卫星内无线光网络通信技术及其实现

卫星内无线光网络通信技术及其实现

崔磊

哈尔滨市人防指挥信息保障中心

摘要

卫星内无线光网络通信的基础在于卫星内无线光通信链路。为保障链路质量，必须解决适合卫星内环境的抗噪和抗多径损害等技术问题，以及相关设备的适当重量、体积和功耗等实现问题。其关键是结合载波和卫星环境的特性，并配合其它卫星技术研究无线光网络通信技术。实验表明，在卫星内实现适应编码调制和脉冲波形技术，无线光噪声复合消除技术、后验均衡技术和有序捆绑解调解码技术等，点对点和点对多点高速光链路误码率达到了正常通信要求。为进一步利用无线光属性组建高服务质量网络，获得高的整体通信效率奠定坚实根基。

关键词：卫星；无线光网络通信；脉冲波形

一、引言

卫星通信的枢纽位置和所起到的巨大作用是其它任何通信手段都无法替代的。有着特别重要的军事用途以及广阔的民用市场，国防价值、经济价值和社会价值巨大。下一代卫星通信系统采用无线光信息传输、获取、处理技术取代微波技术，是当今世界高新技术发展的重要领域。

无线光通信带宽远大于微波等射频系统，不需要处理穿透性很强的电磁兼容问题。其容量大、保密性强、安全性好、抗干扰性好、兼容性好，支持移动通信。信息传输和交换能够从物理上无泄漏地封闭在某域内部进行，是卫星通信的最佳手段。

卫星内无线光网络通信技术，应用于卫星通信以及控制数据传输等，有着其独特的优点。其核心是卫星环境噪声抑制技术和卫星多径损害消除技术等及其工程实现，从而使得码间干扰尽量小，误码率尽量低，链路运行稳定可靠，能够提交上层正确的码字。为了更好地工程实现，并进一步发展卫星内无线光通信技术。必须从物理层到链路层，直至网络层和更高层系统化对其展开研究，探讨其构建，分析其运行特征，掌握获得高的整体通信效率和高的相关技术。同时高层技术又可为低层技术及其进一步发展提出合理的要求和方向。

二、卫星内通信环境

卫星通信具有覆盖范围广，信道容量大的优点。只需要部署卫星通信网络就可以实现全球范围内的实时通信，与陆基通信系统相比成本较低，且受国境、政策和地理环境等其他因素的制约较少，所以卫星通信在海洋、航空、铁路等大空间尺度领域中得到了广泛的应用。近年来，小型化低轨卫星的设计逐渐成熟，制造成本和发射成本不断降低，组成大规模全覆盖低轨卫星网络逐渐成为重要的国家战略目标。随着地面通信系统的边界不断扩展，密度逐渐饱和，各国都提出了将地面通信网络与卫星通信网络相结合的计划，卫星通信技术作为该计划的核心与短板，己经成为了通信技术发展的重要方向。

极其丰富的频谱资源和宽阔的空间覆盖范围既是卫星通信的主要优点，也意味着卫星通信信道具有开放性。在通常情况下，在同一片区域中使用卫星通信系统的用户的信道状态信息（ChannelStateInformation，CSI）是彼此公开的。在这种情况下很难实现隐蔽安全的通信，通信信号被非合作方侦查、截获的概率非常大。

设计卫星安全通信波形的目的是为了获得一种具有抗截获性能的信号波形，它能够有效防止非合作接收方对我方信号进行侦测、破译，降低信息泄露概率，同时防止非合作方利用信号对卫星进行测向，从而保护卫星通信终端的安全。

扩展频谱技术在传统卫星通信中得到了非常广泛的应用。该技术与卫星通信环境非常契合，使用了扩展频谱技术的信号具有一定的抗截获性能，较好的抗干扰能力以及更佳的同步性能。扩展频谱技术使用扩频码扩展信号频谱，信号接收端使用对应的扩频码将信号还原，结合滤波器能够有效的抑制信号带宽之外的干扰。扩频码一般采用伪随机序列，具有代表性的有ｍ序列、GOLD序列等。这些序列一般都拥有良好的平衡性和随机性，它们的自相关函数呈现出周期性的明显峰值。低截获概率（LowProbabilityofInterception，LPI）问题在过去几十年里获得了很大的进展，扩频通信技术的周期性特征能够被盲检测方法分析识别，传统的扩频技术己经无法满足信号的抗截获性需求。

三、适应编调

为达正确传送信息的目的，卫星内无线光通信系统的误码率必须低于一定的上限。同时，发信所耗平均光功率和所需要的接收器带宽应适中。因此，需要适宜的编码调制和波形技术。

开关键控为适合卫星内无线光网络通信的二进制码型。编码一次取若干位比特映射到唯一与之对应的码元上。然后把编码器输出的二进制序列送进调制器。调制器把每个二进制数据映射为波形。归零开关键控带宽要求大于不归零开关键控，但较大地增强了抗噪能力，降低了正常通信对平均功率的要求，故而较好地折衷功率要求和带宽要求。其信噪比

式中P_A是平均发射光功率，Ｒ为接收响应率，T_C为码元间隔，n₀为噪声功率谱密度，β为星内恶化系数。

在完成前述编码后，经极性脉冲编码达到近零的不均衡性，可降低发射信号的直流分量。其对消除噪声的干扰和避免基线偏移非常有效；同时使信号的直流和低频成份也变得适中，定时信号的提取很方便。

四、有序捆绑解调解码

卫星内无线光通信的收信解调解码技术匹配于发信编码调制技术，其系统框图如图1。接收机采用平方律探测器探测信号，并结合滤波及卫星基线恢复技术处理背景噪声；同时，采用数字式处理技术实现后验均衡器自动适应信道脉冲响应的变化。

图1卫星内无线光通信解调解码系统框图

配合波形矢量判决技术、多址技术、定时恢复技术、DFE的调节适应技术等，有序捆绑处理使本系统实现了高速解调解码。

卫星内无线光通信设备重量轻、体积小、功耗低，其可移动传输特性和卓越的链路抗损毁性能，又给系统提供了高可靠性。同时，用无线光宽带复合布线代替有线，海量传送智能控制信息，可大大减化系统线路。

虽然卫星内无线光网络系统能够提供透明通信。但要充分发挥其效能，就必须利用卫星内无线光属性，例如传输特性等组网通信，建立物理无缝融合逻辑托扑的内外安全机制、权限机制和独特的路由机制。卫星内无线光网络可通过结口技术与卫星外无线光通信和有线通信互联，为获得资源共享和传送控制等信息服务的高效、可靠、主动和灵活奠定基础。为了组建高QoS网络，获得理想的通信效率，必须进一步研发相关协议及其支持设备。

参考文献：

[1]谢岸宏．卫星通信抗截获波形设计与检测技术研宄［Ｄ］.电子科技大学，2018

[2]董超颖，续欣，刘爱军，苌敬辉.低轨卫星星座网络路由新方法[J].计算机科学，2020，47（12）:285-290.