關于衛(wèi)星光通信與微波通信之轉換技術研究

摘要衛(wèi)星激光通信是解決星間通信“瓶頸”的最佳方法。介紹了衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡與微波通信網(wǎng)絡并網(wǎng)的背景及重要意義，分析了衛(wèi)星光通信與微波通信相互轉換的方法。

　　1、引言

　　隨著信息流量的爆炸性增長，目前以微波為載體的空間衛(wèi)星通信技術逐漸暴露出其自身的弱點，即隨著通信數(shù)據(jù)率的提高，作為傳統(tǒng)手段的微波開始逐漸接近其最高傳輸率的理論瓶頸。在此背景下，人們自然把目光轉移到了以激光作為信號載體的光通信，期待依靠激光通信的高數(shù)據(jù)傳輸率來解決問題。

　　衛(wèi)星光通信是一種嶄新的空間通信手段。利用人造地球衛(wèi)星作為中繼站轉發(fā)激光信號，可以實現(xiàn)在多個航天器之間以及航天器與地球站之間的通信。其傳輸速率高、安全性和可靠性高、保密性強、終端設備體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點吸引著各國專家鍥而不舍地探索[1-4]�？臻g激光通信系統(tǒng)在結構上應具有與微波通信的接口。目前還沒有一個國家建立了空間激光通信鏈路，所以對于星上微波通信與光通信的相互轉換過程的研究極少。在光通信領域已取得突破性進展，成功地實現(xiàn)了衛(wèi)星-地面、衛(wèi)星-衛(wèi)星之間的光通信試驗，預計近幾年將進入實用化階段[5-6]。因此，空間光通信與微波通信的互連是必須解決的一個問題。

　　2、激光星間鏈路

　　激光星間鏈路主要包括同步軌道衛(wèi)星間的通信鏈路、同步軌道衛(wèi)星和中低軌道衛(wèi)星間的通信鏈路、中低軌衛(wèi)星間的通信鏈路以及衛(wèi)星和地面站間的通信鏈路。

　　基于空間環(huán)境的考慮，星地鏈路只能以微波為主。因此，為了滿足星上苛刻的功耗、體積和復雜程度的要求，必須研究星上光通信與微波通信的相互轉換技術。另外，現(xiàn)有衛(wèi)星網(wǎng)采用微波技術，為了使衛(wèi)星光通信充分發(fā)揮其效能，必須解決衛(wèi)星光通信與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的聯(lián)網(wǎng)技術，因此，在空間必然要進行光通信與微波通信的相互轉換。

　　對大部分衛(wèi)星而言，它既是微波鏈路和激光鏈路的轉換節(jié)點，同時又是衛(wèi)星光網(wǎng)絡中的一個路由交換節(jié)點，見圖1。一方面，當節(jié)點上/下行鏈路時，衛(wèi)星必須完成微波/光與光/微波相互轉換。另一方面，路由的判定是由中間衛(wèi)星的星載處理器根據(jù)查找動態(tài)路由表來完成的，這樣需要對經(jīng)過的數(shù)據(jù)包進行復雜的解復用、解調制等過程和路由交換處理。

　　在中繼衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星(GEO-LEO)間的激光中繼鏈路中，需要返向發(fā)往地面的LEO高速數(shù)據(jù)先由LEO激光通信終端調制并發(fā)往中繼星，由GEO激光通信終端接收，經(jīng)解調再生處理得到基帶信號后，再由微波進行QPSK調制、上變頻至Ka頻段，經(jīng)Ka頻段星地下行鏈路發(fā)往地面站。地面發(fā)往LEO的前向低速數(shù)據(jù)，經(jīng)擴頻、BPSK調制后，由Ka頻段星地上行鏈路發(fā)往中繼星，GEO解調再生處理得到基帶信號后，輸入GEO激光通信終端進行光調制，發(fā)往LEO激光通信終端。這種微波通信與光通信的相互轉換方式存在著處理過程復雜、設備體積笨重和網(wǎng)絡延遲增加等缺點，無法適應星上有效載荷的要求。

　　文獻[7]，根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)高帶寬(下一代衛(wèi)星光網(wǎng)絡高達10Gb/s)、節(jié)點數(shù)目相對較少和網(wǎng)絡連通度相對較低等特點，提出了一種不解基帶數(shù)據(jù)、無需包頭檢測、利用微波直接調制激光的微波通信與光通信相互轉換的方案。系統(tǒng)基本原理是：由地面發(fā)射處理機(TP)根據(jù)IP包頭信息、以所要到的目標衛(wèi)星作為標準，進行“衛(wèi)星流”的劃分，形成多路微波副載波信道(f1,f2,…，fn)，這里以副載波的頻率fi來表示其在衛(wèi)星網(wǎng)的路由信息；在首衛(wèi)星，首先根據(jù)副載波頻率完成副載波信道的星上交換和相同目標“衛(wèi)星流”的聚合，然后根據(jù)多波長路由協(xié)議，在星際光網(wǎng)絡建立直達光路，完成多路副載波對激光發(fā)射陣列(0TA)的直接調制；在目標衛(wèi)星和地面關口站，通過帶可調諧光濾波器(0F)的光接收機(0R)和帶快速可調諧副載波調制器的接收處理機(RP)來結束星際光路由和完成副載波的多址連接。

　　在這個系統(tǒng)中，為了增加光帶寬的利用率，通常光副載波系統(tǒng)都采用單邊帶調制技術。作為一種復用技術，多路副載波被加到同一光載波上，雖然光調制信號和強度輸出是線性關系，但在調制的過程中，由于執(zhí)行了單邊帶處理而引入了非線性過程，在高密度的副載波衛(wèi)星網(wǎng)絡中必然會帶來交調扭曲，造成信號質量下降。

　　另外，雖然光副載波調制技術并不需要光頻率的準確控制，但對目標衛(wèi)星的多波長寬帶光接收機來說卻需要較寬的光頻率間隔。因為直接光檢測器是一種平方律設備，頻率相鄰的光信號在探測器相互“敲打”，產生類似噪聲的光拍頻干擾(0BI)信號，因此正是OBI決定著多波長通道的間隔。

　　因此，光副載波調制的載噪比(CNR)和星上波長漂移造成的光拍頻干擾嚴重影響著圖3系統(tǒng)的性能、限制著系統(tǒng)的規(guī)模，文獻[7]給出了一些可以有效改??統(tǒng)的規(guī)模和相關技術細節(jié)沒有研究。

　　4、結束語

　　從以上分析可以看到，星上光通信與微波通信之相互轉換技術還沒有一個理想的方案，這也許是因為衛(wèi)星光通信還沒有進入實用化階段的原因。但是，隨著空間光通信涉及的關鍵技術的解決以及空間光通信技術與系統(tǒng)的日趨完善，可以預見，不久的將來衛(wèi)星光通信必將實現(xiàn)商業(yè)化目標，星上的微波通信與光通信的相互轉換技術將是必須解決的關鍵技術之一。