分布式空間系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)綜述

朱振才 張晟宇 胡海鷹

(中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

分布式空間系統(tǒng)是指2顆及2顆以上衛(wèi)星部署在同一個(gè)或多個(gè)軌道上，通過(guò)相互協(xié)同完成特定的空間任務(wù)，實(shí)現(xiàn)更有價(jià)值的空間系統(tǒng)[1]。文獻(xiàn)[2]中對(duì)于星座、星群和編隊(duì)曾經(jīng)做過(guò)定義和辨析，文獻(xiàn)[3]中也對(duì)分布式空間系統(tǒng)給出了一個(gè)分類。目前，分布式空間系統(tǒng)還未完全形成一個(gè)受到各界普遍認(rèn)可的類型劃分。根據(jù)其空間分布尺度、任務(wù)目標(biāo)、系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星同構(gòu)性、衛(wèi)星間的協(xié)同程度，可分為星座、空間編隊(duì)(跟隨、星簇和星群)、分散式衛(wèi)星系統(tǒng)和聯(lián)合式衛(wèi)星系統(tǒng)。

目前，利用微小衛(wèi)星構(gòu)成空間編隊(duì)和星座的應(yīng)用模式越來(lái)越廣泛，例如以立方體衛(wèi)星創(chuàng)業(yè)的行星(Planet)商業(yè)公司已經(jīng)擁有超過(guò)300顆可進(jìn)行可見(jiàn)光與多光譜對(duì)地觀測(cè)的龐大星座，而一網(wǎng)(OneWeb)公司則要利用超過(guò)1000顆的100多千克小衛(wèi)星組成覆蓋全球的寬帶網(wǎng)絡(luò)。以美國(guó)為代表的航天強(qiáng)國(guó)為了應(yīng)對(duì)未來(lái)復(fù)雜的空間態(tài)勢(shì)，也在積極地推進(jìn)空間系統(tǒng)的彈性化發(fā)展。其中，一個(gè)重要的思路就是采用多顆小衛(wèi)星取代過(guò)去單顆大衛(wèi)星所實(shí)現(xiàn)的功能，因?yàn)檫@樣既能降低成本，又能降低系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)。這些計(jì)劃的發(fā)展，需要星間組網(wǎng)技術(shù)作為空間信息的基礎(chǔ)支撐，讓多顆小衛(wèi)星之間通過(guò)協(xié)同實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)目標(biāo)。

本文對(duì)空間分布式系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)及其應(yīng)用特點(diǎn)進(jìn)行分析，建議未來(lái)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注可預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的中超大規(guī)模星座組網(wǎng)技術(shù)與精密編隊(duì)組網(wǎng)控制一體化技術(shù)，自組織網(wǎng)絡(luò)的低開(kāi)銷高性能及自適應(yīng)性。

1 分布式空間系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)

根據(jù)空間拓?fù)鋭?dòng)態(tài)和任務(wù)數(shù)據(jù)類型的不同，分布式空間系統(tǒng)在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下需要采用不同的組網(wǎng)技術(shù)[4]。整體上，可以將分布式空間系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)分為兩類：一是拓?fù)潢P(guān)系與任務(wù)固定或者高度周期性變化的可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)；二是空間拓?fù)渑c任務(wù)不固定、關(guān)系呈動(dòng)態(tài)變化的不可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)，也稱為自組織組網(wǎng)技術(shù)[5-6]。

1.1 可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)

可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)已在當(dāng)前的在軌系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用，如“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)、“北斗”二代導(dǎo)航系統(tǒng)等。其應(yīng)用系統(tǒng)與技術(shù)特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)量基本穩(wěn)定，每顆衛(wèi)星具有固定的星間鏈路數(shù)量。

(2)系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星之間的拓?fù)潢P(guān)系處于固定關(guān)系或者高度周期性變化關(guān)系，星間鏈路的指向變化與連接時(shí)間可以進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

(3)不支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化，系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星不支持星間鏈路數(shù)量的變化。

(4)物理層和鏈路層的星間鏈路技術(shù)以能量集中、指向要求高的點(diǎn)波束為主，微波現(xiàn)在以Ka頻段為主，并向著更高頻段發(fā)展，激光鏈路技術(shù)也逐漸成熟。

(5)組網(wǎng)尺度較大，可超過(guò)1000 km。

(6)以面向不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)為主要研究?jī)?nèi)容。

可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在業(yè)務(wù)運(yùn)行的大型星座和對(duì)編隊(duì)控制精度較高的星簇中。以“銥”衛(wèi)星為例，通過(guò)一個(gè)66顆衛(wèi)星的極軌π型Walker星座實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的移動(dòng)通信覆蓋。在這類星座中，軌道面采取空間上的均勻分布，每個(gè)軌道面上的衛(wèi)星也均勻分布，相鄰軌道之間的衛(wèi)星相位差也通過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)保持一定的相位關(guān)系。圖1為可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)與可見(jiàn)性分析。圖1(b)中：連續(xù)橫實(shí)線表示永久可見(jiàn)鏈路；有豎線的連續(xù)橫實(shí)線表示有短暫間斷的鏈路；連續(xù)橫虛線的實(shí)線部分表示鏈路的可見(jiàn)時(shí)段，中間空白部分表示不可見(jiàn)時(shí)段。

(a)“銥”衛(wèi)星星座

(b)星座可見(jiàn)性分析圖1 可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)與可見(jiàn)性分析Fig.1 Predictable networking technology and access analysis

在“銥”衛(wèi)星星座中，每顆衛(wèi)星擁有固定的4條星間鏈路，同一個(gè)軌道面上的2條星間鏈路保持永久連接，指向相鄰軌道面的2條星間鏈路周期性切換，切換時(shí)間表由地面提前根據(jù)星歷計(jì)算上注?；诟叨却_定性的拓?fù)潢P(guān)系，“銥”衛(wèi)星可以采用較小波束的Ka頻段鏈路實(shí)現(xiàn)較高速率的星間數(shù)據(jù)傳輸能力，并大大降低鏈路切換帶來(lái)的通信影響。

在網(wǎng)絡(luò)層，“銥”衛(wèi)星星座采用星上的電路交換與處理轉(zhuǎn)發(fā)，基于確定可預(yù)測(cè)的星座拓?fù)渥兓瘜?shí)現(xiàn)星上的路由策略與星座管理?！般灐毙l(wèi)星在接收機(jī)收到射頻信號(hào)后，經(jīng)過(guò)調(diào)碼/譯碼獲得幾代信息，在這個(gè)過(guò)程中對(duì)信息進(jìn)行在軌處理，完成存儲(chǔ)、交換等，再按照路由策略和控制信令，將信號(hào)交換到相應(yīng)的鏈路，調(diào)制后由發(fā)射機(jī)交由下一顆衛(wèi)星。

以精確控制為主的空間編隊(duì)星簇組網(wǎng)技術(shù)，也屬于可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)。星簇的節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星之間采用高精度的相對(duì)位置測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的測(cè)量，同時(shí)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的拓?fù)渥兓艿絿?yán)格的控制，因此系統(tǒng)的拓?fù)渥兓幱谕耆]環(huán)的控制中。類地行星搜尋者-1(TPF-1)就屬于這類編隊(duì)[7-8]：其目標(biāo)是通過(guò)精密的空間編隊(duì)虛擬一個(gè)基線更長(zhǎng)、能力更強(qiáng)的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；組網(wǎng)的特點(diǎn)是通信測(cè)量一體化組網(wǎng)技術(shù)，科學(xué)數(shù)據(jù)與控制信息高度耦合[9]；鏈路可保證更加精確的指向，而路由策略是基于科學(xué)任務(wù)目標(biāo)對(duì)極高精度編隊(duì)提出的控制要求實(shí)現(xiàn)，組網(wǎng)技術(shù)針對(duì)性強(qiáng)，組網(wǎng)難度主要在精確編隊(duì)信息。

1.2 自組織組網(wǎng)技術(shù)

1.2.1 自組織組網(wǎng)場(chǎng)景及技術(shù)特點(diǎn)分析

自組織組網(wǎng)技術(shù)主要應(yīng)用在空間拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與數(shù)量不確定的分布式空間系統(tǒng)中。這類系統(tǒng)包括編隊(duì)中比較松散的星群、F6(Future, Fast, Flexible, Fractionated, Free-Flying)這樣的分散式衛(wèi)星系統(tǒng)、大規(guī)模異構(gòu)星群及聯(lián)合式衛(wèi)星系統(tǒng)[10-11]。面向動(dòng)態(tài)環(huán)境的自組織組網(wǎng)技術(shù)，其特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面。

(1)系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星的數(shù)量動(dòng)態(tài)變化，沒(méi)有固定的星間鏈路。

(2)系統(tǒng)內(nèi)衛(wèi)星之間的拓?fù)潢P(guān)系處于高度動(dòng)態(tài)中，不具備周期性，可連接的鏈路不確定，連接指向也不確定。

(3)支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量的變化，支持星間鏈路數(shù)量的變化。

(4)物理層和鏈路層技術(shù)主要面向不確定性的連接，以更大波束覆蓋與自主接入的自適應(yīng)鏈路技術(shù)為發(fā)展方向。

(5)組網(wǎng)的空間尺度較小，單星的組網(wǎng)能力在十公里量級(jí)，可通過(guò)組網(wǎng)多跳實(shí)現(xiàn)較大尺度組網(wǎng)。

(6)網(wǎng)絡(luò)層以Ad hoc、傳感器網(wǎng)絡(luò)等面向不同應(yīng)用的自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議為主。

自組織組網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，適應(yīng)不同的空間應(yīng)用場(chǎng)景與高度的動(dòng)態(tài)環(huán)境。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用類型的不同，主要包括的組網(wǎng)類型有Ad hoc網(wǎng)絡(luò)、空間傳感器網(wǎng)絡(luò)、空間Mesh網(wǎng)絡(luò)。

Ad hoc網(wǎng)絡(luò)具有無(wú)中心和自組織性、動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、受限和時(shí)變的無(wú)線、傳輸帶寬有限、多跳路由、能量受限和安全性較差等特點(diǎn)，主要應(yīng)用于非精密編隊(duì)的星群和聯(lián)合式衛(wèi)星系統(tǒng)中。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)不需要基礎(chǔ)設(shè)施的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)[12]中提出基于Ad hoc的大尺度空間組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)的星際多跳鏈接。Ad hoc網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以隨意的接入和離開(kāi)，提高了系統(tǒng)的靈活性，也增加了空間系統(tǒng)信息安全的不確定性[13]。對(duì)于聯(lián)合式衛(wèi)星系統(tǒng)，Ad hoc組網(wǎng)技術(shù)有著較大的應(yīng)用潛力[14]。

空間傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以數(shù)據(jù)傳輸為主要業(yè)務(wù)，網(wǎng)絡(luò)資源與路由完全服務(wù)于數(shù)據(jù)向用戶的傳輸。由NASA提出的“愛(ài)迪生小衛(wèi)星組網(wǎng)驗(yàn)證”(EDSN)系統(tǒng)，原計(jì)劃(后發(fā)射失敗，未能在軌驗(yàn)證)發(fā)射8顆1.5U的立方體衛(wèi)星，完成以空間環(huán)境輻射變化探測(cè)為科學(xué)牽引的空間小衛(wèi)星組網(wǎng)驗(yàn)證。EDSN系統(tǒng)是典型的空間傳感器網(wǎng)絡(luò)[15]，系統(tǒng)中包含一顆主星(Captain)和7顆子星(Lieutenant)，由7顆子星進(jìn)行空間環(huán)境探測(cè)，然后將數(shù)據(jù)匯聚到主星，再由主星向地面?zhèn)鬏?。衛(wèi)星間的傳輸距離約為20 km，傳輸速率為9.6 kbit/s(采用AX.25 協(xié)議)。其特點(diǎn)是傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能量有限，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能量也是受限的，傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、密度高。以數(shù)據(jù)為中心，動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化見(jiàn)圖2。

圖2 空間傳感器網(wǎng)的主要拓?fù)漕愋虵ig.2 Main topologies of space sensor network

美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)提出的F6計(jì)劃，通過(guò)模塊化分離的單體，在空間無(wú)線組網(wǎng)與能量無(wú)線傳輸技術(shù)的基礎(chǔ)上完成單顆大衛(wèi)星的彈性化轉(zhuǎn)變。F6這種典型的分散式系統(tǒng)，由于具有衛(wèi)星內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與星間的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[16]，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中有節(jié)點(diǎn)作為基礎(chǔ)設(shè)施，因此應(yīng)屬于Mesh網(wǎng)絡(luò)(見(jiàn)圖3)。Mesh網(wǎng)絡(luò)支持Ad hoc網(wǎng)絡(luò)，具有自形成、自恢復(fù)和自組織特點(diǎn)，在節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，其部分功能可由其他模塊替代。Mesh路由器沒(méi)有移動(dòng)性，可以完成復(fù)雜的路由和配置，大大減小Mesh終端和客戶端的負(fù)載。在F6系統(tǒng)中，部分節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)主要的路由與信令，為次一級(jí)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

(a)典型空間Mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

(b)Mesh網(wǎng)絡(luò)星間鏈路注：圖(b)中，紫線表示軌道，黃線表示通信鏈路。圖3 衛(wèi)星Mesh網(wǎng)絡(luò)的典型拓?fù)銯ig.3 Typical satellite Mesh topology

1.2.2 自組織組網(wǎng)技術(shù)中的分批稀疏編碼技術(shù)

在分布式自組織空間組網(wǎng)中，隨著組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加和節(jié)點(diǎn)的小型化，實(shí)際的星間鏈路高度動(dòng)態(tài)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟草^復(fù)雜。同時(shí)，由于節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的資源有限，亟需一種對(duì)資源要求較低、對(duì)傳輸效能有效提升的組網(wǎng)技術(shù)。空間傳感器網(wǎng)絡(luò)等空間分布式系統(tǒng)，由于采用立方體衛(wèi)星或者芯片衛(wèi)星，節(jié)點(diǎn)的資源有限，星間鏈路的丟包率較高。丟包導(dǎo)致源節(jié)點(diǎn)要大量重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，大大降低了多節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)效能。

在文獻(xiàn)[17]中提出的分批稀疏編碼(BATS Coding)，針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中存在丟包現(xiàn)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。分批稀疏編碼由外碼和內(nèi)碼組成，外碼是噴泉碼，內(nèi)碼是隨機(jī)線性編碼，因此分批稀疏編碼兼具復(fù)雜度低和開(kāi)銷小，同時(shí)對(duì)丟包較大并且有多跳累計(jì)丟包的場(chǎng)景具有很好的抗丟包特性，在空間分布式組網(wǎng)中具有較大的潛力。

分批稀疏編碼的應(yīng)用包括編碼、傳輸和解碼3個(gè)過(guò)程。有K個(gè)需要編碼的數(shù)據(jù)包，確定一個(gè)有限域Fq，n為分批數(shù)量，每批包含M個(gè)數(shù)據(jù)包，整數(shù)K，n，M>0。編碼后得到n個(gè)分批為X1，X2，…，Xn，可表示為

Xi=BiGi

(1)

式中：Gi為第i個(gè)分批生成的矩陣；Bi包含原始數(shù)據(jù)包，見(jiàn)圖4，如果Bi包含di個(gè)原始數(shù)據(jù)包，則稱di為分批Xi的度。

在傳輸過(guò)程中(見(jiàn)圖5)存在丟包現(xiàn)象，抵達(dá)中間節(jié)點(diǎn)的分批不大于M。在每個(gè)中間節(jié)點(diǎn)，將同屬于相同分批的數(shù)據(jù)包進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編碼，繼續(xù)傳輸。令M行的隨機(jī)矩陣Hi為中間節(jié)點(diǎn)的傳輸矩陣，Yi為接收端接收到的信息，則有

Yi=XiHi=BiGiHi

(2)

圖4 分批稀疏編碼Fig.4 BATS coding

圖5 分批稀疏編碼傳輸過(guò)程Fig.5 BATS coding transmission process

分批稀疏協(xié)議棧的分層與Internet協(xié)議棧類似，但是傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層的操作與傳輸控制協(xié)議(TCP)/IP完全不同。在應(yīng)用層，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)想要通信時(shí)，在源節(jié)點(diǎn)接收到發(fā)送文件的傳輸要求后，文件從傳輸層開(kāi)始處理。圖6為分批稀疏協(xié)議棧示意。

源節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在傳輸層同時(shí)工作，主要功能是與外碼相關(guān)。源節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編碼而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行解碼。源節(jié)點(diǎn)接到文件發(fā)送請(qǐng)求后開(kāi)始生成分批稀疏碼，然后發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)層。而在目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，是從網(wǎng)絡(luò)層接收分批，然后在傳輸層開(kāi)始對(duì)接收到的分批進(jìn)行解碼。當(dāng)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)解碼成功地解出完整的代碼后，傳輸層會(huì)向應(yīng)用層發(fā)送文件，向網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送成功解碼的反饋信息后通過(guò)星間鏈路返回到源節(jié)點(diǎn)。

在鏈路層不需要頻繁地發(fā)送反饋信息，所以鏈路層可以建立其他的反饋機(jī)制，例如對(duì)丟包率的估計(jì)，用于記錄數(shù)據(jù)包的大小。對(duì)于物理層來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的衛(wèi)星間的傳輸需要為鏈路的可靠預(yù)留足夠的鏈路余量。而在應(yīng)用分批稀疏編碼之后，衛(wèi)星間的傳輸可以承受更大的丟包率，因此可以降低通信的功耗，或者延長(zhǎng)通信的距離。

圖6 分批稀疏協(xié)議棧示意Fig.6 BATS protocol stack

利用分批稀疏編碼進(jìn)行空間組網(wǎng)的仿真，選取多簇的分布式組網(wǎng)場(chǎng)景進(jìn)行分析(見(jiàn)圖7)，并在場(chǎng)景中隨機(jī)選取匯聚節(jié)點(diǎn)，該場(chǎng)景下需要采用一種混合的路由策略進(jìn)行星群的管控。在任務(wù)初始階段，首先建立匯聚節(jié)點(diǎn)與簇頭管理節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定鏈路，一般情況下不允許簇頭與匯聚節(jié)點(diǎn)間存在多跳，如果必須多跳，那么要保障面向路徑最短的路由策略。簇內(nèi)采用基于樹(shù)與鄰域路由相結(jié)合的路由策略，基于樹(shù)的路由優(yōu)化目標(biāo)是讓從數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)到簇頭節(jié)點(diǎn)的距離最近，跨越的節(jié)點(diǎn)最少。這樣的路由策略可以通過(guò)廣播的通信能力進(jìn)行節(jié)點(diǎn)狀況的管理。在該類型場(chǎng)景下，節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)錁?gòu)型相對(duì)穩(wěn)定，主要的影響來(lái)源于星間鏈路(ISL)角度和傳輸距離導(dǎo)致的通信信道的變化。仿真統(tǒng)計(jì)相同數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)速率下不同平均單跳最大丟包情況下選取不同傳輸策略所需的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，見(jiàn)圖8。采用只基于路由的傳輸方式，隨著單跳丟包率的增加，鏈路上需要重傳的數(shù)據(jù)持續(xù)增加，使完成數(shù)據(jù)傳輸整體需要的時(shí)間快速增加；當(dāng)丟包率超過(guò)30%后，完成傳輸?shù)暮臅r(shí)增加得更多。在采用分批稀疏編碼的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，由中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的再次生成，降低了重傳數(shù)據(jù)，縮短了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間。

圖7 多簇星群在軌示意Fig.7 Multi-cluster in orbit

圖8 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)最大丟包與傳輸時(shí)間的關(guān)系Fig.8 Relationship between max packets loss of tree network and transmission time

2 啟示與建議

隨著空間技術(shù)的發(fā)展，空間分布式系統(tǒng)的組網(wǎng)體現(xiàn)出多樣化的發(fā)展需求。一方面，未來(lái)的星座體現(xiàn)出超大規(guī)模組網(wǎng)的特點(diǎn)；另一方面，異構(gòu)節(jié)點(diǎn)需要快速地進(jìn)行隨遇組網(wǎng)。針對(duì)這些發(fā)展，本文從可預(yù)測(cè)和自組織組網(wǎng)技術(shù)預(yù)測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 可預(yù)測(cè)組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1)超密集星座組網(wǎng)技術(shù)

基于可預(yù)測(cè)組網(wǎng)的最大在軌星座為“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)，組網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)量低于100顆。近年提出的星座計(jì)劃[18]，將在未來(lái)10年內(nèi)部署超過(guò)1000顆衛(wèi)星，“星鏈”(StarLink)更是提出超過(guò)10 000顆衛(wèi)星的組網(wǎng)計(jì)劃。目前，“銥”衛(wèi)星系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)不能滿足超大規(guī)模星座的組網(wǎng)要求，更不適應(yīng)下一代的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)支持極高的傳輸速率，是“銥”衛(wèi)星等當(dāng)前系統(tǒng)能力的數(shù)千倍。同時(shí)，它需要支持同樣千倍于當(dāng)前的用戶數(shù)量。發(fā)展編碼技術(shù)、多址技術(shù)，只能提供有限的提升，無(wú)法滿足下一代的星座組網(wǎng)要求。下一代星座需要發(fā)展超密集的組網(wǎng)技術(shù)，大大提升單顆衛(wèi)星的無(wú)線資源管理能力，滿足多星在有限的時(shí)空實(shí)現(xiàn)對(duì)空間頻率的最大復(fù)用，實(shí)現(xiàn)不同高度衛(wèi)星對(duì)同一區(qū)域的覆蓋無(wú)線資源優(yōu)化，同時(shí)增加匯聚節(jié)點(diǎn)，支持海量節(jié)點(diǎn)的接入。

2)精密編隊(duì)組網(wǎng)控制一體化

隨著激光通信測(cè)距一體化等技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，精密編隊(duì)技術(shù)也在逐步形成通信組網(wǎng)與編隊(duì)控制一體化。精密編隊(duì)控制需要進(jìn)行高頻高精度的星間相對(duì)測(cè)量，再以此進(jìn)行編隊(duì)控制策略的生成。組網(wǎng)通信與控制決策分發(fā)一體化的發(fā)展，將大大簡(jiǎn)化編隊(duì)衛(wèi)星的單星系統(tǒng)組成，提高編隊(duì)的控制精度。

2.2 自組織組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

1)低開(kāi)銷高性能

未來(lái)，大量進(jìn)入空間的衛(wèi)星都是星上通信與計(jì)算資源有限的微納衛(wèi)星，大量衛(wèi)星之間需要通過(guò)高效率數(shù)據(jù)交互實(shí)現(xiàn)分布式系統(tǒng)的高效能。因此，亟需發(fā)展適應(yīng)通信資源有限、不確定空間動(dòng)態(tài)及遠(yuǎn)距離傳輸帶來(lái)的高丟包率等惡劣條件下的組網(wǎng)技術(shù)；發(fā)展像分批稀疏編碼這樣的通過(guò)在不同通信環(huán)境(丟包率)下，結(jié)合平臺(tái)計(jì)算資源，自主進(jìn)行分包大小組網(wǎng)的技術(shù)，它也代表著未來(lái)空間自組織組網(wǎng)的發(fā)展方向。

2)自適應(yīng)性

空間分布式自組織網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)性發(fā)展是非常重要的發(fā)展方向。未來(lái)，空間分布式系統(tǒng)將在更多場(chǎng)景下應(yīng)用，包括深空探測(cè)。面向不同的服務(wù)、配置和場(chǎng)景，越來(lái)越多的任務(wù)需要依靠組網(wǎng)協(xié)同來(lái)完成。同時(shí)，在任務(wù)的不同階段，組網(wǎng)拓?fù)淇赡馨l(fā)生較大變化，自適應(yīng)自主運(yùn)行的自組織組網(wǎng)技術(shù)，是保證分布式系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵。自組織網(wǎng)絡(luò)能在自主節(jié)點(diǎn)配置與動(dòng)態(tài)感知調(diào)整，支持多種底層協(xié)議交互，實(shí)現(xiàn)自配置、自由化，自重構(gòu)。