摘要 — 近年来,自由空间光 (FSO) 通信因其独特的特点而变得非常重要:带宽大、免许可频谱、数据速率高、部署简便快捷、功耗低、质量要求低。FSO 通信使用近红外 (IR) 波段的光载波在地球大气层内建立地面链路、卫星间/深空链路或地对星/星对地链路。它还可用于遥感、射电天文学、军事、灾难恢复、最后一英里接入、无线蜂窝网络回程等。然而,尽管 FSO 通信潜力巨大,但其性能受到大气信道的不利影响(即吸收、散射和湍流)的限制。在这三种影响中,大气湍流是一个主要挑战,它可能导致系统的误码率 (BER) 性能严重下降,并使通信链路不可行。本文全面介绍了 FSO 通信系统在地对星/星对地和星间链路中面临的各种挑战。它还提供了各种性能缓解技术的详细信息,以实现高链路可用性和可靠性。本文的第一部分将重点介绍对地对星/星对地和星间链路光通信系统性能构成严重挑战的各种类型的损伤。本文的后半部分将为读者提供对物理层以及其他层(链路、网络或传输层)的各种技术的详尽回顾,以对抗大气的不利影响。本文还独特地介绍了一种最近开发的技术,该技术利用轨道角动量,在天基和近地光通信链路中利用光载波的高容量优势。本调查为读者提供了有关使用天基光回程链路的全面详细信息,以提供高容量和低成本的回程解决方案。
对于运动中的系统,例如航天器和飞机上使用的 OCT,系统必须各自跟踪其远程对应方以保持对准。此运动包括主机平台的一般飞行路径以及平台带来的抖动。OCT 的接收器通常具有相对较小的视场 (FOV),必须补偿这种低速率运动和高速率抖动。这可以通过使用远程信号作为测量参考的闭环跟踪系统来实现。通常将校正馈送到航向跟踪设备(例如万向节)以校正低速率运动,并馈送到快速跟踪设备(例如快速转向镜 (FSM))以校正高速率抖动。
与作家雷蒙·斯尼奇的小说相反,促使我撰写这篇论文的是《一系列幸运事件》。我没有时间和空间来汇编这些事件,但我会尽力记住所有使这些成为可能的人。首先,我要感谢我的导师 Juraj Poliak 博士给我机会在论文开发期间与他和他的团队合作。我还要感谢我的团队负责人 Ramon Mata Calvo 博士和我在 DLR-KN 这几个月遇到的所有同事。其中,特别要感谢 DLR-KN 的学生同事:Cesar、Michael、Joana、Mareen 和所有其他人,他们是珍贵的陪伴和愉快的午餐(有时是晚餐)伙伴。我要感谢我在都灵理工大学期间遇到的所有朋友和大学同事,他们是我的第二个家庭,即使相隔千里,他们也一直支持我。感谢 Francesco MD、Claudio、Gaetano、Alessandro、Nicolò、Francesco G.、Luca、Davide、Vito、Alessio P.、Alessio L.、Mariano 和 Niki。我还要感谢 Cubesat PoliTo 团队及其所有成员。最后但并非最不重要的是,我要感谢我的家人,尤其是我的父母,他们总是支持我做出的人生决定,即使他们并不完全理解背后的原因。
摘要 — 近年来,自由空间光 (FSO) 通信因其独特的特点而变得非常重要:带宽大、免许可频谱、数据速率高、部署简便快捷、功耗低、质量要求低。FSO 通信使用近红外 (IR) 和可见光波段的光载波在地球大气层内建立地面链路、卫星间/深空链路或地对星/星对地链路。它还可用于遥感、射电天文学、军事、灾难恢复、最后一英里接入、无线蜂窝网络回程等。然而,尽管 FSO 通信潜力巨大,但其性能受到大气信道的不利影响(即吸收、散射和湍流)的限制。在这三种影响中,大气湍流是一个主要挑战,它可能导致系统的误码率 (BER) 性能严重下降,并使通信链路不可行。本文全面介绍了 FSO 通信系统在地面和空间链路中面临的各种挑战。它将提供各种性能缓解技术的详细信息,以使 FSO 系统具有高链路可用性和可靠性。本文的第一部分将重点介绍对 FSO 系统在地面和空间链路中的性能构成严重挑战的各种类型的损伤。本文的后半部分将为读者提供对 FSO 系统中物理层和上层(传输、网络或链路层)中使用的各种技术的详尽回顾,以对抗大气的不利影响。此外,本研究以独特的方式提供了使用各种信道模型和检测技术的 FSO 编码和调制方案的当前文献。它还介绍了 FSO 系统中最近开发的一种使用轨道角动量来对抗大气湍流影响的技术。
本文件中可能会标识某些商业实体、设备或材料,以便充分描述实验程序或概念。此类标识并不意味着美国国家标准与技术研究所的推荐或认可,也不意味着这些实体、材料或设备一定是最适合此目的的。SP 2100 子系列中的出版物是主要由 NIST 科学和技术人员组织的会议论文集。这些论文集以单一文档的形式发布,其中包括会议组织者接受的所有摘要或扩展摘要。本出版物可能包括来自行业、学术界、政府和其他方面的外部观点。本出版物中的观点、建议、调查结果和结论不一定反映 NIST 或美国政府的观点或政策。美国国家标准与技术研究所特别出版物 2100-04 Natl.研究所标准技术规范出版物2100-04,22 页(2020 年 3 月)CODEN:NSPUE2 本出版物可从以下网址免费获取:https://doi.org/10.6028/NIST.SP.2100-04
抽象的光纤网络正在迅速前进,以满足不断增长的交通需求。安全问题(包括攻击管理)对于光学通信网络而变得越来越重要,因为与光纤链接中的敲击光相关的漏洞。物理层安全性通常需要限制访问渠道的访问和链接性能的定期检查。在本文中,我们报告了如何利用量子通信技术来检测物理层攻击。我们提出了一种有效的方法,用于使用调制的连续变量量子信号来监视高数据速率经典光学通信网络的物理层安全性。我们描述了该监测系统的理论和实验基础以及不同监视参数的监视精度。我们分析了其启动和放大光链路的性能。该技术代表了将量子信号处理应用于实用的光学通信网络的一种新颖方法,并与经典监测方法进行了很好的比较。我们通过讨论其实际应用所面临的挑战,在现有量子密钥分布方法方面的差异以及在未来的安全光学运输网络计划中的使用情况。
• 采用新型光纤、设备、子系统和复用技术的光传输链路的实验室/现场演示 • 使用新型信号调制技术的链路系统演示 • 通过模拟和非线性信号处理子系统增强传输 • 用于改进传输的复用和解复用子系统 • 空间复用传输链路的演示 • 海底链路和电缆部署 • 新型传输系统建模方法 • 光传输系统的容量、范围和灵活性限制 • 物理损伤的系统级影响 • 损伤缓解技术 • 光通信的信息理论
SDA 负责定义和监控国防部未来威胁驱动的空间架构,并加速开发和部署新的军事空间能力,以确保我们在国防领域的技术和军事优势。为了实现这一使命,SDA 将统一和整合下一代空间能力,以通过主要在低地球轨道 (LEO) 中的扩散空间架构提供 NDSA,这是一种弹性军事传感和数据传输能力。SDA 不一定会开发和部署 NDSA 的所有能力,而是在国防部内协调这些工作,并在提供集成架构的同时填补能力空白。SDA 将其架构组织成能力“层”,并以相对较小的大规模生产的卫星和战术相关的有效载荷硬件和软件提供的无处不在的数据和通信传输的可用性为前提。
对于运动中的系统,例如航天器和飞机上使用的 OCT,系统必须各自跟踪其远程对应方以保持对准。此运动包括主机平台的一般飞行路径以及平台带来的抖动。OCT 的接收器通常具有相对较小的视场 (FOV),必须补偿这种低速率运动和高速率抖动。这可以通过使用远程信号作为测量参考的闭环跟踪系统来实现。校正通常馈送到航向跟踪设备(例如万向架)以校正低速率运动和快速跟踪设备(例如快速转向镜 (FSM))以校正高速率抖动。
