低轨道卫星激光通信网络动态路由策略与算法研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景随着人类科学技术的不断进步，信息的传输和交换技术不断的获得发展和飞跃。自20世纪70年代，空间技术特别是大功率轨道运载技术及大容量通信卫星技术的成熟与推广,使自由空间通信技术获得了质的飞跃。各种卫星、空间站及其它航天器越来越多，这些处于不同空间轨道的卫星需要与地面建立联系，同时它们之间也需要相互通信。而且，通信、对地观测、科学实验和载人航天器等还要求具有极强的实时性与高速的数据传输率。因此，大容量的空间卫星通信已经成为支撑全球信息沟通和交流的基础。随着信息流量的

2、爆炸性增长，目前以微波为载体的空间卫星通信技术逐渐暴露出其自身的弱点，即随着通信数据率的提高，作为传统手段的微波开始逐渐接近其最高传输率的理论瓶颈。在此背景下，人们自然把目光转移到了光通信领域，期待依靠光通信来实现高数据率的通信。卫星光通信可应用于同步轨道卫星与同步轨道卫星(GEO-GEO)通信、低轨道卫星与同步轨道卫星(LEO-GEO)通信、低轨道卫星与低轨道卫星(LEO-LEO)通信,也可应用于空间与地面通信链路、深空探测、载人航天空间站通信。与微波通信相比,卫星光通信具有如下优点：(1)系统通信容量大增。目前

3、卫星微波通信使用的频段在300MHz到300GHz之间，而卫星光通信的频段为300THz，两者相差到倍。增加103106载波频率理论上可以增大调制带宽，通信的数据率可以达到数Gbps甚至更高。(2)设备体积大大减小。由于光波的波长仅为微波波长的十万分之一，这样发射和接收天线的尺寸将成倍减小，而天线尺寸又是影响卫星通信系统体积的最主要因素。(3)抗干扰和保密性显著提高。由于激光的传输光束非常窄且接收视域非常小，很难对其进行窃听或人为干扰。由于卫星光通信具有的诸多优点[1-2]，因此越来越受到世界各国的重视。美国、欧洲

4、、日本等已全面开展了此方面的研究。美国在七十年代中期就开始资助进行此项研究工作[3],NASA制定了一整套激光星间通信的实验计划。欧空-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文局在上世纪80年代初制定了SILEX计划，全面开展卫星间光通信各项技术的研究及地面模拟。日本在八十年代中期开始卫星光学空间通信的研究工作，并于1995年成功地进行了星—地之间的光通信实验[4]。俄罗斯也在卫星光通信方面一直进行着研究,但对此甚为保密，在可得到的公开发表的文献中，可以看出 俄罗斯对卫星光通信器件的技术进行了研究[5-6]。在卫星光通信

5、系统中，每颗卫星都具有星载的处理能力(OBP：On-BoardProcessing)，作为网络交换节点，通过激光星间链路（ISL）与相邻的卫星进行通信，地面站作为接入点对地面业务进行汇聚，通过卫星网络进行路由交换实现全光通信[7-8]。可以认为卫星激光通信网是一种空间光骨干网和通过地面终端接入的地面光网相融合而成的星地一体化全光通信网络。其结构有两部分：由不同轨道的卫星组成的空间光通信网络；由光学地面站、网络控制中心等组成的地面光接入网。具有激光ISL的星地一体全光网就构成了一个自治的全光信息网络。卫星及光学地面站

6、获取的各种数据、控制中心发布的指令、导航信息、定位信息及深空探测信息等各种光通信任务都要在这个卫星网络中进行数据的动态处理和传输，这就是卫星之间信息流的路由问题。路由选择是有效通信的基础，同时，它的好坏也将直接影响整个通信网络的性能。路由选择可减小星地之间的通信量，优化数据的传输。同时，这样的网络方式也替代了在基于地面的网络方式中为了使得两个远距离终端通信而必须搭建的星一地复合跳的网络结构。然而，激光网络通信容量大及激光链路的特殊性使研究ISL的激光卫星通信网络的动态路由策略成为是卫星光通信系统的关键技术之一。1.

7、1卫星光通信研究发展状况七十年代初期美国开始进行卫星光通信系统的研究，七十年代末期设计出了世界上第一个空间通信实验终端。此后，日本、欧洲等各国纷纷开展这方面的研究。目前国际上开展卫星光通信研究的主要有美国的国家航空和宇宙航行局(NASA)，欧洲空间局(ESA)和日本的宇宙开发事业团(NASDA)等。近些年随着半导体技术、探测技术、光学元件技术、控制技术和材料技术等的发展，卫星光通信方面的研究进展非常快，各国都在积极从地面模拟实验走向空间实验。不久的将来，卫星光通信必将进入实用化和商业化的发展阶段。1.2.1国外研究

8、状况美国NASA在七十年代初资助进行了CO激光和光泵浦ND:YAG激光空间2-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文通信系统的初步研究[9]，当时主要是考虑将卫星间光通信应用于高数据率GEO-GEO链路和低数据率的深空探测。此后，开展了低轨道小卫星星座激光链路的研究。NASA还在卫星光通信的一些新的应用领域进行了研究，以寻求自由空间激光链路的潜在应用。NASA建