深空是继海洋、陆地和空中之后,人类又一新的活动与发展领域。深空通信技术作为人类进行深空探测活动的支持与保障,它是人类与深空探测器之间通信的信息传送通道,在深空探测任务中起着至关重要的作用。目前,空间卫星通信被公认为实现全球无缝覆盖的关键枢纽,然而,卫星微波通信由于其频段低、调制速率受限,无法满足现代社会对通信速率和带宽日益增长的需求。为了缓解空间通信网的信息流量压力,世界各国的人造卫星数量日益增加,这势必加剧卫星微波链路之间的串扰。相比于微波通信,激光通信具有保密性好、功耗低、设备体积小、抗电磁干扰能力强等优点。因此,深空光通信技术作为新一代的深空通信技术应运而生,成为极具学术和应用价值的研究热点之一。目前,已有部分文献研究了地面空间光网络及卫星光网络的关键技术,然而这些研究大多依托自身的网络架构和业务特征,不能直接应用于深空光通信网中。因此,必须研究专用于深空光通信网的关键技术,并充分考虑深空通信网传输距离长、网络基础设施不固定、链路间断性连接、传输时延长、节点能量有限等内在特征。近年来,美国、日本和欧空局等纷纷投入大量人力、物力和财力对其进行深入的研究。尽管如此,现有的深空光通信研究大多集中在点对点信号传输技术方面。显然,深空光通信网的关键技术研究尚处于起步阶段,较多的关键问题有待解决。因此,对深空光通信网中关键技术进行研究具有重要的学术意义和应用价值。本文的主要内容和创新点可概述如下:(1)第2章研究空地光通信大气信道对信号传输的影响。首先,考虑到大气随机信道对激光通信传输性能的影响是制约空地光通信的重要因素之一,本文对大气的垂直分布以及组成成分进行了总体分析。其次,文中详细分析了大气信道对信号传输产生影响的吸收效应、衰减效应、散射效应和湍流效应,并对大气组成成分中的雾、雨和沙等粒子特性进行了理论分析。然后,考虑到大气透过率、大气粒子的散射光强以及大粒子的衰减可以用来度量大气信道对信号传输的影响,文中对不同大气条件下的透过率、大气粒子的散射光强以及大气衰减进行了仿真。最后,文中搭建了空地光通信系统,并对不同大气条件下的系统性能进行了仿真分析。通过以上研究,针对大气信道对空地光通信的影响,文中提出了相应的解决方法,主要包括不同天气条件下通信波长的选择、地面通信站的高度设置以及地面站发射角度选择。(2)第3章研究深空光通信链路设计和轨道角动量(Orbital Angular Momentum,OAM)调制技术。首先,考虑到通信信道的不同,本文提出将深空光通信链路分为空间对地面链路(即空地光通信链路)和空间对空间链路(即星间光通信链路)两种类型。深空光通信的超长距离传输对功率预算要求严格,影响通信链路特性的因素多样,为此文中分别对空地光通信链路和星间光通信链路进行了折中的链路预算设计与仿真。然后,考虑到复用技术能够有效地增加系统容量和提高通信速率,文中分别搭建了深空星间光通信偏振复用(Polarization Division Multiplexing,PDM)系统模型和波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统模型,并对其进行了性能测试。最后,相关研究表明OAM复用技术为进一步提高信息传输速率开创了新的自由度,考虑到深空环境下大气稀薄甚至真空的特征为光信号OAM复用技术提供了可行性,文中对深空光OAM高速率调制技术进行了研究。(3)第4章研究深空光通信骨干网MAC接入技术与路由设计。首先,本文对深空光通信骨干网络架构进行了优化设计,文中提出一种扁平的无线Mesh深空光网络架构。其中每个骨干节点作为星际通信的中继站,并以太阳为中心为每个行星建立拉格朗日平衡系统,从而支持长距离多跳传输。然后,结合激光通信对角度和方位敏感的特点,文中对网络中的节点模型进行了多接口设计,可充分利用空间资源。基于上述设计,文中进一步提出了深空光通信骨干网定向接入协议(Directional Media Access Control,DMAC)。相比非定向接入协议(NON-DMAC,NDMAC),DMAC协议可有效地提高网络的吞吐量,并降低网络的时延。最后,考虑到深空光通信具有视距长距离传输特性,由于障碍物、背景噪声以及节点传输能力差异性等原因存在单向链路问题,并且深空节点能量有限,文中提出了基于蚁群算法的深空光通信网路由算法(Routing Algorithm based on Ant Colony Algorithm,RA-ACA)。相比传统的蚁群算法(Traditional Ant Colony Algorithm,TACA),RA-ACA 算法能够有效地减小传输时延,提高网络生存时间。(4)第5章研究深空光通信网中定向路由算法。首先,先前的深空通信网路由算法研究多是基于射频通信,而激光通信与射频通信在传输特征上存在明显区别,因此,相关的深空通信网路由算法不能直接应用于深空光通信网中。然后,考虑到深空光通信网路由设计面临的挑战,结合激光通信对角度和方位的敏感性,基于多接口的节点模型设计,本文提出了深空光通信网定向洪泛路由算法(Directional Flooding Routing Algorithm,DFRA),实现了空分复用和频分复用的充分结合。相比传统的洪泛路由算法(Traditional Flooding Routing Algorithm,TFRA),DFRA算法能够有效地避免TFRA算法的无方向性和盲目性,有效促进网络节能。最后,考虑到无线传感器网络的技术优势,相关研究也提出将无线传感器网络技术运用到深空探测中,然而具体的路由算法研究还处于空白阶段。为此,本文提出了深空光传感器网定向扩散路由算法(Deep Space Optical Directed Diffusion,DSODD)。相比原定向扩散路由算法(Directed Diffusion,DD),DSODD算法性能优于原DD算法,并且路径加强之后的DSODD算法性能更优。为验证和评估本文所提出的各种算法与模型的性能,文中利用OPTISYSTEM、MATLAB以及NS2等仿真软件搭建仿真平台。仿真结果表明,本文所提出的协议和算法在提高网络吞吐量、降低网络传输时延、节省节点能量等方面具有显著优势。另外,本文的研究成果对未来深空光通信网的发展和建设提供了理论基础和技术保障。