基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸技術研究綜述

戴翠琴，宋清洋，郭 磊

(1.重慶郵電大學 通信與信息工程學院，重慶 400065;2.東北大學 計算機科學與工程學院，沈陽 110819)

0 引 言

衛(wèi)星通信，被稱為“地球外的中繼(extra-terrestrial relay)通信”，是通信技術、計算機技術和航空航天技術相結合的重要成果，在全球許多領域得到了廣泛的應用。作為空間通信的重要組成部分，衛(wèi)星通信以其戰(zhàn)略性、基礎性和不可替代性，一直都是全球范圍的研究熱點[1-2]。

與地面通信網(wǎng)絡相比，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡主要呈現(xiàn)出3個基本特征：①拓撲結構方面，空間衛(wèi)星節(jié)點不斷運動(非靜止軌道衛(wèi)星)、鏈路長度和通斷關系隨時間動態(tài)變化，使得網(wǎng)絡拓撲呈現(xiàn)出規(guī)律的動態(tài)時變性；②網(wǎng)絡節(jié)點方面，基于衛(wèi)星節(jié)點的中繼協(xié)作，使得信息傳輸呈現(xiàn)出空間多點協(xié)作性；③傳輸鏈路方面，遠距離傳輸使得空間信息傳輸呈現(xiàn)出長時延、大損耗、高誤碼等問題。因此，拓撲的動態(tài)性、節(jié)點的協(xié)作性和鏈路的易斷性使得衛(wèi)星通信網(wǎng)絡動態(tài)時空變化，加劇了傳輸業(yè)務的鏈路切換，導致了空間信息傳輸?shù)淖赃m應性、路由的自優(yōu)化性、網(wǎng)絡的自組織性較差，系統(tǒng)中斷率和誤碼率較高，也使得衛(wèi)星通信網(wǎng)絡一直以來面臨許多亟待解決的技術挑戰(zhàn)，如：網(wǎng)絡架構優(yōu)化和節(jié)點部署問題、動態(tài)拓撲下的星地互聯(lián)互通以及星間通信問題等，這些問題的有效解決需要具有快速、可靠、靈活、穩(wěn)定的傳輸新技術的出現(xiàn)。

近年來，人類對空間資源依賴性和空間探索需求與日俱增，世界各國空間探測計劃逐步展開，特別是星間鏈路(inter satellite link, ISL)的出現(xiàn)和星上處理(on board processing, OBP)功能的日益增強, 使得空間節(jié)點間互聯(lián)、空天地一體化網(wǎng)絡架構成為未來空間信息傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢和必然要求[3-5]。目前，國內(nèi)外針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的研究積累，大多是基于透明轉發(fā)的彎管式衛(wèi)星中繼通信，較少有研究針對具有ISL和OBP功能的衛(wèi)星協(xié)作通信，對該領域的研究尚在探索階段，而空間無線傳輸?shù)拈_放性、復雜性和不確定性，使得現(xiàn)有鏈路傳輸技術不能滿足未來新型空間通信網(wǎng)絡架構下的需求。同時，未來空天地一體化通信網(wǎng)絡還將具有多層立體、動態(tài)時變的特點，拓撲結構的動態(tài)性、復雜性和可擴展性，空間節(jié)點的高速移動性和有限的存儲及處理能力，使得現(xiàn)有空間信息傳輸技術將不能很好地滿足新型空間網(wǎng)絡架構下的通信需求。因此，未來空天地一體化通信的研究方向大致可分為：①新型空間信息網(wǎng)絡體系架構研究，通過多軌多星多空間節(jié)點自主協(xié)同工作、空間節(jié)點間及星地節(jié)點間的高速互聯(lián)，實現(xiàn)空天地一體化的信息協(xié)同傳輸；②空間鏈路傳輸特性研究，不僅需要考慮星間鏈路受自由空間傳播損耗的影響，還要考慮不同軌星間鏈路的持續(xù)通信時間、鏈路距離等空間幾何參數(shù)和鏈路傳輸性能參數(shù)隨時間周期性變化的規(guī)律，甚至隨著臨近空間飛行器的加入，還要考慮不同種類空間節(jié)點的特性，不同的軌道高度、移動性以及電波傳播環(huán)境，會使得不同類型的空間鏈路呈現(xiàn)不同的連通時間和傳輸特性；③空地鏈路傳輸特性研究，除了考慮自由空間傳播損耗，還需考慮大氣吸收損耗、降雨損耗、云霧雪損耗、大氣折射、電離層對流層閃爍、多徑衰落、陰影衰落等多種電波傳播特性的影響，以及地面終端移動性和系統(tǒng)工作頻率越來越高對空地鏈路傳輸特性的影響。

1 基于衛(wèi)星協(xié)作的空間通信網(wǎng)絡

傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡技術成熟、資源豐富，但受地理環(huán)境影響較大。衛(wèi)星網(wǎng)絡中的衛(wèi)星中繼節(jié)點分布在太空中，具有極強的靈活性與極大的覆蓋范圍，以其機動靈活的對地覆蓋能力一直都是應對、處理應急事件的通信主體。當發(fā)生緊急事件和敏感事件時(如：地震洪水等自然災害、恐怖襲擊等人為災害、國家戰(zhàn)略要道的通信保障等)，由于缺乏一體化的信息傳輸基礎設施，使得數(shù)據(jù)下不來、觀測不連續(xù)、反應不及時，無法滿足遠程、及時、連續(xù)的信息傳輸。因此，為了進一步提高信息傳輸?shù)乃俣群唾|(zhì)量，需要基于天地一體化的組網(wǎng)及信息傳輸新技術的出現(xiàn)。

天地一體化網(wǎng)絡，是以地面網(wǎng)絡為基礎、以天基網(wǎng)絡為延伸，覆蓋太空、空中、陸地、海洋等自然空間，為天基、空基、陸基、?；雀黝愑脩舻幕顒犹峁┬畔⒈Ｕ系幕A設施[6-7]。任何網(wǎng)絡都有兩大構成要素：節(jié)點和鏈路。對于天地一體化網(wǎng)絡中的節(jié)點來說，主要可分為4類：①信息獲取節(jié)點；②傳輸分發(fā)節(jié)點；③存儲處理節(jié)點；④用戶終端。其中，傳輸分發(fā)節(jié)點和存儲處理節(jié)點均需要具有信息傳輸、分發(fā)和交換能力，在傳統(tǒng)天地一體化網(wǎng)絡中主要由空間衛(wèi)星中繼節(jié)點完成上述功能。對于天地一體化網(wǎng)絡中的鏈路來說，主要可分為2類：①ISL，指用于衛(wèi)星之間通信的鏈路，實現(xiàn)空間衛(wèi)星節(jié)點之間的信息傳輸與路由；②星地鏈路(satellite-to-ground link,SGL)，指圍繞地球的衛(wèi)星與地球表面的陸地終端間的通信鏈路。

目前，基于空間衛(wèi)星中繼節(jié)點和星地傳輸鏈路的傳統(tǒng)天地一體化網(wǎng)絡的關鍵技術難點有：①網(wǎng)絡要素多樣化、網(wǎng)絡結構立體異構，地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)可以采用成熟的基于IP的互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)互聯(lián)互通，對于衛(wèi)星與衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間，也需要引入IP協(xié)議實現(xiàn)天地的互聯(lián)互通，但是，不同時空結構的異構網(wǎng)絡會給網(wǎng)絡架構、路由和傳輸帶來更大的設計難度；②網(wǎng)絡拓撲時變、傳輸鏈路質(zhì)量迥異，空間信息的間斷傳輸、不穩(wěn)定的鏈路連接也將給空間信息傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性帶來較大的挑戰(zhàn)；③空間任務種類多、業(yè)務一體化難，需要一體化的協(xié)議體系。

近年來，隨著人們對空域信息傳輸?shù)男枨笈c日俱增，傳統(tǒng)基于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡的空間通信逐漸難以滿足人們的需求，不同軌道高度衛(wèi)星組合在一起的多層衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(multilayer satellite network, MLSN)作為一種新的空間網(wǎng)絡形式被提出[8-9]。但是，MLSN依然是基于衛(wèi)星節(jié)點實現(xiàn)的星地傳輸，由于衛(wèi)星所處的軌道高度較高，使得星地間的信息傳輸呈現(xiàn)出距離遠、時延大等傳輸特性。因此，為了滿足人們對高質(zhì)量、低延遲的空間信息傳輸要求，在基于傳統(tǒng)天地一體化的星地傳輸中可以考慮引入“空層(AIR)”節(jié)點(如：飛艇、民航飛機、軍事偵察機等空間飛行器)[10-11]，從而形成基于空天地一體化的空間信息網(wǎng)絡。

2013年6月，Google公司的氣球計劃在新西蘭開展試驗，采用互聯(lián)網(wǎng)技術和30個平流層氣球進行無線組網(wǎng)，實現(xiàn)低成本網(wǎng)絡覆蓋，滯空時間可達100天以上，每個氣球在地面的覆蓋面積為1 200平方公里，接入速率與3G網(wǎng)絡相當，以此來有效補充地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡，滿足用戶隨機接入互聯(lián)網(wǎng)的需求。同時，考慮到無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)的低成本、快速部署、完全可控的移動性以及視線通信鏈路特性，將UAV引入空間通信已變得至關重要，無人機通信網(wǎng)絡與傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面蜂窩網(wǎng)絡構成了一個基于空-天-地的3層異構網(wǎng)絡，通過基于衛(wèi)星和UAV的多空間節(jié)點協(xié)作通信實現(xiàn)空間信息的有效傳遞[12]。文獻[13]提出了一種基于無人機的認知衛(wèi)星地面網(wǎng)絡中協(xié)調(diào)多點傳輸?shù)男陆Y構，通過聯(lián)合優(yōu)化地面基站和空中UAV的發(fā)射功率來更好地分配和管理UAV的飛行軌跡，最大限度地提高地面用戶的可達率。此外，在衛(wèi)星節(jié)點和UAV節(jié)點間還可以引入高空平臺站(high altitude plaform stations, HAPs)，它是一個位于20 ～50 km高空的相對地球準靜止的空間信息站[14-15]。由于處于不同空間層次的空間節(jié)點的移動性、負載和時延等有較大不同，將給基于天空地一體化的空間信息傳輸帶來更多的難題和更大的挑戰(zhàn)。因此，支撐未來空間信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡架構將是貫穿水平(空空連接)與垂直(空地連接)兩方向的空天地一體化的多層立體通信系統(tǒng)，基于衛(wèi)星協(xié)作的新型空間通信網(wǎng)絡架構如圖1。除了節(jié)點的多樣化，還將有鏈路的多樣化；除了傳統(tǒng)的ISL和SGL，還將有介于衛(wèi)星和地面終端之間的臨近空間中的節(jié)點與衛(wèi)星和地面節(jié)點之間的通信鏈路。

綜上可知，未來基于衛(wèi)星協(xié)作的空間通信網(wǎng)絡架構的發(fā)展趨勢為從衛(wèi)星通信網(wǎng)絡走向空間信息網(wǎng)絡，從天地一體化走向空天地海一體化的空間信息網(wǎng)絡，通過臨近空間網(wǎng)絡形成對地面網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡的有效補充，以多種空間平臺(如：同步衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星、平流層浮空器或氣球以及飛機無人機等)為載體，實現(xiàn)空間信息的實時獲取、傳輸和處理。與傳統(tǒng)空間通信網(wǎng)絡相比，將呈現(xiàn)出如下幾個明顯特征：①空間分布上將是一個立體多層網(wǎng)絡，網(wǎng)絡拓撲高度動態(tài)、空間鏈路不斷變化；②業(yè)務種類多、分布范圍廣、需求差異性大；③空間軌位和頻率資源有限、空間平臺處理能力弱；④地面布站受限。此外，還可以通過布設在應急或城市熱點區(qū)域的“升空平臺”，實現(xiàn)區(qū)域通信、遙感和導航的增強，通過布設在地面的“運行控制子網(wǎng)”維持各類空間平臺的正?？煽窟\行，為用戶提供業(yè)務支持。

此外，現(xiàn)階段在未來多層立體衛(wèi)星網(wǎng)絡的已有研究中，很少有研究能結合未來衛(wèi)星網(wǎng)絡軌道運行規(guī)律和鏈路實際連接狀態(tài)，給出解決問題的具體措施，且基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸?shù)姆抡鏈y試平臺尚不完善，實驗范例缺失，理論研究與實際應用之間存在鴻溝。衛(wèi)星工具包(satellite tool kit, STK)，是由美國AGI (analytical graphics inc.)公司開發(fā)的一款在航天領域處于領先地位的商業(yè)化系統(tǒng)仿真和分析軟件。作為一個通用的建模和分析平臺，STK不僅支持在復雜集成的陸、海、空、天場景下進行航天任務的規(guī)劃、設計、測試、運行和應用，還可提供分析引擎用于復雜的時域和空域的專業(yè)分析、三維可視化地圖和航空航天運動對象的高度集成，其核心能力是產(chǎn)生位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)、并進行各類空間數(shù)據(jù)分析。此外，STK還能夠與一些常見的商用軟件產(chǎn)品進行互操作，如：MATLAB，OPNET等。

2 基于協(xié)作策略的空間信息傳輸

“協(xié)作(cooperation)”，源自拉丁語“co-”和“operare (進行工作)”，指“共同工作”。其基本思想是協(xié)作實體通過采取一定的協(xié)作策略獲得一定的協(xié)作收益。

基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸系統(tǒng)如圖2，在基于衛(wèi)星協(xié)作的空間通信中，空間節(jié)點間的長距離鏈路使得直達鏈路建立效果不佳或無法建立直達鏈路，此時需要借助源端和目的端之間的中繼衛(wèi)星節(jié)點協(xié)助完成空間信息的傳輸，因此，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡天然具有多跳、協(xié)作的特性，見圖2a。在基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸中，雖然有著通信距離遠、容量大、機動靈活的優(yōu)勢，然而，大時延、高誤碼、低的信息傳輸成功概率，使得基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸可靠性成為衛(wèi)星通信中首先需要解決的關鍵問題。針對以上問題，目前已有研究大多采用傳統(tǒng)的放大轉發(fā)(amplify and forward, AF)和譯碼轉發(fā)(decode and forward, DF)的中繼協(xié)作策略。文獻[16-17]對星地網(wǎng)絡中的AF和DF協(xié)作中繼性能進行了研究，分別給出了基于星地一體化網(wǎng)絡的協(xié)作通信系統(tǒng)模型圖，見圖2b。其中，文獻[16]中基于AF協(xié)作的通信衛(wèi)星采用透明轉發(fā)器，在衛(wèi)星中繼處只提供簡單的信號放大轉發(fā)功能；文獻[17]中基于DF協(xié)作的通信衛(wèi)星采用處理轉發(fā)器，在衛(wèi)星中繼處提供更復雜的解碼轉發(fā)功能。文獻[18]針對近地衛(wèi)星通信網(wǎng)絡，將接收信噪比高于設定門限值的中繼節(jié)點選為協(xié)作中繼，分別給出了AF和DF協(xié)作方式下的中斷概率表達式和系統(tǒng)性能仿真結果。文獻[19]基于AF星地協(xié)作通信，以最小化差錯率為優(yōu)化目標，針對星地直傳鏈路和協(xié)作鏈路分別以陰影-萊斯衰落和Nakagami-m衰落進行信道建模，推導評估了3個節(jié)點AF星地協(xié)作通信系統(tǒng)的差錯性能。文獻[20]基于DF協(xié)作衛(wèi)星通信，以最小化中斷概率為優(yōu)化目標，分別采用了最大比合并(maximum ratio combining, MRC)和選擇分集合并(selective diversity combining, SDC)方法，提出了一種功率分配優(yōu)化算法。文獻[21]基于AF協(xié)作衛(wèi)星通信，以地面節(jié)點作為多天線協(xié)作中繼節(jié)點，通過波束賦形矢量放大轉發(fā)接收到的源端衛(wèi)星信號發(fā)送給具有多天線的地面目的節(jié)點，目的節(jié)點采用MRC方法接收信號，仿真分析了不同調(diào)制方式和不同天線數(shù)目下的平均誤符號率，該協(xié)作方案的實施有著較高的算法復雜度。文獻[22]在基于AF協(xié)作的星地通信中采用認知無線電來分析系統(tǒng)頻譜和能效問題，同時綜合考慮由于信號傳輸?shù)倪h距離特性和遮蔽效應導致地面節(jié)點無法收到來自衛(wèi)星源節(jié)點的直傳信號的問題，研究提出了基于AF協(xié)作和認知無線電的星地通信功率分配優(yōu)化方案。

網(wǎng)絡編碼(network coding, NC)，融合了路由和編碼的概念，使網(wǎng)絡節(jié)點不僅可以對數(shù)據(jù)進行存儲轉發(fā)，還可以進行編碼處理，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的廣播特性使其非常適合使用網(wǎng)絡編碼。近年來，基于網(wǎng)絡編碼的衛(wèi)星協(xié)作方式以其良好的吞吐、安全和魯棒性日益受到廣泛關注[23-26]，許多文獻從不同方面證明了在衛(wèi)星通信中使用網(wǎng)絡編碼帶來的性能增益。目前，已有研究工作大致可分為以下幾個方面。

1)物理層網(wǎng)絡編碼與模擬網(wǎng)絡編碼在衛(wèi)星協(xié)作通信中的可行性分析及性能對比。文獻[27-29]以GEO和LEO衛(wèi)星通信為例，以系統(tǒng)的誤符號率與中斷概率為目標，研究了在非統(tǒng)一衰落信道衛(wèi)星通信系統(tǒng)中使用物理層網(wǎng)絡編碼和模擬網(wǎng)絡編碼的可行性，通過已有文獻研究成果可看出，網(wǎng)絡編碼具有能夠在中繼節(jié)點對接收到的信號進行處理這一特性，正適用于帶寬不足、傳播時延大的衛(wèi)星通信。

2)網(wǎng)絡編碼在多波束衛(wèi)星協(xié)作通信中的應用。文獻[30-31]在多波束衛(wèi)星協(xié)作通信場景中使用網(wǎng)絡編碼技術，綜合考慮每波束負載和信道條件下獲得的最小傳輸時間，研究結果表明引入網(wǎng)絡編碼后的系統(tǒng)吞吐量得到了大幅度提升。

3)網(wǎng)絡編碼在多路廣播衛(wèi)星協(xié)作通信中的應用[32-33]。

綜上，在基于網(wǎng)絡編碼的衛(wèi)星協(xié)作通信已有研究中，主要引入了3種中繼協(xié)作策略：傳統(tǒng)中繼轉發(fā)策略(traditional scheme， TS)、鏈路層網(wǎng)絡編碼也稱直接網(wǎng)絡編碼(straightforward network coding，SNC)和物理層網(wǎng)絡編碼(physical-layer network coding，PNC)?；诰W(wǎng)絡編碼的空間信息協(xié)作傳輸示意圖如圖3。由圖3可知，在衛(wèi)星協(xié)作通信中，引入了網(wǎng)絡編碼后可進一步節(jié)約通信時隙、提高吞吐量性能。

由以上分析可知：不論是采用傳統(tǒng)AF和DF協(xié)作方式，還是采用基于NC的協(xié)作方式，已有研究成果均較少，缺乏系統(tǒng)性的研究，尤其是在未來復雜多變的多層立體空間通信網(wǎng)絡架構和各種新技術背景下，還存在許多問題需要解決。因此，對于基于具有ISL和OBP功能的衛(wèi)星協(xié)作的未來多層立體空間通信網(wǎng)絡而言，引入AF，DF，NC等協(xié)作策略，可進一步提高空間信息傳輸?shù)目煽啃浴⒎€(wěn)定性及有效性。

3 基于高頻段的空間信息傳輸

為了滿足未來空間大業(yè)務量的信息傳輸需求，SGL和ISL均可通過采用較高工作頻段的無線射頻鏈路或激光鏈路，實現(xiàn)天地一體化的空間信息高速傳輸。激光傳輸，以其高速率、大容量、保密安全等優(yōu)勢日益受到空間通信研究者們的關注。目前，星間與地空通信普遍使用850 nm附近波長，星地通信主要使用1 550 nm附近波長。然而，空間激光技術的主要瓶頸在于，盡管激光通信波段為大氣窗口，但其透過率不及微波，同時還受到大氣湍流的影響，造成傳輸激光閃爍、準直性變差，從而影響誤碼率，造成誤碼率在一定范圍內(nèi)隨機跳動，從而影響通信過程的穩(wěn)定性。若采用激光作為SGL的信息傳輸方式，則會出現(xiàn)無法實現(xiàn)高速率、低誤碼率的雙向空間信息可靠有效地傳輸，尤其是當存在較濃的云霧或降雨時甚至無法通信。因此，針對SGL上的空間信息傳輸，衛(wèi)星通信中普遍采用無線射頻傳輸方式。

目前，衛(wèi)星通信的工作頻段主要包括：L(1～2 GHz)，S(2～4 GHz)，C(4～8 GHz)，X(8～12 GHz)，Ku(12～18 GHz)，K(18～26 GHz)，Ka(26～40 GHz)，Q(33～50 GHz)，U(40～60 GHz)，V(50～75 GHz)，E(60～90 GHz) 頻段等。近年來，隨著衛(wèi)星通信業(yè)務量的急劇增加，L，S和C頻段已經(jīng)飽和，X頻段主要預留給政府使用，Ku頻段用于大多數(shù)的衛(wèi)星數(shù)字廣播和互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)，Ka頻段因其可以提供更高的帶寬、允許使用更小的天線等特點逐漸引起人們的普遍關注，國際上大多數(shù)建議采用的寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)都運行在該頻段上。Ka頻段成功開發(fā)后，不少技術先進的國家開始研究更高頻段的使用，即Q，V頻段，目前美國聯(lián)邦通信委員會計劃在17個空間應用領域使用該頻段進行信息傳輸。然而，惡劣天氣下(如降雨)具有較大的傳輸損耗是采用這些更高頻段通信的最大缺點，如何有效利用更高無線頻段通信的同時提高空間信息傳輸可靠性成為需要解決的關鍵問題。為了解決以上問題，物理層通常采用頻譜效率較高的調(diào)制編碼方案及自適應的功率調(diào)整技術，在充分考慮信道傳播特性、傳輸有效性和可靠性的基礎上，選擇更符合特定傳輸任務需求的調(diào)制、信道編碼、功率控制方式，在惡劣天氣情況下提高誤碼性能、降低發(fā)送功率電平；數(shù)據(jù)鏈路層通常采用自動請求重傳(automatic repeat request，ARQ)技術。因此，基于高頻段的鏈路自適應傳輸技術日益成為衛(wèi)星協(xié)作通信領域的研究熱點。

在時域，鏈路自適應技術通常被稱為自適應調(diào)制(adaptive modulation and coding，AMC)，即對于給定的系統(tǒng)服務質(zhì)量要求，根據(jù)信道狀態(tài)動態(tài)調(diào)整調(diào)制編碼方式等時域參數(shù)；除AMC外，鏈路自適應技術還包括ARQ以及混合重傳(hybrid ARQ， HARQ)等重傳反饋技術，均以其良好的可靠性在衛(wèi)星通信中得到了廣泛應用。ARQ技術，可分為3類：①停等式ARQ(stop and wait-ARQ，SW-ARQ)；②退回N式ARQ(go back N-ARQ，GBN-ARQ)；③選擇式ARQ (selective repeat-ARQ，SR-ARQ)。其中，SR-ARQ以其具有發(fā)送端連續(xù)發(fā)送、重傳只需發(fā)送出錯數(shù)據(jù)包的特點，在衛(wèi)星通信中使用效果佳且應用廣泛，近年來已有研究討論了在傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中如何增強SR-ARQ傳輸性能。文獻[34]針對SR-ARQ在衛(wèi)星通信中的應用，引入信號流圖分析法得出了更加精確的系統(tǒng)傳輸時延性能。文獻[35-36]提出了一種進一步縮短SR-ARQ時延的方案，即通過將信道劃分為N個子信道令數(shù)據(jù)分組按流傳輸，縮短數(shù)據(jù)分組在緩存中等待重排的時間。文獻[37]基于DF協(xié)作的星地瑞利衰落信道，分析推導了當協(xié)作節(jié)點使用SR-ARQ方案時系統(tǒng)的端到端分組差錯率。

盡管SR-ARQ技術以其低時延、高可靠性在傳統(tǒng)衛(wèi)星通信中得到了廣泛使用，但在高頻段的高誤碼衛(wèi)星信道中，空間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組出錯較多，單純使用SR-ARQ使得重傳頻繁發(fā)生，嚴重影響了系統(tǒng)吞吐量，因此需要通過采用HARQ技術，即將物理層前向糾錯碼(forward error correction,FEC)技術與鏈路層ARQ技術聯(lián)合使用來優(yōu)化衛(wèi)星通信系統(tǒng)性能。文獻[38]通過對數(shù)據(jù)分組編碼并交織后使用ARQ技術，提出了一種聯(lián)合FEC和ARQ的傳輸優(yōu)化方案，增強了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗衰落能力，提高了系統(tǒng)吞吐量。然而，與使用SR-ARQ相比，使用SR-HARQ雖然可減少重傳次數(shù)、優(yōu)化系統(tǒng)吞吐性能，但有一定幾率出現(xiàn)緩存溢出現(xiàn)象。文獻[39]提出了一種新的HARQ緩存溢出解決方案來保障衛(wèi)星通信系統(tǒng)的吞吐性能，文獻[40]提出了一種新的HARQ調(diào)度算法來降低緩存溢出發(fā)生概率，文獻[41]提出了一種HARQ優(yōu)化方案，通過減少分組控制信息(packet control information，PCI)發(fā)送數(shù)量來提高空間信息傳輸效率，文獻[42]給出了Ka頻段高通量衛(wèi)星通信中采用無損和截斷HARQ方案后的分布式多天線衛(wèi)星系統(tǒng)的吞吐性能評估方法。

同時，由于衛(wèi)星信道狀態(tài)常常是時變的，ARQ技術的各項參數(shù)也需隨信道狀態(tài)變化，因此自適應ARQ技術成為研究者們關注的熱點。文獻[43-44]針對高頻段衛(wèi)星通信的傳輸特性，提出了一種延遲雙復制的自適應ARQ傳輸策略，來進一步提升高頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性。文獻[45]基于多狀態(tài)衛(wèi)星信道建模，使用N狀態(tài)馬爾科夫過程(Markov process)描述衛(wèi)星通信信道，不同信道狀態(tài)使用不同的SR-ARQ參數(shù)，實現(xiàn)自適應SR-ARQ。文獻[46]針對瑞利衰落，提出了一種自適應SR-ARQ，使系統(tǒng)可以根據(jù)接收的數(shù)據(jù)包個數(shù)動態(tài)調(diào)整反饋周期、根據(jù)信道條件決定反饋次數(shù)，以此提高空間信息傳輸性能。自適應ARQ技術的使用，可以使得空間信息傳輸效率與實際信道狀態(tài)保持動態(tài)匹配，從而提升空間信息傳輸性能。

“跨層優(yōu)化(cross-layer optimization)”，利用通信網(wǎng)絡各協(xié)議層間的相關性信息，將原來被割裂的各層作為統(tǒng)一整體進行設計、分析、優(yōu)化和控制，在地面網(wǎng)絡優(yōu)化設計中已有很多研究成果，但較少有研究將其引入到衛(wèi)星通信性能增強上。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡屬于典型的資源受限系統(tǒng)，頻譜、軌位、星上處理能力和轉發(fā)器功率等資源受限，使得如何拓展不同層次協(xié)議之間的相互關系、動態(tài)適應空間通信鏈路的變化，進而提高資源的有效利用率成為基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息自適應傳輸需要解決的關鍵問題。解決這一問題的一種可能的新方法是對空中接口的跨層設計，通過這種方法，在給定的一組資源限制條件下，通過對通信協(xié)議的各層進行聯(lián)合優(yōu)化，設計出最優(yōu)的跨層資源調(diào)度和自適應傳輸策略，這種方法正在成為衛(wèi)星通信系統(tǒng)設計的一種新模式，其信息傳輸圖如圖4。

2006年，Giovanni Giambene等在文獻[47]中針對GEO衛(wèi)星通信中的多媒體數(shù)據(jù)傳輸問題，討論了如何通過物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層和應用層間的信息交互來提升系統(tǒng)傳輸性能。文獻[48]在Ka頻段的衛(wèi)星通信中，將網(wǎng)絡編碼技術與自適應傳輸技術相結合獲得了更好的吞吐和時延性能。文獻[49]針對衛(wèi)星通信中傳輸時延大的問題，提出了一種基于網(wǎng)絡編碼的SR-ARQ傳輸方法，與傳統(tǒng)SR-ARQ相比，在平均傳輸時延、丟包率以及實際吞吐性能上均表現(xiàn)更好。文獻[50]提出了一種基于物理層AMC和鏈路層截短協(xié)作ARQ(truncated cooperative ARQ，TC-ARQ)的跨層聯(lián)合設計方法，分析得到了平均頻譜效率和分組丟失率的閉合解，相比傳統(tǒng)AMC與ARQ策略能獲得更好的系統(tǒng)性能。文獻[51]針對衛(wèi)星鏈路中頻繁的信號阻塞和多變的信道狀態(tài)，提出了一個基于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層跨層協(xié)作的鏈路傳輸適配方案，通過統(tǒng)計衛(wèi)星信道狀態(tài)信息(channel state indicator，CSI)的動態(tài)變化來調(diào)整調(diào)制編碼方案(modulation and coding scheme，MCS)，從而提高系統(tǒng)吞吐量。文獻[52]針對LTE衛(wèi)星網(wǎng)絡，提出了一個基于物理層和鏈路層的跨層動態(tài)分組調(diào)度方案，與傳統(tǒng)衛(wèi)星分組調(diào)度算法相比，該方案在業(yè)務服務質(zhì)量、系統(tǒng)公平性和吞吐量等方面均能獲得更好的性能。

由以上分析可知，截止目前，針對未來多層衛(wèi)星網(wǎng)絡環(huán)境下的空間信息跨層聯(lián)合優(yōu)化設計問題，僅有少量、零散的研究成果出現(xiàn)，尚未形成完善的理論體系和系統(tǒng)框架。為了改善基于衛(wèi)星協(xié)作的未來空間信息傳輸中出現(xiàn)的長時延、高誤碼、多中斷等問題，在衛(wèi)星協(xié)作通信中不僅需要考慮高頻段下天氣因素的影響，還需要很好地融合天氣衰落過程、多徑和陰影衰落過程、電離層閃爍等不同傳輸因素的影響，進而通過物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層之間的跨層聯(lián)合優(yōu)化設計，有效提高空間信息傳輸自適應性和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡整體傳輸性能。

4 結束語

近年來，廣覆蓋、大容量、遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點使得基于衛(wèi)星協(xié)作的空間通信越來越受到人們的廣泛關注。但是，由于衛(wèi)星節(jié)點圍繞地球周期性的動態(tài)軌道運動特性，使得空間通信呈現(xiàn)出網(wǎng)絡拓撲動態(tài)、傳輸鏈路瞬斷等問題，拓撲結構和鏈路權值隨衛(wèi)星節(jié)點運動時間的周期性變化而發(fā)生相應的變化，對空間信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃栽斐闪藝乐氐挠绊憽Ｍ瑫r，衛(wèi)星節(jié)點存儲及處理能力的有限性、空間信息負載分布的不均勻性等因素，均使得基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸成為未來空間通信中的核心問題。因此，本文首先給出了未來空間通信網(wǎng)絡架構，通過STK仿真工具分析了其鏈路傳輸特性；其次，從衛(wèi)星采用的協(xié)作策略和工作頻段2個方面分析闡述了基于衛(wèi)星協(xié)作的空間信息傳輸技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在的主要問題；最后，基于當前研究中存在的關鍵技術問題，提出了下一步的研究方向和意見建議。