激光链路对天地协同通信网络系统性能影响

李锐 马军 傅宁 张喆 曾令康

摘要    全球能源互联网是一个服务范围广、绿色低碳的全球能源配置平台。在全球能源互联网中，将不可避免地使用到卫星通信网与地面电力专网或地面光纤网的协同通信技术，而星地或卫星之间的激光通信链路作为卫星通信网中的重要组成部分，其信号传输质量会受到大气信道的严重影响。为保障天地协同通信网的通信质量，本文针对大气信道对激光链路的造成的影响进行了仿真研究，并对激光信号链路和微波信号链路的传输质量进行了对比。仿真结果将对基于激光链路的天地协同通信网络的建设提供参考建议。

【关键词】全球能源互联网 天地协同通信 激光链路 大气衰减 大气湍流

1 引言

国家电网公司提出的全球能源互联网是一个服务范围广、配置能力强、安全可靠性高、绿色低碳的全球能源配置平台。全球能源互联网将由跨国跨洲骨干网架和涵盖各国各电压等级电网的国家泛在智能电网构成，连接“一极一道”和各洲大型能源基地，适应多种分布式可再生能源接入需要。支撑全球能源互联的天地协同通信网是一个要求覆盖面广、实时性好、通信能力稳定的复杂网络体系，主要由空间段、地面段和用户段组成。地面电力通信专网具有安全性高和时延小的特点，但在北极和沙漠地区电力通信专网尚未覆盖，借助空间段卫星通信覆盖范围广的优势，将采用基于激光链路的卫星网和地面电力专网或光纤网进行协同通信。但在星地之间平流层以下传输的激光链路会不可避免地受到大气信道的影响。

近年来，国内外有很多研究单位和学者都对天地协同通信网络进行了研究。2013年，美国国家航空局（NASA）的Israel等人提出了基于延迟容忍（DTN）网络的GEO激光通信的继电器架构。2015年英国斯凯莱德大学的Mushet等人对于地球轨道上的自组织卫星星座自主任务分配的问题提出了一种新的解决方案，该方案可以让卫星在地球表面上的目标群上聚集。在国内，2014年，我国自主研发的北斗卫星导航系统研制工作取得重大进展，现已覆盖整个亚洲地区。多功能、多轨道覆盖卫星系统已经基本建立，其中包括遥感、导航和定位、网络通信、跟踪与数据中继等多种卫星组成的空间基础设施。

为了保障全球能源互联网天地协同通信网中星间激光通信与地面电力专网或地面光纤通信网的协同通信质量，本文重点仿真研究了大气信道将对天地协同通信网中激光链路造成的影响，并对激光链路和微波链路的传输质量进行了对比，仿真结果将对基于激光链路的天地协同通信网的建设提供参考建议。

2 基于激光链路的天地协同通信方案

全球能源互联天地协同通信网中存在着卫星网络与地面电力专网或地面光纤通信网协同通信的情况，其协同通信主要体现在两个方面：一方面是星地通信网络与地面电力专网的协同;另一方面则是星地协同，即卫星通信网与地面电力专网或光线网的协同通信。

本文设计了基于多层卫星网络的电力专网与星地通信网协同系统。如图1所示，该协同系统中主要包括多层卫星网络和地面电力专网。其中，多层卫星网络由GEO（Geosynchronous Earth Orbit，地球静止轨道）卫星和LEO（Low Earth Orbit，低轨）卫星组成，主要用于接收变电站发送来的数据，对数据进行业务分级，并根据数据优先级和网络拥塞情况，选择数据的传输路径，并将该数据发送给目的变电站。GEO卫星用于覆盖该卫星对地静止的区域并负责卫星网络的消息处理和转发;LEO卫星负责卫星网络的消息处理和转发。地面电力网中的变电站也具有对数据进行发送或传输，并为其选择合适传输路径的功能。

基于多层卫星网络的电力专网与星地通信网协同传输方案包含两种工作状态。变电站在地面电力专网状况良好时，通过地面通信;在地面电力专网故障时，造成无法传输电网业务的情况下，采用地面电力专网与北斗卫星系统协作的传输方式，根据地面电力专网的情况向卫星网络发送数据，通过卫星协同通信。因此，本文还设计了卫星网络与地面电力专网或光纤网的协同传输模式。地面电力通信专网具有安全性高和时延小的特点，但在北极和沙漠地区电力通信专网尚未覆盖，借助空间段卫星通信覆盖范围广的优势，可以实现基建现场视频等业务的有效传输。在全球能源互联网中，当卫星和电力专网同时覆盖变电站或终端时，在这种情况下，所有业务从地面段网络进行传输，卫星通信作为应急保障和备用通信通道。在地面电力专网或地面光纤网通信难以实施的情况下，将采用星地之间或卫星之间的激光链路进行通信。

如图2所示的天地协同通信系统中，以从A变电站向D变电站发送信息为例说明拟采用的卫星与地面电力专网的协同通信方案。当电力系统的地面专网状况良好时，从A变电站发送业务信息到D变电站的路线为A->B->C->D，整个传输过程均在地面电力专网中实现。

当地面的A变电站与D变电站之间的电力专网出现障碍甚至中断，造成无法传输电网业务的情况下，采用地面电力专网与卫星协作的传输方式，先由A通过星地之间的激光链路将信息发送到覆盖A变电站的卫星，通过星间激光链路中转到覆盖变电站B的卫星，最后再通过星地之间激光链路将消息传输到D，完成业务的传输。

当A站需要发送消息到卫星网络，而A与卫星之间的激光链路中断或者由于雨雪雷电等天气导致通信链路中断或传输误码率很大，无法正常传送业务信息时，因与A站相连的B变电站与卫星之间的链路状况良好，于是A通过光纤网络把消息发送到B，由B发送到卫星网络，完成A发送消息至卫星的任务。同样的，当卫星网络需要传输消息到D站而D与卫星之间的链路无法传输消息时，卫星先把消息传送到星地链路良好的C站，再由C站通过光纤传给D。

除此之外，在第二种工作状态中，地面电力专网和卫星网络协同通信时，多层卫星网络的卫星节点接收变电站发送的数据，将数据进行业务分级，按照优先级从高到底将业务分为图像业务（A）、流媒体业务（B）、数据业务（C）三类，优先级分别是高、中、低，同时数据备份若干份，并将备份的数据副本全部保存在卫星的缓存内。卫星节点检查自己的缓存，查看其中保存的数据副本的目的变电站节点，并通过该目的变电站节点确定数据星上传输的目的卫星节点。其他的卫星节点进入到保存有数据副本的卫星节点的通信范围内，卫星与卫星之间进行送达概率的更新，然后与相遇的卫星节点进行相应数据副本的送达概率比较。当相遇节点的送达概率较大时，节点将数据副本发送给相遇节点。此时，节点开始检测网络的拥塞情况，如果网络处于拥塞状况，则按照此时传输业务的优先级进行分类，优先发送高优先级业务，完成了高优先级的业务转发之后，再依次发送低优先级的业务。若节点本身的送达概率大于相遇节点的送达概率时，则节点继续保存数据副本，等待下一个卫星节点;数据副本到达下一个卫星节点后，接收节点检测自身的缓存占用情况，判断节点是否处于拥塞状态，如果节点处于拥塞状态，则节点检查自己缓存中保存的各个数据副本，根据缓存内各个数据副本的生存时间和业务优先级有选择地进行丢弃。将相应的数据副本丢弃之后，節点的拥塞状态得到缓解，接收到的消息副本进入节点缓存，接收到数据的卫星节点继续在网络中的星轨上运行，等待下一个卫星节点。

3 性能分析

为支撑全球能源互联网的大带宽业务接入和能源传输需求，鉴于激光链路在通信质量和硬件设备等方面的诸多优点，在天地协同通信网中现多考虑在星地之间或卫星之间采用激光链路。由于在大气信道中，激光信号通信质量易受大气衰减和大气湍流效应的影响，且大气信道对激光链路衰减的影响主要位于平流层以下，为保证基于激光链路的天地协同通信网的通信质量，本文重点研究了天地协同通信网中星地之间平流层以下大气信道对激光链路造成的影响，并对其进行了仿真。

本文首先针对大气衰减效应对天地协同通信网中激光链路的影响情况进行了仿真，在非常晴朗的天气状况下（能见度V=100km），仿真得到了不同波长的激光信号在大气信道传输不同距离后的大气透射率，结果如图3所示。由于平流层的下界（即对流层顶层的上界）距地表18km，仿真结果中分别画出了传输距离在平流层及以上、对流层顶层以及对流层的大气透射率，其中仿真选取的传输距离主要为平流层以下的高度。从图3中可以看出，选择使用波长为1550nm的激光进行通信，在传输距离为45km、18km、14km、10km时，其大气透射率分别约为1、0.87、0.90和0.93。由此可见，在平流层以下，所用激光波长和能见度一定时，传输距离越远，大气透射率越低;从另一角度看，若将激光传输距离设置为10km，波长分别为900nm、1300nm、1550nm的激光信号在通过大气信道之后的透射率分别约为0.84、0.91、0.93，由此可见，当激光传输距离和能见度一定时，激光的波长越短（即激光的频率越高），大气透射率越低。

本文针对天地协同通信网激光链路大气透射率随能见度的变化关系进行了仿真。仿真将激光信号的波长设定为1550nm，对激光信号通过能见度不同的各种天气条件下的大气信道之后的透射率进行了仿真，选择的能见度分别为50km、5km、8km、3km，分别对应于清朗、晴、轻霾、雾和霾四种天气状况，仿真结果如图4所示。由图可见，当所用激光波长和激光传输距离一定时，能见度越差，大气透射率越低且下降越快。

本文还针对大气湍流效应对天地协同通信网中的激光链路造成的影响情况进行了仿真，选取了强湍流，中等强度湍流和轻度湍流三种场景，仿真结果如图5所示。在图5中，光强在某个范围时，曲线和两个光强值以及横轴所围成的面积即为光强在此范围内的概率，求积分可知概率最大即最可能出现的光强值。由仿真结果可以看出，大气湍流效应对天地协同通信网络中激光链路在大气信道中的传输具有严重影响，强湍流乃至中等强度湍流已经会对激光链路造成严重的衰减。

本文还仿真对比了在恶劣天气条件下，天地协同通信网采用微波链路和激光链路传输信号的误码率和信噪比。仿真基于Ka频段，采用QPSK3/4的编码调制方式，天气状况设置为小雨。以基于Ka波段的微波链路达到目标误码率10-5的最小信噪比为21dB为例，仿真得到的切换至激光链路后的激光传输信噪比与误码率的关系曲线如图6所示。从图6中可以看出，切换至激光链路后，接收信号达到目标误码率10-5所需的最小信噪比约为19.2dB，小于微波链路所需的21dB。由此可知，即使在恶劣天气条件下，激光信号链路会受到大气信道的严重影响，但是相比于微波链路传输，天地协同通信网使用激光链路在传输质量上仍然更具优势。

4 结论

在全球能源互联网的背景下，采用卫星网络与地面电力专网或地面光纤网的天地协同通信是实现全球能源互联的必然选择，激光通信由于其通信质量和硬件设备方面的优点，未来也将被广泛作为星地之间及卫星之间的通信链路。但考虑到大气信道对激光通信链路的衰减影响，本文重点仿真研究了大气信道将对天地协同通信网中激光链路造成的影响。从本文仿真结果可知，大气信道会对天地协同通信网中星地之间平流层以下的激光通信链路造成严重干扰。若想提高全球能源互联网的业务接入和能源供应，还需一定的补偿方案。即便如此，仿真结果仍然表明，在恶劣天气条件下，天地协同通信网采用激光链路比微波链路在传输质量上更具优势。

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