空间光网络技术 课件【ch01】概论

空间光网络技术概论第一章通信与导航专业系列教材01基本概念和内涵基本概念和内涵01空间信息网络基本构成空间信息网络是以空间平台〈如同步卫星或中低轨道卫星、平流层气球和有人或无人机等）为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统，其基本构成如图1-1所示。图1-1空间信息网络基本构成基本概念和内涵01空间信息网络最突出的三个特征内容1.网络结构时变：指拓扑结构动态变化，网络节点及业务稀疏分布，业务类型和链路性质呈现异构属性，网络业务传输与控制需要在大时空区域内完成。2.网络行为复杂：表现为服务对象差异巨大，业务汇聚、疏导与协同呈现异质属性，基于任务驱动实现功能的可伸缩和网络的可重构。3.网络资源受限：为轨道和频率等空间资源有限，空间数据链路和平台承载等能力有限。02组成和结构组成和结构02空间信息网络纵向／横向分层结构空间信息网络是以多种轨道航天器为网络节点，以微波、激光为主要传输手段，具有全球化覆盖能力，网络化信息获取、存储、处理、分发能力，智能化运行管理能力，标准化体系规范的空间基础设施。图1-2空间信息网络纵向／横向分层结构组成和结构02空间信息网络纵向分层结构按节点物理位置分1.空间骨干网：由布设在同步轨道的若干空间骨干节点联网组成，空间骨干节点具备宽带接、数据中继、路由交换、信息存储、处理融合等功能。2.空间接入网：白布设在中低轨道的若干天基接入节点组成，满足陆、海、空多层次海量用户的各种网络接入服务需求，包括语音、数据、宽带、多媒体等业务。3.地面网络：由多个地面互连的地基骨干节点组成，地基骨干节点由信关站、网络运维管理、信息处理、信息存储及应用服务等功能组成。组成和结构02空间信息网络纵向分层结构—空间段空间段是整个空间信息网络传输和交换的核心，不同的设计方案不仅决定了整个系统的复杂度，而且对系统的整体造价和运行管理费用有极大的影响。根据设计构想，空间段由卫星节点组成，其所完成的主要功能如下。GEO卫星相对地面静止，覆盖范围大，GEO卫星间通过星间链路组成环路，构成一个常态化空间通信网络，保障地面终端、低空飞行器和低轨航天器通信服务需求。根据任务需要，既可视情况增加发射其他类型的卫星（如IGSO卫星、LEO卫星等〉，改善高纬度地区和极地区时空覆盖，又可作为快速响应通信节点的应用。组成和结构02空间信息网络纵向分层结构—运控段运控段的主要任务是维持各类空间平台的正常、可靠运行，为用户提供业务支持，满足各类用户的使用需求。网络控制分系统应用管理分系统遥测遥控站（TT&C）信关站主要任务组成组成和结构02空间信息网络纵向分层结构—用户段用户段包含满足各类用户使用需求的所用类型用户终端。地面及低空用户终端。其包含各类手持终端、便携站、固定站、车载站、舰载站、潜艇站、无人或有人机等。低轨航天器。其包括各类对地观测卫星、导航卫星、导弹、火箭等。中低轨航天器覆盖范围较小，对地移动速度快，难以直接与信关站建立稳定的通信链路。而空间信息网络中的GEO卫星平台与各类航天器关系良好，中低轨航天器能以GEO卫星平台为中继，实现宽带实时的数据传输。03空间信息网络组网方式空间信息网络组网方式03不同任务对应的空间信息网络层次化设计参数参照OSI层次化网络设计的原则,不同任务对应的空间信息网络层次化设计参数如表1-1所示。P、D、N、T、A分别代表物理层、数据链路层、网络层、传输层及应用层，着色的模块代表该类型任务涉及的OSI层次在设计要素、组网方式上要重点考虑。表1-1不同任务对应的空间信息网络层次化设计参数空间信息网络组网方式03天地一体化网络的结构分类天星地网1天基网络2天网地网3按组网方式分表1-2不同网络结构的比较空间信息网络组网方式03天星地网天星地网是目前普遍采用的一种网络结构，包括INMARSAT、Intelsat、WGS等系统,其特点是卫星之间不组网，而通过全球分布的地面网络实现整个系统的全球服务能力。在这种网络结构中，卫星只是透明转发通道，大部分处理都在地面完成，所以星上设备比较简单技术复杂度低,系统可维护性好。天网地网天网地网介于上述两种网络结构之间，以TSAT计划为典型，其特点是天基网络和地面空间网络相互配合，共同构成天地一体化网络。在这种网络结构下，天基网络利用其高远广的优势实现全球覆盖，地面网络无须全球分布，可以在地面完成大部分的网络管理和控制功能,简化整个系统的技术复杂度。空间信息网络组网方式03天基网络天基网络是另一种网络结构，典型的系统有Iridium、AEHF等，其特点是采用星间组网的方式构成独立的天基网络，整个系统可以不依赖地面网络独立运行。这种网络结构弱化了对地面网络的要求，把处理、交换、网络控制等功能都放在星上完成，提高了系统的抗毁能力，但也造成了星上设备的复杂化，导致系统的建设成本较高。通过调研分析，我们发现这种单纯的天基网络从商业上来说并不算成功，主要基于军事上对网络极端抗毁性的需求。内容04国外研究进展国外研究进展04不同任务对应的空间信息网络层次化设计参数为了充分获取和利用保障作战的各种信息资源，以美国为首的世界各军事强国均在天基信息系统的开发和建设上投入了大量的人力和物力。表1-3给出了美军天基信息系统建设现状，从侦察与监视、通信卫星、导航卫星等领域的典型系统来看，形成了较完整的天基信息作战保障体系。表1-3美军天基信息系统建设现状国外研究进展04转型卫星通信系统2002年，美国政府设立了TCA项目，该项目能够提供前所未有的传输容量、可访问性、可靠性、抗干扰、防截获等通信服务，使得美国全球作战人员可以通过信息网络实现互联。国外研究进展04转型卫星通信系统是TCA项目的第一步也是关键一步，它是以激光技术为基础的、保密的下一代宽带天基信息系统，图1-5给出了TSAT系统且成示意图。国外研究进展04Alpha星计划内容Alpha星（AlphaSAT)计划是由欧洲航天局和国际海事卫星公司联合推出的，该计划包括发射一颗运行轨迹在东经25°上的中继卫星，主要面向欧、非、亚洲的用户，为其提供数据转发服务。在该计划中，提出了将激光链路组网应用到中继卫星中的概念。与半导体星间激光链路试验计划类似，由对地观测卫星监测得到的地面数据通过激光链路传输到中继卫星，而中继卫星再运用Ka频段微波链路将监测数据传回地面。国外研究进展04欧洲数据中继卫星系统（EDRS）欧洲航天局在2009年2月17日正式启动了“欧洲数据中继卫星系统”(EDRS),EDRS提供了一个快速、可靠、无缝的通信网络，按需、实时从卫星处获取信息，这将成为首个商业运营的、向地面提供服务的数据中继卫星系统。未来，所有配备EDRS的对地观测卫星都能更快速地传送数据，并进行更长时间的传送。EDRS概念构想如图1-6所示。国外研究进展04欧洲数据中继卫星系统（EDRS）内容EDRS一期系统的空间段包括两个地球静止轨道节点，分别是EDRS-A载荷和EDRS-C卫星。EDRS-A载荷搭载在“欧洲通信卫星”9B上，定点在东经9°,于2016年1月3日发射升空。计划2017年发射的EDRS-C卫星定点在东经31°。上述两颗卫星可覆盖欧洲、中东、非洲、北美洲、拉丁美洲、亚洲部分区域。国外研究进展04下一代中继卫星系统欧洲航日本对中继卫星的发展十分重视。2002年9月10日，日本成功发射了由日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)研制的DRTS-W试验中继卫星。通过运行试验发现，该中继卫星可以在时间延时较少的情况下对接收的超过99%的地面监测数据进行传输。下一步，为了满足大容量卫星数据通信的需要，日本提出利用基于星间激光链路的中继卫星来发展空间网络系统的规划如图1-9所示。国外研究进展04下一代LEO卫星通信系统(NeLS)NeLS结构如图1-10所示，空间段由120颗LEO卫星组成，具有星载ATM交换能力，星间采用激光链路，星地之间利用多波束天线、可变速率用户链路调制技术和卫星数字波束整形天线技术，图1-11是NeLS终端实物。国外研究进展04全球互联网星座为了提供全球互联网无缝接入服务，在传统天基互联网计划，如Teledesic和Skybirdge的基础上，OneWeb、SpaceX、Samsung和LEOSAT等多家企业拟打造新兴卫星互联网星座。其特点是由大规模低轨卫星星座组成(通常是成百上千个),主要提供全球宽带互联网接入服务，即具有互联网传输功能的巨型通信卫星星座。目前计划建设的全球互联网星座如表1-11所示。国外研究进展04宽带多媒体卫星通信系统全球宽带多媒体卫星通信系统及其主要性能指标如表1-12所示，包括AmerHis、WINDS、INMARSAT5等。05国内研究进展国内研究进展05全球国内空间信息网络的基本概念和内涵如表1-13所示，主要包括6种网络，每种网络的侧重点不一样。国内研究进展05整个网络可分为主干网、子网(包括星座和编队子网、近距离无线子网、多址或单址独立节点)和接入网络(包括空间接入网和地面接入网)。我国天地一体化航天互联网体系结构如图1-13所示。国内研究进展05主干网主干网负责用户航天器与地面之间应用数据及测控信息的传输与分发，主要由我国地面数据接收网、空间目标监视网、天文观测网、航天测控网、业务测控网和中继卫星系统(包括地球轨道中继卫星和行星轨道中继卫星)构成。由统一的运行管理中心管理，并设置高效统一的数据服务系统，为不同用户服务。国内研究进展05子网分类●独立节点。独立节点分为单址和多址两种。单址指一个航天器只有一个网络地址，这类节点通常直接与主干网连接，目前大多数卫星属于此类。●星座子网和编队子网。星座子网和编队子网是指有星间链路的星座或卫星编队互连后构成的局域网。无星间链路的星座或卫星编队的卫星不构成子网，每颗卫星为独立节点。●近距离无线网络。近距离无线网络是指由若干近距离航天器通过无线手段通信构成的网络。主干网只与执行该任务的一个或少数航天器之间建立链路。国内研究进展05接入网接入网是指连接主干网和子网的节点设备(包括天线、收发设备)构成的网络，分为地面接入网和空间接入网。基于以上划分，目前数据网和测控网中的不同设备单元将分属主干网和接入网。其中，射频部分及基带属于接入网；计算机信息系统及其后端属于主干网。国内研究进展05“一带一路”空间信息走廊将主要实现以下三大目标①天观地测，运筹帷幄。结合亚太空间合作组织多任务小卫星星座的建设，辅以地基观测与信息采集手段，建设面向“一带一路”的国际化遥感信息服务网络，提供覆盖“一带一路”战略决策的数据保障与咨询服务。②西进东拓，经略子午。拓展卫星通信节点，保障我国在“一带一路”通信干路传输和遥感信息的境外传输；建设覆盖“一带一路”沿线国家和地区的移动通信能力和手段，形成覆盖“一带一路”不间断的信息服务能力。③借力北斗，精耕细作。基于“一带一路”遥感信息获取能力和通信传输能力，结合导航定位与信息融合应用，积极推广北斗应用国际化。06发展趋势发展趋势06空间信息网络的两个发展趋势内容空间信息网络链路由单一微波向微波/光混合发展从技术特点来看，以微波链路为主的空间信息网络基本满足现有通信、导航、遥感和测控任务的需求，但从长远来看，受微波频率的限制，空间平台在处理速率、通信容量、抗干扰能力