基于波分复用的卫星光通信网络多普勒影响研究

摘要：卫星通信技术近年来获得了良好的发展，随着经济水平不断提升，其重要程度也愈發明显。卫星通信技术不仅应用于军事与应急通信领域，在工业生产等行业也被广泛应用。应用卫星光通信技术增强通信能力是增加卫星载荷效率的有效途径，但是卫星运行引发的多普勒效应有一定概率对卫星间的激光通信造成不利影响。文章对光通信中多普勒频移对波分复用卫星的相对运动的影响展开分析，重点分析了多普勒频率变化的幅度。

关键词：多普勒;卫星光;通信网络;波分复用

中图法分类号：TN929文献标识码：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

多普勒效应最早由奥地利数学家、物理学家多普勒于1842年提出。他认为，物体的辐射频率以及波长会随着观察者和光源的运动而改变。包含光波在内的所有波动现象均有多普勒效应，当前很多研究者的研究重点集中于计算卫星间光通信链路多普勒频率变化的方法之上，当使用极地轨道时，卫星间的光载波的波长会发生一系列变化[1]。这是因为光通信的波长可与云和大气雾的粒径相媲美，光通信在卫星链路中的使用受到严格限制，但是在卫星间的连接中则不存在这样的问题。如今，建立光通信网络的方法已成为许多国家的重点研究对象，两颗通信卫星的相对运动都极有可能引起多普勒效应。在普通的卫星通信中，通常可使用锁相环来跟踪多普勒频率的变化，但在光通信网络中，这很困难，不需要类似的解决方案去解决。本文研究了多普勒效应对卫星间光通信的影响，并提出了相关建议。

1概述

1.1卫星网络通信技术

简单而言，卫星通信技术是利用人造卫星来转发电波的一种通信手段。在整个卫星网络通信的过程中，以卫星为中间站，实现各个用户之间的信息传递。整个卫星网络通信系统由三部分组成，即地面端、空间端以及用户端。地面端包括网络控制中心、卫星控制中心、信息通信中心，所有地面端操作设备保证了网络通信的畅通，并将移动终端接入核心网络;空间端是指卫星转发无线电波，完成各类通信信号空间传输;用户端根据使用情况分为机载用户、舰船用户、手持用户等。卫星网络通信能够实现全球信息传输，但其缺点也显而易见，如在信息通信过程中出现延时、通信信号传输质量差。目前，卫星通信不仅在军事上得到了广泛应用，在各个工业生产领域及百姓生活也普遍应用，尤其是5G 时代的到来，以5G 为主的相关科技为卫星网络通信提供了更大的发展空间，也让卫星定位功能在移动通信上得到广泛应用，实现了导航、定位、测速测距，让每个终端用户获得了良好的使用体验[2]。

1.2多普勒效应

光通信网络的多普勒效应只被观察者和波源的相对运动轨迹所影响，有基于相对论的电子学表明，当观察者和波源之间发生相对运动的时候，洛伦兹变换获得可以得出光波的多普勒频移量。假设波源在波源的运动方向上运动，但传播轨迹和波源的夹角是θ，此时就可以通过“Lorentz”进行转换。

1.3多普勒频移

如今，移动卫星通信服务让“全球通”得到了落实和实现。通过卫星实现移动通信的方式有很多种，如低轨道（ LEO ）卫星、中轨道（ MEO ）和静止轨道（GEO）卫星。为保证全球信号的连续覆盖，移动卫星通信系统需要合理利用不同的卫星（如 Irilim 系统就利用了六十六颗卫星）来创建星座。当然，把卫星连接起来创建一个移动通信体系，便形成了 ISL 系统。通信的终端个人通信和宽带化日益增长的需求将使得 ISL 从微波技术转向更大容量的波分复用卫星光通信技术或者激光技术。在此，我们将量化不同情况下的多普勒频率变化，以及对 ISL 的可能影响。

2我国卫星网络通信的发展现状

2.1宽带多媒体领域

近年来，卫星通信技术的发展让网络宽带多媒体逐步走向成熟，网络多媒体作为信息技术的重要组成部分，实现了服务与技术的融合，网络多媒体技术离不开卫星通信技术的支持，二者相辅相成，卫星网络通信、量能指标与传输效率决定最终用户端的多媒体技术实践与发展，并且随着卫星网络通信的不断提升，多媒体技术整体也得到了明显改善，更好地服务于工业生产，满足了用户更高的网络通信要求[3]。

2.2卫星电视直播领域

随着我国经济的发展及社会生活的需要，卫星网络通信技术已经被引入电视直播领域，并且很早就进入了快速发展通道，相关网络直播设备（如数字电视、卫星电视等）也得到了快速发展，已经普遍走进了大众的娱乐生活。良性的网络通信技术发展刺激了市场需求，并且以各类赛事及综艺直播活动为载体的内容被现场直播给广大受众，用户也越来越接受网络直播类信息通信内容，且根据大数据统计，满意度呈上升趋势。从某种意义而言，卫星通信已是当前网络电视发展的主流方向，也是未来卫星通信的主要内容。

2.3快速增长的消费需求

从社会服务属性角度而言，卫星通信技术已为公益事业服务发展注入了新的动力，尤其是近年来卫星通信服务呈上升趋势，卫星通信与当前的市场消费已密不可分。卫星网络通信技术的发展让市场消费需求逐步膨胀。反之，如果卫星网络通信技术止步不前，也最终会导致市场紧缩与萎靡。卫星网络通信技术已成为经济、娱乐、工业生产等各个领域的发展主流，社会对卫星网络通信技术要求也越来越高。从通信行业长远发展的角度而言，社会消费需求的膨胀既是一种全新的挑战，也是网络卫星通信的一次发展机遇，只有跟随时代发展的步伐，才能让更多的消费者受益于卫星网络信息通信技术[4]。

3卫星光通信网络的多普勒影响分析

3.1单波长非相干光通信

在通过卫星进行的光通信过程中，半导体的光检测器通常用于检测光信号。由不同材料制成的光电探测器都可以对各种波长的光波做出反映，这是因为整个宇宙中有众多的扰动，假如不采取动作，大波长范围之内的太阳光和星光等宇宙景观会刺激光探测器的光度计电流。强烈的背景噪音会降低系统的信噪比，更有可能完全切断通信，所以目前这个问题急须解决。一般的方法是在接收端用光学器件在光电进行检测之前过滤窄带信号，同时使信号光的波长得以通过，以过滤通信中该长度的大部分背景光，保证可以使得通信信噪比得到满足。当然，在保证通过的条件下，滤波器的通带越窄，系统的信噪比就更好。但是，如果系统改变多普勒频率，那么滤波器通带不可以没有限制的减小，通带的波长一定要比多普勒效应引起的峰值波长范围要大，才可以确保信号能够通过。与多普勒频率不变的状态进行对比，这种效应降低了接收端的信噪比，可能会引起接收灵敏度下降。所以，在离散单波长激光通信的狀况之下，当两颗通信卫星间出现相对运动时，首先要慎重考虑滤光片的传输范围。另外，应增加天线增益或发射功率，对接收灵敏度降低进行补偿[5]。

3.2多波长非相干光通信

针对非相干的多波长光通信，对于系统除了造成描述中的影响以外，还规定了关于几个光载波间的距离和波长分离设备的传输特性的要求。光纤通信应用极为宽广的多波长系统是众所周知的 DWDM（密集波分复用）。选择此波长范围时，特别要考虑如下因素：（1）光载波自身谱线的宽度，当前用于通信的纵向单模半导体（SLMLD）激光器的谱宽可以小于4nm，但是和波长相比，也是不可以忽视的;（2）信号调制产生的光谐波放大在1550mm 波端，25Gbit/s 信号调制后的光载波频谱比 Q02nm 宽。此外，内部调制频谱也可以实现某种程度的频谱增益;（3）由于光源老化引起的波长发生偏移，如果相邻信道的波长偏移太大，很明显会导致信道间的干扰过大，并产生一些错误;（4）分波复用器隔离宽度;（5）光纤掺杂放大器具有很宽的增益谱，常见的放大器有效增益光谱在50nm 之内，较小的波长范围对于该光谱宽度内对齐尽可能多的波长有帮助，可以提升系统的整体容量。在卫星之间传输多个波长时，需要清楚地考虑上述大部分因素，还需要综合深入考虑卫星相对运动引起的多普勒频移。可以预见，卫星之间的波分复用通信需要选取更大的波长范围。与此同时，传输范围也应增加，并在通道区域尽可能保持平坦。

3.3相干光通信

针对相干光通信，光接收机的接收端的等效输入光功率是光信号功率和本振的光功率之间乘积平方根。所以，当在功率较大的区域使用功率振荡器时，系统可以容纳10～25分贝的本地振荡器，从而大大提高了接收灵敏度，这对于光远距离通信具有重要意义。

在光纤通信中，因为通过相干光通信保持所需偏振状态的条件难以得到响应，而 EDFA 能够补偿光功率的损失，所以相干光通信并未得到广泛应用。卫星之间之所以采用激光通信，一是空间距离很大、功率损失很大，并且无法补偿;二是在空间中传播的光能够保持一致的外观，所以相干光通信具有很强的实用性。但是，如果改变多普勒的频移，就会导致严峻的问题，一是本地提供本振光，此时本振波长固定、载波固定，光信号受频移的影响进而发生变化。当本振可以随着信号光载波频率的变化时，卫星网络通信中的基本技术问题已得到解决，但同时需要调整本地激光振荡器的频率才能实现对网络信号的同步跟踪。从技术执行角度而言;三是本镇光波发射端接收光波时出现问题，这时信号光和本振光出现了同样的多普勒频移现象，对应的检测输出不受多普勒频移的影响。但因为本振光是经历了很长一段距离的传输，导致接受功率比较低，最后的结果就是只得到了极小的本振收益，没有达到提升灵敏度的目标。

总之，相干光通信虽然可以让接收机检测到本振，增大接收敏度度，但不适用于通信双方卫星因存在多普勒频移而发生相对运动的情况。但是，在 GEO 卫星之间建立连接时，因为 GEO 卫星间无相对运动和距离，因此光信号范围的传播损失较大，此时光通信应该具有较强的可用性。

4结束语

随着社会的发展，卫星网络通信技术已经应用于社会生产生活的各个方面，对于诸多领域的发展具有重要作用。多普勒效应是因为卫星之间出现相对运动导致的，这可能会致使信号提供者的频率发生波动，在 ISL 中使用激光通信增加卫星的有效载荷时，多普勒效应对通信有一定的影响。本文对其展开了讨论和评估，最后从结果可以看出，当 LEO 轨道间卫星使用波长为1550nm 的激光产生 ISL 时，多普勒效应会引起高达10个数量级的频移。对于具有单一波长的离散激光通信，接收器的灵敏度会降低。对于具有多个波长的离散激光通信，本文提出了对通带带宽和器件载波波长范围的需求，不可以直接使用地板解复用波分的 DWDM 规范。与此同时，本文还指出了多普勒效应对不离散通信有严重影响，应尽可能规避在相对运动的卫星之间使用不离散的光通信。

参考文献：

[1]周剑明，黄杉.基于5G 技术的卫星通信上行信道自动估计系统[J].自动化技术与应用，2022，41（3）：85?90.

[2]多孟龙.卫星通信视频传输技术之我见[J].数字技术与应用，2022，40（3）：29?31.

[3]李科新，尤力，高西奇.基于大规模 MIMO 的低轨卫星通信系统[J].天地一体化信息网络，2022，3（1）：2?8.

[4]陈鹏，吴成杰，朱俊清，等.卫星通信系统中功率控制的设计分析[J].数字通信世界，2022（3）：66?68.

[5]柴瀛.海洋物联网中的卫星通信[ J].物联网技术，2022，12（3）：28?30.

作者简介：

王璐（1983—），本科，工程师，研究方向：电子工程类（空情、雷达、卫星等）。