6)卫星平台的装载，8月正式升空，针对光学地面站间的双向激光通信和地面站—地球同步轨道(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)—地面站的激光中继通信，开展为期两年的在轨试验。LCRD由2个光学地面站组成[6]，其中1个作为用户终端，在大气湍流环境下进行激光通信、编解码和网络协议等性能的测试，后续将根据ILLUMA-T激光终端计划(预计2022年)开展激光数据中继试验，终端实物如图1所示。

图1 LCRD终端实物图

1.2 TBIRD

2022年，NASA将启动TBIRD计划，用以测试小型卫星平台与小型地面终端之间高速的点对点激光通信能力和高速突发通信能力。TBIRD激光通信终端将部署于探路者技术演示(Pathfinder Technology Demonstration，PTD)—3立方星平台，实现最高200 Gbit/s的传输速率[7]。该项目关键组件已完成相应的环境试验，其终端组成及实物如图2所示。

图2 TBIRD终端组成及实物图

1.3 EDRS

EDRS系统由EDRS-A、EDRS-C和EDRS-D 3颗高轨卫星组成，可实现空间激光通信传输。2016年1月，EDRS-A成功入轨，其搭载的激光通信终端实现了星间链路通信，Ka频段发射机实现了星地链路通信[8]。同年6月，EDRS-A首次与“哨兵-1A”建立传输速率为1.8 Gbit/s的激光通信链路，将接收图片成功传回地面。目前EDRS-A稳定在轨运行，激光建链次数高达25 000次，星间建链时间小于3 s，单次建链时长约为14.5 min，通信数据吞吐量达到787.9 TB，链路可用度超过99.7%。2019年8月，EDRS-C激光终端成功入轨，进一步提升了EDRS系统探测能力，预计2025年入轨的EDRS-D将与前两颗卫星共同组建全球网络，实现亚太地区的数据回传，届时EDRS系统将提供3.6 Gbit/s的全球数据中继服务。EDRS终端原理及实物如图3所示。

图3 EDRS终端组成及实物图

1.4 JDRS

2020年11月，JDRS光学数据中继卫星成功入轨，通过星间光通信链路和Ka频段馈电链路，提供了1.8 Gbit/s的高速数据中继传输[9]。该项目除了完成高轨光学通信终端和地面站的研制建设外，还对低轨光学通信终端进行了研发，并通过“先进光学卫星”平台的搭载，实现了与高轨卫星之间的信息交互。JDRS计划的任务周期为10年，期间除完成原定任务外，还将完成与日本宇航探索局(Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA)其他低轨卫星之间的通信连接。

1.5 HICALI

2014年，日本国家信息与通信技术研究所(National Institute of Information and Communications Technology，NICT)启动HICALI计划，并迅速开展地面网络建设和关键技术的研究验证。2021年，HICALI激光终端正式入轨，提供了10 Gbit/s的激光通信链路。HICALI激光终端由光学头部、光放大器、光学收发单元、激光—射频转换单元和数据单元组成，支持数字通信和射频信号的透明转发。HICALI系统在东京、神户、鹿岛和冲绳等地建设了具有自适应光学(Adaptive Optics，AO)校正系统的分布式光学地面站，并通过多环境因素的全面分析，提高了链路的通信效率，地面站部署如图4所示。2023年，NICT计划发射一颗低轨卫星CubeSOTA[10](通信速率可达10 Gbit/s)，并与HICALI联合建链，以验证高低轨星间链路的通信性能。

图4 HICALI地面站部署情况

由上述调研情况分析可知，美国、欧洲和日本均完成了相干与非相干激光通信体制验证。其中，非相干通信体制的传输速率在Mbit/s量级，主要用于低—地的短距离通信和低—高的返向低速通信；相干通信体制的传输速率在Gbit/s量级，主要用于高—地和高—低的长距离通信；在通信波长方面，美国和日本以1 550 nm为主，欧洲以1 064 nm为主。

2 国内发展现状

国内卫星激光通信研究起步相对较晚，各院校及科研单位将空间激光通信的关键技术攻关与验证作为主要发展方向。

2011年，哈尔滨工业大学研制的激光通信终端由“海洋二号”卫星搭载升空，利用IM/DD通信体制，实现了星地间2 000 km距离、20、252和504 Mbit/s速率的通信传输，填补了国内星地激光通信的试验空白；2016年，上海光机所等共同研制的激光通信终端由“墨子号”量子卫星搭载升空，完成了我国首次相干通信体制(DPSK-PPM)的星地激光通信验证，实现了星地间1 200 km距离、下行5.12 Gbit/s和上行20 Mbit/s速率的通信传输，具备视频及图片的传输能力[11]；2016年，“天宫二号”空间实验室搭载的激光通信终端完成了与地面接收站之间的通信实验，采用IM/DD通信体制，实现了星地1.6 Gbit/s的通信传输，本次实验还首次完成了白昼激光通信，可实现白昼激光跟踪能力相近；2017年，“实践十三号”卫星搭载哈尔滨工业大学研制的激光通信终端升空，利用IM/DD通信体制，实现了同步轨道卫星与地面间45 000 km距离、5 Gbit/s的高速通信传输[12]；2019年，航天科技集团五院西安分院研制的激光通信终端由“实践二十号”卫星搭载升空，该终端搭建了国际首个正交相移键控(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)相干体制星地激光链路，通信速率达到10 Gbit/s，各项指标位于国际先进水平[13]；2020年，“行云二号”01星和02星搭载物联网星间激光通信载荷升空，该终端是Laser Fleet公司为微小卫星研制的一款紧凑型激光通信终端，可实现不少于3 000 km距离、100 Mbit/s速率的通信传输，该项目是我国首次对低—地激光通信实验的验证[14]。

3 发展趋势分析

随着通信网络由平面化向立体化的发展，快速建立星间、星地高速通信链路是未来信息发展的主要脉络。市场需求的驱动给卫星激光通信发展带来巨大空间，结合空间网络的长期应用需求，卫星激光通信将向高速化、网络化和全光化发展。

3.1 高速化

卫星互联网应用的大力发展催使卫星激光通信向更高速率方向转化，国内外的卫星激光通信计划达到的速率在几Gbit/s到十几Gbit/s之间，与通信网络预期的100 Gbit/s甚至Tbit/s速率相差较大，因此需要在关键光电器件发展较慢的环境下，通过星上的高阶调制技术快速实现卫星激光网络的高速通信。

不同于地面成熟的高阶调制技术，卫星激光通信会受到卫星震动、空间环境和高能辐射等影响，同时受限于卫星装载平台的能力，其可搭载的计算资源和处理资源有限，因此在设计卫星激光通信的高阶调制技术时，需实现高效光/电转换、高稳态调制解调和高效星上信息处理等技术的突破。

3.2 网络化

卫星激光通信成熟的“点对点”使用模式已无法满足网络化应用需求，各国均在向“一点对多点、多点共同组网”的方向发展。“一点对多点”需要突破一对多的光学天线技术和多体制兼容的调制解调技术，其中多点光学天线可通过相控阵天线和旋转抛物面天线实现，多体制调制解调技术则需将OOK、BPSK、DPSK和QPSK等信号体制集成到单一收发机中，虽然提升了收发机的性能并降低了资源空间及成本，但也提高了设计实现难度。“多点共同组网”需要突破自适应网络拓扑构造、动态网络重构、自适应路由选择和高动态信令并发等技术。

为了提升激光链路的可用度，提高通信传输质量，将激光/微波混合使用，构建未来空间信息网络。当星地通信链路环境因素质量好时采用激光通信，当环境因素质量不理想时采用微波链路。目前激光/微波混合链路是各国研究的重点，主要需要突破的关键技术包含激光/微波链路自适应选择、微波链路自适应切换、微波信号光域转换和微波光电链路非线性失真等。

3.3 全光化

卫星激光通信电中继模式，将接收的光信号转换为电信号放大和处理后，再调制为激光信号发射，是一个光转电和电转光的过程。在该过程中存在系统收发机结构复杂和电子芯片速率低无法匹配光通信速率的问题，因此全光通信技术被提上研究日程。利用全光网络实现信号的传输、放大、再生、处理及交换，可实现信号的多体制兼容、大幅提升通信速率和提高网络交换效率。全光网络交换技术可分为光线路交换、光分组交换和光突发交换，其中光线路交换适用于骨干节点间的激光通信，光分组交换适用于骨干节点和接入节点间的激光通信，光突发交换则是介于两者之间的过渡交换方式。

4 关键技术研究

针对上述分析的卫星激光通信技术发展趋势，本文针对高速化和网络化方向开展研究，设计空间光通信的编码技术，以实现更高的通信传输速率；设计高动态网络重构技术，以解决激光通信的组网相关问题；设计激光/微波融合应用系统，以提高卫星激光通信系统的综合可用性。

4.1 空间光通信的编码技术

卫星激光链路在经过湍流大气层时会产生湍流效应，导致星地链路的信噪比(Signal to Noise Ratio，SNR)降低，通过使用信道纠错编码技术，可实现对湍流效应影响的补偿。当大气环境进一步恶化时，通信链路将产生突发误码群效应，单纯依赖于信道纠错编码技术，无法实现对信号衰减的补偿，需引入交织编码技术，使其与纠错编码技术联合使用，以实现对传输信号质量的保障。本文采用信道纠错编码和自适应交织编码融合的技术，对通信信号质量和速率的提升进行仿真验证。同时考虑到喷泉编码无固定码率、参数配置灵活和反馈信息依赖度低等特点，其在大气湍流效应下有更强的信号质量、更高的传输速率和更稳定的通信连接，因此将喷泉编码一同纳入仿真试验，以验证其实际通信效果。

利用Von Karman模型得到大气折射功率谱φn(k)为

光场功率谱密度φφ(k)为

大气湍流影响公式为

对试验参数具体设定如下：激光波长为1 550 nm；传输速率为2.5 Gbit/s；调制方式为OOK；通信距离为250 km；大气湍流外径尺寸为1.3 m、内径尺寸为5 nm；接收孔径为35 cm；大气结构参数为1.7×10-14m-2/3；地表风速为23 m/s。

在上述试验环境下，得到低密度奇偶校验(Low Density Parity Check，LDPC)码、Turbo码和各自结合交织码的误码率(Bit Error Ratio，BER)曲线蒙特卡洛仿真图如图5所示。由实验结果可知，在大气湍流信道条件下，由于光信号的随机波动和突发误码群效应，单一的纠错编码技术对BER的改善效果并不明显，但与交织码结合使用后均对BER性能带来了一定的提升。在BER为5.5×10-2的未编码系统中，LDPC码结合交织码可将BER由1.6×10-2降至2.9×10-6，同时带来3.1 dB的等效编码增益；Turbo码结合交织码可将BER由3.2×10-2降低至4.7×10-5，并带来2.3 dB的等效编码增益。

图5 LDPC、Turbo和各自交织码结合应用BER性能仿真图

表2所示为信道纠错编码和自适应交织编码融合技术下，不同调制编码方式的ES/N0(ES：Energy of Symbol，符号的能量；N0：noise power，噪声的功率谱密度)性能提升情况，与协议标准定义的门限值相比，新算法下的门限值提高幅度在0.5 dB左右。

表2 系统门限提升对比

图6所示为3种喷泉编码(卢比变换(Luby Transform,LT)、Raptor10和Spinal码)在大气湍流信道条件下的BER曲线蒙特卡洛仿真图。由实验结果可知，在低SNR环境下，喷泉编码能对突发误码群效应进行更有效的补偿，其性能优于LDPC码结合交织码。以编码性能最优的LT码为例，在BER为6.5×10-2的未编码系统中，LT码可将BER降至4.0×10-6，并带来3.5 dB的等效编码增益。

图6 LT、Raptor10和Spinal码BER性能仿真图

由实验结论可知，LDPC码结合交织码在改善BER性能方面效果最好，而LT码则具有低SNR环境下最优的抗突发误码群效应性能，两者结合使用可有效保证卫星激光链路的高速率、高稳定性及高可靠性传输。

4.2 高动态网络重构技术

本节将针对卫星激光组网通信所需解决的自适应网络拓扑构造、动态网络重构、高动态信令并发和自适应路由选择技术开展研究，以为后续研究设计提供参考。

(1)自适应网络拓扑构造技术

卫星激光链路通常根据网络拓扑变化的周期性，将拓扑分为N个时间片，在每个时间片内拓扑被抽象为静态结构，在该静态拓扑中进行路由计算。但随着卫星数量的增长及运行周期的增加，拓扑结构占据了巨大的星上存储资源和处理资源。本文以增长激光链路可用时间和降低时间片内路由重算次数为目标，设计了星间链路可用时间最长和时间片内重新计算链路数量最少(Longest Time Minimum Calculation，LTMC)算法，通过初始化计算确定时间片的持续周期Δt，再针对剩余可用时间<Δt的可变动态激光链路进行重新计算，从而降低拓扑计算所消耗的系统资源，满足网络动态自适应使用需求[16]。LTMC算法包含初始化计算和更新计算两部分：

(a)初始化计算

初始化计算仅在第1个时间片中进行，完成网络中所有星间激光链路的计算，并确定时间片的持续周期Δt。具体计算过程如下：① 在同一轨道面中，为每颗卫星建立与该轨道面内下一颗卫星之间的固定链路，直至该轨道面内所有卫星成环；②在不同轨道面间建立唯一一条不变动态激光链路，直至所有轨道面均完成不变动态激光链路的建立；③在不同轨道面间建立可变动态激光链路，直至所有轨道面均完成可变动态激光链路的建立；④计算所有可变动态激光链路的持续时间，将最小值作为时间片持续周期Δt的最大取值，计算时间片N值，使T/N(T为一个周期的持续时间；N为一个周期内的时间片数量)的值尽量接近Δt的最大取值。初始化计算后，每颗高轨卫星均对应1个中轨和2个低轨轨道，相邻的中轨或低轨轨道间至少建立一条动态激光链路，不同轨道面间建立多条不变动态激光链路，实现整个网络的互联，增加网络拓扑稳定性。

(b)更新计算

更新计算在除第1个时间片外的所有时间片中进行，根据时间片内拓扑变化自动更新计算，满足动态网络变化的使用需求。更新计算仅对时间片中剩余可用时间小于Δt的链路进行重新计算，极大地节省了系统的计算资源。

采用传统拓扑构建算法(L算法)和LTMC算法进行实验建模，分析LTMC算法的实际性能。实验设定时间片N=95，持续周期Δt=15 min。如图7所示，图7(a)为算法验证的星座仿真模型，图7(b)为链路计算比(Link Calculation Ratio，LCR)结果。

图7 星座仿真模型和LCR值对比结果

由图可知，传统拓扑构建算法在每个时间片内均会对所有链路进行重新计算，而LTMC算法除了在第1个时间片内对所有链路进行计算外，其余时间片的LCR均处于0.06～0.23之间，只需进行20%左右的链路重新计算，极大降低了系统资源的占用，同时也提供了一个更为稳定的网络拓扑结构。

(2)时变拓扑的动态网络重构策略

卫星激光系统负载会随网络结构产生周期性变化，如何快速对资源合理化调度，降低中断和资源浪费率，是动态网络重构需要解决的首要问题。机器学习能够适应激光网络的周期性变化，通过规律总结实现资源的快速分配，满足动态重构使用需求[17]。利用基于历史和当前流量的感知策略，对网络负载及资源进行预判和调度，实现资源需求的快速响应，并避免资源碎片化，提高系统资源利用率。

将激光网络的历史流量统计数据作为反向传播人工神经网络(Back Propagation-Artificial Neural Network，BP-ANN)模型的学习样本，依据反向传播模型特点对数据进行学习和挖掘，并获得预测流量的权重偏置；根据网络当前负载和权重偏置预测未来流量变化情况；当预测流量超过网络阈值时，触发网络重构；对当前业务按带宽和剩余时间等要素进行排队，构建待重构业务集；为待重构业务逐一分配资源和链路信息，直至预测流量低于网络阈值，停止网络重构。

(3)高动态信令并发技术

由于卫星激光网络拓扑的动态变化，需要频繁的建链操作，因此将产生大量的信令信息，如何快速实现信令的收发建链，降低端对端业务中断的影响，是卫星激光通信系统需要解决的重要问题。传统的通用多协议标签交换(Generalized Multiprotocol Label Switching，GMPLS)协议依赖节点之间的控制信息，交互繁琐，不适用于规模化的光网络信令传输。本文采用基于段路由(Segment Routing，SR)的信令并发技术，降低了信令传输时延，提高了建链速度与通信效率。SR突破了传统控制器与节点之间的直接交互模式，采用面向服务的路径制定策略，由源节点确定数据传输途径[18-19]。对于大规模动态光通信网络，可以采用多域和多控制器模式，实现信令的高速并发传输。信令并发流程如下：(a)域控制器收到跨域业务传输申请，将请求信息发送至相邻域；(b)域控制器对本域内路径进行计算，同时生成段标识(Segment ID，SID)，为了确保域内信息的安全，域控制器对SID进行隐藏处理，并将其发送至上一邻域。隐藏后的SID仅在本域中有效，其他域不对其进行识别操作；(c)源节点域控制器收到全部路径信息后，启动信令发送，各域收到启动信号后并行建链，缩短信令传输所需的建链时间。

图8所示为跨域信令并发流程示意图。图中，控制器1收到目的节点12的业务传输申请，将传输申请转发至控制器2，并由控制器2转发至控制器3；控制器3选择与控制器2相连的边缘节点作为源节点，并将计算后的路径A发回控制器2；控制器2计算的路径B返回至控制器1；控制器1完成域内路径计算后开始建链，同时将建链启动信息通知控制器2；控制器2收到通知启动域内建链，并将通知转发至控制器3；控制器3完成域内建链，信令完成到目的节点12的传输。

图8 跨域信令并发流程示意图

(4)自适应路由选择技术

自适应路由算法的目的在于降低路径的传输时延和处理时延，本文将两项因素综合考虑，设计最短路径延迟(Shortest Path Delay，SPD)路由算法，计算两者时间加和最短的路径作为最终的传输路径[16]。基于上述实验的第13个时间片拓扑进行仿真，在随机生成的30条低轨星间业务链路中使用SPD算法，并将其与最短路径跳数(Shortest Path Hop，SPH)算法进行性能比较。图9(a)所示为算法性能测试模型，图9(b)所示为SPD和SPH算法路径时延仿真对比图。

图9 SPD和SPH算法路径时延仿真对比

由图可知，在大多数业务中，SPD算法的时延远小于SPH算法，同时在剩余业务中，两者时延相近，因此SPD算法的整体性能优于SPH算法。但SPD算法可能产生更多的路径跳数，针对该问题开展了SPD和SPH算法跳数的仿真比较。图10(a)所示为不同算法的跳数变化统计，图10(b)所示为SPD和SPH算法跳数仿真对比。

图10 SPD和SPH算法跳数仿真对比

由图可知，SPD算法跳数略大于SPH算法，但当SPD算法跳数较大时，其路径时延远小于SPH算法。因此，综合考虑各项因素，SPD算法以适度的路径跳数为代价，大幅降低了路径传输所需的时间。

4.3 激光/微波融合技术

激光/微波融合应用可在系统链路质量不高的情况下提升信号传输质量，提高系统可用度及传输效率。本文将对激光/微波融合应用系统进行架构设计，并给出合理性建设意见。系统由光学地面站(Optical Ground Station，OGS)、通信卫星和用户终端(User Terminals，UTs)组成，OGS将用户信息经光馈电链路复用后传输至通信卫星，卫星完成光波信号向电信号的转换，并将解复用信息通过射频点波束转发至UTs。系统拓扑如图11所示。

图11 激光/微波融合应用系统拓扑图

(1)OGS：OGS对多路光信号进行子载波强度调制(Subcarrier Index Modulation，SIM)或OOK。SIM成本低、实现简单，但所需的电偏置会消耗大部分的发射功率，造成能源使用率低；OOK则需采用模/数转换器对聚合信号进行采样和量化，并将采样后的比特流映射到OOK脉冲中，因此星上也需配套使用数/模转换器对信号进行转换。两者需综合考虑，以选择最优的调制方式。

(2)光/电转换：卫星通过同一孔径接收多个发射机的光束，并通过掺铒光纤放大器(Erbium-Doped Fiber Amplifier，EDFA)对光信号进行放大。当EDFA内部温度高于0 K时，光子产生干涉光波效应，经放大后形成自发辐射噪声(Amplified Spontaneous Emission，ASE)，可通过增加光学滤波器来降低光波噪声产生的影响。同时电信号会受到暗电流、脉冲和热噪声等影响，可通过增加电子滤波器降低电子噪声影响。

(3)射频链路：光/电转换后的电信号是具有功率偏置的基带信号，将偏置信号移除后，解复用的聚合信号被分解为多个子信道，经功率放大器放大后，通过不同点波束发送至接收UTs。

5 结束语

卫星激光通信凭借其大带宽、高速率和高安全等特性，成为构建卫星宽带互联网的一种重要手段。本文通过对国内外卫星激光通信发展的调研，结合未来通信网络应用需求，总结出高速化、网络化和全光化是卫星激光通信的技术发展趋势，同时对所涉及的关键技术进行了分析和设计，并给出了试验验证结果，可为后续卫星激光通信研究提供参考与借鉴。