基于波長(zhǎng)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(diǎn)適應(yīng)衛(wèi)星通信的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展需求?；诓ㄩL(zhǎng)路由（WR）的全天基星座光網(wǎng)絡(luò)（簡(jiǎn)稱(chēng)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(shí)現(xiàn)不同衛(wèi)星覆蓋地區(qū)的用戶之間信息傳遞。同時(shí)，還在其星間鏈路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2、上建立基于波長(zhǎng)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(zhǎng)路由協(xié)議還可以簡(jiǎn)化星上路由，減小節(jié)點(diǎn)處理時(shí)間，從而降低長(zhǎng)距離業(yè)務(wù)的傳輸時(shí)延及延時(shí)抖動(dòng)。因此，WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。
　　從目前已發(fā)表的文獻(xiàn)分析，關(guān)于WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)特性的研究報(bào)導(dǎo)相對(duì)較少。僅有的幾篇文獻(xiàn)也只是分析了該網(wǎng)絡(luò)波長(zhǎng)需求量的問(wèn)題，而且研究結(jié)果也具有局限性。

3、　　本文從實(shí)際情況出發(fā)，對(duì)WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性進(jìn)行了系統(tǒng)地理論分析和仿真，為未來(lái)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(duì)目前的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了深入的分析，然后由實(shí)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?fù)涞臅r(shí)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(jìn)一步開(kāi)展了本文的研究工作。研究主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)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(duì)網(wǎng)絡(luò)通信性能

4、的影響。具有高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩顆衛(wèi)星進(jìn)行星間鏈路時(shí)，傳遞的信息不可避免地會(huì)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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)漂移和鏈路可視時(shí)間的估算公式，并驗(yàn)證了該公式的有效性。為量化多普勒效應(yīng)對(duì)WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的影響，本文還仿真分析了它對(duì)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(diǎn)光終端的線性帶內(nèi)串?dāng)_，研究了具有單跳和多跳鏈路波長(zhǎng)路由衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的串?dāng)_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(diǎn)路由設(shè)備的串?dāng)_容限。在WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的路由節(jié)點(diǎn)內(nèi)，來(lái)自不同ISLs的具有相同載波波長(zhǎng)的信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生帶內(nèi)串?dāng)_。它會(huì)限制WDM ISLs信號(hào)在衛(wèi)星之間傳輸距離，嚴(yán)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(diǎn)光終端時(shí)的線性帶內(nèi)串?dāng)_理

6、論模型。分析了串?dāng)_對(duì)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(diǎn)路由設(shè)備的最低串?dāng)_要求。
　　(3)針對(duì)全天基衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間和空間特性，詳細(xì)地分析了WR衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)的波長(zhǎng)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(zhǎng)資源需求量直接決定了網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)成本與可行性。本文首先針對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈路拓?fù)涞臅r(shí)間和空間特性，描述了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對(duì)連接請(qǐng)求的最佳路由的選擇方案。然后，給出了對(duì)隨機(jī)生成的滿足規(guī)定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)物理連通性的網(wǎng)絡(luò)鏈路拓?fù)溥M(jìn)行

7、波長(zhǎng)需求量統(tǒng)計(jì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)（ACNT）的優(yōu)勢(shì)，我們還把ACNT的波長(zhǎng)需求量與具有規(guī)則性鏈路拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的結(jié)果進(jìn)行了比較。
　　(4)分析了星座中恒星背景噪聲的統(tǒng)計(jì)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(jìn)入終端視場(chǎng)內(nèi)恒星背景噪聲光功率的表達(dá)式。然后結(jié)合SAO恒星星表數(shù)據(jù)庫(kù)，分別對(duì)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(zhǎng)分配方案