星际交换技术：激光微波混合新突破

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：多年的实践说明激光星间链路可以解决传输问题，但也带来了另一个问题：节点的交换方面依然是电交换技术，而链路是光链路，它们之间不但需要O／E／O转换，而且存在着的巨大的速率差距，导致空间信息网络链路方面的优势不能得到很好的体现，因此星上光交换技术被提上日程，星上波长交换、星上光突发交换技术等成为空间信息网络方面的研究热点。

显著不同于地面信息网络，空间信息网络具有3个最突出的特征：网络结构时变、网络行为复杂和网络资源有限。因此，从链路和网络两方面的现状和特征约束下，如何实现空间异构信息在网络节点上的高效交换就成为空间信息组网的枢纽问题之一，这个问题进一步表现在3个方面：

（1）空间信息网络异构信息需要深度融合的混合交换：为何融合交换？

空间信息的特点：一是业务种类较多。从服务角度来看，业务种类包括中继业务、通信业务和测控业务；从应用角度来看，业务种类包括话音业务、数据业务、图像业务及视频业务。多种业务类型仅靠单一信息传输与分发技术难以支持。二是链路种类较多。各频段微波链路、激光链路等多种链路承载的信息之间难以通过单一处理技术完成相互交互。三是信息颗粒度不均衡。大颗粒度骨干信息／接入信息、中粒度汇聚信息、小粒度灵活接入信息，多粒度信息同时传输与分发难度大。四是大时空尺度下信息分布不均匀。在时间、区域两个维度上，信息呈稀疏分布，难以充分利用空间信息资源。因此空间信息网络只有实现了深度融合的混合交换，才能充分发挥其在时间和空间上众多独有的优势，为各类用户提供高效服务。

（2）空间信息网络异构信息深度融合的交换层面：在哪融合交换？

由前述可知，由于空间信息种类、颗粒度大小、传输链路以及分布均衡性差异巨大导致空间信息传输、处理与分发方式迥异：有些信息为提高灵活性和抗干扰性等需进行再生处理转发；有些信息因处理复杂度过高需地面处理；有些信息因时效性要求需实时转发；有些信息因传输难度大需小粒度化传输；有些信息因接入对象通信体制不同，需透明转发来屏蔽通信体制差异；有些信息因为星间链路数量有限，不同业务（如中继业务与测控业务）需复用传输、混合分发。传输、处理及分发的差异性（即行为复杂），导致空间信息网络信息交换层面的巨大差异，因此空间信息深度融合交换表现在同时有物理层（如微波射频链路级、激光链路级）、链路层、网络层以及跨层交换的需要。

（3）空间信息网络异构信息深度融合的交换实现方式：如何融合交换？

空间信息网络异构信息行为涉及信息汇聚、融合、分发、控制与管理，信息交换的层面在物理层、链路层、网络层均有可能出现。仅靠现有电路交换（如光交换、射频交换）或分组交换等单一交换方式及其简单组合形式，都无法适用于结构时变、行为复杂、资源紧张的空间信息网络。故对于空间信息深度融合的交换方式，首先从网络角度看待，是以任务要求、网络行为作为信息交换的策动，以空间网络节点作为信息交换的平台，以光／射频／分组混合交换作为网络信息交换的执行者。而此处深度融合混合交换的内涵是：空间骨干传输与灵活接入业务的混合、空间多粒度业务的分发与疏导、空间异质业务一体化管理与控制的实施。因此，作为一种面向空间异构网络的新型交换形式，光／射频／分组混合交换在跨层信息的统一表征、混合交换机制、混合交换方法、混合交换的控制与管理等方面亟待突破。

目前我国正处于空间信息网络发展进程的关键时期，通信卫星、中继卫星、遥感卫星、高分辨率对地观测系列卫星、北斗导航系列卫星、载人航天与深空探测等各类航天器系统都呈现出全域覆盖、网络扩展和协同应用的发展趋势，需要提升空间信息的时空连续支撑能力，解决高动态调节下空间信息的全天候、全区域快速响应，大范围覆盖以及异构数据流聚合、分发问题。综上所述，在混合链路、异构网络、异质业务条件下，各个节点信息的不同交换体制的融合就成为实现空间信息网络高效组网运行亟须解决的科学问题。

星上交换能有效提高时延性能、方便用户共享带宽、利于点到多点通信、使用灵活性高，因此星上交换是卫星通信技术发展的一个新方向。弯管式转发器是最早的星上交换设备，该设备对信号不进行深入处理，只完成频率转换、信号放大等功能，故该方式也称为透明式转发。但随着话音业务、互联网数据接入业务和多媒体业务的增多，人们对信息传输的时效性、频率的使用效率和数据传输速率都提出了更高的要求。人们选择了更复杂的星上ATM／IP基带交换技术解决以上问题，从而克服了时延、频谱使用效率、大容量信息的高速交换问题。以上技术都是以微波作为信息传输的载体。

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、抗干扰能力等方面存在的局限性使其难以满足未来空间信息网络向下要支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上要支持深空探测的超远程、大时延可靠传输的需求。从军事应用来看，随着空天信息化武器装备的高速发展，未来空天战场对天基信息支援需求将急剧增加，这对空间信息网的数据传输与分发能力必将提出更高的要求。若单纯依靠提升微波通信频段来提高传输速率，随着通信频段的提升、信道和天线波束数量的增加，必将导致空间平台有效载荷复杂性剧增。由此看来，面向未来空间信息高动态、宽带实时、可靠传输的需求，微波链路的能力局限问题将会越来越凸显。

方兴未艾的空间激光链路是另外一个选择。基于激光链路的空间光通信系统具有容量大、体积小、抗干扰能力强、保密性好等优势。多年的实践说明激光星间链路可以解决传输问题，但也带来了另一个问题：节点的交换方面依然是电交换技术，而链路是光链路，它们之间不但需要O／E／O转换，而且存在着的巨大的速率差距，导致空间信息网络链路方面的优势不能得到很好的体现，因此星上光交换技术被提上日程，星上波长交换、星上光突发交换技术等成为空间信息网络方面的研究热点。但是由于光器件和光逻辑技术发展不完善，目前光器件控制技术仍以电控为主，因此星上光交换技术还不能完全替代电交换技术。除此之外，由于电交换技术较为成熟，方便传输话音及小颗粒业务，因此星上电交换技术暂时不会完全退出，所以未来一段时间是星上混合交换技术阶段。

星际交换技术：激光微波混合新突破

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