基于波分復(fù)用的衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)多普勒影響研究

摘要：衛(wèi)星通信技術(shù)近年來獲得了良好的發(fā)展，隨著經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，其重要程度也愈發(fā)明顯。衛(wèi)星通信技術(shù)不僅應(yīng)用于軍事與應(yīng)急通信領(lǐng)域，在工業(yè)生產(chǎn)等行業(yè)也被廣泛應(yīng)用。應(yīng)用衛(wèi)星光通信技術(shù)增強(qiáng)通信能力是增加衛(wèi)星載荷效率的有效途徑，但是衛(wèi)星運(yùn)行引發(fā)的多普勒效應(yīng)有一定概率對衛(wèi)星間的激光通信造成不利影響。文章對光通信中多普勒頻移對波分復(fù)用衛(wèi)星的相對運(yùn)動的影響展開分析，重點(diǎn)分析了多普勒頻率變化的幅度。

關(guān)鍵詞：多普勒;衛(wèi)星光;通信網(wǎng)絡(luò);波分復(fù)用

中圖法分類號：TN929文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Research on Doppler effect of satellite optical communicationnetwork based on wavelength division multiplexing

WANG Lu

（Early Warning Section of Command Information Support Center of Tangshan Civil Air Defense Office（Civil Defense），Tangshan，Hebei 063000，China）

Abstract：Satellite communication technology has achieved good development in recent years.With thecontinuous improvement of economy， the importance is becoming more and more obvious. Satellitecommunication technology is not only used in the field of military and emergency communication，but also widely used in various industries such as industrial production. Using satellite opticalcommunication to enhance communication capability is an effective way to increase satellite loadefficiency， but the Doppler effect caused by satellite relative operation has a certain probability tocause adverse effects on laser communication between satellites. This paper analyzes the influence ofDoppler frequency shift on the relative motion of WDM satellites in optical communication，focuseson the amplitude of Doppler frequency change.

Key words： Doppler， satellite light， communication network， wavelength division multiplexing

多普勒效應(yīng)最早由奧地利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家多普勒于1842年提出。他認(rèn)為，物體的輻射頻率以及波長會隨著觀察者和光源的運(yùn)動而改變。包含光波在內(nèi)的所有波動現(xiàn)象均有多普勒效應(yīng)，當(dāng)前很多研究者的研究重點(diǎn)集中于計(jì)算衛(wèi)星間光通信鏈路多普勒頻率變化的方法之上，當(dāng)使用極地軌道時(shí)，衛(wèi)星間的光載波的波長會發(fā)生一系列變化[1]。這是因?yàn)楣馔ㄐ诺牟ㄩL可與云和大氣霧的粒徑相媲美，光通信在衛(wèi)星鏈路中的使用受到嚴(yán)格限制，但是在衛(wèi)星間的連接中則不存在這樣的問題。如今，建立光通信網(wǎng)絡(luò)的方法已成為許多國家的重點(diǎn)研究對象，兩顆通信衛(wèi)星的相對運(yùn)動都極有可能引起多普勒效應(yīng)。在普通的衛(wèi)星通信中，通?？墒褂面i相環(huán)來跟蹤多普勒頻率的變化，但在光通信網(wǎng)絡(luò)中，這很困難，不需要類似的解決方案去解決。本文研究了多普勒效應(yīng)對衛(wèi)星間光通信的影響，并提出了相關(guān)建議。

1概述

1.1衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)

簡單而言，衛(wèi)星通信技術(shù)是利用人造衛(wèi)星來轉(zhuǎn)發(fā)電波的一種通信手段。在整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的過程中，以衛(wèi)星為中間站，實(shí)現(xiàn)各個(gè)用戶之間的信息傳遞。整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)由三部分組成，即地面端、空間端以及用戶端。地面端包括網(wǎng)絡(luò)控制中心、衛(wèi)星控制中心、信息通信中心，所有地面端操作設(shè)備保證了網(wǎng)絡(luò)通信的暢通，并將移動終端接入核心網(wǎng)絡(luò);空間端是指衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)無線電波，完成各類通信信號空間傳輸;用戶端根據(jù)使用情況分為機(jī)載用戶、艦船用戶、手持用戶等。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信能夠?qū)崿F(xiàn)全球信息傳輸，但其缺點(diǎn)也顯而易見，如在信息通信過程中出現(xiàn)延時(shí)、通信信號傳輸質(zhì)量差。目前，衛(wèi)星通信不僅在軍事上得到了廣泛應(yīng)用，在各個(gè)工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域及百姓生活也普遍應(yīng)用，尤其是5G 時(shí)代的到來，以5G 為主的相關(guān)科技為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信提供了更大的發(fā)展空間，也讓衛(wèi)星定位功能在移動通信上得到廣泛應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)航、定位、測速測距，讓每個(gè)終端用戶獲得了良好的使用體驗(yàn)[2]。

1.2多普勒效應(yīng)

光通信網(wǎng)絡(luò)的多普勒效應(yīng)只被觀察者和波源的相對運(yùn)動軌跡所影響，有基于相對論的電子學(xué)表明，當(dāng)觀察者和波源之間發(fā)生相對運(yùn)動的時(shí)候，洛倫茲變換獲得可以得出光波的多普勒頻移量。假設(shè)波源在波源的運(yùn)動方向上運(yùn)動，但傳播軌跡和波源的夾角是θ，此時(shí)就可以通過“Lorentz”進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

1.3多普勒頻移

如今，移動衛(wèi)星通信服務(wù)讓“全球通”得到了落實(shí)和實(shí)現(xiàn)。通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)移動通信的方式有很多種，如低軌道（ LEO ）衛(wèi)星、中軌道（ MEO ）和靜止軌道（GEO）衛(wèi)星。為保證全球信號的連續(xù)覆蓋，移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)需要合理利用不同的衛(wèi)星（如 Irilim 系統(tǒng)就利用了六十六顆衛(wèi)星）來創(chuàng)建星座。當(dāng)然，把衛(wèi)星連接起來創(chuàng)建一個(gè)移動通信體系，便形成了 ISL 系統(tǒng)。通信的終端個(gè)人通信和寬帶化日益增長的需求將使得 ISL 從微波技術(shù)轉(zhuǎn)向更大容量的波分復(fù)用衛(wèi)星光通信技術(shù)或者激光技術(shù)。在此，我們將量化不同情況下的多普勒頻率變化，以及對 ISL 的可能影響。

2我國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1寬帶多媒體領(lǐng)域

近年來，衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展讓網(wǎng)絡(luò)寬帶多媒體逐步走向成熟，網(wǎng)絡(luò)多媒體作為信息技術(shù)的重要組成部分，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)與技術(shù)的融合，網(wǎng)絡(luò)多媒體技術(shù)離不開衛(wèi)星通信技術(shù)的支持，二者相輔相成，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信、量能指標(biāo)與傳輸效率決定最終用戶端的多媒體技術(shù)實(shí)踐與發(fā)展，并且隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信的不斷提升，多媒體技術(shù)整體也得到了明顯改善，更好地服務(wù)于工業(yè)生產(chǎn)，滿足了用戶更高的網(wǎng)絡(luò)通信要求[3]。

2.2衛(wèi)星電視直播領(lǐng)域

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及社會生活的需要，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)被引入電視直播領(lǐng)域，并且很早就進(jìn)入了快速發(fā)展通道，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)直播設(shè)備（如數(shù)字電視、衛(wèi)星電視等）也得到了快速發(fā)展，已經(jīng)普遍走進(jìn)了大眾的娛樂生活。良性的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)發(fā)展刺激了市場需求，并且以各類賽事及綜藝直播活動為載體的內(nèi)容被現(xiàn)場直播給廣大受眾，用戶也越來越接受網(wǎng)絡(luò)直播類信息通信內(nèi)容，且根據(jù)大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，滿意度呈上升趨勢。從某種意義而言，衛(wèi)星通信已是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)電視發(fā)展的主流方向，也是未來衛(wèi)星通信的主要內(nèi)容。

2.3快速增長的消費(fèi)需求

從社會服務(wù)屬性角度而言，衛(wèi)星通信技術(shù)已為公益事業(yè)服務(wù)發(fā)展注入了新的動力，尤其是近年來衛(wèi)星通信服務(wù)呈上升趨勢，衛(wèi)星通信與當(dāng)前的市場消費(fèi)已密不可分。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展讓市場消費(fèi)需求逐步膨脹。反之，如果衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)止步不前，也最終會導(dǎo)致市場緊縮與萎靡。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已成為經(jīng)濟(jì)、娛樂、工業(yè)生產(chǎn)等各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展主流，社會對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)要求也越來越高。從通信行業(yè)長遠(yuǎn)發(fā)展的角度而言，社會消費(fèi)需求的膨脹既是一種全新的挑戰(zhàn)，也是網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星通信的一次發(fā)展機(jī)遇，只有跟隨時(shí)代發(fā)展的步伐，才能讓更多的消費(fèi)者受益于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息通信技術(shù)[4]。

3衛(wèi)星光通信網(wǎng)絡(luò)的多普勒影響分析

3.1單波長非相干光通信

在通過衛(wèi)星進(jìn)行的光通信過程中，半導(dǎo)體的光檢測器通常用于檢測光信號。由不同材料制成的光電探測器都可以對各種波長的光波做出反映，這是因?yàn)檎麄€(gè)宇宙中有眾多的擾動，假如不采取動作，大波長范圍之內(nèi)的太陽光和星光等宇宙景觀會刺激光探測器的光度計(jì)電流。強(qiáng)烈的背景噪音會降低系統(tǒng)的信噪比，更有可能完全切斷通信，所以目前這個(gè)問題急須解決。一般的方法是在接收端用光學(xué)器件在光電進(jìn)行檢測之前過濾窄帶信號，同時(shí)使信號光的波長得以通過，以過濾通信中該長度的大部分背景光，保證可以使得通信信噪比得到滿足。當(dāng)然，在保證通過的條件下，濾波器的通帶越窄，系統(tǒng)的信噪比就更好。但是，如果系統(tǒng)改變多普勒頻率，那么濾波器通帶不可以沒有限制的減小，通帶的波長一定要比多普勒效應(yīng)引起的峰值波長范圍要大，才可以確保信號能夠通過。與多普勒頻率不變的狀態(tài)進(jìn)行對比，這種效應(yīng)降低了接收端的信噪比，可能會引起接收靈敏度下降。所以，在離散單波長激光通信的狀況之下，當(dāng)兩顆通信衛(wèi)星間出現(xiàn)相對運(yùn)動時(shí)，首先要慎重考慮濾光片的傳輸范圍。另外，應(yīng)增加天線增益或發(fā)射功率，對接收靈敏度降低進(jìn)行補(bǔ)償[5]。

3.2多波長非相干光通信

針對非相干的多波長光通信，對于系統(tǒng)除了造成描述中的影響以外，還規(guī)定了關(guān)于幾個(gè)光載波間的距離和波長分離設(shè)備的傳輸特性的要求。光纖通信應(yīng)用極為寬廣的多波長系統(tǒng)是眾所周知的 DWDM（密集波分復(fù)用）。選擇此波長范圍時(shí)，特別要考慮如下因素：（1）光載波自身譜線的寬度，當(dāng)前用于通信的縱向單模半導(dǎo)體（SLMLD）激光器的譜寬可以小于4nm，但是和波長相比，也是不可以忽視的;（2）信號調(diào)制產(chǎn)生的光諧波放大在1550mm 波端，25Gbit/s 信號調(diào)制后的光載波頻譜比 Q02nm 寬。此外，內(nèi)部調(diào)制頻譜也可以實(shí)現(xiàn)某種程度的頻譜增益;（3）由于光源老化引起的波長發(fā)生偏移，如果相鄰信道的波長偏移太大，很明顯會導(dǎo)致信道間的干擾過大，并產(chǎn)生一些錯誤;（4）分波復(fù)用器隔離寬度;（5）光纖摻雜放大器具有很寬的增益譜，常見的放大器有效增益光譜在50nm 之內(nèi)，較小的波長范圍對于該光譜寬度內(nèi)對齊盡可能多的波長有幫助，可以提升系統(tǒng)的整體容量。在衛(wèi)星之間傳輸多個(gè)波長時(shí)，需要清楚地考慮上述大部分因素，還需要綜合深入考慮衛(wèi)星相對運(yùn)動引起的多普勒頻移?？梢灶A(yù)見，衛(wèi)星之間的波分復(fù)用通信需要選取更大的波長范圍。與此同時(shí)，傳輸范圍也應(yīng)增加，并在通道區(qū)域盡可能保持平坦。

3.3相干光通信

針對相干光通信，光接收機(jī)的接收端的等效輸入光功率是光信號功率和本振的光功率之間乘積平方根。所以，當(dāng)在功率較大的區(qū)域使用功率振蕩器時(shí)，系統(tǒng)可以容納10～25分貝的本地振蕩器，從而大大提高了接收靈敏度，這對于光遠(yuǎn)距離通信具有重要意義。

在光纖通信中，因?yàn)橥ㄟ^相干光通信保持所需偏振狀態(tài)的條件難以得到響應(yīng)，而 EDFA 能夠補(bǔ)償光功率的損失，所以相干光通信并未得到廣泛應(yīng)用。衛(wèi)星之間之所以采用激光通信，一是空間距離很大、功率損失很大，并且無法補(bǔ)償;二是在空間中傳播的光能夠保持一致的外觀，所以相干光通信具有很強(qiáng)的實(shí)用性。但是，如果改變多普勒的頻移，就會導(dǎo)致嚴(yán)峻的問題，一是本地提供本振光，此時(shí)本振波長固定、載波固定，光信號受頻移的影響進(jìn)而發(fā)生變化。當(dāng)本振可以隨著信號光載波頻率的變化時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信中的基本技術(shù)問題已得到解決，但同時(shí)需要調(diào)整本地激光振蕩器的頻率才能實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)信號的同步跟蹤。從技術(shù)執(zhí)行角度而言;三是本鎮(zhèn)光波發(fā)射端接收光波時(shí)出現(xiàn)問題，這時(shí)信號光和本振光出現(xiàn)了同樣的多普勒頻移現(xiàn)象，對應(yīng)的檢測輸出不受多普勒頻移的影響。但因?yàn)楸菊窆馐墙?jīng)歷了很長一段距離的傳輸，導(dǎo)致接受功率比較低，最后的結(jié)果就是只得到了極小的本振收益，沒有達(dá)到提升靈敏度的目標(biāo)。

總之，相干光通信雖然可以讓接收機(jī)檢測到本振，增大接收敏度度，但不適用于通信雙方衛(wèi)星因存在多普勒頻移而發(fā)生相對運(yùn)動的情況。但是，在 GEO 衛(wèi)星之間建立連接時(shí)，因?yàn)?GEO 衛(wèi)星間無相對運(yùn)動和距離，因此光信號范圍的傳播損失較大，此時(shí)光通信應(yīng)該具有較強(qiáng)的可用性。

4結(jié)束語

隨著社會的發(fā)展，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于社會生產(chǎn)生活的各個(gè)方面，對于諸多領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。多普勒效應(yīng)是因?yàn)樾l(wèi)星之間出現(xiàn)相對運(yùn)動導(dǎo)致的，這可能會致使信號提供者的頻率發(fā)生波動，在 ISL 中使用激光通信增加衛(wèi)星的有效載荷時(shí)，多普勒效應(yīng)對通信有一定的影響。本文對其展開了討論和評估，最后從結(jié)果可以看出，當(dāng) LEO 軌道間衛(wèi)星使用波長為1550nm 的激光產(chǎn)生 ISL 時(shí)，多普勒效應(yīng)會引起高達(dá)10個(gè)數(shù)量級的頻移。對于具有單一波長的離散激光通信，接收器的靈敏度會降低。對于具有多個(gè)波長的離散激光通信，本文提出了對通帶帶寬和器件載波波長范圍的需求，不可以直接使用地板解復(fù)用波分的 DWDM 規(guī)范。與此同時(shí)，本文還指出了多普勒效應(yīng)對不離散通信有嚴(yán)重影響，應(yīng)盡可能規(guī)避在相對運(yùn)動的衛(wèi)星之間使用不離散的光通信。

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作者簡介：

王璐（1983—），本科，工程師，研究方向：電子工程類（空情、雷達(dá)、衛(wèi)星等）。