VPIphotonics衛(wèi)星自由空間光通信系統(tǒng)高級(jí)建模仿真和應(yīng)用
點(diǎn)擊次數(shù)：1032 更新時(shí)間：2023-12-27
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展和科技的飛速進(jìn)步，通信技術(shù)逐漸從地面向更高空間延伸，催生了空間通信這一領(lǐng)域，旨在實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋和高帶寬傳輸。自由空間光學(xué)（FSO）通信，具有高帶寬、低時(shí)延、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢，為衛(wèi)星通信系統(tǒng)帶來了新的可能性，有望成為下一代網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。全球范圍內(nèi)，多個(gè)國家和企業(yè)正投入大量資源進(jìn)行研發(fā)和試驗(yàn)，以推動(dòng)該技術(shù)的成熟和商業(yè)化。
近期，光通信仿真領(lǐng)域的企業(yè)VPIphotonics公司推出了一個(gè)用于模擬、設(shè)計(jì)和分析陸地和衛(wèi)星自由空間光鏈路上經(jīng)典和量子通信系統(tǒng)的仿真框架。該框架采用直接和相干檢測方案，解決了地面、地對(duì)衛(wèi)星、衛(wèi)星對(duì)地和衛(wèi)星間鏈路中的不同F(xiàn)SO應(yīng)用場景的挑戰(zhàn)。在FSO信道建模方面，采用了兩種方法。第一種方法考慮了大氣閃爍、指向誤差、多普勒效應(yīng)、光束衍射引起的衰減以及閃爍引起的發(fā)散。第二種方法則是利用相位屏技術(shù)捕捉光束的波面，從而更詳細(xì)地描述信號(hào)的傳播。通過這一仿真框架，深入研究并展示了幾個(gè)不同F(xiàn)SO應(yīng)用實(shí)例的性能。VPIphotonics公司的仿真框架為研究人員和工程師提供了一個(gè)強(qiáng)大而全面的工具，用于深入了解FSO通信系統(tǒng)的運(yùn)作機(jī)制，幫助優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高整個(gè)鏈路性能。自由空間光學(xué)（FSO）技術(shù)結(jié)合量子密鑰分發(fā)（QKD），可以在全光網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)密鑰的共享，為用戶提供靈活、高速和安全的通信，而且可以適用于任何傳輸距離。根據(jù)光信號(hào)傳播的物理特性，F(xiàn)SO信道可分為地面、機(jī)載和空間鏈路，例如地對(duì)地、地對(duì)衛(wèi)星、衛(wèi)星對(duì)地和衛(wèi)星間鏈路，如圖1 所示。圖 1：具有不同 FSO 鏈路類型的通信網(wǎng)絡(luò)與射頻鏈路相比，F(xiàn)SO鏈路的優(yōu)勢在于更高的數(shù)據(jù)傳輸率、免許可頻譜、更低的功耗以及更小、更輕的天線。然而，要構(gòu)建一個(gè)可靠的FSO系統(tǒng)，需要克服一些特定的挑戰(zhàn)。所有連接地面站的FSO鏈路都依賴于信號(hào)通過大氣傳播，因此可能受到不可預(yù)測的大氣條件（如湍流、云層覆蓋等）的影響。為了避免由此導(dǎo)致的鏈路中斷，可以采用不同的緩解技術(shù)，包括孔徑平均、站點(diǎn)/時(shí)間/空間分集和自適應(yīng)光學(xué)等。此外，衛(wèi)星鏈路的性能可能會(huì)受到指向抖動(dòng)和對(duì)準(zhǔn)不準(zhǔn)確的限制，因此需要適當(dāng)?shù)闹赶蚝透櫹到y(tǒng)。此外，衛(wèi)星QKD系統(tǒng)還必須考慮背景噪聲。因此，要根據(jù)特定規(guī)格開發(fā)切合實(shí)際的FSO系統(tǒng)設(shè)計(jì)，必須分析所有關(guān)鍵的物理效應(yīng)及其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。這可以通過建立實(shí)驗(yàn)裝置并在特定地點(diǎn)或?qū)嶒?yàn)室環(huán)境中進(jìn)行驗(yàn)證來完成。然而，通常需要對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行總體研究，包括針對(duì)不同大氣條件優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)或選擇FSO通信的最佳位置。在這種情況下，系統(tǒng)工程師可以利用仿真來設(shè)計(jì)、分析和優(yōu)化FSO系統(tǒng)，特別是在考慮自由空間信道的特性以及對(duì)發(fā)射端和接收端各個(gè)組件的要求的情況下，估算其性能和可靠性。下文將介紹使用基于強(qiáng)度的FSO信道模型在地面、衛(wèi)星對(duì)地以及衛(wèi)星間鏈路上實(shí)現(xiàn)經(jīng)典和量子通信系統(tǒng)的幾個(gè)應(yīng)用實(shí)例。所述的所有仿真原理圖均在VPIphotonics Design Suite 11.4創(chuàng)建。在 FSO 鏈路中，有幾種緩解技術(shù)可用于減少大氣閃爍的影響。其中一種是孔徑平均法，通過增大接收器尺寸來減輕閃爍效應(yīng)。接收器收集較大角度的散射光，并對(duì)較大孔徑的不相關(guān)輻照度波動(dòng)進(jìn)行平均。這樣，閃爍指數(shù)就會(huì)變小，接收器的功率波動(dòng)也會(huì)減小。除了使用單個(gè)接收器進(jìn)行孔徑平均外，還可以使用空間分集接收器來減少閃爍，尤其是當(dāng)單個(gè)接收器的尺寸不能增加到超過特定限制時(shí)。在這種情況下，多個(gè)信號(hào)副本通過空間獨(dú)立的自由空間通道傳輸，并由相互之間有足夠距離的較小接收器陣列進(jìn)行檢測。接收器陣列產(chǎn)生的光電流合并在一起。圖 2a展示了在 FSO 鏈路中模擬孔徑平均和空間分集接收器的示意圖。在此示例中，10 Gbps NRZ-OOK 信號(hào)在自由空間鏈路上傳輸，傳輸波長為 1550 nm。湍流條件為
，閃爍指數(shù)為0.1，接收器直徑D=0.1m 時(shí)，發(fā)射光束為準(zhǔn)直高斯光束，腰半徑為
。為了研究空間分集接收器的孔徑平均效應(yīng)，我們計(jì)算了不同數(shù)量圓形接收器的系統(tǒng)誤碼率。為此，探測器的總面積被認(rèn)為是固定的，發(fā)射信號(hào)功率被設(shè)定為 60 mW。圖3a 顯示了誤碼率與等效接收器孔徑的關(guān)系，等效接收器孔徑相當(dāng)于圓形接收器的直徑，其面積等于所有空間分集接收器的總面積。接收器數(shù)量不同，誤碼率性能也不同。在接收器孔徑較大的情況下，單個(gè)接收器的孔徑平均效應(yīng)比空間分集接收器的效應(yīng)更為顯著。該示意圖運(yùn)行了500 次，以考慮閃爍統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。每次運(yùn)行都相當(dāng)于對(duì)整個(gè)傳輸信號(hào)塊施加一次獨(dú)立的閃爍事件。所有信號(hào)塊都在接收器上進(jìn)行分析，并累積起來進(jìn)行誤碼率估算。圖 2b 顯示了接收信號(hào)的一部分示例，包括 14 個(gè)信號(hào)塊。除了 FSO 鏈路中閃爍引起的功率衰減外，霧、雨或雪等惡劣天氣條件引起的衰減也會(huì)顯著降低鏈路性能。為了模擬不同天氣條件的影響，我們指定了根據(jù)計(jì)算得出的特定衰減γ的相應(yīng)值。圖 3a 顯示的是晴朗天氣，而圖 3b 則顯示了在中霧、平均雨量和下雪的情況下，單個(gè)檢測器的誤碼率與接收器直徑的關(guān)系。表 1 總結(jié)了這些天氣條件下特定衰減和能見度的相應(yīng)值。通過修改相關(guān)參數(shù)，該示例也同樣適用于衛(wèi)星對(duì)地面站下行鏈路及地面站對(duì)衛(wèi)星上行鏈路通信仿真。
圖 2. a) 帶有空間分集接收器的 FSO 鏈路仿真示意圖；b) 接收到的光信號(hào)示例，該信號(hào)由與獨(dú)立閃爍事件相對(duì)應(yīng)的若干塊組成
圖 3. a) 晴朗天氣條件下不同數(shù)量的接收器；b) 不同天氣條件下單個(gè)接收器的誤碼率與等效接收器孔徑的關(guān)系
表 1. 不同天氣條件下的大氣能見度和特定衰減值
在衛(wèi)星間鏈路中，光信號(hào)在真空中傳播，光束的振幅和相位波前沒有受到閃爍引起的畸變。這為相干傳輸創(chuàng)造了有利條件，因?yàn)闊o需應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)等復(fù)雜的緩解技術(shù)。然而，由于衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)，必須考慮多普勒效應(yīng)，該效應(yīng)可能高達(dá)幾千兆赫，導(dǎo)致相干傳輸系統(tǒng)性能不佳。為避免這種情況，通常會(huì)在發(fā)射機(jī)上對(duì)多普勒引起的頻移進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。此外，接收器可通過使用DSP 或光學(xué)鎖相環(huán)等方法來補(bǔ)償幾百兆赫的輕微殘余偏移。圖 4 是用于模擬 LEO 和 GEO 衛(wèi)星之間 FSO 鏈路中 1 Gbps 光相干 BPSK 數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D。衛(wèi)星的位置是根據(jù)從地球中心測量的衛(wèi)星間角距對(duì)應(yīng)的 φ 角定義的。衛(wèi)星之間的距離、衛(wèi)星的相對(duì)徑向速度以及接收信號(hào)的相應(yīng)多普勒頻移對(duì)φ 角的依賴關(guān)系如圖 5 b-d 所示。在本例中，發(fā)射機(jī)調(diào)整信號(hào)波長以進(jìn)行多普勒引起的頻移的預(yù)補(bǔ)償。殘余頻移通過本地振蕩器頻率偏移進(jìn)行模擬，假設(shè)其為100 MHz。在接收端使用基于 DSP 的載波頻率和相位恢復(fù)來補(bǔ)償這一殘余偏移。除了多普勒效應(yīng)外，由于衛(wèi)星之間的距離相當(dāng)大，考慮鏈路中的指向誤差也至關(guān)重要。即使波束的角度位移很小，也會(huì)導(dǎo)致明顯的衰減。圖 5a 顯示了不同衛(wèi)星位置對(duì)應(yīng)于-π/2 到π/2 角 φ 的估計(jì)鏈路性能，同時(shí)考慮了恒定的指向誤差。圖 5e 顯示了衛(wèi)星在三個(gè)不同位置時(shí)誤碼率與指向誤差值的關(guān)系。圖 5f 顯示了相應(yīng)的接收光功率與指向誤差的關(guān)系。我們發(fā)現(xiàn)，要在該鏈路中實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳輸，指向誤差應(yīng)< ~10 μrad。
圖 4. a) 使用 BPSK 調(diào)制和 DSP 的 FSO 衛(wèi)星間鏈路模擬示意圖；b) LEO- to-GEO鏈路方案
圖 5. a) 10 μrad 偏置指向誤差時(shí)誤碼率與衛(wèi)星間角距的關(guān)系；b) 傳輸距離；c) 接收信號(hào)多普勒頻移 d) 衛(wèi)星相對(duì)徑向速度與衛(wèi)星間角距的關(guān)系；e) 誤碼率估計(jì)值 f) 接收光功率與衛(wèi)星三個(gè)不同位置的偏置指向誤差的關(guān)系
與光纖上的QKD 相比，基于衛(wèi)星的 QKD 在長距離通信（>100公里）時(shí)損耗較小。因此，衛(wèi)星QKD成為建立全球量子網(wǎng)絡(luò)的理想候選方案，目前受到廣泛關(guān)注。自由空間通道的極高偏振穩(wěn)定性尤為引人注目，這使得偏振編碼協(xié)議成為衛(wèi)星 QKD 的普遍選擇。偏振編碼協(xié)議通常使用弱相干脈沖（WCP）源或偏振糾纏光子對(duì)源來實(shí)現(xiàn)。下面將討論一個(gè)使用WCP源和兩個(gè)假脫靶態(tài)的偏振編碼BB84協(xié)議的衛(wèi)星下行場景。傳輸波長設(shè)定為1550 nm，因?yàn)樵摬ㄩL的大氣吸收系數(shù)低，太陽輻射減弱。大氣湍流的空間分布
采用Hufnagel- Valley 5/7 模型定義。對(duì)于下行鏈路方案，衛(wèi)星上集成了一個(gè) 1 GHz 時(shí)鐘頻率的發(fā)射機(jī)，產(chǎn)生一個(gè)腰半徑
的準(zhǔn)直高斯光束。接收端由兩個(gè)單光子探測器和一個(gè)相位調(diào)制器組成，用于主動(dòng)選擇測量基準(zhǔn)（圖 6b）。假定單光子探測器完全相同，后脈沖概率為 6%，暗計(jì)數(shù)率為 2.5 kHz，死時(shí)間為 10 ns，量子效率為 10%。我們建立了時(shí)間和光譜濾波模型，以抑制背景光噪聲：在接收端前方放置了一個(gè) 0.3 nm 的窄帶通濾波器，探測器的門寬設(shè)定為 100 ps。此外，接收器的視場很窄，為 100 μrad。鏈路中的其他損耗來自大氣衰減（0.5 dB）和耦合損耗（3 dB）。圖 7 顯示了總鏈路損耗，包括衍射損耗和額外損耗，總計(jì)為13.5 dB。限制 QKD 鏈路性能的影響之一是背景光噪聲。到達(dá)單光子探測器的背景噪聲功率用以下表達(dá)式計(jì)算：其中，?? 是背景光輻射度，??OV 是接收器的視場，
是接收器的面積，??r 是接收器的直徑，Δ?? 是接收器的帶通濾波器。背景光輻射值取決于時(shí)間、衛(wèi)星和地面站位置以及天氣條件。其變化范圍從
（晴朗無月的夜晚）到 
（艷陽高照的條件下）。圖 8 顯示，在給定的系統(tǒng)參數(shù)下，即使糾錯(cuò)效率為 1，也不可能在白天條件下建立 QKD 鏈路。在進(jìn)一步模擬中，我們考慮了背景光輻射為
的夜間運(yùn)行情況。
圖 6. a) 使用帶有誘餌狀態(tài)的偏振編碼 BB84 的 FSO 衛(wèi)星到地面QKD 鏈路仿真示意圖；b) Bob接收器方案：PBS/C - 偏振分束器/合路器，PM - 相位調(diào)制器，SPCM - 單光子計(jì)數(shù)模塊
圖 7. 天頂角為 0?，不同接收器直徑 ????時(shí)的總鏈路損耗
圖 8. 不同接收器直徑????時(shí)，QBER（虛線）和密鑰率（實(shí)線）與背景光輻射的關(guān)系。到衛(wèi)星的距離：500 km；天頂角 0?
衛(wèi)星軌道的繞行：我們假定一顆LEO太陽同步衛(wèi)星的軌道是圓形的，以計(jì)算到衛(wèi)星的距離及其天頂角如何隨時(shí)間變化。為簡化問題，我們忽略了衛(wèi)星在繞行過程中地球的自轉(zhuǎn)。軌道的傾角設(shè)定為 88?，軌道高度為 500 km。通信是在天頂角小于 70? 時(shí)進(jìn)行的，因此單次通過時(shí)間為 270 秒（圖 9a）。接收器直徑設(shè)定為 1 m。
考慮到協(xié)議參數(shù)，誘餌態(tài)和真空態(tài)的平均光子數(shù)分別設(shè)為每個(gè)脈沖 0.1 個(gè)和 0 個(gè)。基礎(chǔ)概率為
，脈沖類型概率
。對(duì)信號(hào)態(tài)的平均光子數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，以獲得最大的秘鑰率，結(jié)果表明每個(gè)脈沖的信號(hào)態(tài)平均光子數(shù)為0.32。圖 9b 顯示了隨時(shí)間變化的閃爍平均秘鑰率。在這樣的單程中，總共可以獲得 18.4 Mbits 的密鑰比特。
圖 9. 到衛(wèi)星的距離和天頂角與時(shí)間的關(guān)系（左）以及密鑰與時(shí)間的關(guān)系（右）
本文描述了在VPIphotonics仿真軟件中建立的大氣層和衛(wèi)星間自由空間光信道模型，該軟件還支持多種 QKD 協(xié)議，可對(duì)不同的 FSO 通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真和研究。通過三個(gè)不同的應(yīng)用實(shí)例展示了 FSO 信道模型的功能。研究涵蓋了不同鏈路類型中的多種物理損傷，如閃爍、指向抖動(dòng)和多普勒效應(yīng)。此外，證明了空間分集接收器可減輕地面鏈路中的閃爍效應(yīng)，DSP 可減輕相干衛(wèi)星間鏈路中多普勒引起的頻移效應(yīng)，同時(shí)對(duì)基于衛(wèi)星的QKD系統(tǒng)的性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)相對(duì)基于光纖的解決方案其覆蓋范圍更廣。
VPIphotonics仿真軟件
VPIPhotonics的光通信仿真軟件提供了一個(gè)強(qiáng)大而靈活的工具集，支持工程師在自由空間光學(xué)（FSO）通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和驗(yàn)證過程中進(jìn)行全面的仿真和分析。VPIPhotonics提供了廣泛的光通信元件和設(shè)備的建模能力，包括光源、光纖、放大器、光調(diào)制器、探測器等。這使得用戶可以在仿真中精確地模擬光通信系統(tǒng)中的各個(gè)組件，以更全面地了解系統(tǒng)性能。軟件具有高度可定制的特性，使用戶能夠根據(jù)其具體需求自定義仿真模型。這對(duì)于光通信系統(tǒng)中可能涉及的各種參數(shù)和配置非常重要，可以幫助工程師進(jìn)行靈活的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。VPIPhotonics提供強(qiáng)大的性能分析功能，允許用戶評(píng)估光通信系統(tǒng)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，如誤碼率、信噪比等。這對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化非常關(guān)鍵。VPIPhotonics的圖形化用戶界面使其易于使用，用戶可以通過直觀的界面進(jìn)行仿真配置和結(jié)果分析，減少了學(xué)習(xí)曲線，提高了工作效率。總體而言，VPIphotonics是一款在系統(tǒng)建模、仿真和優(yōu)化方面表現(xiàn)較好的軟件。其靈活性和精度使其成為光學(xué)工程師和研究人員的工具，為復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供了強(qiáng)大的支持。[1] Ecker, S., Pseiner, J., Piris, J. and Bohmann, M., "Advances in Entanglement-Based QKD for Space Applications," arXiv:2210.02229 [quant-ph] (2022).[2] Kaushal, H. and Kaddoum, G. 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