衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)光電混合交換技術(shù)綜述

張振華，孫思月，劉高賽，王龍，姜興龍，董琳，梁廣

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)光電混合交換技術(shù)綜述

張振華，孫思月，劉高賽，王龍，姜興龍，董琳，梁廣

（中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 200120）

在激光鏈路與微波鏈路共存的空間環(huán)境下，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)光電混合交換的發(fā)展有助于推動空天地一體化的建設(shè)。針對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的特點與傳輸需求，對電域交換技術(shù)和光域交換技術(shù)的現(xiàn)狀進行調(diào)研和分析，總結(jié)現(xiàn)有交換技術(shù)在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建中的適用性。同時，根據(jù)分析結(jié)果，構(gòu)建星上的端到端網(wǎng)絡(luò)，并以此為基礎(chǔ)完成星上光電混合架構(gòu)的設(shè)計，主要包括接口、電域適配模塊、光域適配模塊、光電匯聚模塊、光交換模塊、分組交換模塊與管理控制模塊。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)；光電混合交換；端到端網(wǎng)絡(luò)

0 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)是基于衛(wèi)星的通信系統(tǒng)，通過人造衛(wèi)星對業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)提供處理、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)等服務(wù)，實現(xiàn)空、天、地、海的互聯(lián)互通。2020年，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被列入我國新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)重要發(fā)展范疇，這標(biāo)志著我國的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程被提上了議程。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)并不是一個新興事物，從Iridium的構(gòu)想到如今的Starlink，已有30多年。早期衛(wèi)星通信較多采用地球靜止軌道（geostationary earth orbit，GEO），使用單顆衛(wèi)星中繼數(shù)據(jù)。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，地面網(wǎng)絡(luò)無法滿足更高的信息傳輸需求，如對高速移動的飛機通信業(yè)務(wù)無法保證較高的通信質(zhì)量，在極地、沙漠、遠(yuǎn)洋等極端地區(qū)無法實現(xiàn)通信的覆蓋等。而較低的衛(wèi)星軌道具有低成本、低時延、大規(guī)模、帶寬化等優(yōu)點，不斷受到相關(guān)研究人員的關(guān)注[1]。如今，衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用的軌道越來越低，O3b采用中地球軌道（medium earth orbit，MEO），以二代Iridium、OneWeb、Starlink等為代表的星座采用低地球軌道（low earth orbit，LEO）。LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)引發(fā)全球的研發(fā)熱潮。

1 衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

在20世紀(jì)90年代，LEO衛(wèi)星通信就掀起了一次熱潮，其中以摩托羅拉公司的Iridium最為著名。由于當(dāng)時研制成本較高，加上地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的沖擊，Iridium項目最終破產(chǎn)。近幾年，隨著微小衛(wèi)星的研制和發(fā)射成本降低，發(fā)射LEO衛(wèi)星的優(yōu)勢愈加明顯。目前，全球部署衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的公司近30家，計劃發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量在10萬顆以上[2]。其中已有10多家衛(wèi)星公司提出非靜止軌道（non-geostationary orbit，NGSO）衛(wèi)星計劃，涉及衛(wèi)星規(guī)模達到8萬顆。主要衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座見表1。

表1 主要衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座

早期的衛(wèi)星通信主要使用透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，主要在地面站進行信息處理，因此星上對信息處理的能力十分有限。同時，將地面站作為轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點增加了通信時延，影響了傳輸質(zhì)量。而近年來伴隨著接入用戶數(shù)量的增多，信息的交互和共享越來越頻繁，透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式不能滿足國家通信發(fā)展的需求，因此需要研制和發(fā)展具有一定星上信息處理能力的衛(wèi)星，如多媒體衛(wèi)星。

當(dāng)前衛(wèi)星通信系統(tǒng)星間鏈路與星地鏈路主要采用微波鏈路，但微波鏈路受到頻率限制，造成傳輸速率、通信容量等瓶頸，難以滿足多種類業(yè)務(wù)的分發(fā)與傳輸需求[3]。近年來不斷發(fā)展的光通信技術(shù)為該問題提供了解決方案，星上激光鏈路具有容量大、設(shè)備體積小、抗干擾能力強等優(yōu)勢，可以彌補微波鏈路的不足，進行信息的有效傳輸。因此，發(fā)展空間激光通信是實現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的重要途徑。衛(wèi)星鏈路狀態(tài)見表2。

表2 衛(wèi)星鏈路狀態(tài)

衛(wèi)星在軌交換技術(shù)可以有效地降低衛(wèi)星系統(tǒng)對地面站的依賴，降低通信時延是星上信息處理的重要手段。當(dāng)前衛(wèi)星主要使用微波鏈路傳輸信息，因此星上的主要交換方式是電交換，但電交換存在電子瓶頸，導(dǎo)致通信的速率和容量提升十分困難，并且星上電交換器件的體積較大，提高了衛(wèi)星內(nèi)部設(shè)計的要求。與電交換相比，光交換器件的體積較小，同時具有傳輸容量大、信息保密性好等優(yōu)勢。因此對星上光交換的研究將會為未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)性能的提升打下基礎(chǔ)。業(yè)務(wù)模型將對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的交換體制做進一步約束。業(yè)務(wù)模型見表3。

表3 業(yè)務(wù)模型

當(dāng)前光交換的發(fā)展受到光器件等因素的制約，可用的光交換方式都難以靈活處理多種類、多粒度的星上業(yè)務(wù)，因此為了滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)需求，需要使用星上的光電混合交換。光電混合交換的應(yīng)用結(jié)合了光交換與電交換的優(yōu)勢，在需要處理信息傳輸次數(shù)較多而信息量較小的數(shù)據(jù)流時使用轉(zhuǎn)發(fā)靈活且技術(shù)成熟的電交換，在處理傳輸次數(shù)較少而信息量較多的數(shù)據(jù)流時采用大容量的光交換，這樣就能有效滿足空間中多種類、多粒度業(yè)務(wù)的高效傳輸需求。

2 交換技術(shù)研究現(xiàn)狀

2.1 基于OTN的電域交換技術(shù)

我國在向全光網(wǎng)絡(luò)方向轉(zhuǎn)型的過程中，從骨干網(wǎng)和傳輸網(wǎng)的光纖化到接入網(wǎng)的光纖化已經(jīng)逐漸完成，但是傳輸節(jié)點的信息處理依舊使用電交換，下一步對光交換節(jié)點的應(yīng)用將推進全光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

光傳送網(wǎng)（optical transport network，OTN）是以波分復(fù)用技術(shù)為基礎(chǔ)，在光層組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)。其標(biāo)準(zhǔn)制定于1998年開始啟動，在2000年之前，設(shè)計思路與同步數(shù)字體系（synchronous digital hierarchy，SDH）體制相同，以光網(wǎng)絡(luò)分層為基礎(chǔ)，分別從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點接口、物理層接口、網(wǎng)絡(luò)抖動性能等方面對OTN進行定義，主要標(biāo)準(zhǔn)在2003年基本完成。

OTN分為光層和電層兩層完成對業(yè)務(wù)的傳輸，如圖1所示，其中光層結(jié)構(gòu)主要作為信息的傳輸管道，完成光層調(diào)度，實現(xiàn)對光信號的交叉調(diào)度。其中完成光信號調(diào)度的核心單元是可重構(gòu)光分插復(fù)用器（reconfigurable optical add/drop multiplexer，ROADM）。ROADM單板接收光轉(zhuǎn)換單元（optical transport unit，OTU）的光信號后，創(chuàng)建內(nèi)部光交叉路徑，將信號輸出至指定的出口，每個出口對應(yīng)不同的線路。同時，各個子層和復(fù)用段之間加入了用于管理和監(jiān)控的幀頭，前向糾錯（forward error correction，F(xiàn)EC）編解碼技術(shù)的引入在一定程度上可以降低光信噪比，最終實現(xiàn)更好的容錯抗干擾。

圖1 OTN結(jié)構(gòu)

電層可以采用所有電層適配的承載方式，它繼承了SDH等傳輸體制的有效方面，在不同速率的光數(shù)據(jù)單元（optical data unit，ODU）幀結(jié)構(gòu)與光凈荷單元（optical payload unit，OPU）幀結(jié)構(gòu)層加入了開銷管理功能，使網(wǎng)絡(luò)具有故障監(jiān)測能力，并且電層提升了對更大業(yè)務(wù)粒度的透明傳輸能力，提高了帶寬的利用率。而其核心在于對電層的波長交換將傳統(tǒng)收發(fā)合一的OTU拆分成線路側(cè)與支路側(cè)，中間加入OTN單元完成交換，可以保證大粒度業(yè)務(wù)的傳輸，同時兼顧了電層傳輸?shù)撵`活性[4-5]。

但隨著信息化速度的不斷加快，近年各類視頻業(yè)務(wù)增長十分迅速，這類業(yè)務(wù)具有帶寬小、數(shù)量多的特點，因此要求簡單快捷地帶寬靈活調(diào)整，而傳統(tǒng)OTN技術(shù)已經(jīng)無法完成對此類業(yè)務(wù)的高效傳輸。光業(yè)務(wù)單元（optical service unit，OSU）技術(shù)應(yīng)運而生。2020年1月，國際電信聯(lián)盟電信標(biāo)準(zhǔn)化部門（ITU Telecommunications Standardization Sector，ITU-T）在日內(nèi)瓦全會通過了光業(yè)務(wù)單元通道層網(wǎng)絡(luò)（optical service unit path layer network）標(biāo)準(zhǔn)立項，開展OTN承載小顆粒業(yè)務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)研究。為了應(yīng)對新一代大容量通信網(wǎng)絡(luò)的不同粒度業(yè)務(wù)的靈活傳輸需求，國際上眾多相關(guān)機構(gòu)參與制定OSU標(biāo)準(zhǔn)。目前ITU-T完成了G.osu（optical service unit（OSU） path layer network）的立項。

基于OSU的交換本質(zhì)上是一種光層傳輸、電層交換的交換技術(shù)，OSU是OTN中用于支持Mbit/s量級速率業(yè)務(wù)的承載容器，其幀長為192 byte，幀結(jié)構(gòu)包括開銷區(qū)和凈荷區(qū)。與傳統(tǒng)OTN技術(shù)采用 5 層逐級映射封裝相比，OSU只需要3層就可以有效降低封裝業(yè)務(wù)時延。低速率業(yè)務(wù)、分組業(yè)務(wù)通過電層適配到OSUFlex，而后通過ODU/OTU/OTUC逐級封裝完成傳輸，有效提高了業(yè)務(wù)傳輸?shù)撵`活性，可以提供各種細(xì)化的帶寬粒度，具有更強的可擴展性。

2.2 光交換技術(shù)

目前光交換技術(shù)主要分為光路交換（optical circuit switching，OCS）、光突發(fā)交換（optical burst switching，OBS）和光分組交換（optical packet switching，OPS）。其中光路交換研究得最多，相對成熟；光分組交換繼承了傳統(tǒng)電域分組交換的特點；而光突發(fā)交換更接近前兩者性能的折中方案。

（1）光路交換

光路交換作為技術(shù)較為成熟的光交換技術(shù)，繼承了傳統(tǒng)電路交換的特性，業(yè)務(wù)的傳輸與交換需要經(jīng)過電路的建鏈過程，從源端到目的端，每個鏈路需要分配專業(yè)波長。交換過程中如果需要建立鏈路，必須要有雙向的帶寬申請，完成請求與應(yīng)答的過程。一旦鏈路建立，只有建鏈的雙方能進行信息傳輸。拆除鏈路后才能進行資源釋放。因此，雖然光路交換的傳輸管道可以高速率、大容量地進行信息傳輸，但是無法滿足當(dāng)前多數(shù)類似于視頻業(yè)務(wù)的多次數(shù)、少傳輸容量的業(yè)務(wù)類型需求。目前交換節(jié)點中的光路交換使用波分復(fù)用技術(shù)，采用波長交換的方式，通過光交叉連接（optical cross-connect，OXC）設(shè)備、光分插復(fù)用器（optical add/drop multiplexer，OADM）等光器件設(shè)置光通路，中間節(jié)點不需要使用光緩存，鏈路的建立采用電路交換的建鏈方式。

（2）光突發(fā)交換

光突發(fā)交換技術(shù)是一種控制包先進入光交換節(jié)點，數(shù)據(jù)包跟隨控制包進行轉(zhuǎn)發(fā)的交換技術(shù)。光突發(fā)包（optical burst，OB）是光突發(fā)交換技術(shù)的交換單元，它包括突發(fā)數(shù)據(jù)包（burst data packet，BDP）和突發(fā)控制包（burst control packet，BCP）兩部分。BDP對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)重新封裝打包，封裝依據(jù)包括目的地址、服務(wù)質(zhì)量（quality of service，QoS）需求等屬性。BCP包含BDP的路由信息及其長度、偏置時間、優(yōu)先級、服務(wù)質(zhì)量等信息，BCP與對應(yīng)的BDP分別在不同的光信道中傳輸，且比BDP提前一個偏置時延。提前一個可以在沒有光緩存和光同步的情況下，預(yù)留BDP所需資源，使得BDP到達節(jié)點之前，相應(yīng)的光路徑已經(jīng)建立，從而保證BDP的交換和傳輸[6-8]。

BCP與BDP信道劃分如圖2所示。在OBS過程中，需要在BCP與BDP之間設(shè)置一個偏置時延，偏置時延的設(shè)置可以保證在任意一個BDP到達之前BCP已經(jīng)預(yù)留了相應(yīng)的資源，這樣的設(shè)計可以避免在單向的預(yù)留過程中對交換技術(shù)的緩沖[9]。但是一旦網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)阻塞，丟包率會增大，不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可能導(dǎo)致阻塞的發(fā)生，即使有光延遲線也難以保證傳輸質(zhì)量，因此對阻塞處理策略的研究十分關(guān)鍵[10]。

圖2 BCP與BDP信道劃分

光突發(fā)交換的交換粒度為幾個IP到幾百個IP，因此可以降低控制開銷；BDP與BCP在物理信道上的分開傳輸可以使交換節(jié)點在BCP到達后對BDP進行資源預(yù)留，因此BDP可以直接傳輸而不用經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換的過程，從而實現(xiàn)高寬帶業(yè)務(wù)的有效傳輸。但是當(dāng)業(yè)務(wù)傳輸?shù)念l次較高時，擁塞和沖突將導(dǎo)致OBS無法高可靠地完成業(yè)務(wù)傳輸，這對于具有高可靠性要求的業(yè)務(wù)傳輸來說是無法接受的[11-13]。

光突發(fā)交換是在1997年提出的一種新的光交換技術(shù)，主要作為光路交換到光分組交換的過渡技術(shù)。1999年，Qiao等[14]對OBS的各項技術(shù)進行了介紹，并對基于恰量時間（just enough time，JET）協(xié)議的OBS協(xié)議性能進行了評估[14]。2000年，Verma等[15]提出一種將OBS應(yīng)用于太比特IP骨干網(wǎng)的可行解決方案，提供了一個使用OBS在波分復(fù)用（wavelength division multiplexing，WDM）上部署IP的框架。OBS的主要技術(shù)研究集中在21世紀(jì)初，現(xiàn)在已經(jīng)較為成熟，因此現(xiàn)有對OBS技術(shù)的研究主要集中于對突發(fā)包頭的分析和研究以及對現(xiàn)有技術(shù)的優(yōu)化。

（3）光分組交換

傳統(tǒng)分組交換采用存儲?轉(zhuǎn)發(fā)的方式，從源節(jié)點發(fā)送的報文以固定的格式進行分組，在分組頭中加入目的節(jié)點的地址，使用虛電路的方式傳輸，在傳輸過程中網(wǎng)絡(luò)中的交換機會暫時存儲接收到的分組報文，通過分組中目的節(jié)點的信息在網(wǎng)絡(luò)中尋找空閑的交換路徑完成報文的傳輸。分組交換原理如圖3所示。這大大提高了線路的利用率。光分組交換是基于光信號傳輸?shù)姆纸M技術(shù)，它繼承了電域分組交換的特點。相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，光分組交換網(wǎng)絡(luò)資源利用率高，對突發(fā)數(shù)據(jù)和信息的適應(yīng)能力強。光分組交換技術(shù)的功能包括處理光分組、識別信頭、同步光分組、解決光分組沖突、控制網(wǎng)絡(luò)流量、光分組路由、交換波長等[9-10]。

光分組交換的性能優(yōu)于光突發(fā)交換和光路交換，但是其目前主要受限于光學(xué)器件，尤其是尚未成熟的光緩存器件，因此光分組交換的應(yīng)用受到制約。2021年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的Ma等[16]提出了在原子頻率梳存儲器中存儲1 h相干光。2020年，Chen等[17]提出了一種采用分組緩沖結(jié)構(gòu)中的頻譜幅值編碼的光碼分多址信號。2016年，Liu等[18]提出了一種基于主動微環(huán)諧振腔自脈動實現(xiàn)數(shù)據(jù)恢復(fù)的波長可調(diào)光緩存器。

3 星上交換技術(shù)

當(dāng)前的星上鏈路形式主要是微波鏈路，并有少量激光鏈路，而激光鏈路是未來主要發(fā)展的鏈路形式，因此未來星上的主要方向是微波鏈路與激光鏈路共存。但對于星上使用何種交換技術(shù)，目前還在試驗階段。

3.1 基于OSU的星上交換技術(shù)

OSU作為光傳送網(wǎng)的技術(shù)拓展，在地面可以完成小粒度業(yè)務(wù)的高效傳輸，具有較高的技術(shù)成熟度，相應(yīng)的器件也較為完善。但在傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)中，完成端到端通信的過程較為復(fù)雜。首先用戶終端將信息發(fā)送到接入網(wǎng)，然后在接入網(wǎng)通過無線電接入網(wǎng)IP化（IP radio access network，IPRAN）等方式將信息發(fā)送到核心網(wǎng)，其中主要由光纖通道完成大容量信息的傳輸，最后通過IP承載的核心網(wǎng)處理信息并轉(zhuǎn)發(fā)[19-20]。作為承載大流量、遠(yuǎn)距離業(yè)務(wù)的技術(shù)，OTN只能算作地面網(wǎng)絡(luò)中的一部分，而星上網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要包含整個地面架構(gòu)的內(nèi)容與功能。星上網(wǎng)絡(luò)并沒有劃分接入網(wǎng)、承載網(wǎng)與核心網(wǎng)，業(yè)務(wù)上傳到星上后需要新的選路與交換方式完成傳輸，因此在星上使用OSU技術(shù)時需要考慮核心網(wǎng)與接入網(wǎng)的功能設(shè)計。

圖3 分組交換原理

OSU技術(shù)在本質(zhì)上屬于光層傳輸、電層交換的交換技術(shù)，而光交換技術(shù)的應(yīng)用前景與效率都高于電域交換技術(shù)。在光層，OSU需要提前建立通道才能實現(xiàn)端到端通信，而星上業(yè)務(wù)種類多樣，需要靈活的網(wǎng)絡(luò)帶寬才能完成高效傳輸，OSU的管道切換在專線業(yè)務(wù)上存在優(yōu)勢，但難以有效應(yīng)對大量的用戶終端靈活接入的業(yè)務(wù)場景。同時在管道建立、拆除的時延和帶寬利用率方面，OSU與光層交換相比也存在劣勢。

綜上，OTN背景下的OSU技術(shù)由于在地面的應(yīng)用較為成熟、有可以使用的成熟器件，其在星上應(yīng)用層面更加可靠。但是未來光域交換具有更好的發(fā)展前景。

3.2 星上光交換

（1）OCS

OCS技術(shù)更適合作為大容量的業(yè)務(wù)傳輸管道，在大粒度、時延不敏感的星上業(yè)務(wù)傳輸方面，繼承自傳統(tǒng)電路交換的OCS技術(shù)有很大優(yōu)勢；另外，對于星上的一些專線業(yè)務(wù)，也可以使用OCS技術(shù)完成，單獨分配信道資源完成高可靠傳輸。但是在處理小粒度、時延敏感的業(yè)務(wù)時，OCS技術(shù)很難靈活高效地完成傳輸。

（2）OBS

OBS技術(shù)對光緩存器件的需求較低，并且轉(zhuǎn)發(fā)過程采用單向預(yù)留也縮減了轉(zhuǎn)發(fā)流程，在工程實現(xiàn)層面并不困難，因此在地面已經(jīng)實現(xiàn)一定規(guī)模的商用。目前在星上使用該技術(shù)還需要聚焦在光延遲線與光交換矩陣方面。前文說到OBS需要進行抗阻塞的設(shè)計，而光延遲線的設(shè)計將影響整個星上網(wǎng)絡(luò)的性能；光交換矩陣是OBS系統(tǒng)的核心器件，會直接影響交換網(wǎng)絡(luò)的性能，目前提出的光突發(fā)交換矩陣的典型結(jié)構(gòu)包括基于空間光開關(guān)矩陣的光突發(fā)交換結(jié)構(gòu)和基于陣列波導(dǎo)光柵（array waveguide grating，AWG）的光突發(fā)交換結(jié)構(gòu)。

OBS技術(shù)的突發(fā)包粒度適中，可以在一定程度上滿足多次數(shù)小粒度業(yè)務(wù)（如視頻業(yè)務(wù)）的星上業(yè)務(wù)傳輸；同時OBS對信道資源的利用率較高，不像傳統(tǒng)的電路交換形式需要完成建鏈過程并且獨占信道資源。在時延方面，OBS的時延主要產(chǎn)生于BCP在各節(jié)點處的處理和交換時延，各節(jié)點只需要對BCP進行光電光的轉(zhuǎn)換，而不需要對BDP進行解析處理。

表4 交換技術(shù)對比

綜上，OBS技術(shù)在星上的工程實現(xiàn)層面具有一定基礎(chǔ)，但不如OTN成熟。OBS技術(shù)適用于星上的業(yè)務(wù)傳輸場景，有較高的帶寬利用率，但需要制定合理的抗阻塞策略。

（3）OPS

繼承自電域分組交換形式的OPS技術(shù)因其高效靈活的信息傳輸能力完全可以承擔(dān)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的相應(yīng)業(yè)務(wù)。但是OPS技術(shù)的一個主要難點在于沒有高效的光緩存器件。地面網(wǎng)絡(luò)中的電交換技術(shù)可以實現(xiàn)電緩存、復(fù)制電路塊交換、隨讀隨取等功能，但是在光網(wǎng)絡(luò)中，目前只能通過光延遲線來實現(xiàn)短暫緩存，在理想條件下，通過改變晶格結(jié)構(gòu)和增加微環(huán)諧振腔，緩存時間可以達到1 h，緩存速率可以達到1 Gbit/s[21-22]。但是使用光延遲線進行光緩存無法有效地解決緩存競爭這類突發(fā)情況，這是因為這種光緩存技術(shù)無法保證滿足交換過程中的時延差要求。當(dāng)前光緩存的存儲能力無法滿足節(jié)點設(shè)備的要求，因此很難在星上網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

當(dāng)前星上光緩存技術(shù)的使用將引入額外的噪聲，因此對放大器的性能要求更加嚴(yán)格，目前基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的光信號數(shù)量龐大，需要高功率的光纖放大器來支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信號傳輸，并且需要額外的器件來保證光傳輸過程中光信號的信噪比，這將進一步引入額外的功耗，提高額外的器件投資成本。同時，提高光緩存的性能會產(chǎn)生信號干擾，其干擾源包括強控制脈沖產(chǎn)生的相干噪聲、動態(tài)解耦序列引入的額外光子噪聲以及慢光效應(yīng)帶來的熱噪聲與色散等。當(dāng)接收光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于接收靈敏度時，信號可能已經(jīng)淹沒在噪聲中，這會導(dǎo)致光信號的失真。

綜上，由于光緩存器件的發(fā)展并不成熟，想完成光緩存過程只能使用光延遲線，因此OPS技術(shù)雖然在理論層面比OBS與OCS技術(shù)更加高效、更加靈活、更加適合作為光網(wǎng)絡(luò)的交換技術(shù)，但是由于物理層器件不成熟，當(dāng)前OPS技術(shù)很難有效地應(yīng)用于星上網(wǎng)絡(luò)。

交換技術(shù)對比見表4。現(xiàn)階段對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)可以工程化實現(xiàn)的技術(shù)，電域可以使用OSU技術(shù)，但隨著通信容量的增加會遇到電子瓶頸；而光域中目前有能力實現(xiàn)工程化的是OBS技術(shù)，其具有較好的星上適用性。在光緩存器件發(fā)展成熟后，OPS技術(shù)將更加適用于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的組網(wǎng)業(yè)務(wù)。

4 星上光電混合架構(gòu)設(shè)計

在微波鏈路與激光鏈路并存，并且相當(dāng)長一段時間內(nèi)激光鏈路無法取代微波鏈路情況下，光電混合交換的設(shè)計更加符合未來的發(fā)展趨勢。星上端到端網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 星上端到端網(wǎng)絡(luò)

地面上的用戶可以通過信關(guān)站接入和自身終端直接接入兩種方式接入星上網(wǎng)絡(luò)，對于信關(guān)站可以覆蓋的終端，可以先將業(yè)務(wù)匯聚到信關(guān)站再傳到星上，好處是可以對傳輸信息進行高效的管控，保證信息傳輸?shù)陌踩?。在信關(guān)站無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地段，包括遠(yuǎn)洋貨輪、飛機等，也可以直接接入星上網(wǎng)絡(luò)。目前，覆蓋用戶的衛(wèi)星將作為接入衛(wèi)星，若其從信關(guān)站上傳業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)也可作為饋電衛(wèi)星，其通過微波鏈路將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳到星上后，對于小粒度、時延敏感的業(yè)務(wù)，通過光電混合交換在各個中繼衛(wèi)星間使用激光鏈路傳輸，而傳統(tǒng)使用微波傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)則可以繼續(xù)使用原有的微波鏈路，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇梢愿采w目的地址的饋電衛(wèi)星，在饋電衛(wèi)星上再次完成光電混合交換后將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為電信號傳給用戶終端或者信關(guān)站，從而完成一次端到端傳輸。

現(xiàn)階段衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建目標(biāo)瞄準(zhǔn)LEO衛(wèi)星，因此，很多數(shù)據(jù)傳輸類業(yè)務(wù)選擇建立在LEO；由于LEO衛(wèi)星較容易地獲得高分辨率圖像或其他數(shù)據(jù)，LEO衛(wèi)星還可用于測控。其中空間到核心網(wǎng)的高速匯聚業(yè)務(wù)場景包括通用航空飛機聯(lián)網(wǎng)娛樂、援救?醫(yī)療?警務(wù)航空聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、遠(yuǎn)洋船舶寬帶通信、極地科考通信、陸地應(yīng)急指揮通信等，此類業(yè)務(wù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型包括信令、會話類語音、會話類視頻、非會話類視頻等。測控類業(yè)務(wù)包括遙控、遙測業(yè)務(wù)。遙測主要用于集中檢測分散的或難以接近的被測對象，如被測對象距離遙遠(yuǎn)、所處環(huán)境惡劣或處于高速運動狀態(tài)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)除了要滿足最基本的數(shù)據(jù)傳輸和測控需求，還需要具有對網(wǎng)絡(luò)本身的管理和保障功能。

圖5 光電混合交換架構(gòu)

綜上所述，對光電混合架構(gòu)的設(shè)計需要支持各種業(yè)務(wù)類型，同時也需要加入相應(yīng)的管理功能，如果有必要，也可以考慮相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)安全措施。

光電混合交換架構(gòu)如圖5所示，是基于業(yè)務(wù)類型的設(shè)計，其中外部包括高速電信接口與光纖接口，可以同時構(gòu)建激光鏈路與微波鏈路；電域適配模塊完成對用戶側(cè)接入的監(jiān)視與控制、分組交換包的組合與拆分、傳輸控制等；分組交換模塊的功能包括呼叫處理、流量控制、路由選擇、系統(tǒng)配置與管理等；光電匯聚模塊主要完成光電的匯聚與解匯聚，包括光電轉(zhuǎn)換與電光轉(zhuǎn)換；管理控制模塊完成數(shù)據(jù)包分類、生成與配置轉(zhuǎn)發(fā)表等；光交換模塊包含光開關(guān)以及協(xié)議處理；光域適配模塊主要完成收發(fā)光信號的適配工作，具體包括數(shù)據(jù)生成與拆解、數(shù)據(jù)隊列控制。

大顆粒度的業(yè)務(wù)速率一般為Mbit/s量級，可以使用激光鏈路傳輸，如果中繼衛(wèi)星不需要參與信息處理，則數(shù)據(jù)包在進入光交換模塊后反向進入適配模塊直接轉(zhuǎn)發(fā)，到需要處理的階段進行光電轉(zhuǎn)換后進入電分組交換；中等粒度的業(yè)務(wù)可以直接使用成熟的電分組交換，可以靈活地轉(zhuǎn)發(fā)相應(yīng)業(yè)務(wù)，同時也具有較高的可靠性；而小粒度的業(yè)務(wù)速率大概在kbit/s量級，發(fā)送端往往是地面的用戶或者小的測控設(shè)備，可以將這些粒度的業(yè)務(wù)匯聚到相應(yīng)的地面站打包成較大粒度的業(yè)務(wù)后發(fā)送，這樣做的好處是可以節(jié)約星上的開銷，并且能有效地提高星上網(wǎng)絡(luò)的安全性。

5 結(jié)束語

交換技術(shù)是構(gòu)建衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。本文首先對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的星上交換需求進行了梳理和分析，并對當(dāng)前主流的交換技術(shù)進行了調(diào)研分析，總結(jié)了各交換技術(shù)在星上應(yīng)用的優(yōu)勢與劣勢。其中電域交換作為發(fā)展成熟的交換技術(shù)，在傳輸體制和交換設(shè)備上都十分完善，在應(yīng)用層面更容易實現(xiàn)；而能夠克服電子瓶頸的光域交換的性能更加優(yōu)越，是面向未來的交換技術(shù)，但由于器件和體制的發(fā)展不夠完善，因此目前在星上的實現(xiàn)難度較高。同時針對交換技術(shù)、星上鏈路形式和星上業(yè)務(wù)的現(xiàn)狀，提出可以兼容光域與電域信息交換的星上光電混合交換架構(gòu)，在未來光信號業(yè)務(wù)與電信號業(yè)務(wù)長期共存的背景下，光電混合交換會有更廣闊的應(yīng)用場景，其中光電混合交換在單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的傳輸協(xié)議設(shè)計、交換技術(shù)選擇、多波長激光終端設(shè)計以及器件小型化設(shè)計方面都有重要的研究意義。

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A survey of optical/electric hybrid switching technology for satellite Internet

ZHANG Zhenhua, SUN Siyue, LIU Gaosai, WANG Long, JIANG Xinglong, DONG Lin, LIANG Guang

Innovation Academy for Microsatellites of Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200120, China

In the space environment where laser links and microwave links coexist, the development of satellite Internet optical/electric hybrid switching will help promoting the construction of air-space-ground integration. According to the characteristics and transmission requirements of satellite Internet services, the current status of electrical domain switching technology and optical domain switching technology were investigated and analyzed, and the applicability of existing switching technologies in the construction of satellite Internet was summarized. At the same time, according to the analysis results, the end-to-end network on the satellite was constructed, and based on this, the design of the optical/electric hybrid switching architecture on the satellite was completed. It mainly included the interface, electrical domain adaptation module, optical domain adaptation module, optical/electric convergence module, optical switching module, packet switching module and management control module.

satellite Internet, optical/electric hybrid switching, end-to-end network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022284

2022–03–09；

2022–11–08

中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會資助項目（No. 2020294）；上海產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新項目（No. 2021-CYXT2-KJ03）

The Project of Youth Innovation Promotion Association CAS (No. 2020294), Shanghai Industrial Collaborative Innovation Project (No. 2021-CYXT2-KJ03)

張振華（1997– ），男，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院博士生，主要研究方向為衛(wèi)星通信、星上交換技術(shù)。

孫思月（1985– ），女，博士，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員、碩士生導(dǎo)師，技術(shù)研發(fā)中心副主任，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會會員。2016年入選上海市青年科技英才揚帆計劃，2021年入選中國科學(xué)院上海分院青年英才培育計劃。

劉高賽（1995– ），男，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院博士生，主要研究方向為衛(wèi)星通信、5G/6G與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)。

王龍（1989– ），男，博士，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院助理研究員，主要研究方向為微小衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)與應(yīng)用。

姜興龍（1984– ），男，博士，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院副研究員、技術(shù)研發(fā)中心通信室副主任，主持多項衛(wèi)星通信系統(tǒng)、星座架構(gòu)設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、運控與應(yīng)用以及激光通信等相關(guān)課題。

董琳（1986– ），女，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院工程師，主要研究方向為衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)交換。

梁廣（1983– ），男，博士，中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研究員，中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進會優(yōu)秀會員，入選上海市青年拔尖人才，獲得上海市科技進步獎二等獎、中國科學(xué)院杰出科技成就獎。