基于波長路由的全天基星座光網(wǎng)絡(luò)特性研究.pdf

1、受到地面通信網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展的影響，衛(wèi)星通信也向著網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。星間激光鏈路技術(shù)以激光作為星間高速、迅捷的信息載體，是空間光通信技術(shù)在衛(wèi)星通信領(lǐng)域的拓展，是大容量衛(wèi)星通信領(lǐng)域的重要研究方向。終端體積小、重量輕、功耗低等特點適應(yīng)衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求?；诓ㄩL路由（WR）的全天基星座光網(wǎng)絡(luò)（簡稱WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)）利用星間激光鏈路（ISLs）作為星座中衛(wèi)星間的信息傳送通道，實現(xiàn)不同衛(wèi)星覆蓋地區(qū)的用戶之間信息傳遞。同時，還在其星間鏈路拓撲結(jié)構(gòu)

2、上建立基于波長路由協(xié)議的波分復(fù)用（WDM）體系，形成全球覆蓋的光傳輸骨干網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)可以極大地提高通信容量，并充分利用星上光放大帶寬資源。波長路由協(xié)議還可以簡化星上路由，減小節(jié)點處理時間，從而降低長距離業(yè)務(wù)的傳輸時延及延時抖動。因此，WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)是未來衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢。
　　從目前已發(fā)表的文獻分析，關(guān)于WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)特性的研究報導(dǎo)相對較少。僅有的幾篇文獻也只是分析了該網(wǎng)絡(luò)波長需求量的問題，而且研究結(jié)果也具有局限性。

3、　　本文從實際情況出發(fā)，對WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性進行了系統(tǒng)地理論分析和仿真，為未來寬帶衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。論文首先對目前的研究現(xiàn)狀進行了深入的分析，然后由實際情況出發(fā)，論述了該衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的基本模型，仿真分析了該網(wǎng)絡(luò)星間鏈路拓撲的時間變化特性以及與星座參數(shù)之間的關(guān)系等。在此基礎(chǔ)上進一步開展了本文的研究工作。研究主要內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　(1)系統(tǒng)地分析了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中各種星間激光鏈路的多普勒特性及其對網(wǎng)絡(luò)通信性能

4、的影響。具有高速相對運動的兩顆衛(wèi)星進行星間鏈路時，傳遞的信息不可避免地會受到多普勒效應(yīng)的影響。在衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中，星間激光鏈路具有多樣性。本文推導(dǎo)出了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中星間鏈路的多普勒波長漂移的理論公式，分析了不同鏈路的多普勒特性。為方便描述具有時間不連續(xù)性的間歇式鏈路的多普勒特性，還給出了該鏈路的多普勒波長漂移和鏈路可視時間的估算公式，并驗證了該公式的有效性。為量化多普勒效應(yīng)對WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的影響，本文還仿真分析了它對鏈路通信誤碼率的影響。

5、r>　　(2)分析了衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星路由節(jié)點光終端的線性帶內(nèi)串擾，研究了具有單跳和多跳鏈路波長路由衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的串擾特性及其影響因素，并且分析了不同通信誤碼率下多跳鏈路節(jié)點路由設(shè)備的串擾容限。在WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點內(nèi)，來自不同ISLs的具有相同載波波長的信號之間會產(chǎn)生帶內(nèi)串擾。它會限制WDM ISLs信號在衛(wèi)星之間傳輸距離，嚴重影響了光網(wǎng)絡(luò)的性能。本文建立了WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)中不同WDM ISLs輸入到衛(wèi)星路由節(jié)點光終端時的線性帶內(nèi)串擾理

6、論模型。分析了串擾對具有單跳和多跳鏈路的WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的影響，給出了不同多跳鏈路上節(jié)點路由設(shè)備的最低串擾要求。
　　(3)針對全天基衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的時間和空間特性，詳細地分析了WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的波長需求量及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)特性。WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的波長資源需求量直接決定了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計成本與可行性。本文首先針對網(wǎng)絡(luò)鏈路拓撲的時間和空間特性，描述了衛(wèi)星節(jié)點對連接請求的最佳路由的選擇方案。然后，給出了對隨機生成的滿足規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點物理連通性的網(wǎng)絡(luò)鏈路拓撲進行

7、波長需求量統(tǒng)計分析的方法。為了更好地反映本文所提出的具有鏈路任意性的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)（ACNT）的優(yōu)勢，我們還把ACNT的波長需求量與具有規(guī)則性鏈路拓撲網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果進行了比較。
　　(4)分析了星座中恒星背景噪聲的統(tǒng)計特性。恒星背景是星間激光鏈路不可避免的噪聲源。本文以輻照度函數(shù)為基礎(chǔ)給出了進入終端視場內(nèi)恒星背景噪聲光功率的表達式。然后結(jié)合SAO恒星星表數(shù)據(jù)庫，分別對采用不同波段的星間激光鏈路恒星背景噪聲、不同WDM星間鏈路波長分配方案