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《激光与光电子学进展》2023年第07期封面故事:卫星光互联网,激光开启天基高速信息时代

已有 1228 次阅读 2023-4-23 13:49 |系统分类:论文交流

  空军工程大学信息导航学院赵尚弘教授课题组在发表题为“面向卫星互联网的下一代卫星光网络关键技术进展”的封面文章。介绍了基于激光通信的卫星互联网架构和星座类型;分析了下一代卫星光网络的关键技术,同时展望了卫星光网络的技术发展方向。

 

封面解读

 

       封面描绘了基于激光通信的卫星互联网蓝图,利用卫星网络广覆盖、低时延优势,并通过激光传输为网络扩容提速。星载光天线体积、功耗小,波束集中,在远距离传输中具有明显优势,卫星之间利用激光链路组网来承载各种互联网业务。

文章链接:

赵尚弘, 彭聪, 李勇军, 李海, 李信, 薛凤凤. 面向卫星互联网的下一代卫星光网络关键技术进展[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(7): 0700001.

 

01 卫星光网络,天地一体化新助力

 

       卫星互联网是一种由分布于高、中、低轨道的卫星通过星间链路连接,为空、天、地、海用户提供随时、随地和大规模互联网接入等通信服务的新型网络。由于未来海量用户接入所造成的业务爆发式的增长,传统的卫星网络受限于星上载荷资源和链路容量,已经很难满足业务的传输以及分发需求。此外,新型应用的涌现对业务的服务质量(Quality of Service, QoS)提出了较高的要求,例如毫秒量级的时延和时延抖动,Gbps量级的传输速率。卫星光通信具有大容量、低时延,抗干扰性能好和终端小型化等优点,为卫星互联网的设计提供了一种新的思路,即构建下一代卫星光网络。

 

02 基于光通信的卫星互联网架构

 

       如图1所示,基于光通信的卫星互联网是由天基骨干网(Space-based backbone network)、中继传输网(Relay transmission network)和空间接入网(Space access network)三部分组成,星间组网链路采用激光链路,星地传输链路为微波链路。

图1 基于光通信的卫星互联网示意图

       卫星通信在覆盖范围、通信距离、可靠性等方面具有很大的优势,随着卫星通信技术和卫星发射进一步发展,卫星通信的质量、容量得到极大提升,同时,卫星星座的建设成本大幅下降,卫星通信的应用价值和市场使其得到了极大地关注,为了抢占珍贵的卫星轨道和卫星通信频带,近年来发射了大量的通信卫星,“Starlink”、“Oneweb”和鸿雁星座等世界上著名的卫星通信系统目前已完成了初步的建设计划并且建设进度在不断加快。

 

03 卫星互联网“大展身手”的关键技术

 

光电混合交换技术

图2 光电异构链路(a)聚合 (b)疏导方法

       受到大气效应的影响,星地之间的业务传输一般采用的是微波链路,而星间链路采用大容量的激光链路,因此需要借助微波光子学技术在卫星节点对业务进行疏导与聚合,如图2所示。

       在源节点处,低数据速率码流经过时钟序列恢复处理单元(Clock sequence recovery processing unit),变成由时钟控制的信号,再经过码型转换单元(Code-type transform unit)后以时间间隔为进入光合路单元(Optical consolidation unit),最后可输出一路高数据速率码流。多粒度业务在卫星光网络中透明转发,当到达目的节点时,由光波长承载的高速率数据码流被光分路单元(Optical separation unit)分成多路,分路后的每路光信号经过间隔为的延时,当第一路的第一个数据业务到达的时候,多个光选通门(Optical selection door)同时打开,选出相应路信号中同一个周期内不同时隙位置的光信号,即可实现高速数据到多路低速并行数据的降速处理。

 

卫星波长路由技术

图3 卫星光网络波长路由

       波长路由是卫星光网络的关键技术,它将网络中的约束条件和性能指标转化为权重因子,并且利用路由算法求解从源节点到目的节点的最短路径。如图3所示,卫星光网络的波长路由是指当有业务到达源卫星节点s时,为业务寻找到达目的卫星节点d的最短路径,并分配有效波长。

       图3中卫星节点间的链路为激光链路,节点间不同颜色的线段表示不同的可用波长。在不考虑星上波长转换器的情况下,卫星光网络的波长路由必须满足波长连续性和互异性约束,即同一物理链路同一光路光路源、目的节点间使用的波长必须相同,同一物理链路不同光路间使用的波长不能相同,即图3中从源卫星节点s到目的卫星节点d只能使用同一颜色的线段。此外,在进行卫星光网络波长路由时还需要考虑卫星节点的动态特性、星上光转发器数量限制以及跳数增多引起的时延和误码率增大等因素。

 

卫星光网络波长需求

       波长需求分析指的是在满足业务需求的条件下,通过改变拓扑结构来估计波长数量的边界。随着波分复用和波长路由技术的发展,可以在每条星间链路中建立多个波长信道来满足大带宽业务的传输需求。由于星载光放大器的带宽有限,并且波长信道之间需要保持一定的冗余来减少多普勒效应的影响,卫星光网络的波长资源十分有限。因此,在满足多粒度业务需求的前提下分析波长需求量具有重要意义。

图4 低轨卫星光网络波长需求量分析

 

卫星光网络业务疏导技术

       业务疏导(Traffic grooming)是将一系列虚拟的电连接映射到底层光网络中,既提高了波长的利用率,又节省了端口开销。如图5所示,3路低速率的数据流分别通过路由端口1、2和3进入核心路由器,经过EO端口4汇聚成一路光信号,通过底层光链路的传输到达目的节点,最后经过OE端口5解汇聚成3路低速率的数据流分别从6、7和8端口输出。相比于IP层路由,整个业务疏导过程节省了大量路由端口(端口10-25),因此利用业务疏导可以大大降低光网络能量消耗。

图5 业务疏导原理框图

 

04 开启卫星互联网新“轨道”

 

       下一代卫星光网络的关键技术从未来卫星互联网业务需求出发,一定程度上解决了卫星光网络组网过程中面临的资源受限、动态变化等问题。为了充分发挥卫星光网络的优势,实现网络资源的高效利用,未来的研究需要关注以下几个方面:1)基于SDN的卫星弹性光网络频谱分配方法;2)基于能效优化的业务疏导方法;3)基于分布式星群光网络构造卫星数据中心。

 

作者简介

 

       赵尚弘,1964年7月生。空军工程大学信息与导航学院教授,军队重点学科“通信与信息系统”带头人。空军级专家,博导,专业技术三级,享受政府特贴,军队一类岗位津贴。中国光学工程学会理事、中国宇航学会、中国通信学会、中国光学学会高级会员,陕西省光学学会理事。全军优秀教师,军队育才金奖,陕西省三秦人才。先后主持完成国家863计划2项、国家自然科学基金重大计划及军队重大项目12项,获军队科技进步二等奖4项,指导博士后、博士和硕士生100余名,9人获得全国全军优秀博士硕士论文;出版专著4部;发表论文400篇,其中SCI收录200余篇。




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