航空激光/射頻通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究進(jìn)展

趙尚弘

(空軍工程大學(xué)信息與導(dǎo)航學(xué)院， 西安， 710077)

利用航空光通信傳輸鏈路，結(jié)合現(xiàn)有的航空機(jī)間射頻數(shù)據(jù)鏈，將各類航空平臺(tái)整合為一個(gè)互聯(lián)共享的傳輸系統(tǒng)，構(gòu)建以航空激光骨干網(wǎng)為基礎(chǔ)，隨遇接入航空射頻子網(wǎng)的航空信息網(wǎng)絡(luò)，向上兼容天基平臺(tái)，向下接入地面通信系統(tǒng)，能夠有效提高空間信息網(wǎng)絡(luò)傳輸能力[1-3]。然而，在高空大氣信道中，大氣吸收、散射及湍流效應(yīng)、航空平臺(tái)特性及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)嚴(yán)重影響航空光通信鏈路性能。此外，由于航空光通信具有大尺度分布、終端動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)、傳輸時(shí)延大等特點(diǎn)，航空平臺(tái)組網(wǎng)應(yīng)用面臨許多挑戰(zhàn)[4-10]。因此，迫切需要開(kāi)展航空平臺(tái)間光通信鏈路傳輸特性及組網(wǎng)技術(shù)的研究，以加強(qiáng)航空激光鏈路傳輸可靠性，提高航空平臺(tái)信息傳輸分發(fā)能力，充分發(fā)揮航空平臺(tái)信息轉(zhuǎn)發(fā)、互聯(lián)共享的樞紐作用。

1 航空激光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)進(jìn)展

美國(guó)、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家從20世紀(jì)80年代開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)展了一系列機(jī)載光通信載荷及鏈路試驗(yàn)研究，并陸續(xù)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，國(guó)內(nèi)主要是長(zhǎng)春理工大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院和國(guó)防科工局等單位進(jìn)行了系列相關(guān)研究，其中典型的試驗(yàn)研究如表1所示[11-26]。

表1 航空光通信試驗(yàn)

1.1 美國(guó)研究進(jìn)展

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)為發(fā)展下一代全球信息柵格需要的關(guān)鍵技術(shù)，支持了一系列相應(yīng)的研究項(xiàng)目。早在1960年，美國(guó)空軍就提出并完成了一架飛機(jī)與地面站相距100 km的光通信試驗(yàn)。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratory, AFRL)開(kāi)展了機(jī)載飛行測(cè)試系統(tǒng)(Airborne Flight Test Sytem, AFTS)項(xiàng)目，于1980年在白沙基地首次實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)與地面之間的光通信演示試驗(yàn)，試驗(yàn)中KC-135飛機(jī)搭載激光終端設(shè)備，采用脈沖間隔調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率為20 kbps，誤碼率≤10-6，上行及下行激光波長(zhǎng)分別為532 nm和1 064 nm，此次試驗(yàn)首次驗(yàn)證了機(jī)載通信終端在空間通信系統(tǒng)中的可行性[11]。隨后在1983年資助的HAVE LACE項(xiàng)目中成功驗(yàn)證了2架飛機(jī)之間光通信的可行性，HAVE LACE項(xiàng)目于1984年成功實(shí)現(xiàn)了2架飛機(jī)之間通信距離為160 km，飛行高度為6 069～7 620 m的光通信試驗(yàn)[16]，獲得的具體通信指標(biāo)為：數(shù)據(jù)速率19.2 kbps，誤碼率≤10-6。1995年資助的RICL項(xiàng)目驗(yàn)證了2架飛機(jī)在約12.192 km高度且相距50～500 km的之間的光通信試驗(yàn)，通信速率大于1.5 Gbps，誤碼率≤10-6。

1995年開(kāi)始，美國(guó)Thermo Trex公司在AFRL的支持下進(jìn)行新一代機(jī)載光通信設(shè)備RILC的研究。RILC終端為球形轉(zhuǎn)塔結(jié)構(gòu)，采用810 nm的信號(hào)光以及852 nm的信標(biāo)光[17]。Thermo Trex公司隨后采用RILC光通信載荷，在1.1 km的高空中開(kāi)展了傳輸范圍為20～30 km的空-地間激光鏈路演示驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了通信速率為1 Gbps的試驗(yàn)指標(biāo)[18]；1998年9月，AFRL完成了飛機(jī)之間的光通信試驗(yàn)，RILC光通信載荷分別搭載在2架T-39飛機(jī)上，通信鏈路距離50～500 km，傳輸速率1 Gbps，誤碼率≤10-6[19]。隨后在2004年和2005年，RICL項(xiàng)目又相繼進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，如2架飛機(jī)在12.192 km高空中相距100 km下實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)速率為2.5 Gbps、誤碼率≤10-6的試驗(yàn)結(jié)果。

美國(guó)NASA下屬的JPL實(shí)驗(yàn)室一直致力于光通信終端載荷的研究，研制的第二代OCD(Optical Communications Demonstrator, OCD)系統(tǒng)于2003年進(jìn)行了空對(duì)地光通信鏈路APT演示驗(yàn)證試驗(yàn)。OCD-2演示系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)為：高空無(wú)人機(jī)的飛行高度為18～23 km，跟蹤精度18 μrad，通信速率擬實(shí)現(xiàn)2.5 Gbps，通信波長(zhǎng)1 550 nm。2013年，NASA成功演示了地月之間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)募す馔ㄐ旁囼?yàn)(LLCD)，創(chuàng)下622 Mbps的下載速率紀(jì)錄。2017年，美國(guó)進(jìn)行了OCSD-2(L5U)衛(wèi)星試驗(yàn)，星地上行速率10 kbps，下行速率可達(dá)5～200 Mbps。

1.2 歐洲研究進(jìn)展

2006年12月，歐洲空間局(European SpaceAgency, ESA)成功開(kāi)展LOLA試驗(yàn)項(xiàng)目，其中法國(guó)飛機(jī)“神秘20”上搭載ELAS通信終端，飛行高度為6～10 km，飛行速度300 km/h，靜止軌道衛(wèi)星Artemis上搭載SILEX光通信裝置。在大氣湍流傳輸信道條件下，飛機(jī)與衛(wèi)星之間建立了通信范圍為38 000 km且通信速率為50 Mbps的空-星雙向光通信鏈路，如圖1所示。

圖1 LOLA項(xiàng)目空-星雙向光通信

德國(guó)宇航中心(Deutsches Zentrum Fur Luft-und Raumfahrt, DLR)的ARGOS項(xiàng)目在2008年實(shí)現(xiàn)了飛行高度為3 km、通信距離為10～85 km、傳輸速率為155 Mbps的飛機(jī)與地面站的光通信演示驗(yàn)證[22]。飛機(jī)搭載光通信載荷于2010年成功進(jìn)行了通信距離為10～100 km、傳輸速率1.25 Gbps的空地通信鏈路試驗(yàn)，采用1 550 nm激光波長(zhǎng)、發(fā)射功率為1 W、天線孔徑為30 mm的通信終端，具體安裝示意圖如圖2所示。

2013年，在DODfast項(xiàng)目支持下，德國(guó)宇航中心(DLR)成功在試驗(yàn)中建立了戰(zhàn)斗機(jī)“狂風(fēng)”與地面移動(dòng)節(jié)間的光通信鏈路，測(cè)試試驗(yàn)如圖3所示。其中飛機(jī)飛行速度為238.21 m/s，鏈路傳輸速率1.25 Gbps，鏈路距離≥50 km，穩(wěn)定跟蹤距離為79 km[23-24]。

圖2 ARGOS項(xiàng)目機(jī)載光通信終端

圖3 DODfast項(xiàng)目戰(zhàn)斗機(jī)搭載光通信終端

2016年，歐空局開(kāi)展了歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)計(jì)劃，成功發(fā)射通信衛(wèi)星EDRS-A，測(cè)試試驗(yàn)的星座架構(gòu)如圖4所示。該衛(wèi)星可提供激光和Ka波段2種雙向星間鏈路，星間傳輸速率可達(dá)1.8 Gbps，星間最遠(yuǎn)距離達(dá)到45 000 km，并于2016年7月進(jìn)入業(yè)務(wù)運(yùn)行階段。

圖4 EDRS計(jì)劃星座架構(gòu)

1.3 中國(guó)研究進(jìn)展

長(zhǎng)春理工大學(xué)在機(jī)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光通信方面開(kāi)展了一系列研究工作，他們先后進(jìn)行了船舶與車(chē)輛的動(dòng)平臺(tái)間光通信試驗(yàn)、空中飛艇與船舶間光通信試驗(yàn)、雙直升機(jī)間雙向激光傳輸試驗(yàn)以及雙固定翼飛機(jī)間的激光點(diǎn)對(duì)點(diǎn)遠(yuǎn)距離通信試驗(yàn)。在大連黃海灣進(jìn)行了水面船舶與車(chē)輛的動(dòng)平臺(tái)間光通信試驗(yàn)，試驗(yàn)中通信距離20.4 km，獲得了通信速率300 Mbps、誤碼率優(yōu)于10-7的試驗(yàn)指標(biāo)[25]。2011年8月，在新疆完成了飛艇與水面船舶之間的雙動(dòng)態(tài)高速率光通信演示驗(yàn)證試驗(yàn)，飛艇與船舶間光通信示意圖如圖5所示。其中，光通信載荷分別位于飛艇吊艙和水面船只上，通信距離20.8 km，傳輸速率1.5 Gbps，終端發(fā)射功率為500 mW，通信平均誤碼率≤0.33×10-7。

圖5 飛艇與船舶之間光通信試驗(yàn)

在飛機(jī)平臺(tái)間激光鏈路實(shí)驗(yàn)中，低空雙直升機(jī)間動(dòng)態(tài)平臺(tái)光通信試驗(yàn)于2011年9月在黑龍江某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行[25]。試驗(yàn)中雙直升機(jī)在800 m高度、距離范圍5 km左右進(jìn)行捕獲跟蹤，建立光通信鏈路，并逐漸將機(jī)間傳輸距離增加至20 km。多次捕獲跟蹤試驗(yàn)表明，激光終端系統(tǒng)的捕獲平均時(shí)間為18 s，當(dāng)飛機(jī)之間相距17 km時(shí)實(shí)現(xiàn)雙機(jī)動(dòng)態(tài)條件下的穩(wěn)定跟蹤，粗跟蹤和精跟蹤系統(tǒng)的精度分別為6.2×10-5rad和1.6×10-5rad。

此外，2013年進(jìn)行了雙固定翼飛機(jī)間動(dòng)態(tài)平臺(tái)光通信試驗(yàn)(見(jiàn)圖6)，該動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)距離光通信野外試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了雙固定翼飛機(jī)間飛行高度為4 700 m，傳輸距離在136～144 km條件下，平均捕獲時(shí)間低于20 s、數(shù)據(jù)傳輸速率為2.5 Gbps、誤碼率≤6.2×10-5以及速率為1.5 Gbps、誤碼率≤10-7的試驗(yàn)指標(biāo)[25]。

圖6 雙固定翼飛機(jī)間光通信試驗(yàn)

在中國(guó)科學(xué)院支持下，由中科院上海光學(xué)精密機(jī)械所牽頭研制的星地高速相干激光通信試驗(yàn)成功，此次試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)首次在軌相干激光通信試驗(yàn)，如圖7所示。由2016年8月發(fā)射的“墨子”量子衛(wèi)星進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)了星地距離1 000 km以上，下行單路通信速率5.12 Gbps，并成功進(jìn)行了圖像傳輸，圖片清晰；同時(shí)也進(jìn)行上行PPM調(diào)制直接通信，通信速率可達(dá)20 Mbps。

2017年，中國(guó)完成了實(shí)踐十三號(hào)(即中星十六號(hào))衛(wèi)星試驗(yàn)，建立中國(guó)首個(gè)GEO衛(wèi)星激光通信實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)是世界上首次GEO衛(wèi)星與地面站直接雙向激光高速通訊實(shí)驗(yàn)；首次應(yīng)用Ka頻段多波束寬帶通信系統(tǒng)，通信總?cè)萘砍^(guò)20 Gbps；首次在我國(guó)高軌衛(wèi)星上搭載激光通信系統(tǒng)，通信速率達(dá)到2.4 Gbps。

圖7 中國(guó)“墨子”號(hào)量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)

2 航空信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求

2.1 航空信息網(wǎng)絡(luò)是未來(lái)空中作戰(zhàn)與指揮的重要依托

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)體系中的空中作戰(zhàn)與指揮將呈現(xiàn)2個(gè)特點(diǎn)[26-27]：一方面，單架戰(zhàn)機(jī)的戰(zhàn)斗力并不單單取決于它所攜帶的武器數(shù)、質(zhì)量，更大程度上取決于與聯(lián)合作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)參與作戰(zhàn)成員的信息共享與協(xié)同能力，沒(méi)有充分的信息共享與支援，攜帶再多的武器也沒(méi)有用武之地；另一方面，依靠單個(gè)預(yù)警機(jī)、指揮通信機(jī)平臺(tái)的傳感探測(cè)和指揮控制已無(wú)法滿足空中作戰(zhàn)平臺(tái)對(duì)信息共享的需求，有必要將多層次、多平臺(tái)的傳感器、指揮控制節(jié)點(diǎn)、武器平臺(tái)等鏈接成航空信息網(wǎng)絡(luò)，由此實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)綜合態(tài)勢(shì)感知、綜合信息處理與分發(fā)、空中指揮控制、協(xié)同作戰(zhàn)和戰(zhàn)場(chǎng)管理等。因此，通過(guò)構(gòu)建航空信息網(wǎng)絡(luò)，可以極大地提高空中平臺(tái)的信息共享能力，進(jìn)而全面提高平臺(tái)的戰(zhàn)斗力；另一方面，可以將現(xiàn)有的地面指揮系統(tǒng)拓展到空中，有效擴(kuò)展空中作戰(zhàn)指揮半徑和效能。因此構(gòu)建航空信息網(wǎng)絡(luò)對(duì)未來(lái)空戰(zhàn)具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

根據(jù)目前已有的研究成果，趨于一致的看法是，航空信息網(wǎng)絡(luò)從結(jié)構(gòu)上可分為網(wǎng)格型骨干網(wǎng)與多種異構(gòu)戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)兩部分[28]，從網(wǎng)絡(luò)特征上看是一種拓?fù)涓邉?dòng)態(tài)變化的混合、分層、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖8所示。

航空骨干網(wǎng)由寬帶數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成，能夠覆蓋整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空域并在大范圍聯(lián)合作戰(zhàn)中實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)傳輸，并與地面子網(wǎng)、海上子網(wǎng)以及空間平臺(tái)形成骨干網(wǎng)路由。骨干網(wǎng)節(jié)點(diǎn)由大型空中平臺(tái)組成,主要包括預(yù)警機(jī)、指揮通信機(jī)、長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)、情報(bào)偵察機(jī)以及鄰近空間飛行器等。這些具有穩(wěn)定移動(dòng)軌跡及較強(qiáng)載荷能力的節(jié)點(diǎn)通過(guò)寬帶鏈路數(shù)據(jù)鏈相互鏈接，并通過(guò)IP協(xié)議及分布式自組織路由功能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸。骨干節(jié)點(diǎn)通常作為戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)與骨干網(wǎng)之間的網(wǎng)關(guān)，完成消息格式與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的轉(zhuǎn)換。此外，高級(jí)骨干節(jié)點(diǎn)(如指揮通信機(jī))除了具備上述功能外，還需要向上接入一體化戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)，使之成為多部隊(duì)聯(lián)合作戰(zhàn)的空中信息分發(fā)節(jié)點(diǎn)。

圖8 航空信息網(wǎng)絡(luò)典型結(jié)構(gòu)

對(duì)于航空骨干網(wǎng)絡(luò)機(jī)間鏈路有3個(gè)基本要求，一是寬帶寬，因?yàn)楣歉删W(wǎng)作為空中指揮信息系統(tǒng)的高速路由通道，必須具備完成諸如視頻、圖像等戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的大容量信息的傳輸；二是抗干擾能力強(qiáng)，在空域多平臺(tái)進(jìn)行互聯(lián)時(shí)除了抵御敵方干擾，相互之間也不能干擾，保障鏈路暢通；三是隱身能力強(qiáng)，在空域通信時(shí)不被敵方檢測(cè)到，若信息交互不具備良好的隱身特性，將面臨有源和無(wú)源雙重被探測(cè)威脅。

航空戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)的規(guī)模相對(duì)較小，但實(shí)時(shí)性、吞吐量較高,通常由各類射頻戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成。戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)主要由有人/無(wú)人作戰(zhàn)飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈以及空空/空地打擊武器等戰(zhàn)術(shù)節(jié)點(diǎn)組成。各批次作戰(zhàn)飛機(jī)與預(yù)警機(jī)之間通過(guò)射頻指揮控制數(shù)據(jù)鏈組成態(tài)勢(shì)感知與指揮控制網(wǎng)絡(luò)；同批次作戰(zhàn)飛機(jī)通過(guò)機(jī)間射頻數(shù)據(jù)鏈組成高吞吐量、延時(shí)敏感的協(xié)同交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，縮短從傳感器到射手的信息延時(shí)，增強(qiáng)對(duì)時(shí)延敏感目標(biāo)的打擊能力。另外，基于IP協(xié)議的戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)可以連接骨干節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)骨干網(wǎng)與其他子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)建立端到端連接[29]。航空信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)采用基于IP協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，如圖9所示。

目前國(guó)際上已有的各型數(shù)據(jù)鏈經(jīng)過(guò)相應(yīng)的改造即可構(gòu)成各種戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)，可以完成相應(yīng)的戰(zhàn)術(shù)任務(wù)。而如何構(gòu)建航空骨干網(wǎng)就成為急需研究的課題。航空骨干網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)包括鏈路技術(shù)、路由技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理、服務(wù)質(zhì)量等。

圖9 基于統(tǒng)一IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)

2.2 航空骨干網(wǎng)是寬帶數(shù)據(jù)鏈的發(fā)展方向

為實(shí)現(xiàn)機(jī)間信息交互，國(guó)際上正在研究指控鏈、武器協(xié)同鏈以及寬帶鏈等3個(gè)不同應(yīng)用需求的數(shù)據(jù)鏈[30]。其中指揮引導(dǎo)數(shù)據(jù)鏈主要用于飛機(jī)起飛后到飛達(dá)交戰(zhàn)區(qū)這一階段，通過(guò)地面或空中指揮員對(duì)飛機(jī)的飛行航機(jī)進(jìn)行指揮引導(dǎo)。此階段以態(tài)勢(shì)分發(fā)和引導(dǎo)指令下達(dá)為主；機(jī)間指控鏈主要實(shí)現(xiàn)機(jī)間指控信令的傳輸，速率較低；武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈主要用于編隊(duì)間的協(xié)同作戰(zhàn)，通過(guò)編隊(duì)間快速的信息交互(雷達(dá)信息等)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位、跟蹤及打擊，對(duì)帶寬、時(shí)延要求高。寬帶數(shù)據(jù)鏈[31]主要用于ISR信息的傳輸，對(duì)帶寬要求更高，但對(duì)時(shí)延要求較低。由此可見(jiàn)，寬帶數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)呛娇展歉删W(wǎng)的基礎(chǔ)，機(jī)間指控鏈和武器協(xié)同鏈對(duì)應(yīng)于戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)。

目前基于射頻的鏈路存在3個(gè)問(wèn)題：

1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。從傳輸速率來(lái)看，射頻數(shù)據(jù)鏈帶寬數(shù)百kbps，只能傳輸簡(jiǎn)單的指令信息，如敵機(jī)瞬時(shí)態(tài)勢(shì)、友機(jī)位置、燃料、武器配置等，難以完成諸如視頻圖像等戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的大容量信息的傳輸。

2)隱身能力弱。從技術(shù)體制而言，目前使用的主要用于信息分發(fā)和指揮引導(dǎo)的射頻數(shù)據(jù)鏈采用全向通信模式，這種全向通信模式的數(shù)據(jù)鏈無(wú)法滿足機(jī)間數(shù)據(jù)鏈低截獲要求，被敵方無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)感知的風(fēng)險(xiǎn)高。為了降低機(jī)間數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)被截獲概率，需要研制微波頻段、定向通信模式的機(jī)間數(shù)據(jù)鏈。

3)強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下通信能力弱。射頻數(shù)據(jù)鏈最大的問(wèn)題是抗電磁干擾能力弱，不僅僅是抗敵方主動(dòng)干擾能力弱，而且友方系統(tǒng)間的相互電磁干擾很容易造成系統(tǒng)無(wú)法正常傳輸信息。為了增加通信的抗干擾能力，通常用的手段有：①采用擴(kuò)頻技術(shù)(如直擴(kuò)、跳擴(kuò))；②采用編碼技術(shù)(如采用卷積編碼、RS編碼、LDPC編碼等)；③采用跳時(shí)脈沖突發(fā)技術(shù)。但是從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，跳頻和擴(kuò)頻方案的配頻程序極其復(fù)雜，耗時(shí)較長(zhǎng)，效率較低，難以滿足訓(xùn)練和作戰(zhàn)需求。

因此，射頻鏈路只適合構(gòu)建各類戰(zhàn)術(shù)子網(wǎng)，而具有低截獲、高速、抗干擾通信特點(diǎn)的激光鏈路就成為未來(lái)構(gòu)建航空骨干網(wǎng)的理想方案。

2.3 航空激光鏈路骨干網(wǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)

利用激光鏈路構(gòu)建航空骨干網(wǎng)[32]具有大容量傳輸、隱身傳輸和強(qiáng)電磁干擾下的傳輸優(yōu)勢(shì)。原因包括：

1)利用現(xiàn)有成熟光通信技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)Gbit/s量級(jí)以上的傳輸速率，滿足各種戰(zhàn)場(chǎng)信息的傳輸。

2)激光的單色性、相干性和方向性決定了激光傳輸?shù)陌l(fā)散角小，為毫弧度量級(jí)，光通信基本上是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，接收機(jī)只有落在激光束的光斑范圍內(nèi)才能接收到信號(hào)，因此難以被截獲，傳輸?shù)谋Ｃ苄院茫邆淞肆己玫目臻g傳輸隱身能力。

3)由于光通信的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于微波通信，頻譜特性決定了目前為止還沒(méi)有實(shí)用化的針對(duì)光通信的干擾措施，因此激光可以在強(qiáng)電磁干擾下實(shí)現(xiàn)通信。同時(shí)，光通信容易實(shí)現(xiàn)設(shè)備輕小型化，具有良好的電磁兼容性，不會(huì)對(duì)其它電子設(shè)備造成干擾，在飛機(jī)內(nèi)部等狹小平臺(tái)應(yīng)用的潛力較大。

由此可見(jiàn)，機(jī)間光通信技術(shù)是建立航空骨干網(wǎng)的理想方案。結(jié)合未來(lái)空中作戰(zhàn)對(duì)戰(zhàn)機(jī)信息支援能力需求、光通信的優(yōu)勢(shì)及技術(shù)成熟度，機(jī)載激光大容量隱身信息傳輸技術(shù)可望首先在轟炸效果評(píng)估大容量信息傳輸、預(yù)警偵查信息隱身傳輸?shù)确矫婵梢园l(fā)揮寬帶傳輸?shù)淖饔?，作為完善機(jī)載通信的新型手段，將會(huì)在提高戰(zhàn)機(jī)戰(zhàn)斗力和戰(zhàn)場(chǎng)生存率方面發(fā)揮重要作用。但同時(shí)，由于激光通信頻率高、波束窄，工程實(shí)現(xiàn)難度很大，且光頻段易受大氣湍流、云層遮擋等影響，導(dǎo)致穩(wěn)定性、可靠性較低，因此，基于激光鏈路的航空骨干網(wǎng)絡(luò)在可用性上還需進(jìn)一步提高。

2.4 激光信號(hào)對(duì)機(jī)上裝備和人身安全問(wèn)題

激光對(duì)物質(zhì)的熱損傷效應(yīng)取決于激光的功率大小和波長(zhǎng)特性[33-34]。不同大小的功率產(chǎn)生的熱效應(yīng)不同，不同波長(zhǎng)的激光具有不同的熱效應(yīng)。對(duì)機(jī)上人員而言，盡管高功率激光能夠灼傷人的皮膚，但是與之相比，它對(duì)于眼睛的危害性更加嚴(yán)重。激光危害人眼睛的主要特性是高功率密度和方向性好。正是由于方向性好，使得眼球的晶狀體將射來(lái)的平行激光束在視網(wǎng)膜上聚焦成很小的光斑，造成視網(wǎng)膜損傷。人眼所能承受的最強(qiáng)激光照射取決于激光的波長(zhǎng)，而與眼睛對(duì)激光的透射率無(wú)關(guān)。試驗(yàn)表明，對(duì)于波長(zhǎng)400～1 400 nm波段的激光輻射，視網(wǎng)膜可能會(huì)受到傷害，其中在波長(zhǎng)400～700 nm波段內(nèi)造成的傷害最嚴(yán)重；因?yàn)檠劬η安康钠鞴?角膜、水狀液體和晶狀體)對(duì)這些波段的激光透射率最高。如果波長(zhǎng)大于700 nm，部分輻射在到達(dá)視網(wǎng)膜之前被吸收。對(duì)于波長(zhǎng)大于1.4 μm的紅外激光，角膜和水狀液體會(huì)吸收入射輻射，對(duì)于波長(zhǎng)大于1.9 μm的輻射，只有被角膜吸收，另外，波長(zhǎng)小于315 nm的激光，將完全被角膜吸收，若采用目前地面光通信常用的波長(zhǎng)1 550 nm激光，屬于安全波段范圍。另外，根據(jù)國(guó)際激光安全標(biāo)準(zhǔn)[35]確定的不產(chǎn)生傷害的激光束的安全距離和功率密度，偶爾直視(輻射時(shí)間50 s)對(duì)于大于1.4 μm的紅外激光，輻射時(shí)間和功率密度閾值更高，就一般航空光通信而言，發(fā)射的初始功率最大2 W，經(jīng)過(guò)100 km量級(jí)的傳輸后衰減至2 mW左右，光束擴(kuò)散和功率衰減，導(dǎo)致功率密度在人眼安全閾值以下，可見(jiàn)對(duì)人眼是安全的。

對(duì)于機(jī)上裝備的輻照影響主要是對(duì)光學(xué)探測(cè)設(shè)備的飽和效應(yīng)，考慮到所用激光是通信量級(jí)的光功率，而不是激光武器量級(jí)的光功率，對(duì)機(jī)上光學(xué)探測(cè)裝備不會(huì)形成影響。另外，在已有實(shí)際演示驗(yàn)證研究中，未見(jiàn)有任何對(duì)人眼和機(jī)上裝備產(chǎn)生影響的明顯實(shí)例。同時(shí)，在實(shí)際安裝過(guò)程中會(huì)合理設(shè)計(jì)安裝位置，進(jìn)一步避免對(duì)機(jī)上人員和裝備的影響。

3 航空信息網(wǎng)絡(luò)典型項(xiàng)目進(jìn)展

為了建立一個(gè)快速、高效、抗毀性強(qiáng)的空天地一體化信息系統(tǒng)，美國(guó)、歐洲等國(guó)家和組織針對(duì)航空通信領(lǐng)域進(jìn)行了一系列研究，以移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)為主要組網(wǎng)方式，使空中平臺(tái)具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)、動(dòng)態(tài)路由和無(wú)線中繼的能力，最終實(shí)現(xiàn)各航空平臺(tái)互聯(lián)互通。在2007年后，隨著機(jī)間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光通信和路由技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)開(kāi)始考慮采用激光、射頻混合鏈路與組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建一個(gè)高魯棒性、高吞吐量的航空信息網(wǎng)絡(luò)，并提出了一系列激光與微波混合組網(wǎng)項(xiàng)目，航空信息網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)如表2所示[36-46]。

表2 航空信息網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)

續(xù)表

系統(tǒng)名稱國(guó)別系統(tǒng)年份系統(tǒng)架構(gòu)/特點(diǎn)AANET澳大利亞2006—2009在衛(wèi)星、航班及地面Inter-net網(wǎng)關(guān)間建立MANETORCLE美國(guó)2008混合鏈路空中網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃ORCA美國(guó)2008戰(zhàn)術(shù)的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干網(wǎng)絡(luò)航空骨干網(wǎng)絡(luò)測(cè)試試驗(yàn)美國(guó)2012ESB及ORS無(wú)線系統(tǒng)機(jī)載IP骨干鏈路的通信性能測(cè)試DODfast德國(guó)2013首個(gè)戰(zhàn)斗機(jī)激光通信實(shí)驗(yàn)ALCOS歐盟2016至今無(wú)人機(jī)大容量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸系統(tǒng)

3.1 TTNT

戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是美國(guó)國(guó)防先進(jìn)研究署(DARPA)研究的新一代航空數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，是網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(Network Centric Warfare, NCW)概念網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)示意見(jiàn)圖10[31-38]。TTNT(Tactical Targeting Network Technology, TTNT)在網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略環(huán)境中建立戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)傳輸骨干網(wǎng)，其核心是通過(guò)建立分布式、動(dòng)態(tài)的、可重構(gòu)的移動(dòng)自組網(wǎng)，為戰(zhàn)術(shù)飛行器提供戰(zhàn)術(shù)信息共享，以實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件快速應(yīng)對(duì)，主要包括對(duì)于突發(fā)目標(biāo)的火力控制和戰(zhàn)斗損傷評(píng)估數(shù)據(jù)。TTNT具有基于IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)各平臺(tái)連接、高吞吐量、高傳輸速率、低時(shí)延、低截獲、抗干擾以及實(shí)時(shí)按需帶寬分配的特性，與通用數(shù)據(jù)鏈相比，其應(yīng)用范圍廣，通用性更強(qiáng)。

圖10 TTNT網(wǎng)絡(luò)概念示意圖

TTNT作為高速、寬帶、基于IP的航空自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有連接航空平臺(tái)和全球信息柵格(Global Information Grid, GIG)節(jié)點(diǎn)的能力。區(qū)別于通用數(shù)據(jù)鏈的定向數(shù)據(jù)流傳輸，TTNT中節(jié)點(diǎn)能夠快速、靈活地組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)用戶信息共享[38]。網(wǎng)絡(luò)支持200～1 000個(gè)服務(wù)用戶的高速、安全、抗干擾傳輸，其吞吐量比Link16數(shù)據(jù)鏈高20倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，TTNT支持語(yǔ)音、文本、視頻流、圖像等多類業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)傳輸速率比Link16高50倍，可實(shí)現(xiàn)540 km距離范圍的信息傳輸，特別地，在185.2 km的傳輸范圍內(nèi)其信息傳輸速率達(dá)2 Mbps。TTNT建網(wǎng)時(shí)間僅需不到5 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于通用Link16網(wǎng)絡(luò)；可包括200～2 000個(gè)用戶，網(wǎng)絡(luò)總?cè)萘窟_(dá)到10 Mb/s，新用戶入網(wǎng)時(shí)間約為3 s，可實(shí)現(xiàn)航空平臺(tái)的隨時(shí)入網(wǎng)、退網(wǎng)。其應(yīng)用范圍包括態(tài)勢(shì)感知、協(xié)同傳輸、圖像、視頻傳輸?shù)龋啾扔谕ㄓ脭?shù)據(jù)鏈應(yīng)用種類廣泛。

3.2 光/射頻通信鏈路試驗(yàn)

DARPA一直致力于下一代全球信息柵格通信技術(shù)的研究發(fā)展。2007年后，由于對(duì)機(jī)載光通信重要性的重新認(rèn)識(shí)和先進(jìn)路由技術(shù)的發(fā)展，使人們開(kāi)始重新審視航空激光網(wǎng)絡(luò)的潛力。要構(gòu)建一個(gè)強(qiáng)魯棒性、高吞吐量的空中網(wǎng)絡(luò)，必須充分利用激光、射頻混合鏈路與組網(wǎng)技術(shù)，而不是單獨(dú)依靠其中之一[38-40]。為此美國(guó)MIT林肯實(shí)驗(yàn)室提出了基于激光與射頻混合組網(wǎng)的國(guó)防軍事網(wǎng)絡(luò)[41]，如圖11所示。該網(wǎng)絡(luò)很大程度上依賴于大容量自由空間平臺(tái)通信，同時(shí)美國(guó)空軍一直在進(jìn)行面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的機(jī)載高速率骨干網(wǎng)研究和發(fā)展，其中主要進(jìn)行自由空間光通信鏈路技術(shù)FSO研究，并最終實(shí)現(xiàn)混合FSO/RF通信鏈路組網(wǎng)。

圖11 軍事中心結(jié)構(gòu)FSO/RF混合網(wǎng)絡(luò)概念圖

光/射頻通信鏈路實(shí)驗(yàn)(Optical RF Communi-cations Link Experiment, ORCLE)是DARPA組織的首個(gè)FSO和射頻混合鏈路空中網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，該計(jì)劃主要關(guān)注RF和FSO節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)及物理層技術(shù)的研究，旨在實(shí)現(xiàn)激光/射頻通信混合鏈路的智能化應(yīng)用[41]。ORCLE計(jì)劃進(jìn)行了包含空-空和空-地間FSO和射頻鏈路在內(nèi)的混合航空通信網(wǎng)絡(luò)演示，其中，F(xiàn)SO的通信鏈路速率為2.5 Gbps，射頻數(shù)據(jù)鏈的速率為45 Mbps。ORCLE計(jì)劃的成功實(shí)施驗(yàn)證了利用現(xiàn)有通信技術(shù)研制FSOC/RF混合通信設(shè)備的可行性，為航空通信網(wǎng)絡(luò)中的高速率通信提供了保障。

3.3 光/射頻通信計(jì)劃

ORCLE成功之后，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)也開(kāi)展了面向戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的機(jī)載混合FSO/RF通信效能研究。DARPA和AFRL組織了光/射頻通信計(jì)劃[42-44]。ORCA計(jì)劃的目標(biāo)是設(shè)計(jì)、建立并測(cè)試一個(gè)用以反饋和數(shù)據(jù)傳播應(yīng)用，戰(zhàn)術(shù)的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行地面節(jié)點(diǎn)之間的混合FSO/RF網(wǎng)絡(luò)技術(shù)驗(yàn)證。

ORCA項(xiàng)目是一個(gè)實(shí)際的戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)模型，由機(jī)間部分和地面部分組成，如圖12所示。

圖12 ORCA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

其中，機(jī)間部分通過(guò)多平臺(tái)組網(wǎng)構(gòu)成移動(dòng)自組網(wǎng)(Mobile Ad-hoc Networks, MANET)，并利用與ORCA地面節(jié)點(diǎn)相連的戰(zhàn)略網(wǎng)關(guān)路由為GIG提供高可靠雙向骨干網(wǎng)；地面部分通過(guò)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)關(guān)路由為IP地面網(wǎng)絡(luò)提供可靠連接。ORCA系統(tǒng)的混合鏈路中，微波部分?jǐn)?shù)據(jù)速率174 Mbps，F(xiàn)SO部分?jǐn)?shù)據(jù)速率>5 Gbps。對(duì)于大容量的ORCA網(wǎng)絡(luò)，戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)是其終端子網(wǎng)，同時(shí)ORCA也作為GIG高速段的終端網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。因此，ORCA網(wǎng)絡(luò)必須能夠區(qū)分網(wǎng)絡(luò)內(nèi)和網(wǎng)絡(luò)之間的通信流量并通過(guò)QoS通信優(yōu)先次序進(jìn)行補(bǔ)償。

3.4 航空骨干網(wǎng)絡(luò)測(cè)試試驗(yàn)

美國(guó)林肯實(shí)驗(yàn)室于2012年進(jìn)行了航空骨干網(wǎng)絡(luò)測(cè)試試驗(yàn)，作為美軍C4ISR(Command, Control, Communications,Computers, Intelligence,Surveillance, and Reconnaissance, C4ISR)系統(tǒng)行動(dòng)2010(On-the-Move 2010 Exercise)的一部分，該試驗(yàn)選擇2個(gè)陸地基點(diǎn)和2個(gè)空中基點(diǎn)共同構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)環(huán)境，研究與評(píng)估了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的航空骨干網(wǎng)絡(luò)吞吐量、端到端延遲等網(wǎng)絡(luò)性能[45-46]。測(cè)試內(nèi)容包括大容量機(jī)載射頻系統(tǒng)性能、RFC4938無(wú)線路由器接口、動(dòng)態(tài)路由及為軍用數(shù)據(jù)提供穩(wěn)定可靠機(jī)載IP骨干鏈路的能力等通信性能驗(yàn)證。圖13(a)給出了試驗(yàn)中空中平臺(tái)、鏈路、高度、速度、通信距離及無(wú)線通信系統(tǒng)的具體參數(shù)；圖13(b)為試驗(yàn)中空中平臺(tái)飛行軌跡及距離。該試驗(yàn)中采用2種不同的通信系統(tǒng)：電子開(kāi)關(guān)波束(ESB)無(wú)線系統(tǒng)及全向無(wú)線系統(tǒng)(ORS)。其中，采用時(shí)分復(fù)用(TDMA)Ku-波段ESB系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率為2～5 Mbps，鏈路時(shí)延60～100 ms；ORS系統(tǒng)為L(zhǎng)波段全向天線，采用調(diào)頻隨機(jī)接入MAC協(xié)議，其數(shù)據(jù)速率500 kbps～2 Mbps，鏈路時(shí)延3～3 000 ms。

圖13 航空骨干網(wǎng)絡(luò)測(cè)試試驗(yàn)

3.5 Minuteman項(xiàng)目

美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校開(kāi)展的Minuteman項(xiàng)目，針對(duì)未來(lái)海軍作戰(zhàn)需要有效地利用海上、岸上和空中的各種實(shí)時(shí)信息和傳感器數(shù)據(jù)，將戰(zhàn)場(chǎng)上的UGV和UAV等各自單元組成了一個(gè)空間、地面和海上一體化的戰(zhàn)場(chǎng)MANET。其中采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，由骨干節(jié)點(diǎn)組成移動(dòng)骨干網(wǎng)和接入骨干節(jié)點(diǎn)的本地接入網(wǎng)所組成，如圖14所示。圖中粗線連接的為各群首組成的頂層網(wǎng)絡(luò)，各群為任務(wù)編隊(duì)，群內(nèi)成員之間保持相對(duì)一致的運(yùn)動(dòng)，因而具有穩(wěn)定的群組結(jié)構(gòu)。

圖14 Minuteman的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

3.6 NCW網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

美軍提出的網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念(NCW)[47-48]，NCW網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖如圖15所示。力求通過(guò)強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)，將分布在廣闊區(qū)域內(nèi)的各種傳感器、指揮中心和各武器平臺(tái)融合成為一個(gè)統(tǒng)一高效的空間信息系統(tǒng)。NCW由空、天、地、海四層網(wǎng)絡(luò)組成，其中空間大型平臺(tái)、海面大型艦艇和地面指揮所通過(guò)激光鏈路或者定向射頻鏈路互聯(lián)組建空間骨干信息網(wǎng)絡(luò)。

圖15 DARPA提出的NCW網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

3.7 ATENAA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2004—2007年，德國(guó)、希臘、意大利和法國(guó)四國(guó)的研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開(kāi)展了ATENAA項(xiàng)目的研究。該項(xiàng)目主要為了驗(yàn)證寬帶定向數(shù)據(jù)鏈路構(gòu)建空間信息網(wǎng)絡(luò)，其關(guān)鍵技術(shù)包括空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，Ka頻段陣列天線，以及機(jī)間光通信技術(shù)等。圖16所示為ATENAA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖，其中包括飛機(jī)、地面站、高空平臺(tái)等通信節(jié)點(diǎn)。該網(wǎng)絡(luò)針對(duì)不同的通信業(yè)務(wù)采用了3種鏈路：VHF數(shù)據(jù)鏈、Ka頻段鏈路和外層光鏈路(Outer Optical Link, OOL)。

2013年，德國(guó)宇航局啟動(dòng)光數(shù)據(jù)鏈高速傳輸演示驗(yàn)證項(xiàng)目，DODfast，在“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)上掛載激光通信終端進(jìn)行了空地通信試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了1 Gbps的數(shù)據(jù)回傳。此外，歐盟在2016年開(kāi)展了無(wú)人機(jī)載無(wú)線光通信演示驗(yàn)證項(xiàng)目ALCOS。目前，該項(xiàng)目還在進(jìn)行過(guò)程中，其驗(yàn)證目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)到衛(wèi)星的上行傳輸速率達(dá)到1.8 Gbps，下行衛(wèi)星對(duì)無(wú)人機(jī)的傳輸速率為100 Mbps，通信距離可達(dá)數(shù)千公里。

圖16 ATENAA的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.8 激光微波通信鏈路(ORCLE)實(shí)驗(yàn)

該項(xiàng)目是美國(guó)DARPA組織的第一個(gè)混合鏈路空中網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃，主要關(guān)注射頻(RF)和自由空間激光(FSO)節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)及物理層技術(shù)的研究[49-52]。ORCLE項(xiàng)目依據(jù)傳輸信息的大小以及通信環(huán)境的不同，通過(guò)選擇最合理的通信方式，實(shí)現(xiàn)激光和射頻通信鏈路智能化的混合應(yīng)用，達(dá)到能夠?yàn)槁?lián)合部隊(duì)指揮官提供有保障的高數(shù)據(jù)率通信的能力。ORCLE搭建了空-空和空-地實(shí)驗(yàn)演示系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中FSO數(shù)據(jù)鏈的通信數(shù)據(jù)率為2.5 Gbps，而射頻戰(zhàn)術(shù)通用數(shù)據(jù)鏈(TCDL)的數(shù)據(jù)率則為45 Mbps。

3.9 光射頻通信優(yōu)化(ORCA)項(xiàng)目

該項(xiàng)目基于ORCLE項(xiàng)目的相關(guān)研究成果，開(kāi)發(fā)FSO/RF混合通信設(shè)備，并測(cè)試基于FSO/RF混合的IP骨干網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)是用其滿足戰(zhàn)場(chǎng)上回傳后方的通信傳輸需求。ORCA項(xiàng)目是由機(jī)間部分和地面部分組成，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖17所示。ORCA系統(tǒng)混合鏈路中微波部分?jǐn)?shù)據(jù)速率為274 Mbps，F(xiàn)SO部分?jǐn)?shù)據(jù)速率>5 Gbps。

圖17 ORCA計(jì)劃的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3.10 射頻/激光綜合組網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)瞄準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(IRON-T2)研究計(jì)劃

IRON-T2的研究目的是演示驗(yàn)證FSO/RF通信鏈路混用必需技術(shù)和設(shè)備的可行性。IRON-T2項(xiàng)目于2008年完結(jié)，演示了射頻和激光混合通信系統(tǒng)應(yīng)用的效率，測(cè)試數(shù)據(jù)表明，混合通信系統(tǒng)可以在白天和夜晚的多種環(huán)境下提供可靠的Gbps級(jí)鏈路。

3.11 自由空間實(shí)驗(yàn)性光網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)

FOENEX項(xiàng)目由AOptix公司和約翰-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室共同研發(fā)，其目標(biāo)是在空-地(50 km)、空-空鏈路(200 km)中，利用射頻與激光混合通信信道提供的端對(duì)端網(wǎng)絡(luò)高可靠性傳輸。FOENEX的網(wǎng)絡(luò)演示場(chǎng)景如圖18所示?？罩泻偷孛婀?jié)點(diǎn)配置有兩條或多條射頻與激光混合通信鏈路。FOENEX在2011年底和2012年初進(jìn)行了飛行測(cè)試。試驗(yàn)表明，應(yīng)用于射頻與激光混合通信鏈路的FOENEX重傳算法可以在5×10-2誤包率的信道上實(shí)現(xiàn)100%數(shù)據(jù)送達(dá)。

圖18 美國(guó)DARPA的FOENEX計(jì)劃

目前國(guó)內(nèi)機(jī)載激光/射頻混合傳輸?shù)南嚓P(guān)研究工作剛剛起步。前期長(zhǎng)春理工大學(xué)分別在2011年和2013年完成機(jī)載平臺(tái)之間速率1.5 Gbps(17.5 km)和2.5 Gbps(144 km)的光通信實(shí)驗(yàn)，為下一步建立航空骨干網(wǎng)奠定了很好的基礎(chǔ)。

4 新型航空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當(dāng)前各種類型的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)基本采用定制化的設(shè)計(jì)思路，不同數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)針對(duì)特定的需求設(shè)計(jì)，僅能完成其特定的戰(zhàn)術(shù)功能，各自組建的網(wǎng)絡(luò)形成不同的專用子網(wǎng)，工作于不同頻段，采用不同的波形和組網(wǎng)技術(shù)，互操作能力非常有限。此外，這些數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)大都缺乏開(kāi)放的系統(tǒng)訪問(wèn)接口，系統(tǒng)在運(yùn)行前，往往需要基于專用工具進(jìn)行人工化的參數(shù)配置與加載，且系統(tǒng)運(yùn)行細(xì)節(jié)對(duì)外透明，靈活性、開(kāi)放性很差。隨著武器裝備信息化水平的不斷提升，面臨著新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力需求，面向航空信息網(wǎng)絡(luò)時(shí)，靈活性、開(kāi)放性、互操作性不足的問(wèn)題顯得愈發(fā)突出。

面對(duì)航空信息網(wǎng)絡(luò)存在的問(wèn)題，DRAPA于2014年和2015年分別開(kāi)展了C2E項(xiàng)目和DyNAMO項(xiàng)目。C2E項(xiàng)目的目的在于為航空平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)自適應(yīng)的通信系統(tǒng)來(lái)融合不同航空平臺(tái)上的異構(gòu)通信需求。該通信系統(tǒng)基于模塊化的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，能夠在不進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)升級(jí)的情況下，靈活、按需地配置通信系統(tǒng)的通信功能。而DyNAMO項(xiàng)目則以C2E項(xiàng)目的前期研究成果為支撐，強(qiáng)調(diào)依據(jù)任務(wù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的各種參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，并引入信息中心網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)，來(lái)橋接不同的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性和互操作性。麻省理工大學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室的航空信息網(wǎng)絡(luò)組以TCP/IP協(xié)議棧模型為參考并結(jié)合航空信息網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，分別從物理層、鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層闡述了其對(duì)如何設(shè)計(jì)下一代航空信息網(wǎng)絡(luò)的思考。指出在物理層要充分權(quán)衡SWaP與新物理層技術(shù)的應(yīng)用，在鏈路層設(shè)計(jì)信道接入控制協(xié)議時(shí)充分考慮物理層技術(shù)的特點(diǎn)以及航空信息網(wǎng)絡(luò)在傳播時(shí)延、鏈路穩(wěn)定性等方面的特殊性，在網(wǎng)絡(luò)層以標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)的方式收斂網(wǎng)絡(luò)層功能。國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者提出了很有參考價(jià)值的機(jī)載網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

為了能夠顯著提升現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的易用性，賦予網(wǎng)絡(luò)更強(qiáng)的可編程能力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的網(wǎng)絡(luò)管控，Nick McKeown教授在分析計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新模式的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的三部分功能模塊進(jìn)行了重新劃分，在每層之間建立統(tǒng)一的開(kāi)放接口，提出了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)：軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking, SDN)[53-54]。SDN使網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，采用邏輯上集中的控制器基于全局網(wǎng)絡(luò)視圖對(duì)可編程的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理和配置操作，為網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展帶來(lái)了更為靈活開(kāi)放的環(huán)境，有利于創(chuàng)新應(yīng)用的部署以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)。SDN一經(jīng)提出便引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注，并逐步從有線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域推廣應(yīng)用到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，如5G網(wǎng)絡(luò)[55]，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)等。這種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)航空信息網(wǎng)絡(luò)滿足不同任務(wù)需求的特點(diǎn)極具啟發(fā)性。有研究指出SDN應(yīng)用于航空信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有較好的前景，SDN應(yīng)用于無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)將對(duì)解決未來(lái)無(wú)人機(jī)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展所面臨的問(wèn)題提供全新的途徑；針對(duì)現(xiàn)有戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈仍存在通用性差、封閉性高等明顯的局限性，基于SDN技術(shù)的核心思想，在整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)時(shí)構(gòu)建虛擬數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，形成若干臨時(shí)高速數(shù)據(jù)鏈路，提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)間的高速數(shù)據(jù)傳輸功能。通過(guò)定制類似可擴(kuò)展虛擬局域網(wǎng)絡(luò)(Virtual Extensible LAN, VXLAN)，使得數(shù)據(jù)鏈具備快速動(dòng)態(tài)重構(gòu)的特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)多跳鏈路協(xié)同工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)差異化服務(wù)。

雖然國(guó)內(nèi)在SDN地面網(wǎng)絡(luò)已有了廣泛應(yīng)用，但目前基于SDN構(gòu)建航空信息網(wǎng)絡(luò)還處于概念描述和初步探索階段，還未有完整的基于SDN的航空信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)被提出。為了給構(gòu)建符合未來(lái)航空集群作戰(zhàn)應(yīng)用需求的航空信息網(wǎng)絡(luò)從根本上提供理論支撐，2017年本項(xiàng)目組分析了航空集群作戰(zhàn)應(yīng)用對(duì)航空集群機(jī)載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的基本能力需求，總結(jié)了將SDN設(shè)計(jì)思想運(yùn)用于航空集群機(jī)載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的優(yōu)勢(shì)，在此基礎(chǔ)上提出了一種面向集群空戰(zhàn)的機(jī)載可定義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[56]，如圖19所示，并對(duì)其基本架構(gòu)進(jìn)行了闡述，對(duì)未來(lái)機(jī)載戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向提出了一些大膽思考。

圖19 航空機(jī)載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5 航空光通信網(wǎng)絡(luò)研究熱點(diǎn)

根據(jù)國(guó)際上研究現(xiàn)狀可知，目前航空光通信領(lǐng)域的研究正處于從理論研究逐步向工程實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化、從航空平臺(tái)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)光通信向航空平臺(tái)組網(wǎng)驗(yàn)證轉(zhuǎn)化的階段，對(duì)航空平臺(tái)間靈活可靠的光通信及組網(wǎng)技術(shù)提出了迫切需求。目前關(guān)于航空平臺(tái)間光通信方面的研究仍處于起步階段，研究成果主要集中在空地光通信ATP技術(shù)、外界環(huán)境等方面，而航空激光平臺(tái)組網(wǎng)的研究尚未全面開(kāi)展。根據(jù)以上對(duì)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的分析可知，為實(shí)現(xiàn)航空平臺(tái)間光通信的工程應(yīng)用和組網(wǎng)驗(yàn)證，還存在以下問(wèn)題亟待關(guān)注：

5.1 機(jī)載光通信中的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)

捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是開(kāi)展機(jī)載光通信研究的理論基礎(chǔ)。Yohan Shim等[57]通過(guò)運(yùn)動(dòng)全球定位系統(tǒng)和傳感器系統(tǒng)，針對(duì)空間光通信及組網(wǎng)應(yīng)用，提出了精密視軸指向?qū)?zhǔn)方法。Amita Shrestha等[58]針對(duì)空-地光通信鏈路，提出了一種光學(xué)天線視軸誤差校正方法，并實(shí)現(xiàn)了空-地間光通信演示試驗(yàn)。孟立新等[59]研究了機(jī)載ATP系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，考慮外界環(huán)境影響，對(duì)機(jī)載平臺(tái)跟蹤精度和光束發(fā)散角進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，開(kāi)展了機(jī)載激光轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和伺服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了基于全光捕獲的機(jī)載光通信快速捕獲方法，提出了ATP系統(tǒng)的高精度跟蹤和穩(wěn)定精度檢測(cè)方法。趙馨等[60]針對(duì)飛機(jī)與地面之間光通信鏈路，提出了光學(xué)天線視軸初始對(duì)準(zhǔn)方法及初始指向系統(tǒng)中的視軸標(biāo)校方法。齊秋菊等[61]提出了機(jī)載激光終端信標(biāo)光及反射光源信標(biāo)光的跟蹤精度檢測(cè)方法，并通過(guò)跟蹤精度檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。徐春鳳等[62]考慮航空平臺(tái)間光通信全過(guò)程，研究了通信環(huán)節(jié)及大氣信道對(duì)信標(biāo)光功率的作用規(guī)律，獲得了發(fā)射端信標(biāo)光功率與接收端探測(cè)概率的變化關(guān)系。趙義武等[63]根據(jù)機(jī)載平臺(tái)飛行運(yùn)動(dòng)和終端振動(dòng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了空間激光系統(tǒng)的通信捕獲動(dòng)態(tài)補(bǔ)償公式，并提出了相應(yīng)的航空平臺(tái)間光通信捕獲算法。

5.2 機(jī)載光通信信道建模

由于機(jī)載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性及大氣環(huán)境條件變化，機(jī)載光通信傳輸信道會(huì)受到影響，引起接收端光信號(hào)衰落和光強(qiáng)起伏。機(jī)載平臺(tái)自身的高頻振動(dòng)和低頻抖動(dòng)特性會(huì)造成傳輸光束的對(duì)準(zhǔn)誤差，造成接收端探測(cè)光功率降低。因此，建立準(zhǔn)確的光通信信道模型是分析和改善機(jī)載光通信系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)。Paul R等[64]針對(duì)ORCA項(xiàng)目中機(jī)載光通信骨干鏈路，分布考慮弱湍流及中強(qiáng)湍流條件，建立大氣效應(yīng)影響下光通信鏈路模型。Meiwei Kong等[65]考慮低空無(wú)人飛行終端及光電二極管探測(cè)器，研究了機(jī)載無(wú)線光通信系統(tǒng)的可行性，通過(guò)鏈路誤碼率、光束發(fā)散角及偏轉(zhuǎn)角等參數(shù)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)性能。陳純毅等[66]考慮空間背景光、接收端效率、大氣信道衰減作用及光強(qiáng)閃爍效應(yīng)，建立了飛機(jī)與衛(wèi)星間上行光通信鏈路的信道模型和誤碼率模型。王靜等[67]研究了機(jī)載終端的運(yùn)動(dòng)特性，建立了航空平臺(tái)與各空間節(jié)點(diǎn)間光通信的物理及數(shù)學(xué)運(yùn)動(dòng)模型，進(jìn)行了機(jī)載激光鏈路方程推導(dǎo)和仿真計(jì)算。韓志鋼等[68]從理論上研究了機(jī)載光通信中的大氣湍流效應(yīng)對(duì)通信鏈路的影響，分析了激光光束的光場(chǎng)二階特性，并通過(guò)仿真評(píng)估了接收光斑尺寸、光束到達(dá)角起伏等光束參數(shù)隨鏈路傳輸條件的變化關(guān)系。

5.3 氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)

當(dāng)航空平臺(tái)在大氣環(huán)境中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)引起湍流流場(chǎng)起伏現(xiàn)象，即氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)會(huì)引起運(yùn)動(dòng)平臺(tái)附近氣流的折射率起伏強(qiáng)烈，造成光束擴(kuò)展、波前漂移及遠(yuǎn)場(chǎng)峰值強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響光通信系統(tǒng)性能，是航空光通信研究中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。美國(guó)氣動(dòng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Airborne Aero-Optics Laboratory, AAOL)[69]在2011年研究了機(jī)載平臺(tái)高速飛行時(shí)，平面窗口的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，并進(jìn)行了超音速的機(jī)載平臺(tái)外掛吊艙氣動(dòng)光學(xué)試驗(yàn)。高天元等[70]針對(duì)機(jī)載平臺(tái)光通信試驗(yàn)中的觀測(cè)獲得氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)現(xiàn)象，采用衍射光學(xué)理論和光學(xué)方法，研究了氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的原理分析和有效補(bǔ)償方法。殷柯欣等[71]分析了航空平臺(tái)飛行高度、速度、終端位置等參數(shù)對(duì)光學(xué)平臺(tái)像差的影響作用。孫寧等[72]針對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生原理、數(shù)值計(jì)算和仿真進(jìn)行研究，分析了在不同機(jī)載光通信參數(shù)條件下，氣動(dòng)光學(xué)對(duì)通信鏈路性能的影響。張曦文等[73]慮飛機(jī)高速運(yùn)動(dòng)和高空大氣信道，分析了大氣附面層結(jié)構(gòu)，理論研究了機(jī)間激光光束傳輸中的聚焦效應(yīng)和氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)。

5.4 航空光網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)前文獻(xiàn)研究主要集中于航空信息網(wǎng)絡(luò)及自由空間光通信(Free-space Optical Communication, FSOC)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化及設(shè)計(jì)問(wèn)題。Vey Q等[74]提出了航空自組織網(wǎng)絡(luò)(Aeronautical Ad-hoc Network)，考慮利用移動(dòng)自組網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)航空平臺(tái)優(yōu)化組網(wǎng)。谷文哲等[75]針對(duì)航空自組織網(wǎng)絡(luò)中的QoS路由問(wèn)題進(jìn)行研究，提出了基于時(shí)延感知、拓?fù)涓兄鸵苿?dòng)感知的路由算法。李晶等[76]考慮航空自組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)移動(dòng)特點(diǎn)，建立了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)移動(dòng)模型和鏈路穩(wěn)定性模型。Nestor D等[77]針對(duì)FSOC網(wǎng)絡(luò)，考慮鏈路及發(fā)射功率有限條件，提出了基于隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及Lyapunov理論的任務(wù)優(yōu)化調(diào)度方法。Y Tang等[78]針對(duì)混合RF/FSO并行網(wǎng)絡(luò)，考慮大氣湍流效應(yīng)，提出了一種網(wǎng)絡(luò)控制方法，研究了網(wǎng)絡(luò)吞吐量性能。針對(duì)航空激光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究較少，Zachary C. Bagley等[42]針對(duì)ORCA項(xiàng)目中的機(jī)載激光/射頻混合網(wǎng)絡(luò)，提出了鏈路層重傳機(jī)制和基于混合鏈路的失效備緩策略來(lái)應(yīng)對(duì)由于大氣湍流及平臺(tái)移動(dòng)性導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)中斷。

5.5 高空大氣信道及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)下航空激光鏈路建模

航空平臺(tái)間光通信鏈路處于高空大氣信道環(huán)境中，由于大氣環(huán)境不穩(wěn)定性高空大氣、溫度、氣壓、平臺(tái)振動(dòng)等因素會(huì)導(dǎo)致航空平臺(tái)間信道動(dòng)態(tài)變化。大氣吸收和散射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致接收光功率的衰減，大氣湍流導(dǎo)致的光強(qiáng)閃爍效應(yīng)嚴(yán)重影響鏈路傳輸性能。航空平臺(tái)在大氣環(huán)境中高速動(dòng)態(tài)運(yùn)行特性會(huì)引起氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)，造成光束擴(kuò)展、波前漂移及遠(yuǎn)場(chǎng)峰值強(qiáng)度降低，嚴(yán)重影響光通信系統(tǒng)性能。激光終端的高頻振動(dòng)和低頻抖動(dòng)會(huì)造成光束傳輸指向誤差，造成接收端探測(cè)光功率降低。高空大氣信道條件及氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)對(duì)航空平臺(tái)間光通信鏈路的通信性能影響需要準(zhǔn)確深入的研究。因此，系統(tǒng)研究大氣信道特性，建立高空環(huán)境下航空平臺(tái)間光通信模型，分析不同大氣信道通信環(huán)境影響下光通信鏈路差錯(cuò)性能，可為鏈路性能改善和通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論參考。

5.6 航空平臺(tái)RF/FSO鏈路協(xié)同

考慮到激光和射頻通信技術(shù)各自優(yōu)勢(shì)，航空光通信與傳統(tǒng)機(jī)間射頻數(shù)據(jù)鏈技術(shù)的混合應(yīng)用，是建立高速穩(wěn)定的航空通信鏈路，實(shí)現(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)的重要途徑。在未來(lái)航空信息網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)射頻通信網(wǎng)絡(luò)與光通信網(wǎng)絡(luò)之間的異構(gòu)融合和無(wú)縫接入是需要解決的重點(diǎn)問(wèn)題。因此，構(gòu)建航空平臺(tái)混合RF/FSO中繼傳輸系統(tǒng)，分析不同中繼方式下混合RF/FSO鏈路的信道特性，研究鏈路傳輸差錯(cuò)性能，可為實(shí)現(xiàn)FSO及RF通信技術(shù)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，增強(qiáng)航空平臺(tái)間鏈路傳輸可靠性提供理論基礎(chǔ)。

5.7 航空信息網(wǎng)絡(luò)中流量工程問(wèn)題

考慮航空節(jié)點(diǎn)在業(yè)務(wù)特點(diǎn)、運(yùn)行環(huán)境、技術(shù)體制及應(yīng)用類型等方面的差異性，以及航空平臺(tái)間激光及射頻混合通信鏈路的傳輸特征，航空信息網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)及業(yè)務(wù)多樣化的特點(diǎn)，而不同航空業(yè)務(wù)具有不同的傳輸需求，包括端到端延遲、丟包率、QoS等級(jí)等網(wǎng)絡(luò)需求指標(biāo)。此外，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，空間信息傳輸需求不斷增長(zhǎng)，海量的重要信息需要通過(guò)航空平臺(tái)進(jìn)行傳輸。面對(duì)航空信息網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)流量的迅速增長(zhǎng)及業(yè)務(wù)異質(zhì)性的特點(diǎn)，如何對(duì)網(wǎng)絡(luò)中流量進(jìn)行靈活的調(diào)度控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用和合理分配，是航空信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)應(yīng)用中亟待解決的問(wèn)題。因此，利用邏輯集中的網(wǎng)絡(luò)管控策略，建立航空信息網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載均衡模型，并提出高效的流量調(diào)度優(yōu)化算法進(jìn)行求解，是實(shí)現(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)中流量業(yè)務(wù)的調(diào)度規(guī)劃，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的有效方案。

5.8 新型航空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

將軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)思想引入航空組網(wǎng)中，建立邏輯集中控制的網(wǎng)絡(luò)管控策略，能夠?qū)崿F(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)中流量業(yè)務(wù)的優(yōu)化調(diào)度和網(wǎng)絡(luò)的靈活配置，滿足空間信息網(wǎng)絡(luò)中多類用戶傳輸需求。然而航空信息網(wǎng)絡(luò)具有空間大尺度分布、業(yè)務(wù)流量大、傳播時(shí)延長(zhǎng)、傳輸鏈路時(shí)變等特點(diǎn)，需要控制器部署方案具有高可靠性、低傳輸時(shí)延和負(fù)載均衡的能力。因此，針對(duì)邏輯集中控制航空信息網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，研究航空信息網(wǎng)絡(luò)中控制器部署問(wèn)題，建立控制器部署的整數(shù)規(guī)劃模型并提出部署優(yōu)化算法進(jìn)行求解，獲得控制器的最佳部署方案，是實(shí)現(xiàn)航空信息網(wǎng)絡(luò)資源靈活調(diào)度和管理的重要研究?jī)?nèi)容。