天基網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入技術(shù)現(xiàn)狀與趨勢(shì)

賈敏+高天嬌+鄭黎明+郭慶

摘要：認(rèn)為天基網(wǎng)絡(luò)將由單一向多層結(jié)構(gòu)發(fā)展；通過(guò)業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)空間資源分配和調(diào)用，可實(shí)現(xiàn)天基骨干網(wǎng)動(dòng)態(tài)接入，滿(mǎn)足高速率、高帶寬、高可靠性等業(yè)務(wù)需求；運(yùn)用激光技術(shù)能輔助解決遠(yuǎn)距離、高速率傳輸?shù)膯?wèn)題。此外，還比較了現(xiàn)有的多種無(wú)線(xiàn)通信多址接入方式，指出了天基網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：天基網(wǎng)絡(luò)；接入；動(dòng)態(tài)；趨勢(shì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2016） 04-0034-005

隨著信息共享無(wú)縫覆蓋需求的日益增長(zhǎng)和多種業(yè)務(wù)需求的急劇增加，現(xiàn)有地面無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)已然無(wú)法滿(mǎn)足要求。在商業(yè)需求和軍事需求的雙重影響下，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)概念模型應(yīng)運(yùn)而生，因此天基網(wǎng)絡(luò)相關(guān)概念及技術(shù)的研究就變得尤為重要。

1 天基網(wǎng)絡(luò)概述

由于業(yè)務(wù)需求日益增大，業(yè)務(wù)種類(lèi)逐漸豐富，未來(lái)的天基信息網(wǎng)絡(luò)將由不同軌道高度的衛(wèi)星組成，如地球同步軌道（GEO）衛(wèi)星、低軌道（LEO）衛(wèi)星、中軌道（MEO）衛(wèi)星、高軌道（HEO）衛(wèi)星等。同時(shí)針對(duì)不同的業(yè)務(wù)類(lèi)型，天基網(wǎng)絡(luò)的主要業(yè)務(wù)承載體將由中繼、遙感、通信、導(dǎo)航定位等衛(wèi)星系統(tǒng)及高空平臺(tái)和飛行器組成。根據(jù)空間信息資源的最大有效綜合利用原則，構(gòu)成有機(jī)的，功能完備的智能化網(wǎng)絡(luò)體系，即天基綜合信息網(wǎng)，如圖1和圖2所示。

2 天基網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 天基網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀

美國(guó)的發(fā)展水平處于世界領(lǐng)先地位，在進(jìn)入空間和利用空間領(lǐng)域里具有絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，擁有完整的天基偵察、預(yù)警、通信系統(tǒng)，并在繼續(xù)發(fā)展新技術(shù)以滿(mǎn)足未來(lái)的探測(cè)、覆蓋、通信、目標(biāo)特性及定位精度的需求[1]。幾種具有代表性的美國(guó)軍事衛(wèi)星系統(tǒng)為：窄帶通信能力—移動(dòng)用戶(hù)目標(biāo)系統(tǒng)（MOUS），保密通信能力—先進(jìn)極高頻衛(wèi)星系統(tǒng)（AEHF），寬帶通信能力—“寬帶全球衛(wèi)星通信”系統(tǒng)（WGS），數(shù)據(jù)中繼能力—跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（TDRSS），星際組網(wǎng)能力—轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)（TSAT）。

經(jīng)過(guò)幾十年尤其近年來(lái)的發(fā)展，中國(guó)在天基信息系統(tǒng)建設(shè)方面取得了巨大的進(jìn)步，已初步建立了衛(wèi)星群路通信網(wǎng)，甚小口徑天線(xiàn)地球站（VSAT）衛(wèi)星通信網(wǎng)，C頻段衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)，S頻段航天測(cè)控網(wǎng)，戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)通信系統(tǒng)等多個(gè)空間通信網(wǎng)系，在軌和在研的衛(wèi)星種類(lèi)不斷增加，載荷類(lèi)型和功能也日臻完善?！皷|方紅”系列衛(wèi)星，以“北斗”為首的定位導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，以“天鏈”為首的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，甚至哈爾濱工業(yè)大學(xué)近幾年發(fā)射的小衛(wèi)星-紫丁香衛(wèi)星，無(wú)不象征著中國(guó)衛(wèi)星通信的飛速發(fā)展。但由于空間技術(shù)發(fā)展的歷史問(wèn)題和戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用衛(wèi)星的特殊性，總的來(lái)說(shuō)，當(dāng)前中國(guó)的天基信息系統(tǒng)在發(fā)展理念和規(guī)模，理論和技術(shù)水平以及應(yīng)用層度和深度仍然面臨很多問(wèn)題。

2.2 接入技術(shù)研究現(xiàn)狀

接入控制屬于無(wú)線(xiàn)資源管理（RRM）的范疇。RRM技術(shù)直接關(guān)系到移動(dòng)用戶(hù)的服務(wù)質(zhì)量和通信系統(tǒng)的性能，其功能是為需要通信的用戶(hù)選擇一個(gè)合適的衛(wèi)星波束，以及在波束中分配信道，確定用戶(hù)以及衛(wèi)星的發(fā)射功率等[2]。

美國(guó)在20世紀(jì)末成功部署了TDRSS，其中，多址接入技術(shù)是TDRSS的重中之重，發(fā)展演變歷程共有3個(gè)階段：

（1）第一代TDRSS系統(tǒng)的多址體制為空分多址（SDMA）結(jié)合碼分多址（CDMA）方式，星上采用一個(gè)S頻段多址相控天線(xiàn)，具有30個(gè)陣元，全部用作接收陣列，發(fā)射陣列由其中的12個(gè)具有收發(fā)雙工性能的陣元承擔(dān)，在通信過(guò)程中，只需24個(gè)接收陣元、8個(gè)發(fā)射陣元即可達(dá)到TDRSS通信要求[3]。其中，每個(gè)波束的用戶(hù)采用基于偽噪聲（PN）的碼分多址技術(shù)，最大速率可達(dá)到50 kbit/s。其空分多址的波束形成是在地面完成的，各個(gè)天線(xiàn)單元接收到返向鏈路的信號(hào)，經(jīng)過(guò)低噪放等處理過(guò)程送給星上處理器，并將信號(hào)頻分復(fù)用（頻點(diǎn)間隔設(shè)置為7.5 MHz）后形成中頻信號(hào)，再通過(guò)上變頻處理將信號(hào)從K頻段傳輸下去送給地面基站，在地面接收到多個(gè)陣元的信號(hào)進(jìn)行波束形成。

（2）第二代TDRSS系統(tǒng)星上采用的多址天線(xiàn)為S頻段六角形相控陣模式，且因?yàn)樾巧闲纬刹ㄊ?，天線(xiàn)增益提高約6 dB，返向鏈路為32條，前向鏈路為15條，系統(tǒng)增強(qiáng)了多址業(yè)務(wù)返向能力，占用2.0～2.3 GHz波段進(jìn)行多址訪(fǎng)問(wèn)，前向鏈路數(shù)據(jù)傳輸率為300 kbit/s，并能以傳輸速率3 Mbit/s 同時(shí)接收5個(gè)用戶(hù)星的信息[4]。

（3）空天信息網(wǎng)絡(luò)第三代TDRSS完成了空間對(duì)接、高覆蓋率和返回著陸等方面的衛(wèi)星測(cè)控任務(wù)，并能夠做到對(duì)于圖像信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，關(guān)于其多址鏈路技術(shù)，最近美國(guó)提出了按需接入的第三代中繼衛(wèi)星地面合成方案，第三代多波束合成方案采用地面接收數(shù)字波束合成（DBF）技術(shù)，可滿(mǎn)足更多用戶(hù)按需接址的通信要求[5]。

Hiroki Nishiyama和Daigo Kudoh等人總結(jié)了不同的路由協(xié)議，并對(duì)其進(jìn)行了分析[6]。在多層衛(wèi)星路由中，衛(wèi)星鏈路狀態(tài)信息發(fā)送到GEO并更新衛(wèi)星的路由表并發(fā)送給LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星傳輸?shù)紾EO衛(wèi)星。通過(guò)采用集中控制機(jī)制，不僅可以最小化生成路由表的時(shí)延，而且減少了信令傳輸和路由計(jì)算的開(kāi)銷(xiāo)。MEO和LEO衛(wèi)星星座雙層網(wǎng)絡(luò)的一種路由協(xié)議為衛(wèi)星組路由協(xié)議（SGRP）中，MEO和LEO衛(wèi)星星座的作用是分開(kāi)的，通信流量只通過(guò)LEO衛(wèi)星發(fā)送，MEO衛(wèi)星負(fù)責(zé)路由控制、衛(wèi)星組網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)管理工作。

為了提高性能，降低切換請(qǐng)求到達(dá)率，同時(shí)考慮到低軌衛(wèi)星通信的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[7]首先提出了多星覆蓋下接入的三種策略，即距離優(yōu)先、覆蓋時(shí)間優(yōu)先和仰角加權(quán)覆蓋時(shí)間優(yōu)先。

由于全球業(yè)務(wù)分布不均勻，為了避免部分衛(wèi)星負(fù)荷過(guò)載，文獻(xiàn)[8-9]提出融合最短距離策略、最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間方案和最多空閑信道方案，并得到對(duì)新呼叫使用最多空閑信道方案及對(duì)切換呼叫使用最長(zhǎng)服務(wù)時(shí)間方案能取得更好的系統(tǒng)性能的結(jié)論。文獻(xiàn)[10]針對(duì)具有均勻分布特性的Walker星座系統(tǒng)的衛(wèi)星選擇策略進(jìn)行研究，進(jìn)而提出了五種準(zhǔn)則：即可視時(shí)間準(zhǔn)則、衛(wèi)星信道負(fù)荷準(zhǔn)則、仰角準(zhǔn)則、滿(mǎn)足信道負(fù)荷要求的可視時(shí)間準(zhǔn)則和早期信道釋放可視時(shí)間準(zhǔn)則，并對(duì)其中幾種組合進(jìn)行了仿真分析。文獻(xiàn)[11]利用多普勒頻移效應(yīng)及衛(wèi)星幾何關(guān)系求出衛(wèi)星發(fā)生切換的時(shí)間和位置，通過(guò)計(jì)算終端位置，提供通信服務(wù)的衛(wèi)星就可以導(dǎo)出目的衛(wèi)星并進(jìn)行信道資源的預(yù)留，這樣就能為切換呼叫提供一定的服務(wù)質(zhì)量（QoS）保證。文獻(xiàn)[12]基于采用可變數(shù)目的保護(hù)信道，提出一種自適應(yīng)信道預(yù)留策略。文獻(xiàn)[13]基于用戶(hù)地理位置來(lái)估計(jì)切換可能發(fā)生的次數(shù)，提出自適應(yīng)信道分配策略。

3 天基網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)接入技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

傳統(tǒng)接入方式在很多情況下都有自身的缺點(diǎn)，容易造成信道資源的浪費(fèi)或者端到端時(shí)延的增大，特別是用戶(hù)處于高速移動(dòng)的過(guò)程中，業(yè)務(wù)收發(fā)需要通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行傳送。實(shí)際應(yīng)用中的上下行鏈路帶寬、誤碼率、發(fā)射速率也會(huì)造成一定的條件限制[14]。

3.1 單層網(wǎng)絡(luò)到多層網(wǎng)絡(luò)

不同軌道高度衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性將造成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一種動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)。不同軌道高度的衛(wèi)星可提供的服務(wù)差異很大。

單層衛(wèi)星動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)主要是由單一軌道的不同高度的衛(wèi)星所構(gòu)成。單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)暴露出很多缺點(diǎn)，比如時(shí)延指標(biāo)過(guò)高、網(wǎng)絡(luò)阻塞概率大、網(wǎng)絡(luò)抗毀性差。多層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)是由不同軌道的衛(wèi)星所組成。在時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)阻塞、網(wǎng)絡(luò)抗毀性等方面，多層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)比單層衛(wèi)星動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)[15]具有更優(yōu)越的性能。為實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的信息共享，天基網(wǎng)絡(luò)將由不同高度軌道的衛(wèi)星組成，以滿(mǎn)足天基信息網(wǎng)的要求。

3.2 骨干網(wǎng)接入

目前，通常采用具備星地、星間通信能力的空間移動(dòng)通信系統(tǒng)作為高數(shù)據(jù)率傳輸?shù)闹鞲删W(wǎng)，各類(lèi)衛(wèi)星（星座）、地面固定、車(chē)載、機(jī)載、艦載等應(yīng)用子網(wǎng)接入的方式來(lái)構(gòu)成應(yīng)用信息系統(tǒng)[16]。但是，基于覆蓋的需求及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，天基骨干網(wǎng)應(yīng)為具有高數(shù)據(jù)率傳輸能力的GEO或GEO/LEO組成。因此，未來(lái)骨干網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)是由業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)空間資源的分配并合理調(diào)用衛(wèi)星資源，以適應(yīng)未來(lái)面向地面第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)及高速、高帶寬、高可靠性的業(yè)務(wù)需求，從而對(duì)接入技術(shù)及空中接口提出了更高的要求。

3.3 微波為主激光為輔

目前，天基骨干網(wǎng)的主要通信方式為微波通信，目前微波頻帶已接近其理論可利用的極限。光波頻率較微波基頻高，可達(dá)到數(shù)百THz量級(jí)的通信帶寬，且具有抗干擾、抗截獲能力強(qiáng)，保密性好以及輕小型等優(yōu)勢(shì)，將成為天基信息網(wǎng)絡(luò)中支持遠(yuǎn)距離、高速率傳輸?shù)闹匾侄?。但激光技術(shù)也存在著一些尚未解決的問(wèn)題，大力發(fā)展微波為主，激光為輔的星間/星地通信。

4 多址技術(shù)

現(xiàn)有的無(wú)線(xiàn)通信的多址接入方法及其特點(diǎn)如圖3所示。我們將其分成了兩類(lèi)，一類(lèi)是多址接入技術(shù)的融合，分為單路單載波（SCPC）/按需分配多址接入技術(shù)（DAMA）、多頻時(shí)分多址接入（MF-TDMA）/按需帶寬運(yùn)用（BOD）、正交頻分復(fù)用（OFDM）/偏置正交幅度調(diào)制（OQAM）、混疊頻分/碼分多址（O-FCDMA）[17]；另外一類(lèi)是非正交多址技術(shù)，主要有非正交多址接入技術(shù)（NOMA）、多用戶(hù)共享接入（MUSA）、稀疏碼多址接入（SCMA）及基于非正交特征圖樣的圖樣分割多址接入技術(shù)（PDMA）。

4.1按需接入

對(duì)稀疏路由通信環(huán)境，用戶(hù)站比較分散，若采用業(yè)務(wù)控制點(diǎn)（SCP）、傳統(tǒng)頻分多址接入（FDMA）那樣的固定分配方式將會(huì)浪費(fèi)空間衛(wèi)星資源，為此，采用DAMA方式來(lái)提高效率。這種方式可以在依次呼叫的基礎(chǔ)上建立衛(wèi)星鏈路，大量的用戶(hù)站按需使用衛(wèi)星容量，使空間資源得到很好的利用。DAMA用于FDMA稱(chēng)為DA/FDMA；用于時(shí)分多址接入（TDMA）稱(chēng)為DA/TDMA或SCPC/DAMA。

DAMA是一種稀路由公共交換網(wǎng)服務(wù)的方案，其采用了“池”技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信道資源的共享，在網(wǎng)絡(luò)管理控制中心（NMCC）采用集中控制方式下分配可用信道，建立鏈路的連接。使用完畢的信道則重新進(jìn)行分配，這樣則實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星信道和地面站信道之間是一種隨機(jī)的分配方法，能夠提高信道的利用率。從技術(shù)上分析，它是以頻分方式分離控制和業(yè)務(wù)信道的。網(wǎng)絡(luò)管理控制中心的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被稱(chēng)為NCS，其發(fā)向遠(yuǎn)程地面站（業(yè)務(wù)站）的連續(xù)數(shù)據(jù)是發(fā)在OCC上。

4.2組合自由/按需分配多址接入

組合自由/按需分配多址接入（CFDAMA）的基本思想是將帶寬預(yù)分配給請(qǐng)求終端。有3種分配方式：預(yù)先分時(shí)隙、隨機(jī)接入時(shí)隙或在分組尾部攜帶請(qǐng)求信息。同時(shí)，對(duì)于剩余容量采用輪詢(xún)方式進(jìn)行合理分配，節(jié)省突發(fā)業(yè)務(wù)預(yù)約時(shí)間。在CFDAMA協(xié)議的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生了一種演進(jìn)協(xié)議即PRR-CFDAMA[18]。

4.3 非正交多址接入

2014年，日本著名通信運(yùn)營(yíng)研發(fā)商N(yùn)TT DOCOMO正式提出非正交多址接入（NOMA）技術(shù)。其目的就是為了在滿(mǎn)足用戶(hù)體驗(yàn)需求的前提下，更加高效的利用頻譜資源，并為以后部署覆蓋范圍更小的小區(qū)提供理論基礎(chǔ)。NOMA在發(fā)送端主動(dòng)引入干擾信息，并通過(guò)串行干擾刪除或迭代檢測(cè)，重構(gòu)出干擾信號(hào)，然后消除干擾，提高接收機(jī)性能。其基本思想是利用提高接收機(jī)的復(fù)雜度來(lái)?yè)Q取頻譜效率的提升，那么如何設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的接收機(jī)算法則成為該技術(shù)的難點(diǎn)問(wèn)題。

4.4 稀疏碼多址接入

在發(fā)送端通過(guò)多維調(diào)制和稀疏擴(kuò)頻將編碼比特映射成SCMA碼字，接收端通過(guò)多用戶(hù)檢測(cè)完成譯碼。在多用戶(hù)場(chǎng)景下，SCMA與OFDMA技術(shù)相比可以實(shí)現(xiàn)在同等資源數(shù)量條件下，系統(tǒng)整體容量的提升。SCMA采用的是低密擴(kuò)頻碼，因?yàn)榈兔軘U(kuò)頻碼中有部分零元素，碼字結(jié)構(gòu)具有明顯的稀疏性，這也是SCMA技術(shù)命名的由來(lái)。這種稀疏特性的優(yōu)點(diǎn)是可以使接收端采用復(fù)雜度較低的消息傳遞算法和多用戶(hù)聯(lián)合迭代法，從而實(shí)現(xiàn)近似多用戶(hù)最大似然解碼。

以上的接入方法各具優(yōu)勢(shì)，然而，天基網(wǎng)絡(luò)具有的高動(dòng)態(tài)、時(shí)延及移動(dòng)性問(wèn)題，將給天基網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)提出較大挑戰(zhàn)。

5結(jié)束語(yǔ)

我們對(duì)天基網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)接入技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并分析了目前幾種先進(jìn)多址接入技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)。因?yàn)樘旎W(wǎng)絡(luò)具有的動(dòng)態(tài)拓?fù)?、時(shí)延及移動(dòng)性等問(wèn)題，天基網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)接入技術(shù)將是衛(wèi)星通信方向研究的一大熱點(diǎn)，中國(guó)在該領(lǐng)域和發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有較大差距，因此開(kāi)展天基網(wǎng)絡(luò)相關(guān)接入技術(shù)及方法的研究，應(yīng)當(dāng)首先在天基網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略及多種業(yè)務(wù)需求下展開(kāi)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。

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