星地融合通信中的衛(wèi)星回傳技術(shù)

戴翠琴 李時鵬

【摘 ?要】

星地融合通信網(wǎng)絡(luò)以其低成本、高覆蓋特性，通過地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合，可實現(xiàn)大流量區(qū)域高峰時段通信的快速高效接入，滿足日益增長的高速率、大容量通信業(yè)務(wù)需求。為了滿足穩(wěn)定可靠連續(xù)的通信可接入性，提出了星地融合通信中的衛(wèi)星回傳系統(tǒng)架構(gòu)，從服務(wù)質(zhì)量、移動性管理和資源分配三個方面對星地融合通信中衛(wèi)星回傳技術(shù)的研究現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢進行了分析和展望。

【關(guān)鍵詞】星地融合通信;衛(wèi)星回傳;服務(wù)質(zhì)量;移動性管理;資源分配

0 ? 引言

星地融合通信，利用衛(wèi)星擴展移動通信網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)造覆蓋空中、陸地、海洋的移動信息網(wǎng)絡(luò)，以滿足無處不在的通信需求和應(yīng)對未來巨量的流量增長。作為一種新型的移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，星地融合通信網(wǎng)絡(luò)（STIN， Satellite-Terrestrial Integrated Network）正成為全球范圍的研究熱點[1-3]。

星地融合通信網(wǎng)絡(luò)需要滿足隨時隨地的、連續(xù)且穩(wěn)定可靠的通信網(wǎng)的可接入性。根據(jù)通信服務(wù)的泛在性、連續(xù)性和可擴展性，可將星地融合通信分為如下三個場景：1）服務(wù)的泛在性，即用戶的通信可接入性不受地理環(huán)境及其他突發(fā)自然災(zāi)害的影響，例如在農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)建設(shè)通信基礎(chǔ)設(shè)施成本較高，或者突發(fā)自然災(zāi)害（如地震、洪水），導(dǎo)致移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施匱乏或者被破壞，此時地面網(wǎng)絡(luò)無法使用，而在星地融合通信網(wǎng)中通過衛(wèi)星回傳可以始終保證用戶正常接入;2）服務(wù)的連續(xù)性，星地融合網(wǎng)絡(luò)中的用戶使用的終端可以在衛(wèi)星和地面以及衛(wèi)星之間進行無縫切換，在陸地移動平臺、空中移動平臺和海上移動平臺等一些載有移動基站且具有衛(wèi)星接入能力的移動平臺上提供連續(xù)的通信接入服務(wù)，使得用戶在穿越高山、沙漠、海洋等特殊地理區(qū)域時，可以享受不間斷的通信接入服務(wù);3）服務(wù)的可擴展性，衛(wèi)星本身就具有廣覆蓋特性，利用衛(wèi)星進行多播或者廣播可節(jié)省通信成本，比如衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以在非繁忙時段組播或廣播非時延敏感數(shù)據(jù)，在繁忙時段通過并行的地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星回傳數(shù)據(jù)到核心網(wǎng)，以保證用戶通信的穩(wěn)定可靠[4]。由以上分析可知：星地融合通信中的衛(wèi)星回傳是實現(xiàn)上述三類服務(wù)場景的關(guān)鍵技術(shù)。

目前，國內(nèi)外針對星地融合通信中的衛(wèi)星回傳技術(shù)大多是基于地球靜止軌道（GEO， Geostationary Orbit）衛(wèi)星和中軌道（MEO， Medium Earth Orbit）衛(wèi)星，較少有研究針對低軌（LEO， Low Earth Orbit）衛(wèi)星回傳，對該領(lǐng)域尚處于初步探索階段。近年來隨著SpaceX和OneWeb等公司的大規(guī)模低軌衛(wèi)星組網(wǎng)計劃的發(fā)布，基于低軌衛(wèi)星的數(shù)據(jù)回傳開始受到了重視。與GEO和MEO相比，一方面LEO衛(wèi)星的軌道高度更低，意味著有更低的時延和傳輸損耗，能更好地融入地面通信系統(tǒng)中;另一方面，由于LEO衛(wèi)星相對于地面節(jié)點高速運動特性，使得對網(wǎng)絡(luò)的移動性管理提出了更嚴(yán)格的要求。此外，動態(tài)的拓?fù)洹r變的鏈路和回傳容量，也增加了星地融合通信網(wǎng)中回傳鏈路上的資源分配難度。由以上分析可知，未來星地融合通信中衛(wèi)星回傳技術(shù)的研究方向大致可分為：1）基于服務(wù)質(zhì)量（QoS， Quality of Service）的超密集高通量LEO衛(wèi)星回傳，通過大規(guī)模的高通量LEO衛(wèi)星組網(wǎng)，雖然可以提供較大的回傳容量和較低的傳輸時延，但是動態(tài)的拓?fù)浜蜁r變的鏈路會造成變化的回傳容量，從而給用戶QoS帶來極大的挑戰(zhàn);2）基于移動性管理的大規(guī)模LEO衛(wèi)星回傳，相對于地面高速運動的LEO衛(wèi)星，其某一波束對地面的覆蓋時間常常低至幾分鐘，必須在考慮多方面因素（如：是否具備星上處理能力、切換失敗和時間同步等）的條件下盡可能實現(xiàn)快速切換，防止丟失數(shù)據(jù);3）基于資源分配的大規(guī)模LEO衛(wèi)星回傳，未來大量的智能終端和各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的龐大數(shù)據(jù)流量，將給星地融合通信網(wǎng)的回傳鏈路帶來極大的挑戰(zhàn)，通過在地面鏈路和衛(wèi)星并行的星地融合網(wǎng)中引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN， Software Defined Network）技術(shù)，可對基于衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)絡(luò)資源高效靈活分配，來有效均衡鏈路負(fù)載，最大化網(wǎng)絡(luò)效用。

下面將從四個方面闡述星地融合通信中的衛(wèi)星回傳技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)：1）星地融合通信網(wǎng)絡(luò);2）基于QoS的衛(wèi)星回傳;3）基于移動性管理的衛(wèi)星回傳;4）基于資源分配的衛(wèi)星回傳。

1 ? 星地融合通信網(wǎng)絡(luò)

如圖1所示，與地面通信系統(tǒng)架構(gòu)類似，星地融合通信系統(tǒng)也包括接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)三個基本組成部分。其中傳輸網(wǎng)由并行的地面鏈路和具備透明轉(zhuǎn)發(fā)功能的衛(wèi)星所組成，接入網(wǎng)和核心網(wǎng)部分與地面移動通信系統(tǒng)共享。地面移動蜂窩基站在接收到來自智能終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)流時，對于難以部署地面光纖鏈路的農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，可通過透明轉(zhuǎn)發(fā)的彎管式衛(wèi)星將數(shù)據(jù)流回傳到核心網(wǎng)，為地面移動通信基站提供無線回傳功能，或者是在人流密集的大流量區(qū)域，通過并行的地面鏈路和衛(wèi)星回傳數(shù)據(jù)流。

此外，國際電信聯(lián)盟提出了星地5G融合的四種應(yīng)用場景，如圖2所示，包括中繼回傳到站、獨立小區(qū)回傳、動中通回傳以及混合多播回傳場景[5]。

1）匯聚業(yè)務(wù)中繼回傳，利用高通量衛(wèi)星的高吞吐量鏈路，有效補充或替代建設(shè)成本較高的地面光纖回傳或無線回傳，實現(xiàn)視頻、物聯(lián)網(wǎng)和其他數(shù)據(jù)高速中繼回傳到核心網(wǎng)，以便能更好地為本地小區(qū)站點提供高質(zhì)量服務(wù)。

2）小小區(qū)數(shù)據(jù)獨立回傳，可借助于衛(wèi)星多播功能，將衛(wèi)星直接連接到多個小區(qū)基站，從而實現(xiàn)了將來自多個站點的聚合物聯(lián)網(wǎng)（IoT， Internet of Things）流量進行高效回傳。且將內(nèi)容緩存在網(wǎng)絡(luò)邊緣，通過衛(wèi)星分發(fā)內(nèi)容，可支持超低延遲應(yīng)用。

3）移動通信業(yè)務(wù)回傳，衛(wèi)星能夠?qū)崟r跟蹤高速行駛中的車輛、飛機、火車和船只等移動平臺，并為之提供不間斷的通信連接，將各種通信業(yè)務(wù)在大覆蓋范圍內(nèi)進行本地存儲或播發(fā)，以實現(xiàn)各種緊急情況和移動條件下的應(yīng)用通信連接。

4）混合多媒體業(yè)務(wù)，在混合多媒體通信場景中，衛(wèi)星可以在其覆蓋范圍內(nèi)向家庭和辦公室等多個場所廣播多媒體應(yīng)用內(nèi)容，以解決地面網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過重的問題，支持海量用戶的寬帶業(yè)務(wù)需求（如視頻、高清電視以及其他非視頻數(shù)據(jù)）。

由以上分析可知，星地融合通信網(wǎng)絡(luò)是將衛(wèi)星和地面移動通信二者的優(yōu)勢結(jié)合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高通信網(wǎng)的全球覆蓋率，增強網(wǎng)絡(luò)彈性。目前的星地融合通信網(wǎng)還處于初步階段，即基于衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)。具備透明轉(zhuǎn)發(fā)功能的彎管式衛(wèi)星，將接收到來自地面移動通信基站的信號放大后轉(zhuǎn)發(fā)給地面網(wǎng)關(guān)，再通過地面網(wǎng)關(guān)連接地面移動通信系統(tǒng)核心網(wǎng)。在未來的星地融合通信網(wǎng)絡(luò)中，具備星上處理和星間鏈路的衛(wèi)星可直接接收來自用戶智能終端的信號，通過星間鏈路到達(dá)遠(yuǎn)處的地面網(wǎng)關(guān)站。這是未來較為理想的星地融合發(fā)展方式，可支持地面5G中的三大業(yè)務(wù)場景如增強移動帶寬、大規(guī)模機器類通信和高可靠低時延通信，但需要較高的星載技術(shù)要求和大容量的星間鏈路[6]。

2 ? 基于QoS的衛(wèi)星回傳

服務(wù)質(zhì)量指一個網(wǎng)絡(luò)能夠利用各種基礎(chǔ)技術(shù)，為指定的網(wǎng)絡(luò)通信提供更好的服務(wù)能力，一般衡量的指標(biāo)為延遲、丟包率和吞吐量。在星地融合通信網(wǎng)中為提供給用戶穩(wěn)定可靠的應(yīng)用服務(wù)來保證用戶QoS，必須保持低延遲、大容量和較低中斷概率的傳輸鏈路，由此帶來較低的鏈路傳輸延遲和丟包率，以及大吞吐量。

在星地融合通信網(wǎng)中，由于緊急情況導(dǎo)致地面鏈路損壞中斷，或者是移動中船只、飛機等地面鏈路不可達(dá)時，可利用衛(wèi)星的持續(xù)服務(wù)能力回傳數(shù)據(jù)，即基于衛(wèi)星回傳保證星地融合網(wǎng)中用戶QoS。在文獻[7]中基于無線傳感器、高速第三代（3.5G）和GEO衛(wèi)星組成的集成網(wǎng)絡(luò)，研究了一種3.5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速分組接入在緊急情況下通過衛(wèi)星回傳進行危機管理和提供緊急應(yīng)用的最佳QoS。文獻[8]中利用MEO衛(wèi)星提供在船舶、飛機上移動小基站的數(shù)據(jù)回傳，提出了一種適用于長期演進（LTE， Long Term Evolution）信元互聯(lián)的星載回傳業(yè)務(wù)管理中不同優(yōu)先級的時延容忍方法，通過設(shè)計和評估中斷管理代理方案，充當(dāng)LTE和衛(wèi)星之間的橋梁，在星地融合通信網(wǎng)中提供端到端的QoS。

同時，也有將強化學(xué)習(xí)、邊緣緩存技術(shù)、虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等新興技術(shù)與衛(wèi)星回傳技術(shù)相結(jié)合，盡可能降低鏈路傳輸延遲和中斷概率，以保證星地融合通信網(wǎng)中用戶QoS。在文獻[9]中，將強化學(xué)習(xí)應(yīng)用于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)的擁塞控制中，實現(xiàn)了延遲/中斷容忍網(wǎng)絡(luò)中的快速擁塞控制，以解決衛(wèi)星回傳鏈路中的高傳輸延遲和中斷概率問題，從而保證用戶QoS。在文獻[10]中衛(wèi)星鏈路作為5G回傳網(wǎng)絡(luò)的補充部分，基于服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)中通過衛(wèi)星回傳支持4K流的直播應(yīng)用，并引入虛擬化技術(shù)使視頻內(nèi)容提供商能夠在5G網(wǎng)絡(luò)的邊緣移動計算服務(wù)器上部署自己的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，以此來保證實時流媒體用戶QoS。文獻[11]提出了一種協(xié)作移動邊緣緩存策略，通過緩存最流行的文件來實現(xiàn)較高的緩存命中率，減少衛(wèi)星回傳上的數(shù)據(jù)量和降低由于緩存丟失而導(dǎo)致的內(nèi)容訪問延遲，以保證星地融合通信網(wǎng)中用戶QoS。文獻[12]根據(jù)業(yè)務(wù)QoS要求進行靈活的網(wǎng)絡(luò)片分配，在滿足不同片的帶寬和計算資源需求下，減少時延，提高吞吐量，降低網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬壓力，提高回傳鏈路的綜合效益。

通過采用更高的頻段，以自由空間光作為星地間傳輸鏈路，或者物理層優(yōu)化可提高衛(wèi)星鏈路的容量，以在星地融合通信網(wǎng)中通過衛(wèi)星回傳時保證用戶QoS。文獻[13]中衛(wèi)星采用比Ku、Ka頻率更高的Q/V波段的頻率作為星地間的傳輸鏈路，并介紹了將其應(yīng)用于實踐所存在的挑戰(zhàn)性。文獻[14]提出利用自由空間光通信作為星-地間鏈路，可提高回傳容量，降低傳輸時延。另外，衛(wèi)星通信鏈路的頻率一般都在10 GHz以上，信號易受降雨的影響而衰減，表現(xiàn)出了明顯的空間不均勻的大氣現(xiàn)象。為了支持高吞吐量和克服衰落效應(yīng)，將多輸入多輸出技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星回傳鏈路中，即通過空間復(fù)用來提高回傳容量[15]。其次，可通過抑制波束間的多用戶干擾的波束共享，即獨立波束同時服務(wù)時多用戶時，具有強相互干擾的用戶共享同一波束，也可以提高回傳容量[16]。

由以上分析可知，在星地融合通信網(wǎng)中利用GEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星回傳數(shù)據(jù)有上百毫秒的固有傳播延遲，在未來地面通信系統(tǒng)中融合高軌道衛(wèi)星回傳會造成較高的延遲，不利于為未來的生態(tài)應(yīng)用提供服務(wù)。同樣，過高的軌道也會造成較大的傳輸損耗。近年來，人們越來越關(guān)注制造成本更低的小型化LEO衛(wèi)星，大規(guī)模的低軌衛(wèi)星組網(wǎng)技術(shù)也逐漸成熟，研究人員開始聚焦于星地融合通信系統(tǒng)中利用LEO衛(wèi)星回傳業(yè)務(wù)。LEO衛(wèi)星在降低傳播延遲的同時，還可以通過多點波束、頻率復(fù)用、高波束增益等關(guān)鍵技術(shù)提升容量，高通量LEO衛(wèi)星會有更大容量回傳小區(qū)業(yè)務(wù)。未來，還可以將強化學(xué)習(xí)、邊緣緩存和虛擬化等新興技術(shù)應(yīng)用于星地融合的衛(wèi)星回傳中，來降低傳輸延遲和中斷概率，使核心網(wǎng)和接入網(wǎng)能夠均衡其負(fù)載，并以較少的延遲交付內(nèi)容，保證用戶QoS[17]。但是，相對于地面高速運動的LEO衛(wèi)星，其動態(tài)的拓?fù)浜蜁r變的鏈路會造成變化的回傳容量，從而給用戶QoS帶來挑戰(zhàn)。

3 ? 基于移動性管理的衛(wèi)星回傳

移動性管理主要包括切換管理和位置管理[18]，以保證為網(wǎng)絡(luò)中的用戶提供不間斷的應(yīng)用服務(wù)。星地融合通信網(wǎng)為給智能終端提供持續(xù)的通信服務(wù)，必須在衛(wèi)星和地面以及衛(wèi)星波束之間實現(xiàn)無縫切換來保證服務(wù)的連續(xù)性，這是移動性管理中的切換問題。衛(wèi)星從一個點波束切換到另一個點波束，稱為水平切換，衛(wèi)星與地面之間的切換稱為垂直切換。另外，為了使衛(wèi)星能隨時給地面的移動通信基站提供無線回傳來保證用戶的通信服務(wù)，必須要時刻知道衛(wèi)星作為移動節(jié)點位置及移動基站的位置，即移動性管理中的位置管理。

在基于衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)中，正處于運動中的如飛行中的飛行器、航行中的船舶和行駛中的火車等載有的移動基站在與衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)的過程中，其位置可能會離開此顆衛(wèi)星的覆蓋范圍，進入到另一顆衛(wèi)星的覆蓋范圍，要保證衛(wèi)星回傳數(shù)據(jù)的連續(xù)性，通信鏈路就要在兩顆衛(wèi)星進行切換，同時還要更新移動基站的位置。

關(guān)于星地融合通信網(wǎng)中的移動性管理問題，文獻[19]提出了一種基于互操作代理的移動性管理體系結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)互操作代理能識別并支持水平切換和垂直移動性。在使用互操作代理協(xié)議的同時，還設(shè)計了一種跨層管理方案，旨在提前預(yù)測可能切換的目的地，以便在實際切換之前進行身份驗證、授權(quán)和移動IP注冊。文獻[20]設(shè)計了基于衛(wèi)星回傳的LTE網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并研究了一種新的從衛(wèi)星到地面組件的切換機制，在該機制中將觸發(fā)切換準(zhǔn)備算法與切換執(zhí)行相分離，然后從用戶的應(yīng)用角度觸發(fā)，對隧道的準(zhǔn)備階段和隧道管理進行定制，仿真結(jié)果表明，所提出的優(yōu)化切換過程提供了比標(biāo)準(zhǔn)切換更高的性能。文獻[21]則重點研究了一種基于IEEE 802.21標(biāo)準(zhǔn)的切換機制，并將其集成到星地融合通信網(wǎng)中，以期在星地融合通信網(wǎng)中根據(jù)當(dāng)前的地面鏈路和衛(wèi)星鏈路條件，選出最合適的鏈路。

由以上分析可知，衛(wèi)星是處于不斷運動之中，用戶切換和位置更新相比于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)更加頻繁。根據(jù)衛(wèi)星波束的覆蓋，將地球劃分為若干區(qū)域，衛(wèi)星只接受波束覆蓋范圍內(nèi)的設(shè)備信號，且丟棄前一覆蓋區(qū)域的用戶信息，從而完成用戶切換和位置更新。未來，隨著大規(guī)模LEO衛(wèi)星的出現(xiàn)，相對于地面高速運動的LEO衛(wèi)星，其某一波束的覆蓋范圍非常短暫，常常低至幾分鐘，會導(dǎo)致地面固定的移動基站與衛(wèi)星之間發(fā)生頻繁切換，使得星地融合通信網(wǎng)中切換十分頻繁，移動性管理難度很大。另外，由于受體積、功率等條件限制，LEO衛(wèi)星有限的處理能力難以滿足復(fù)雜的移動性管理技術(shù)要求。同時，考慮到相比于地面鏈路具有更長信令往返傳輸時延，使得未來LEO衛(wèi)星回傳的移動性管理問題更加突出，對移動性管理有了更嚴(yán)格的要求。因此，未來在星地融合通信網(wǎng)的LEO衛(wèi)星回傳中，在面對更為復(fù)雜的地面通信系統(tǒng)進行移動性管理時，必須在考慮多方面因素（是否具備星上處理能力、切換失敗和時間同步等）的條件下盡可能實現(xiàn)快速切換，防止丟失數(shù)據(jù)[22]。

此外，在研究移動性管理時，還可考慮以下兩個方面：1）對比分析目前已有的移動性管理協(xié)議在星地融合通信網(wǎng)中的性能，了解鏈路動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是如何影響移動性管理性能;2）如何利用鏈路動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可預(yù)測性和周期性降低其對移動性管理性能的影響，提高星地融合通信網(wǎng)移動性管理的性能[23]。

4 ? 基于資源分配的衛(wèi)星回傳

各種智能終端和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備正以前所未有的速度接入通信網(wǎng)絡(luò)，將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)流量，尤其是人流密集區(qū)域。盡管星地融合通信網(wǎng)中并行的衛(wèi)星和地面鏈路提供了非常大的鏈路容量，但是限于發(fā)射功率和基站能力的差異，即使用戶在地理位置上分布均勻，龐大的數(shù)據(jù)流量也會帶來各小區(qū)之間的負(fù)載不均衡。因此，在基于衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)中需要引入高效的聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)和資源分配策略，既能夠達(dá)到鏈路負(fù)載均衡，又能提高星地融合通信網(wǎng)性能。

衛(wèi)星回傳中，用戶關(guān)聯(lián)是協(xié)調(diào)回傳與無線接入網(wǎng)的一種方法，在此基礎(chǔ)上，進行有效的資源分配，可增強回傳網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載平衡、提高其頻譜效率和提高能效等[24]。文獻[25]在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的回傳約束下，考慮用戶關(guān)聯(lián)和資源分配之間的耦合關(guān)系，基于SDN的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種聯(lián)合虛擬用戶關(guān)聯(lián)和資源分配方案，仿真結(jié)果表明，該方案有效改善了網(wǎng)絡(luò)效用和負(fù)載均衡。文獻[26]針對每個基站通過多載波的傳輸方式為多個用戶提供單天線服務(wù)，提出了用戶關(guān)聯(lián)配對、子載波映射和不同對（子載波）之間回傳容量共享，從而使有限的回傳容量資源進行最優(yōu)分配。文獻[27]基于正交頻分多址接入的星地混合協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中研究了聯(lián)合中繼選擇和功率分配問題，目的是在功率約束、QoS要求和回傳容量一定的條件下，最大限度地提高能量效率。

也有研究文獻將無人機集成到了星地融合網(wǎng)絡(luò)，或者是考慮超密集的LEO衛(wèi)星鏈路回傳，再聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)進行資源分配。文獻[28]在通過衛(wèi)星和宏基站回傳無人機基站或小蜂窩基站的數(shù)據(jù)流的情況下，聯(lián)合無人機基站和地面小蜂窩基站的用戶關(guān)聯(lián)，以及回傳鏈路和接入鏈路的資源分配，并引入競爭市場環(huán)境建模，仿真結(jié)果表明，該資源分配策略有效實現(xiàn)了鏈路負(fù)載均衡和提高了鏈路速率。文獻[29]針對超密集的低軌衛(wèi)星回傳，在每個小區(qū)的回程容量約束下，通過聯(lián)合多小區(qū)的用戶關(guān)聯(lián)和資源分配優(yōu)化，以使回程容量約束下訪問用戶的總和、速率最大化，從而提高網(wǎng)絡(luò)性能。

由以上分析可知，通過聯(lián)合用戶關(guān)聯(lián)和資源分配策略，可均衡星地融合通信網(wǎng)中回傳鏈路負(fù)載，提高網(wǎng)絡(luò)效益，但用戶與基站之間需要進行交互調(diào)整，在面對未來大量基站和大規(guī)模LEO衛(wèi)星部署的情況下，需要更靈活、高效的分配策略。未來的地面移動通信網(wǎng)絡(luò)體系是基于SDN。因此，將衛(wèi)星組件無縫地集成到移動回傳網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)該同移動和傳輸網(wǎng)絡(luò)向SDN的演進保持一致[30]。SDN架構(gòu)可通過控制和數(shù)據(jù)分離，加速硬件基礎(chǔ)設(shè)施和軟件網(wǎng)絡(luò)算法的創(chuàng)新，通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV， Network Function Virtulizaiton）實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效和自適應(yīng)共享，通過基于云的協(xié)作處理提高頻譜效率，并通過基于SDN的基站計算能力的動態(tài)縮放來提高能源效率[31]。

集中式控制簡化了資源分配、策略管理及流量工程等一些難以解決的問題。SDN控制器具有對網(wǎng)絡(luò)資源的全局視圖和對這些資源狀態(tài)的全局控制，可以根據(jù)不斷變化的服務(wù)需求和不斷變化的管理、策略及其他輸入做出有效的資源分配決策。星地融合網(wǎng)絡(luò)中支持SDN的衛(wèi)星回傳，有如下步驟[32]：1）路徑計算，選擇地面或衛(wèi)星鏈路進行回傳;2）衛(wèi)星容量資源預(yù)留，以應(yīng)對有限或沒有的地面鏈路回傳容量;3）根據(jù)業(yè)務(wù)類別的不同采取不同的分配標(biāo)準(zhǔn);4）接入控制和速率控制，面對過載時以保證資源最低（標(biāo)準(zhǔn)）傳輸速率;5）效用最大化標(biāo)準(zhǔn)，選擇在地面或衛(wèi)星鏈路傳輸特定流，并根據(jù)不同鏈路的不同業(yè)務(wù)來分配數(shù)據(jù)速率。

最后，流量應(yīng)用以分配的比特率通過確定路徑（衛(wèi)星或地面），在有效均衡傳輸鏈路負(fù)載的同時也最大化星地融合通信網(wǎng)效益。

5 ? 未來研究方向

目前，有關(guān)星地融合通信中的衛(wèi)星回傳技術(shù)研究正在緊密進行中，在后續(xù)研究工作中，還可以從以下幾個方面展開深入的探討。

（1）從融合架構(gòu)角度。面對未來更具個性化和多樣化的用戶服務(wù)需求，傳統(tǒng)基于單一GEO、MEO或LEO衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)難以滿足不同類型用戶的通信需求。在新一代的星地融合通信網(wǎng)中，針對不同的服務(wù)需求，可考慮應(yīng)用不同軌道的衛(wèi)星協(xié)同回傳數(shù)據(jù)，以較低成本實現(xiàn)較高的用戶通信質(zhì)量。因此，如何基于多軌道衛(wèi)星回傳設(shè)計出具有高靈活性低成本的星地融合通信網(wǎng)成為當(dāng)前值得探討的重難點之一。

（2）從衛(wèi)星性能角度。衛(wèi)星回傳鏈路是否高效，很大程度上受衛(wèi)星性能的影響。與GEO、MEO相比，LEO衛(wèi)星具有較低傳播延遲和傳輸損耗，可以更好地融入地面通信系統(tǒng)中來保證用戶QoS。此外，還可以通過多點波束、頻率復(fù)用、高波束增益等關(guān)鍵技術(shù)提升衛(wèi)星容量，通過采用更高頻段或者自由空間光通信提高鏈路容量，通過緩存技術(shù)提高緩存命中率和降低延遲。但是，相對于地面高速運動的LEO衛(wèi)星也給移動性管理帶來極大挑戰(zhàn)。因此，在基于大規(guī)模高通量LEO衛(wèi)星回傳的星地融合通信中，需要了解鏈路動態(tài)變化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對移動性管理性能的影響，從而利用動態(tài)拓?fù)淇深A(yù)測性和周期性降低其對移動性管理的影響，進而提供高效的衛(wèi)星回傳鏈路來保證用戶QoS。

（3）從支持SDN/NFV的角度。面對未來巨量的數(shù)據(jù)流量增長，在基于衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)中引入SDN技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效回傳到核心網(wǎng)，從而有效均衡鏈路負(fù)載、最大化網(wǎng)絡(luò)效用。部署在星地融合通信回傳網(wǎng)中的所有不同技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)層的SDN集中控制將大大簡化網(wǎng)絡(luò)資源分配，并使其更加靈活和高效（如：容量感知端到端路徑計算）。同NFV結(jié)合使用，充分利用兩者之間較強的互補性，結(jié)合兩者優(yōu)勢可增強網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)性能，減輕運營和維護的負(fù)擔(dān)，改變傳統(tǒng)星地功能分割的絕對化現(xiàn)象，使得星地融合網(wǎng)絡(luò)中的回傳功能更靈活、高效。

6 ? 結(jié)束語

傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟、資源豐富，但受地理環(huán)境影響較大，衛(wèi)星通信網(wǎng)技術(shù)相對地面則不那么成熟，但容量較大，具有廣覆蓋特性且不受地理條件限制。如何將不受地理條件限制且具有較大容量的衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)融合，以滿足用戶隨時隨地、穩(wěn)定可靠連續(xù)的通信網(wǎng)接入需求，提出了星地融合通信網(wǎng)中的衛(wèi)星回傳技術(shù)。本文首先給出基于衛(wèi)星回傳的星地融合通信網(wǎng)架構(gòu);其次，從QoS、移動性管理和資源分配三個方面闡述了星地融合通信網(wǎng)中衛(wèi)星回傳的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和存在的挑戰(zhàn);最后，給出了下一步的研究方向和建議。

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