面向卫星互联网的星载光交换技术

摘要

伴随卫星遥测系统、大数据超级计算中心、视频战场等新型信息化设施的快速发展与需求不断攀升，在激光作为一种信息传输载体替代传统微波通信模式的趋势下, 卫星通信技术的技术创新成为必然选择,这一趋势不仅能够有效解决微波通信带宽受限及频谱资源紧张问题,更能推动相关领域技术发展。未来目标是构建覆盖全球范围的卫星互联网系统,相较于地面光纤网络具备显著的优势和独特功能（如大覆盖率、低时延、人口稀少地区服务保障及无地理障碍等）。就星载设备而言, 光交换技术作为核心支撑环节,其性能直接影响着后续系统的整体效能表现。为此, 首先梳理激光通信驱动下的卫星互联网发展脉络,深入分析针对该领域应用而设计的星载光交换技术和设备体系架构,重点从分类标准、技术和模式等方面进行深入研究与对比分析,最终提出若干可行的技术方案作为参考依据。其次, 从光交换关键器件特性出发,结合实际应用需求展开深入研究与方案优化设计,以期为下一代代卫星互联网技术研发积累宝贵经验。

关键词： 卫星互联网 ; 星载光交换 ; 核心光电器件

0 引言

注

通过独立于地面网络的架构设计，实现了天地一体化 coverage下的卫星互联网系统建设[5]。该系统能够支持波束间的信息交互功能，在设计上重点聚焦于星载交换技术这一核心技术体系。在星载交换系统中，以网状业务体系为核心功能的业务模式得以实施，在这种架构下，所有用户间的通信均在单-hop范围内运行。基于当前条件下，在非静止轨道（Non-GeoStationary Orbit, NGSO）星座规划中，并未引入地面中继设施即可完成对全球范围内的天基组网部署。考虑到当前条件下海外信关站建设面临的制约因素，在卫星互联网系统的技术架构设计中充分体现了星载交换技术的重要性。

目前星载交换技术主要包含电交换和光交换两种方式。星上电交换方式面临着难以达到"电子速率"的技术瓶颈，在这一背景下难以适应当前以空间激光通信链路为基础的超高速卫星互联网的发展需求。由于其无需任何光电转换过程的特点，在不改变输入端光信号的情况下实现任意端口间的直接传输输出，则能够显著提升星上激光数据交流的速度与容量，并大幅降低了网络建设成本的同时也显著提高了网络运行的可靠性和灵活性以及安全性[6]。

1 卫星激光通信技术发展脉络

1.1 基于激光通信的空间光网络

卫星激光通信技术是利用激光作为信息载体，在大气空间及星际空间实现信息传输的技术。

除了NASA之外, 欧洲航天局(ESA)与加拿大及其他20个国家共同启动了全光化空间信息网络的研究项目(High Throughput Optical Network, HyDRON), 这一举措彻底改变了传统的星上通信方式. HyDRON的目标是将空间光传输网络无缝集成到现有的地面大规模网络基础设施中, 形成所谓的"空中光纤". 从当前卫星通信系统的状况来看, 光通信技术的潜在能力尚未得到充分发挥, 光电/电光转换环节中的带宽限制导致了一个显著的速度瓶颈, 这使得Tbit/s级别的传输速度难以实现. 在HyDRON方案中, 通过设计的"全光有效载荷", 卫星间在Tbit/s体制下实现了互联互通功能, 这一创新性设计为"空中光纤"奠定了基础. 该演示系统由HyDRON DM1与DM2两套全光载荷(其中DM1用于地球同步轨道(GEO), DM2用于低地球轨道(LEO))、光学地面站以及网络控制中心组成, 实现了超过100 Gbit/s的双向星间通信能力. 配备超大型全光交换系统后, 该方案为未来的完全光纤化空地连接提供了重要支撑[9][10].

综观全球卫星激光通信网络的发展态势可以看出 美国的发展呈现出阶梯性与体系化的特征 从LCRD项目的启动到2025年LOCNESS中继节点的部署 逐步构建了一个以地球为中心 连接近地轨道 高轨 卫星及L2点的大规模激光通信网络 这一系统旨在补充现有的跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）的功能 与此同时 欧洲在卫星激光通信组网技术和深空激光通信规划方面已取得较为成熟的发展成果 随着EDRS-D项目的成功实施 欧洲将在2025年前实现首个实用型卫星激光通信中继网络的全球覆盖 同时 欧洲正积极推进HyDRON计划 计划打造一个覆盖全球范围的全光激光通信网络 这些项目如美国的LOCNESS和欧洲的HyDRON均具备高效的星载光交换载荷技术 为构建高效的空间光网络奠定了坚实基础

1.2 具有激光链路的低轨通信星座

典型的Lunar satellite internet星座由低地球轨道（Low Earth Orbit, LEO）卫星网络构成，在距地高度500至2 000公里之间运行，并具有约1.6小时的运行周期。单一LEO卫星虽然具备有限的覆盖能力但通过部署成百上千颗低轨微纳卫量体可有效弥补其局限性从而使整体系统的通信时延得到优化信号质量得到提升并最终目标是实现全球通信网络的无缝覆盖[11]。
随着新型多媒体技术的发展对数据传输速率的需求持续增长这对现有的卫星通信系统提出了更高要求即要求其必须与现有的地面通信网络协同工作以确保达到预期的整体覆盖效果[12-13]。
不言而喻作为下一代无线通信体系的重要组成部分Lunar satellite互联网系统正吸引越来越多的关注其中最具代表性的就是TelesatStarlink等先进项目正在积极投入实际应用中。

Telesat星座采用V频段技术，在全球范围内部署了多达117颗低地球轨道（LEO）卫星以构建空间网络系统。这些卫星平均高度介于约一千一百一十至一千二百四十八公里之间，并保持传输延迟维持在三十至五十毫秒水平，并引用了相关研究数据[十四-十五]。位于同一轨道面或相邻面以及跨轨道组的邻近面上运行的不同卫星将借助激光星间链路技术实现信息传递与数据同步[十六]。

SpaceX宣布将通过分阶段的方式完成Starlink星座系统。该系统将分为两个部分实施：首先计划利用Ku与Ka频段发射4,425颗低地球轨道（LEO）卫星，并将其安排在高度设定为1,110至1,325公里之间；随后计划发射7,518颗LEO卫星，并指定其运行于更低的高度——仅340公里处；于2018年二月份，在猎鹰9号火箭的帮助下完成首次星舰任务测试任务，在这一过程中成功运送了两枚星舰卫星入轨；这些小型设备配备了激光通信装置，在提供高容量信息传输服务方面展现出显著能力——每颗星舰卫星的最大传输速率可达约每月二十亿比特/秒水平

在信息爆炸的时代背景下，在线数据交换的需求呈现出快速增长的趋势，在此背景下研究开发出了新型的卫星激光通信技术。作为低轨星座体系中的代表性案例，在Telesat星座系统和星链星座系统中都配备了专门用于实现激光通信的技术设备，在未来的太空数据传输领域中发挥着关键作用。这些配置不仅能够满足大容量、高速度、高安全性的传输要求，并且对于提升整个低轨卫星互联网的整体性能发挥着关键作用。

我国卫星激光通信技术起步较晚，在相关研究领域主要集中在对星间"点对点"激光通信技术的验证阶段。该技术目前的最大传输速率仅为5 Gbit/s。星上交换体制仍采用电交换方式，在提高交换容量和优化数据处理时延方面仍有提升空间。这种局限性直接影响着空间节点在海量数据处理、资源分配、信息转发以及数据交互过程中的整体效能。鉴于此，发展大容量低时延的星载光交换技术已成为当前亟待突破的技术瓶颈。

2 星载光交换技术

传统的电交换主要有电路交换和分组交换两种主要类型[21]。其中电路交换又可分为时分切换（TDS）和空分切换（SDS）等几种方式。与之相比，在基于电子数字信号处理技术实现的数据传输中，电切换方案具有一定的特点：其一是操作效率较高；其二是设备成本较低；然而也存在一些局限性：即其能耗相对较高且会导致信号传输过程中的串扰现象较为明显[22]。相比之下，则展现了显著的优势：其切换频率极高、传输距离极远且能耗相对较低；同时有效降低了网络资源占用量、提升了系统的整体可靠性和灵活性[22]。

2.1 光交换技术体制

基于不同的交换粒度划分方式，在现有技术中主要实现了三种基本的Optical Switching方式：即Optical Circuit Switching（OCS）、Optical Burst Switching（OBS）以及Optical Packet Switching（OPS）。

（1）OCS技术

如图1所示，在图示部分详细阐述了OCS技术的工作原理及其实现机制。该技术基于...模型，在网络层面上实现了对数据流量的有效管理与优化[17, 18, 19]。具体而言，在网络节点间的数据转发过程中采用了分层架构设计，在物理层与数据链路层之间实现了信息的高效传递与同步协调[20, 21, 22]。该方案通过构建层次化的转发机制实现了对大规模分布式系统的支持能力提升，并通过引入动态路由选择算法实现了网络性能的最大化优化[34]$

表****1****光交换和电交换的优劣势比较

交换方式	优势	劣势
电交换	以电子数字信号处理技术为基础的交换方式，交换数据粒度可以非常小，直接提供用户使用	交换容量要受到电子元器件工作速度的限制，功耗大，系统串扰严重
光交换	拥有极宽的带宽，是电交换的几百倍，运行速度快，模拟信号与数字信号传输均可进行光交换；光交换的体积、功耗要远小于电交换	光缓存技术不成熟，无法进行光域存储转发交换

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图1

图****1OCS****原理

（2）OBS技术

基于OBS技术将数据组织成burst packets（图2所示），每个burst packet由control packet与data packet构成。data packet具备相同的属性（如IP分组字段、以太网帧字段与中继帧字段等）。每个data packet都对应一个control packet（参见文献[31]），其中包含了与传输相关的关键信息包括突发数据长度、偏移时间、生存时间、波长以及路由参数等信息。基于OBS的技术架构设计存在核心挑战——在实现资源保留功能时需要权衡效率与灵活度之间的关系。典型采用的双向资源保留方案是call signaling protocol（参见文献[32]），然而这种组织方式会导致较大的延迟问题（参见文献[33]）。基于OBS的技术架构设计存在核心挑战——在实现资源保留功能时需要权衡效率与灵活度之间的关系. 采用burst packet的方式能够满足高吞吐量的数据传输需求及低延迟的小命令传输需求；然而这种组织方式会导致较大的延迟问题.

（3）OPS技术

如图3所示，OPS技术属于光包交换领域，并采用更细粒度的光分组作为交换单元[34]。虽然遵循电域存储转发原则[34]这一规定性做法，在光域中实现了类似的技术架构——即所谓的"电分组交换在光域中的实现"模式[34]。该技术体系具有容量大[35-36]、交换灵活[35-36]等特点，并支持速率与格式透明传输；其粒度细且高度可配置；资源利用率也较高[35-36]。将OPS技术与波分复用（WDM）结合应用后，在理论上实现了网络交换容量与传输容量的有效匹配[35-36]这一目标已逐步成为下一代光网络实时处理的重要支撑技术[35-36]

图2

图****2OBS****原理

图3

图****3OPS****原理

从多个维度分析交换粒度（交换 granularity）、信号传输延迟特性（signal transmission delay）以及通信链路利用率（communication link utilization rate）等参数对比情况，请参阅表2[37]。据此可知，在处理大量传输数据且传递所需的时间远超过建立连接所需的时间时，则更适合采用OCS；而当通信路径由多业务类型与细粒度通信链路共同构成时，则更适合采用OBS或OPS两种技术方案。相较于传统的地面光纤网络系统，在空间立体光网络系统中面临更加严峻的技术挑战：该系统具有异构性（heterogeneity）、自组织性（autonomous organization）以及动态变化性（dynamic characteristics）等显著特点，在流量分配（traffic allocation）、负载均衡（load balancing）、协议优化（protocol optimization）、功率控制（power control）、资源管理和资源分配等多个关键领域都会面临诸多限制条件。此外，在Darwin与Xeus项目中所研发的无阻塞光交换载波设计成功验证了星上光交换技术的可行性[38]。从卫星激光通信网络的角度来看：GEO轨道节点主要面向多种业务类型提供高可靠性快速接入服务；该类节点能够实现透明转发大颗粒业务数据；而LEO轨道节点则负责将用户终端或其他空基平台接入的数据流量整合成小颗粒业务数据；在处理突发性强的数据流量时，则应采用BTS体制；基于对突发性业务流量动态变化特征的实时感知与响应能力要求；当处理低延迟需求的大容量光层数据时，则更适合采用OPS体制

表****2****不同光交换方式的参数对比

参数	光电路交换	光突发交换	光分组交换
交换颗粒度	最大（链路、信道）	大（突发包）	小（分组包）
交换时间	ms量级	ms量级	μs量级
连接需求	面向连接	面向连接	面向非连接
资源预约	资源预留机制；含光路建立、保持和释放	需要预约端口、波长等资源	无须预约
临时接入灵活性	不灵活	不灵活	灵活
链路资源利用率	极低，带宽资源浪费严重	低	高
核心要求	先建立链路再传输	信令网	光缓存

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2.2 光放大中继

在光网络系统中，由于传输链路的多跳特性导致光信号传输质量受到影响，在这种情况下不仅会引发功率衰减还会降低信噪比水平。因此相应的，在交换节点处也需要对光信号进行相应的放大中继处理以维持信号质量。具体而言如图4所示[38]：光纤输出端面后经过一段空间距离传播到达交换节点处之后所接收到的混合信号不仅包含了原始发射端的信息内容还包含了来自传播过程中引入的各种噪声影响因素包括但不限于背景辐射ASE噪声以及拍频域内的各种干扰分量等。随后在交换节点内部则会采用掺铒光纤放大器（EDFA）来完成对光信号幅度的有效提升并通过带通滤波器来实现对于带外干扰成分的有效抑制最终将增强后的电信号重新发送至后续路径继续传递下去的过程中接收端部分则通过光电探测器将检测到的光信号转换为电信号并经由后续电路完成数据恢复工作这一完整的"单跳"放大增益系统能够有效保证接收侧输出数据的质量并且其输出的数据完整性不仅包含原始信息内容还会伴随有来自多种干扰源的影响而形成一系列复杂的噪声成分其中一部分主要来自于背景辐射另一部分则来源于自放大器产生的ASE噪声以及其他拍频域内的各种高频干扰分量[39-40]

2.3 光再生中继

该种技术可在光域直接提升光信号的质量水平。它通过使输入与输出信号的幅度或相位发生突变式的非线性转换来实现对信号噪声的有效抑制。全光再生系统则主要包括再放大、再整形及再定时功能模块[41-42]。在全光通信领域内应用的3R再生技术目前处于快速发展阶段（如图5所示）。由于光学器件性能持续优化，在光纤通信系统中已经发挥着越来越重要的作用。具体而言，全光3R再生系统可划分为三个功能单元：全光放大模块、时钟提取模块以及判决处理模块[43-44]。

2.4 基于“波长地址路由”的星载光交换创新方案

本文创新性地提出了一种基于光波长地址路由的星载光交换技术方案。该方案通过将光信号的波长作为用户地址信号的身份标识，并结合特定的光学变换机制，在接收端完成同时的传输与识别功能。具体而言，在设计原理部分（如图6所示），该技术可分三步骤实施：第一步进行波长远分配；第二步执行波长变换操作；第三步完成发送与接收环节。在设计过程中需满足以下关键要求：首先实现数据格式透明传输特性以支持任意幅度和相位信息无损失传输；其次确保偏振特性的独立性从而适应多颗卫星间的激光链路联结需求；最后提供宽广的频谱变换范围以满足大规模卫星组网时延要求。

图4

图4光放大中继结构

图5

图5全光3R再生系统示意

图6

图6基于**“波长地址路由”**的光交换原理

2.5 星载光交换研究现状

近年来我国高校与科研院所纷纷投身于光网络及光交换新技术领域的基础理论研究工作当中。其中 notable 的研究方向包括微波交换与光突发交换方案的结合应用以及相关理论体系的构建与实践创新。特别是在空间信息网络战略需求指引下 various 重要研究项目相继落地实施。

中国科学院西安光学精密机械研究所围绕"十二五""十三五"期间国家空间信息网络建设目标展开战略部署完成了多项关键技术研发任务

针对空间信息网络高速激光链路数据交换的关键技术难点团队率先提出并实现了"波长地址路由"创新方案并通过自主研发成功制造了全球首个实现40 Gbit/s传输的多端口空间光交换工程样机成功解决了我国在该领域面临的技术瓶颈问题

3 星载光交换技术核心器件

3.1 光缓存器

缓存技术作为解决光交换与光互联过程中的数据包竞争从而降低传输延迟的关键手段。要想使光网络真正满足用户需求必须攻克这一技术难题。基于真时延操作的技术采用光纤线性介质构建的延迟管理模块统称为光纤时延线性缓存器其中向前型与反馈型两类结构是最基本的形式[45]。另一类则是基于慢光效应设计的缓存架构包括电磁诱导透明性和光学谐振型两大类[46]。针对星载环境的要求特别关注空间辐照等因素的影响通过辐照实验发现随着辐射剂量增加反射峰波长呈现先增长后趋于稳定的特点；退火处理则能有效提升器件在退火后的光学性能表现

3.2 光调制器

光调制器的作用在于将电信号转换为光信号，并通过调节光束特性（如振幅、频率、相位和偏振状态）来传递信息。在光学通信系统中，对光源进行强度控制通常采用两种主要方式：一种是直接控制法；另一种是间接控制法[47]。其中，直接控制法通过调节半导体激光器的工作电流大小来实现光强的增减变化；而间接控制法则是在激光输出路径上引入专门的调控装置对光波进行调节（实际上这相当于一个开关功能）。最为常见的直接调控手段就是铌酸锂晶体（LiNbO3）作为光调制元件，在空间环境中受到质子辐照时会破坏其晶体结构和原子排列顺序从而影响其电光效应表现。

3.3 光开关

在星载光交换设备领域中，光开关被视为核心组件。本研究致力于设计出具有高频率性能、低插损特征以及长寿命特性的新型光开关器件，并着重优化其可靠性水平。通过采用以下三种主要技术路线：平面光波导（Planner Lightwave Circuit, PLC）、微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）及硅基液晶显示器（Liquid Crystal on Silicon, LCOS），将显著提升整个系统的承载能力。此外，在实际应用中需综合考虑各技术路线的特点与适用场景需求，在确保系统稳定运行的前提下实现最佳性能输出。值得注意的是，在表3中详细列出了各技术路线的具体参数与性能指标表现比较

表****3****不同光开关的参数对比

性能	种类
MEMS	LCOS	PLC
拓展性	高	低	中
体积	小	中	中
插损	中	中	小
回损	优	差	良
串扰	优	差	差
开关速度	慢	慢	快
功耗	中	小	小

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基于PLC技术的光开关方案[48]经过优化后表现出良好的特性能够实现其功能主要依赖于热光效应以及等离子体色散等非线性效应这一方案具有快速响应高带宽低损耗的优点但受限于二维器件结构无法满足多维度互联的需求目前实现的通道端口数量较为有限且每增加一个端口都会导致损耗呈线性增长相比之下采用MEMS技术的光开关方案[49]具备体积小重量轻惯性小且光学特性较为稳定的优点同时便于进行扩展然而由于较低的切换速度导致时延较大通常达到ms级别这种机械结构还带来了插入损耗的问题此外MEMS微镜驱动IC通常需要高压以支持复杂的驱动与控制电路因此大规模集成主要依赖于层叠制造的方式基于LCOS技术的光开关方案[50]展现出最佳的通带特性没有惯性也没有振动或磨损等问题能够灵活配置栅格阵列并且支持低电压驱动从而实现了高集成度但受限于液晶芯片对光束指向能力的限制需要较多阵列才能满足大规模交换的需求同时衍射栅格所带来的色散限制了光开关在光谱分辨率上的进一步优化此外柱面镜对光束压缩能力有限使得单波长通道具有较小的最小带宽此外该方案还存在稳定性不足的问题在空间辐射环境持续影响下其切换速度会明显下降这一现象主要是由于位移损伤效应所导致为了应对实际应用中的挑战建议采取相应的防护措施以降低累计辐射剂量

基于未来空间立体光网络光交换多体制应用的需求

4 总结与展望

利用激光通信技术，在空间立体维度上实现了超高速、超大容量的地面光纤网络技术的延伸。不仅构建了覆盖全球范围内的网络架构体系，并且显著降低了地面基础设施建设的成本与复杂度。这些技术创新为其后续发展奠定了基础。因此而言，我国亟需规划超高速、大规模卫星互联网战略基础设施建设。

卫星作为空间信息网络的关键组成部分，在此过程中，星载光交换技术构成了该领域的核心技术。本文系统性地分析了多种星载光交换技术方案的优劣特点，并提出了基于"波长地址路由"机制的新型光交换可行性方案。深入探讨了关键组件的设计原理及其实际应用情况，在卫星互联网的发展道路上提供了全新的技术创新方向。