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【摘要】全球能源互聯網是一個服務范圍廣、綠色低碳的全球能源配置平臺。在全球能源互聯網中，將不可避免地使用到衛星通信網與地面電力專網或地面光纖網的協同通信技術，而星地或衛星之間的激光通信鏈路作為衛星通信網中的重要組成部分，其信號傳輸質量會受到大氣信道的嚴重影響。為保障天地協同通信網的通信質量，本文針對大氣信道對激光鏈路的造成的影響進行了仿真研究，并對激光信號鏈路和微波信號鏈路的傳輸質量進行了對比。仿真結果將對基于激光鏈路的天地協同通信網絡的建設提供參考建議。

【關鍵詞】全球能源互聯網；天地協同通信；激光鏈路；大氣衰減；大氣湍流

1引言

國家電網公司提出的全球能源互聯網是一個服務范圍廣、配置能力強、安全可靠性高、綠色低碳的全球能源配置平臺。全球能源互聯網將由跨國跨洲骨干網架和涵蓋各國各電壓等級電網的國家泛在智能電網構成，連接“一極一道”和各洲大型能源基地，適應多種分布式可再生能源接入需要。支撐全球能源互聯的天地協同通信網是一個要求覆蓋面廣、實時性好、通信能力穩定的復雜網絡體系，主要由空間段、地面段和用戶段組成。地面電力通信專網具有安全性高和時延小的特點，但在北極和沙漠地區電力通信專網尚未覆蓋，借助空間段衛星通信覆蓋范圍廣的優勢，將采用基于激光鏈路的衛星網和地面電力專網或光纖網進行協同通信。但在星地之間平流層以下傳輸的激光鏈路會不可避免地受到大氣信道的影響。近年來，國內外有很多研究單位和學者都對天地協同通信網絡進行了研究。2013年，美國國家航空局（NASA）的Israel等人提出了基于延遲容忍（DTN）網絡的GEO激光通信的繼電器架構。2015年英國斯凱萊德大學的Mushet等人對于地球軌道上的自組織衛星星座自主任務分配的問題提出了一種新的解決方案，該方案可以讓衛星在地球表面上的目標群上聚集。在國內，2014年，我國自主研發的北斗衛星導航系統研制工作取得重大進展，現已覆蓋整個亞洲地區。多功能、多軌道覆蓋衛星系統已經基本建立，其中包括遙感、導航和定位、網絡通信、跟蹤與數據中繼等多種衛星組成的空間基礎設施。為了保障全球能源互聯網天地協同通信網中星間激光通信與地面電力專網或地面光纖通信網的協同通信質量，本文重點仿真研究了大氣信道將對天地協同通信網中激光鏈路造成的影響，并對激光鏈路和微波鏈路的傳輸質量進行了對比，仿真結果將對基于激光鏈路的天地協同通信網的建設提供參考建議。

2基于激光鏈路的天地協同通信方案

全球能源互聯天地協同通信網中存在著衛星網絡與地面電力專網或地面光纖通信網協同通信的情況，其協同通信主要體現在兩個方面：一方面是星地通信網絡與地面電力專網的協同；另一方面則是星地協同，即衛星通信網與地面電力專網或光線網的協同通信。本文設計了基于多層衛星網絡的電力專網與星地通信網協同系統。如圖1所示，該協同系統中主要包括多層衛星網絡和地面電力專網。其中，多層衛星網絡由GEO（GeosynchronousEarthOrbit，地球靜止軌道）衛星和LEO（LowEarthOrbit，低軌）衛星組成，主要用于接收變電站發送來的數據，對數據進行業務分級，并根據數據優先級和網絡擁塞情況，選擇數據的傳輸路徑，并將該數據發送給目的變電站。GEO衛星用于覆蓋該衛星對地靜止的區域并負責衛星網絡的消息處理和轉發；LEO衛星負責衛星網絡的消息處理和轉發。地面電力網中的變電站也具有對數據進行發送或傳輸，并為其選擇合適傳輸路徑的功能。基于多層衛星網絡的電力專網與星地通信網協同傳輸方案包含兩種工作狀態。變電站在地面電力專網狀況良好時，通過地面通信；在地面電力專網故障時，造成無法傳輸電網業務的情況下，采用地面電力專網與北斗衛星系統協作的傳輸方式，根據地面電力專網的情況向衛星網絡發送數據，通過衛星協同通信。因此，本文還設計了衛星網絡與地面電力專網或光纖網的協同傳輸模式。地面電力通信專網具有安全性高和時延小的特點，但在北極和沙漠地區電力通信專網尚未覆蓋，借助空間段衛星通信覆蓋范圍廣的優勢，可以實現基建現場視頻等業務的有效傳輸。在全球能源互聯網中，當衛星和電力專網同時覆蓋變電站或終端時，在這種情況下，所有業務從地面段網絡進行傳輸，衛星通信作為應急保障和備用通信通道。在地面電力專網或地面光纖網通信難以實施的情況下，將采用星地之間或衛星之間的激光鏈路進行通信。如圖2所示的天地協同通信系統中，以從A變電站向D變電站發送信息為例說明擬采用的衛星與地面電力專網的協同通信方案。當電力系統的地面專網狀況良好時，從A變電站發送業務信息到D變電站的路線為A->B->C->D，整個傳輸過程均在地面電力專網中實現。當地面的A變電站與D變電站之間的電力專網出現障礙甚至中斷，造成無法傳輸電網業務的情況下，采用地面電力專網與衛星協作的傳輸方式，先由A通過星地之間的激光鏈路將信息發送到覆蓋A變電站的衛星，通過星間激光鏈路中轉到覆蓋變電站B的衛星，最后再通過星地之間激光鏈路將消息傳輸到D，完成業務的傳輸。當A站需要發送消息到衛星網絡，而A與衛星之間的激光鏈路中斷或者由于雨雪雷電等天氣導致通信鏈路中斷或傳輸誤碼率很大，無法正常傳送業務信息時，因與A站相連的B變電站與衛星之間的鏈路狀況良好，于是A通過光纖網絡把消息發送到B，由B發送到衛星網絡，完成A發送消息至衛星的任務。同樣的，當衛星網絡需要傳輸消息到D站而D與衛星之間的鏈路無法傳輸消息時，衛星先把消息傳送到星地鏈路良好的C站，再由C站通過光纖傳給D。除此之外，在第二種工作狀態中，地面電力專網和衛星網絡協同通信時，多層衛星網絡的衛星節點接收變電站發送的數據，將數據進行業務分級，按照優先級從高到底將業務分為圖像業務（A）、流媒體業務（B）、數據業務（C）三類，優先級分別是高、中、低，同時數據備份若干份，并將備份的數據副本全部保存在衛星的緩存內。衛星節點檢查自己的緩存，查看其中保存的數據副本的目的變電站節點，并通過該目的變電站節點確定數據星上傳輸的目的衛星節點。其他的衛星節點進入到保存有數據副本的衛星節點的通信范圍內，衛星與衛星之間進行送達概率的更新，然后與相遇的衛星節點進行相應數據副本的送達概率比較。當相遇節點的送達概率較大時，節點將數據副本發送給相遇節點。此時，節點開始檢測網絡的擁塞情況，如果網絡處于擁塞狀況，則按照此時傳輸業務的優先級進行分類，優先發送高優先級業務，完成了高優先級的業務轉發之后，再依次發送低優先級的業務。若節點本身的送達概率大于相遇節點的送達概率時，則節點繼續保存數據副本，等待下一個衛星節點；數據副本到達下一個衛星節點后，接收節點檢測自身的緩存占用情況，判斷節點是否處于擁塞狀態，如果節點處于擁塞狀態，則節點檢查自己緩存中保存的各個數據副本，根據緩存內各個數據副本的生存時間和業務優先級有選擇地進行丟棄。將相應的數據副本丟棄之后，節點的擁塞狀態得到緩解，接收到的消息副本進入節點緩存，接收到數據的衛星節點繼續在網絡中的星軌上運行，等待下一個衛星節點。

3性能分析

為支撐全球能源互聯網的大帶寬業務接入和能源傳輸需求，鑒于激光鏈路在通信質量和硬件設備等方面的諸多優點，在天地協同通信網中現多考慮在星地之間或衛星之間采用激光鏈路。由于在大氣信道中，激光信號通信質量易受大氣衰減和大氣湍流效應的影響，且大氣信道對激光鏈路衰減的影響主要位于平流層以下，為保證基于激光鏈路的天地協同通信網的通信質量，本文重點研究了天地協同通信網中星地之間平流層以下大氣信道對激光鏈路造成的影響，并對其進行了仿真。本文首先針對大氣衰減效應對天地協同通信網中激光鏈路的影響情況進行了仿真，在非常晴朗的天氣狀況下（能見度V=100km），仿真得到了不同波長的激光信號在大氣信道傳輸不同距離后的大氣透射率，結果如圖3所示。由于平流層的下界（即對流層頂層的上界）距地表18km，仿真結果中分別畫出了傳輸距離在平流層及以上、對流層頂層以及對流層的大氣透射率，其中仿真選取的傳輸距離主要為平流層以下的高度。從圖3中可以看出，選擇使用波長為1550nm的激光進行通信，在傳輸距離為45km、18km、14km、10km時，其大氣透射率分別約為1、0.87、0.90和0.93。由此可見，在平流層以下，所用激光波長和能見度一定時，傳輸距離越遠，大氣透射率越低；從另一角度看，若將激光傳輸距離設置為10km，波長分別為900nm、1300nm、1550nm的激光信號在通過大氣信道之后的透射率分別約為0.84、0.91、0.93，由此可見，當激光傳輸距離和能見度一定時，激光的波長越短（即激光的頻率越高），大氣透射率越低。本文針對天地協同通信網激光鏈路大氣透射率隨能見度的變化關系進行了仿真。仿真將激光信號的波長設定為1550nm，對激光信號通過能見度不同的各種天氣條件下的大氣信道之后的透射率進行了仿真，選擇的能見度分別為50km、5km、8km、3km，分別對應于清朗、晴、輕霾、霧和霾四種天氣狀況，仿真結果如圖4所示。由圖可見，當所用激光波長和激光傳輸距離一定時，能見度越差，大氣透射率越低且下降越快。本文還針對大氣湍流效應對天地協同通信網中的激光鏈路造成的影響情況進行了仿真，選取了強湍流，中等強度湍流和輕度湍流三種場景，仿真結果如圖5所示。在圖5中，光強在某個范圍時，曲線和兩個光強值以及橫軸所圍成的面積即為光強在此范圍內的概率，求積分可知概率最大即最可能出現的光強值。由仿真結果可以看出，大氣湍流效應對天地協同通信網絡中激光鏈路在大氣信道中的傳輸具有嚴重影響，強湍流乃至中等強度湍流已經會對激光鏈路造成嚴重的衰減。本文還仿真對比了在惡劣天氣條件下，天地協同通信網采用微波鏈路和激光鏈路傳輸信號的誤碼率和信噪比。仿真基于Ka頻段，采用QPSK3/4的編碼調制方式，天氣狀況設置為小雨。以基于Ka波段的微波鏈路達到目標誤碼率10-5的最小信噪比為21dB為例，仿真得到的切換至激光鏈路后的激光傳輸信噪比與誤碼率的關系曲線如圖6所示。從圖6中可以看出，切換至激光鏈路后，接收信號達到目標誤碼率10-5所需的最小信噪比約為19.2dB，小于微波鏈路所需的21dB。由此可知，即使在惡劣天氣條件下，激光信號鏈路會受到大氣信道的嚴重影響，但是相比于微波鏈路傳輸，天地協同通信網使用激光鏈路在傳輸質量上仍然更具優勢。

4結論

在全球能源互聯網的背景下，采用衛星網絡與地面電力專網或地面光纖網的天地協同通信是實現全球能源互聯的必然選擇，激光通信由于其通信質量和硬件設備方面的優點，未來也將被廣泛作為星地之間及衛星之間的通信鏈路。但考慮到大氣信道對激光通信鏈路的衰減影響，本文重點仿真研究了大氣信道將對天地協同通信網中激光鏈路造成的影響。從本文仿真結果可知，大氣信道會對天地協同通信網中星地之間平流層以下的激光通信鏈路造成嚴重干擾。若想提高全球能源互聯網的業務接入和能源供應，還需一定的補償方案。即便如此，仿真結果仍然表明，在惡劣天氣條件下，天地協同通信網采用激光鏈路比微波鏈路在傳輸質量上更具優勢。

作者：李銳 馬軍 傅寧 張喆 曾令康 單位：北京國電通網絡技術有限公司