空天地一體化無線光通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展趨勢

趙雄文，張 鈺，秦 鵬，王曉晴，耿綏燕，宋俊元，劉 瑤，李思峰

（1.華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206；2.華北電力大學(xué)河北省電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071003）

1 引言

空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)信息全球覆蓋、高速傳輸、自由互聯(lián)的必由之路［1］，是未來6G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究的核心方向之一［2］.一體化網(wǎng)絡(luò)需承擔(dān)骨干網(wǎng)、接入網(wǎng)等寬帶信息的傳輸，最高傳輸寬帶需求達(dá)到40～100 Gbps［3］.在此背景下，傳統(tǒng)射頻（Radio Frequency，RF）通信技術(shù)難以滿足空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)對更大傳輸容量、更高傳輸速率、更遠(yuǎn)傳輸距離及更高等級信息安全等的要求，而無線光通信具有信息容量大、傳輸速率高、無需頻譜執(zhí)照、抗干擾能力強(qiáng)、安全性高、光學(xué)元件體積小功耗低、施工簡單等優(yōu)勢，已逐漸成為建設(shè)空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)手段，引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注［4］.

構(gòu)建空天地一體化全光信息網(wǎng)是無線光通信技術(shù)的發(fā)展趨勢.由衛(wèi)星組成的基于激光鏈路的骨干網(wǎng)絡(luò)使得地球上的用戶可以隨時隨地享受高速寬帶無線接入服務(wù).衛(wèi)星光鏈路通常具有10 Gbps 以上的傳輸速率，可以克服距離障礙，實(shí)現(xiàn)包括地面、高空平臺在內(nèi)的任意兩點(diǎn)之間的高速通信，達(dá)到全球無縫覆蓋，并可與成熟的地面有線光纖網(wǎng)絡(luò)互連互通，構(gòu)成空天地一體化全光通信系統(tǒng).此外，天基和陸基光網(wǎng)絡(luò)可互為備份，當(dāng)二者之一因外部攻擊或自然災(zāi)害等損毀時，可由另一方提供連接通路進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性與抗毀性.當(dāng)無人機(jī)、飛艇等遠(yuǎn)離地面獨(dú)立執(zhí)行任務(wù)時，通過天基光網(wǎng)絡(luò)的中繼，可以克服傳統(tǒng)射頻通信不穩(wěn)定和易受干擾的問題，實(shí)現(xiàn)移動節(jié)點(diǎn)之間以及節(jié)點(diǎn)和地面網(wǎng)絡(luò)之間的穩(wěn)定可靠通信.

無線光通信可分為室內(nèi)和室外兩類，其中室外無線光通信又被稱作自由空間光通信（Free Space Optical Communication，F(xiàn)SOC）［5］，包括建筑物到建筑物、衛(wèi)星到地面、衛(wèi)星到衛(wèi)星、衛(wèi)星到機(jī)載平臺（無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）或氣球）等鏈路.由于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的鏈路多暴露于室外環(huán)境，因此本文重點(diǎn)研究基于FSOC 的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)（以下簡稱“空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)”）.部署空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)，首先要確保物理層單跳鏈路的性能.大氣湍流和波束對準(zhǔn)是影響無線光鏈路可靠性的兩個重要因素.文獻(xiàn)［6］研究發(fā)現(xiàn)天氣湍流強(qiáng)烈影響FSOC 通信鏈路的質(zhì)量.收發(fā)機(jī)之間光束同步對準(zhǔn)采用捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤（Acquisition，Pointing and Tracking，APT）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而無線光信號的窄波束特性以及衛(wèi)星、機(jī)載平臺等節(jié)點(diǎn)的高速移動都對APT 技術(shù)提出了很大的挑戰(zhàn).其次需重點(diǎn)關(guān)注上層關(guān)鍵技術(shù).空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜、拓?fù)鋭討B(tài)變化、跨越空間尺度大，無法直接沿用傳統(tǒng)無線RF 網(wǎng)絡(luò)中的上層通信技術(shù)，需重新設(shè)計(jì)，提出拓?fù)淇刂?、路由選擇等技術(shù)方案，最大限度彌補(bǔ)FSOC 鏈路特性的不足，適應(yīng)空天地一體化組網(wǎng)架構(gòu).目前，大量研究工作集中于提升FSOC 單跳鏈路性能，F(xiàn)SOC 網(wǎng)絡(luò)上層關(guān)鍵技術(shù)的研究工作多數(shù)著眼于地面光網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星光網(wǎng)絡(luò)，尚未形成針對空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)的解決方案.

本文綜述了空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)的研究現(xiàn)狀、標(biāo)準(zhǔn)化情況、設(shè)計(jì)因素以及關(guān)鍵挑戰(zhàn)，討論了物理層和上層的關(guān)鍵通信技術(shù)及其未來的發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn).在已發(fā)表的FSOC 綜述性論文中，文獻(xiàn)［7］分析了FSOC 信道在時間和空間上的局限性，總結(jié)了相關(guān)緩解方案；文獻(xiàn)［8］討論了FSOC 系統(tǒng)視距與非視距場景中各類APT技術(shù)；文獻(xiàn)［9］對FSOC 室內(nèi)、室外、深空、水下等鏈路進(jìn)行了細(xì)致的分類，提出了一套分類架構(gòu)，為FSOC 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作提供參考.以上工作均集中于物理層，本文相較于現(xiàn)有綜述文獻(xiàn)涵蓋了最新的研究工作，且著重從物理層之上審視空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨的主要挑戰(zhàn)，將有助于研究人員發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)問題，為空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)開發(fā)有效的解決方案.

本文其余部分組織如下.第2 節(jié)給出了空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，梳理了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和自由空間激光通信典型代表試驗(yàn)及參數(shù)，分析了通信及宇航屆對FSOC 網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀，并討論了一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景.第3 節(jié)研究了空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素.第4 節(jié)討論了空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)的物理層及上層關(guān)鍵技術(shù)，指出了各項(xiàng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢.第5 節(jié)對全文進(jìn)行了總結(jié).

2 空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，包括衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)、平流層通信網(wǎng)、地面網(wǎng)絡(luò)以及各層網(wǎng)絡(luò)之間的信息傳輸鏈路.其中地面用戶終端可以通過平流層網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星骨干網(wǎng)接入空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，獲取信息服務(wù).平流層網(wǎng)絡(luò)由UAV、飛機(jī)、飛艇等各種飛行器構(gòu)成，可在地面網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或網(wǎng)絡(luò)繁忙時，自行組網(wǎng)編隊(duì)進(jìn)行應(yīng)急通信，也可在戰(zhàn)時對飛行器、導(dǎo)彈等進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)控.衛(wèi)星骨干網(wǎng)由多顆分布在不同軌道的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和星間鏈路組成，集數(shù)據(jù)網(wǎng)、管理網(wǎng)、通信網(wǎng)功能于一體，能夠?qū)Ω黝悢?shù)據(jù)進(jìn)行處理、儲存、交換、傳輸，并管理空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的各個子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)之間的通信.本節(jié)針對空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化情況進(jìn)行了總結(jié)與分析.

圖1 空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

美國、歐洲、俄羅斯、日本等國家對于空天地一體化FSOC 技術(shù)的研究起步較早.其中美國是最早啟動該領(lǐng)域研究的國家，主要研究機(jī)構(gòu)包括美國宇航局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）、美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory，AFRL）和戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御組織（Ballistic Missile Defense Organization，BMDO）等，提出了Iridium 銥星系統(tǒng)、Globalstar、WGS（World Geodetic System）、AEHF（Advanced Extremely High Frequency）、OneWeb、Kuiper 等主要空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目［10］.歐洲主要研究機(jī)構(gòu)包括歐洲航天局（European Space Agency，ESA）、德國航空航天中心（Deutsches zentrum für Luftund Raumfahrt，DLR）、法國國防部采辦局（Direction Générale de l'Armement，DGA）等，在空天地一體化的仿真和測試方面取得了一系列突破性成果.日本在該領(lǐng)域起步稍晚，但研究速度快，投入力度大，在星地、星間通信方面取得了令人矚目的成果，主要研究機(jī)構(gòu)包括日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（Japan Aerospace Exploration Agency，JAXA）、通信綜合研究所（Communications Research Laboratory，CRL）等［11］.自20 世紀(jì)70 年代以來，國外相繼對空間中各種通信鏈路展開了激光通信試驗(yàn)，涵蓋空天地一體化架構(gòu)中各層網(wǎng)絡(luò)及層間的通信鏈路，典型代表試驗(yàn)及參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)如表1所示［10～15］.

表1 國外自由空間激光通信典型代表試驗(yàn)及參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

我國空天地一體化FSOC 技術(shù)的研究起步于2 1 世紀(jì)初，主要研究機(jī)構(gòu)包括武漢大學(xué)、長春理工大學(xué)、西安理工大學(xué)、中科院等［16］.2002年，中科院成都光電所率先推出了一款無線激光通信系統(tǒng)樣機(jī)，可實(shí)現(xiàn)10 Mbps 的傳輸速率［17］.2008 年，以文獻(xiàn)［18］為代表的高速大氣激光通信課題組開發(fā)出一款FSOC 試驗(yàn)原型機(jī)，實(shí)現(xiàn)了16 km 傳輸距離與2.5 Gbps 速率的高速地面激光通信.2011年，“海洋二號”成功開展星地之間高速激光通信試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)了504 Mbps的傳輸速率，標(biāo)志著我國FSOC 取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展［19］.2017 年，“實(shí)踐十三號”衛(wèi)星成功發(fā)射，其通信總?cè)萘扛哌_(dá)20 Gbps，標(biāo)志著我國衛(wèi)星通信進(jìn)入高通量時代［20］.中國航天科技集團(tuán)和科工集團(tuán)分別提出“鴻雁”和“虹云”未來星座規(guī)劃.其中“鴻雁”由300 顆低軌道小衛(wèi)星組成，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)“溝通連接萬物、全球永不失聯(lián)”，并于2018 年成功將首顆試驗(yàn)星送入預(yù)定軌道；“虹云”星座計(jì)劃發(fā)射156 顆衛(wèi)星，并于2018 年在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射首星進(jìn)入預(yù)定軌道.表2 總結(jié)了國內(nèi)主要自由空間光通信試驗(yàn)及相關(guān)參數(shù)［10，21，22］.

表2 國內(nèi)自由空間激光通信典型代表試驗(yàn)及參數(shù)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

綜上所述，國內(nèi)外對星地、星間、空地、地地等鏈路開展了一系列激光通信實(shí)驗(yàn)，積累了大量的理論技術(shù)方法和工程實(shí)現(xiàn)手段，為未來空天地一體化FSOC鏈路組網(wǎng)提供了支持.但目前國內(nèi)外的空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)仍處于發(fā)展階段，整體架構(gòu)尚未成型，一體化組網(wǎng)涉及的物理層和上層關(guān)鍵通信技術(shù)有待研究.

2.2 標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀

國際電信聯(lián)盟（International Telecommunication Union，ITU）以及宇航機(jī)構(gòu)聯(lián)盟空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）等組織針對FSOC制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但主要面向空、天、地各層網(wǎng)絡(luò)中的點(diǎn)到點(diǎn)鏈路，很少涉及跨層組網(wǎng).ITU 對地地、星地鏈路給出了設(shè)計(jì)建議，其中，ITU-T G.640［23］提供了FSOC 系統(tǒng)并置縱向兼容接口串音防衛(wèi)度的計(jì)算方法；ITU-R P.1814［24］和ITU-R P.1817［25］提供了大氣吸收、散射等衰減因素及FSOC 功率的計(jì)算方法；ITU-R F.2106［26］針對固定業(yè)務(wù)的FSOC 系統(tǒng)，從系統(tǒng)參數(shù)、鏈路參數(shù)、鏈路余量等角度給出了設(shè)計(jì)方案；ITU-R P.1621［27］和ITU-R P.1622［28］提供了工作在20～375 THz空地鏈路大氣相干長度的計(jì)算方法.

2012 年，NASA、ESA 等宇航局組織的機(jī)構(gòu)間業(yè)務(wù)咨詢小組（Interagency Operations Advisory Group，IOAG）旗下光鏈路研究小組（Optical Link Study Group，OLSG）發(fā)布了IOAG.T.OLSG.2012.V1［29］報(bào)告書，主要涵蓋了FSOC 鏈路的人體安全、運(yùn)營商共享、天氣預(yù)測、航天器干擾與躲避、重傳控制、鏈路設(shè)計(jì)、調(diào)制編碼以及捕獲、APT 等技術(shù)，并向CCSDS 提出了制定標(biāo)準(zhǔn)化文件的建議.基于OLSG 的系列報(bào)告，CCSDS 發(fā)布了CCSDS 141.0-B-1［30］以及CCSDS 142.0-B-1［31］，分別對物理層及數(shù)據(jù)鏈路層中的同步及編碼問題進(jìn)行規(guī)范.此外，OLSG 的報(bào)告［32］指出，必須為物理層建立新的標(biāo)準(zhǔn)，而網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、應(yīng)用層等以重用現(xiàn)存標(biāo)準(zhǔn)為主.表3總結(jié)了FSOC相關(guān)的報(bào)告、標(biāo)準(zhǔn)化文件情況.

表3 FSOC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件建議情況

2.3 應(yīng)用場景

空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)具有廣泛的應(yīng)用場景，主要包含以下幾種情況.

（1）應(yīng)急通信.自然災(zāi)害中，地面網(wǎng)絡(luò)極易損毀，導(dǎo)致通信中斷無法及時救援.空天地一體化組網(wǎng)架構(gòu)是保障應(yīng)急通信的有效手段.衛(wèi)星通信覆蓋面廣，UAV、氣球等空中平臺組網(wǎng)靈活，受地理環(huán)境影響小，可在地面網(wǎng)絡(luò)中斷時為搶險救災(zāi)提供快速調(diào)度通道，及時恢復(fù)災(zāi)區(qū)通信.

（2）軍事通信.應(yīng)對未來信息化戰(zhàn)爭，必須將海、陸、空、天連為一體，F(xiàn)SOC 固有的窄波束、高定向性以及抗電磁干擾能力使其非常適用于高保密性要求的軍事通信系統(tǒng).中電34 所采用FSOC 系統(tǒng)為我國首次海上發(fā)射火箭提供了通信保障［33］.廣州軍區(qū)試裝適用于野戰(zhàn)機(jī)動通信的大氣激光通信機(jī)，揭開了野戰(zhàn)激光通信的序幕［34］.文獻(xiàn)［4］搭建了天地一體化光網(wǎng)絡(luò)的分析驗(yàn)證仿真平臺，實(shí)現(xiàn)了在戰(zhàn)時子系統(tǒng)下衛(wèi)星與地面的快速組網(wǎng)及業(yè)務(wù)低阻塞率傳輸.

（3）行業(yè)生產(chǎn)管控.利用空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)諸如海上鉆井平臺、遠(yuǎn)洋貨船和偏遠(yuǎn)地區(qū)的礦區(qū)等光纖不可到達(dá)地區(qū)的生產(chǎn)管控，為跨國生產(chǎn)基地提供低時延境外數(shù)據(jù)通信服務(wù)，將境外生產(chǎn)基地的數(shù)據(jù)回傳到國內(nèi)集團(tuán)統(tǒng)一管理，并為生產(chǎn)企業(yè)提供整體化網(wǎng)絡(luò)解決方案.

3 空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)關(guān)鍵因素

本節(jié)探討構(gòu)建空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)需考慮的關(guān)鍵因素，分析這些因素對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，并指出相應(yīng)的技術(shù)研發(fā)、算法和協(xié)議設(shè)計(jì)需求.

3.1 大氣信道特性

星地、空地、空空、地地鏈路中，激光信號經(jīng)過大氣信道會產(chǎn)生吸收、散射損耗和湍流效應(yīng).吸收、散射由光子與氣體分子或氣溶膠相互作用導(dǎo)致，大氣的溫度、氣溶膠濃度、隨高度變化的壓強(qiáng)都會影響光信號衰減程度.吸收和散射損耗與光波長有關(guān)，當(dāng)波長低于1 μm時，散射損耗更加明顯，可通過合理選擇傳輸窗口減少光信號在大氣中傳播的損耗.大氣湍流是指大氣溫度和壓強(qiáng)的微小變化引起的折射率的隨機(jī)變化，產(chǎn)生大小和折射率不同的渦流.當(dāng)光束通過這些渦流時會產(chǎn)生光強(qiáng)起伏（閃爍）、光束隨機(jī)漂移、光束擴(kuò)展、到達(dá)角起伏等大氣湍流效應(yīng)［35］，嚴(yán)重影響通信性能.大氣湍流是限制FSOC 鏈路性能最主要的因素［36］.因此，準(zhǔn)確認(rèn)知大氣湍流規(guī)律，建立大氣信道模型，對充分了解光信號在大氣中的傳播特性十分重要.

3.2 鏈路可靠性

窄光束、收發(fā)端快速移動、收發(fā)設(shè)備精度、障礙物、天空輻射和背景噪聲等都會降低FSOC鏈路可靠性.窄光束增大了收發(fā)機(jī)對準(zhǔn)難度，加之光束本身具有發(fā)散特性，接收機(jī)的視場又有限，會引起鏈路損耗甚至中斷.收發(fā)端的移動性增大了FSOC 鏈路的預(yù)測難度.星間鏈路不受大氣和天氣的影響，但也面臨著衛(wèi)星站穩(wěn)定性、多普勒頻移等關(guān)鍵挑戰(zhàn).此外，光束在傳輸過程中易受固定或移動障礙物阻擋而導(dǎo)致鏈路中斷.上述FSOC 鏈路特點(diǎn)對相干檢測、信道編碼、APT、大孔徑接收等物理層技術(shù)提出了很高要求.

3.3 網(wǎng)絡(luò)生存性

根據(jù)美國卡納基梅隆大學(xué)軟件工程研究所提出的定義，網(wǎng)絡(luò)生存性指遭受攻擊、故障或意外事故時，系統(tǒng)能夠及時完成其關(guān)鍵服務(wù)的能力［37］.空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜易變，潛在威脅多，而網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（如衛(wèi)星、UAV、飛艇等）有限的能量、計(jì)算和存儲能力使其檢測威脅和故障恢復(fù)能力受限，亟須通過拓?fù)淇刂啤⑸嫘月酚傻燃夹g(shù)［38］提高網(wǎng)絡(luò)生存性.拓?fù)淇刂瓢ㄍ負(fù)錁?gòu)建與拓?fù)渲貥?gòu)兩部分［39］，前者在網(wǎng)絡(luò)初始階段形成滿足優(yōu)化目標(biāo)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，后者在網(wǎng)絡(luò)傳輸出現(xiàn)故障或節(jié)點(diǎn)間的連接發(fā)生中斷時，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，保障通信服務(wù).生存性路由技術(shù)能在節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化或者失效時，對數(shù)據(jù)傳輸路徑進(jìn)行重構(gòu).考慮到大量高速移動節(jié)點(diǎn)，路由策略應(yīng)支持路由頻繁更新，并具備開銷低、抗毀性強(qiáng)、靈活性高的特點(diǎn).

3.4 網(wǎng)絡(luò)QoS保證

空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模大、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化頻繁，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間需要快速交換信息以維持網(wǎng)絡(luò)連通性、保障數(shù)據(jù)有效傳輸，對傳輸帶寬提出了很高要求；業(yè)務(wù)負(fù)載的不平衡易導(dǎo)致較高的丟包率；長距離傳輸使網(wǎng)絡(luò)對端到端傳輸延遲和時延抖動敏感性變高［40］；多樣化用戶應(yīng)用場景對用戶公平性也提出了較高要求.針對上述問題，可通過合理設(shè)計(jì)路由、資源分配策略及可靠傳輸協(xié)議以滿足用戶QoS 需求.路由策略應(yīng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑傳輸與流量均衡分布，降低端到端傳輸延遲、時延抖動與丟包率.資源分配方案需重點(diǎn)關(guān)注用戶公平性.傳輸控制協(xié)議（Transmission Control Protocol，TCP）中的擁塞控制機(jī)制與FSOC 網(wǎng)絡(luò)不兼容，甚至?xí)夯掏铝啃阅埽虼诵枰獮橐惑w化FSOC 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)新的協(xié)議.

3.5 FSOC/X混合傳輸

FSOC 與RF、光纖技術(shù)混合組網(wǎng)是提高通信系統(tǒng)可靠性及彌補(bǔ)FSOC 鏈路不足的有效方案.FSOC/X 混合傳輸，一是要考慮終端協(xié)議棧［41］，構(gòu)建適用于FSOC等多種技術(shù)的通用數(shù)據(jù)鏈路層統(tǒng)一表達(dá)，使混合系統(tǒng)能夠結(jié)合FSOC 與RF、光纖等技術(shù)的優(yōu)勢，提供大帶寬、能有效抵御大氣影響及指向誤差的高效網(wǎng)絡(luò)；二是要設(shè)計(jì)適用的網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)化路由學(xué)習(xí)、路由更新、路由管理方法.根據(jù)當(dāng)前信道情況以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備情況動態(tài)分配系統(tǒng)資源、選擇傳輸鏈路，構(gòu)建空天地三層FSOC/X 網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)拓?fù)浜吐酚?，完成?shù)據(jù)的有序轉(zhuǎn)發(fā)，最終實(shí)現(xiàn)兼容并包的空天地一體化網(wǎng)絡(luò).

3.6 激光安全

長時間暴露于高功率激光束會造成嚴(yán)重的眼部組織損傷［42］.國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）60825-1 根據(jù)激光器的功率、波束寬度等將其分為四等，其中class1 和class2 一般情況下可認(rèn)為無害，class3和class4則較為危險［43］.美國標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（American National Standards Institute，ANSI）也限制850 nm波長的激光功率為160 mW，1550 nm則為8 W［44］.因此，建立空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)空間各層的通信環(huán)境特性與通信設(shè)備特點(diǎn)，合理地選用激光波長并調(diào)整激光器發(fā)射功率.

4 空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢

基于上一節(jié)提出的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素，本節(jié)首先對物理層及上層關(guān)鍵通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析與總結(jié)，并將設(shè)計(jì)因素與關(guān)鍵技術(shù)的聯(lián)系總結(jié)在圖2 中；其次，提出各項(xiàng)技術(shù)未來發(fā)展的趨勢以及面臨的挑戰(zhàn)，并將其總結(jié)在表4中.

表4 空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

圖2 空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)因素與關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)系圖

4.1 大氣信道模型

受大氣湍流和衰減效應(yīng)的影響，大氣信道具有高度變化、難以預(yù)測的特性，沿傳播路徑上大氣折射率的變化和多次散射會造成接收機(jī)處光信號幅值和相位的波動，導(dǎo)致系統(tǒng)性能嚴(yán)重下降.為描述這種波動，研究者提出了不同的統(tǒng)計(jì)信道模型［45～51］，包括負(fù)指數(shù)分布模型［46］、K分布模型［47］、I-K分布模型［48］、Log-normal模型［49］、Lognormal-Ricean 模型［50］、Gamma-Gamma 分布模型［51］等.

根據(jù)閃爍指數(shù)的大小，可將大氣湍流劃分為弱、中強(qiáng)、強(qiáng)三種程度＜1表示弱湍流環(huán)境?1表示中強(qiáng)度湍流環(huán)境＞1 表示強(qiáng)湍流環(huán)境.負(fù)指數(shù)分布模型適用于≥1 的強(qiáng)大氣湍流環(huán)境.K分布模型適用于描述3 ≤≤4 的強(qiáng)湍流信道模型［56，57］，然而，該模型的表達(dá)式十分復(fù)雜，很難用于分析誤碼率、吞吐量等通信性能.為此人們開展了K分布近似的相關(guān)工作，如文獻(xiàn)［58］提出了負(fù)指數(shù)變量混合近似分布，并取得較好的效果.I-K分布模型是K分布的一種廣義形式，可適用于所有強(qiáng)度的大氣湍流.然而，該模型很難用閉式表達(dá)式表示.Log-normal 模型適用于描述＜1 的弱湍流下接收光強(qiáng)的衰落情況［59］，該模型雖然具有易于計(jì)算的表達(dá)式，但其光強(qiáng)起伏對數(shù)正態(tài)曲線與光強(qiáng)均值的偏差值會隨大氣湍流強(qiáng)度增加而變大，因此不適用于描述強(qiáng)湍流環(huán)境下的光強(qiáng)起伏.Lognormal-Ricean 模型在弱/中強(qiáng)/強(qiáng)湍流環(huán)境均適用［60］，其仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)十分接近.然而，由于該模型的概率密度函數(shù)是積分形式，很難求得閉式解.此外，該模型在計(jì)算過程中存在許多近似運(yùn)算，誤差較大.Gamma-Gamma 模型因其計(jì)算方式簡單且在弱/中強(qiáng)/強(qiáng)湍流環(huán)境均適用［61］，成為實(shí)際應(yīng)用最廣泛的模型，但只有在接收端孔徑小的情況下，才與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較好地吻合［51］.對此，文獻(xiàn)［55］提出了Exponentiated Weibull 模型，能夠在孔徑較大時很好地模擬輻照度波動，且適用于所有強(qiáng)度的湍流環(huán)境.表5總結(jié)了現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)信道模型及其適用范圍.

表5 大氣信道模型及其適用范圍

現(xiàn)階段FSOC 大氣信道模型尚未能覆蓋空天地一體化架構(gòu)中全部鏈路類型，大多數(shù)模型只考慮大氣湍流對信道的影響，在未來以下兩方面值得進(jìn)一步研究.

（1）全面涵蓋一體化網(wǎng)絡(luò)鏈路類型.現(xiàn)有FSOC 信道測量和建模工作多集中于地面網(wǎng)絡(luò)，而星地、空地等鏈路信道特性與地面網(wǎng)絡(luò)信道存在顯著差異.未來信道測量與建模工作仍需向空基、天基網(wǎng)絡(luò)延伸，構(gòu)建健全的信道模型.

（2）全面考慮各種干擾因素.影響大氣信道特性的因素包括大氣湍流、指向誤差、鏈路遮擋、障礙物移動性等，但現(xiàn)有研究工作通常只考慮大氣湍流對信道的影響.未來建模工作應(yīng)綜合考慮上述因素，提升模型的精準(zhǔn)性.

4.2 捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤技術(shù)

FSOC 使用束散角較小的激光進(jìn)行通信，需要APT技術(shù)來建立和保持通信鏈路.空天地一體化架構(gòu)中，長距離的通信鏈路、終端的移動性和平臺振動都對APT技術(shù)提出了更高的要求，不同層網(wǎng)絡(luò)鏈路和層間鏈路的差異較大，對APT方案的要求也不同.現(xiàn)有方案主要包括以下幾種（表6）.

表6 不同APT方案特點(diǎn)和適用終端類型

（1）基于跟蹤架的APT方案

該方案通過電機(jī)實(shí)現(xiàn)對跟蹤萬向架的控制，使其進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和傾斜運(yùn)動［63］.跟蹤架可分為兩軸、三軸、四軸結(jié)構(gòu)，其中兩軸式跟蹤架結(jié)構(gòu)簡單、易于控制，應(yīng)用較為普遍.兩軸跟蹤架APT 方案的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤視場及跟蹤范圍大，適合需要大角度偏轉(zhuǎn)范圍的收發(fā)器［64］，如星地、空地和星間通信.然而，跟蹤架的旋轉(zhuǎn)速度較慢、角度分辨率較低，難以達(dá)到較高的動態(tài)精度，且萬向轉(zhuǎn)臺重量大，不適用于有輕量要求的移動型終端，比如小型UAV.

（2）基于反射鏡的APT方案

該方案使用快速控制反射鏡（Fast Steering Mirror，F(xiàn)SM）來執(zhí)行光束的捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤，通過驅(qū)動反射鏡使目標(biāo)光攝入探測器并處于探測器中心［65］.根據(jù)驅(qū)動方式的不同，F(xiàn)SM 可分為機(jī)械、壓電（Piezoelectric，PZT）和微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electromechanical Systems，MEMS）［64］.反射鏡相對于萬向架來說質(zhì)量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)頻率高、角度分辨率大，適合高精度的目標(biāo)跟蹤，但其跟蹤視場及跟蹤范圍較小.

（3）復(fù)合軸APT方案

為克服上述兩種方案的不足，該方案在旋轉(zhuǎn)機(jī)架上安裝可微調(diào)的快速反射鏡，構(gòu)成復(fù)合軸系統(tǒng)，由主APT 系統(tǒng)對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行捕獲和粗跟蹤，從APT 系統(tǒng)根據(jù)主系統(tǒng)的跟蹤殘差進(jìn)行精跟蹤，實(shí)現(xiàn)大范圍的快速高精度跟蹤［66］.

（4）基于自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的APT方案

自適應(yīng)光學(xué)（Adaptive Optics，AO）技術(shù)利用波前傳感器和波前校正器對大氣湍流引起的光束波前畸變進(jìn)行校正［67］.最廣泛使用的波前校正器是變形鏡（Deformable Mirrors，DM），可以實(shí)現(xiàn)低階光束的像差校正和納米級的光束控制.此外，該校正器可與傾斜鏡相結(jié)合，以校正高階光束像差.該方案可以實(shí)現(xiàn)n-rad 級的跟蹤精度，但由于對DM 的高集成度要求，該方案的硬件成本與計(jì)算量較高.

（5）基于液晶的APT方案

該方案采用液晶/液晶空間光調(diào)制器（Liquid Crystal-Spatial Light Modulator，LC-SLM）實(shí)現(xiàn)光束控制，LCSLM 由許多個液晶分子在空間上排列成陣列然后分層疊加構(gòu)成，每一單元都能夠獨(dú)立地通過光學(xué)信號或者電信號進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對光束幅度和相位的操縱［68］.該方案具有成本低、功耗小、重量輕的優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)較高的跟蹤精度，但其偏轉(zhuǎn)控制范圍有限、跟蹤視場偏窄.

（6）基于混合FSOC/RF的APT方案

FSOC 鏈路極易受到云層、鳥、樹木等障礙物遮擋而導(dǎo)致鏈路中斷，此時可采用混合FSOC/RF 的APT 機(jī)制［69］，利用RF 模塊代替信標(biāo)光在鏈路斷開時發(fā)送定位消息，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)快速重新捕獲，將鏈路中斷時間降至最低.此外，當(dāng)光鏈路因環(huán)境惡劣而中斷時，可采用RF鏈路作為備用鏈路維持光終端之間的通信.該方案可以顯著減少鏈路中斷時間，有效提高鏈路可靠性，然而，RF通信會降低數(shù)據(jù)傳輸速率，額外的RF模塊也會增加系統(tǒng)的成本和硬件復(fù)雜度.

現(xiàn)有APT 方案仍存在一些軟硬件設(shè)計(jì)上的問題，在未來以下三方面值得進(jìn)一步研究.

（1）降低硬件復(fù)雜度.目前APT方案普遍存在硬件體積過大、復(fù)雜度高的問題.開發(fā)小型APT 方案，實(shí)現(xiàn)更小重量、更小尺寸以及更低的硬件復(fù)雜度是APT 技術(shù)的重要發(fā)展方向之一.

（2）帶有預(yù)測功能的APT 方案.針對衛(wèi)星、UAV 等高速移動型終端，保證光束即時對準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)APT 時間同步是一個很大的挑戰(zhàn).未來的研究工作需重點(diǎn)關(guān)注帶有預(yù)測機(jī)制的APT 方案［70］，通過預(yù)測運(yùn)動軌跡和速度估計(jì)終端在下一時刻的位置，減少信標(biāo)光對準(zhǔn)時間，確保光束快速指向目標(biāo).提高預(yù)測精度，減少因預(yù)測速度和實(shí)際速度不匹配而導(dǎo)致的捕獲失敗，是該技術(shù)亟待解決的核心問題.

（3）開發(fā)適配軟件.現(xiàn)有軟件缺乏對實(shí)時情況自動同步和跟蹤的能力.在空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星、UAV 等移動終端的運(yùn)動軌跡具有規(guī)律性，可利用機(jī)器學(xué)習(xí)通過邊學(xué)習(xí)、邊預(yù)測的方式實(shí)現(xiàn)自動同步與跟蹤.

4.3 拓?fù)淇刂?/h3>

空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂茟?yīng)最大限度彌補(bǔ)FSOC 鏈路特性帶來的不足，并能快速感知拓?fù)渥兓?，?shí)現(xiàn)鏈路切換，保證網(wǎng)絡(luò)的連通性.表7 總結(jié)了現(xiàn)有FSOC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品桨讣捌涮攸c(diǎn).

表7 不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂品桨讣疤攸c(diǎn)

目前，針對空天地一體化高度動態(tài)特性的FSOC 拓?fù)淇刂蒲芯亢苌?，大多研究工作集中于空間單層FSOC網(wǎng)絡(luò).地面FSOC 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和連接邊規(guī)模較大，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出整體稀疏且局部密集的特點(diǎn)［71］.文獻(xiàn)［72］按照可靠性、容量（公平性）、傳輸功率、誤碼率的排序依次優(yōu)化求解FSOC 收發(fā)器的位置和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，有效降低部署成本.考慮到節(jié)點(diǎn)的移動性，文獻(xiàn)［73］以最小化網(wǎng)絡(luò)擁塞為目標(biāo)設(shè)計(jì)了拓?fù)渖伤惴ǎ⑻岢鐾負(fù)淇焖僦刂盟惴ㄒ詰?yīng)對鏈路故障，平衡節(jié)點(diǎn)間的流量負(fù)載.平流層FSOC網(wǎng)絡(luò)易受到大氣湍流的影響，已有研究工作根據(jù) 功耗、吞吐量［74］或網(wǎng)絡(luò)可靠性［69］等確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).衛(wèi)星骨干網(wǎng)絡(luò)中星間FSOC 鏈路不受大氣的影響，但由于衛(wèi)星高速運(yùn)轉(zhuǎn)，星間鏈路斷開與重連，拓?fù)潴w現(xiàn)出極高的動態(tài)性.文獻(xiàn)［76］針對星間FSOC 鏈路，以網(wǎng)絡(luò)時延和鏈路空間位置精度因子（反映衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中星間鏈路的幾何結(jié)構(gòu)，由星座構(gòu)型與天線波束角共同決定，值越小，測量精度越高）作為通信性能和高精度測量的量化指標(biāo)，將星間鏈路拓?fù)湟?guī)劃問題建模為多約束條件下的多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問題，求出全局最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并驗(yàn)證了所提算法能夠提高拓?fù)鋭討B(tài)切換時的鏈路利用率.

針對空間多層FSOC 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂品桨复蠖嘀塾诳盏貞?yīng)用場景.文獻(xiàn)［77］建立空地FSOC移動拓?fù)浼軜?gòu)，采用修正狄洛尼三角剖分（Modified Delaunay Triangulation，MDT）方法形成平流層移動節(jié)點(diǎn)的拓?fù)洌⒖紤]大氣影響提出拓?fù)渲貥?gòu)算法和一種多點(diǎn)對點(diǎn)訪問的動態(tài)管理算法，解決地面節(jié)點(diǎn)與平流層節(jié)點(diǎn)的動態(tài)連接問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高連通度.文獻(xiàn)［39］首先基于節(jié)點(diǎn)接入度生成上層空間節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，再根據(jù)地面節(jié)點(diǎn)移動的規(guī)律性，利用機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)對鏈路的狀態(tài)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量進(jìn)行學(xué)習(xí)和預(yù)測，對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行智能控制.文獻(xiàn)［78］在空地FSOC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇刂浦胁捎弥鲃樱ǜ鶕?jù)無人機(jī)與地面間的平均流量需求和各時間段無人機(jī)的功耗狀態(tài)等主動調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌┖捅粍樱ㄔ阪溌饭收匣蛄髁啃枨蟊l(fā)情況下的拓?fù)渲貥?gòu)）相結(jié)合的方式優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，有效保障了系統(tǒng)的性能.文獻(xiàn)［79］針對空天架構(gòu)，在收發(fā)信機(jī)數(shù)量有限的情況下，設(shè)計(jì)了一種動態(tài)能量與流量平衡（Dynamic Energy and Traffic Balance，DETB）的拓?fù)淇刂扑惴?，根?jù)節(jié)點(diǎn)剩余能量和流量變化動態(tài)調(diào)整拓?fù)?，使平均網(wǎng)絡(luò)吞吐量保持相對穩(wěn)定，避免鏈路過載.

現(xiàn)階段FSOC 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇刂蒲芯抗ぷ鞔蠖嗉性趩螌雍涂珉p層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，針對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)和動態(tài)控制算法研究較少，在未來以下三方面值得進(jìn)一步研究.

（1）按需自適應(yīng)拓?fù)淇刂?空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)各層拓?fù)涑尸F(xiàn)不同特性，且具有高度動態(tài)性，頻繁重新配置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾黾酉到y(tǒng)控制成本、誤碼率、傳輸延遲以及計(jì)算復(fù)雜度［5］.能夠權(quán)衡各性能因素，按需自適應(yīng)的拓?fù)淇刂品椒?，是未來重要的研究方?

（2）FSOC/X 混合傳輸中拓?fù)淇刂?FSOC/X 系統(tǒng)中拓?fù)淇刂品桨傅脑O(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注不同類型鏈路的選擇和切換，確保切換的實(shí)時性和穩(wěn)定性.

（3）基于軟件定義的拓?fù)淇刂?軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）技術(shù)可實(shí)現(xiàn)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)靈活組網(wǎng)，適應(yīng)不同場景的需求，承載各動態(tài)節(jié)點(diǎn)的連接請求［80］，實(shí)時處理動態(tài)拓?fù)渥兓?結(jié)合深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能算法可有效解決拓?fù)鋬?yōu)化問題，制定拓?fù)洳呗?，提升網(wǎng)絡(luò)性能.

4.4 路由策略

空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，不同層網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)備及信道情況差異顯著.例如，GSO（Geostationary Earth Orbit Satellite，對地靜止地球軌道衛(wèi)星）位置相對固定，而低軌衛(wèi)星（Low Earth Orbit，LEO）高速運(yùn)動，星間FSOC 信道幾乎可看作自由空間，而平流層內(nèi)需考慮大氣湍流等影響.因此，空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)跨層路由策略關(guān)鍵在于如何充分利用不同層的網(wǎng)絡(luò)特性實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效轉(zhuǎn)發(fā)與傳輸.文獻(xiàn)［81］利用中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）較高、覆蓋面較廣、運(yùn)動速度相對較慢的特點(diǎn)，提出HR-SFCN（Hierarchical Routing for LEO/MEO Satellite RF/FSOC Communication Networks）分層FSOC 混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將MEO 衛(wèi)星作為LEO的中繼節(jié)點(diǎn)，并使LEO 衛(wèi)星分簇連接到MEO 衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)滿足體驗(yàn)質(zhì)量（Quality of Experience，QoE）要求的路由算法.文獻(xiàn)［79］針對FSOC 空天融合網(wǎng)，在DETB 拓?fù)淇刂扑惴ɑA(chǔ)上提出一種分層的路由策略，通過衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)低空平臺（Low Altitude Platforms，LAPs）、高空平臺（High Altitude Platforms，HAPs）等的中繼路由.

空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)各層的路由協(xié)議存在較大差異，目前衛(wèi)星層面主要采用空間IP 協(xié)議體系、國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會CCSDS 協(xié)議體系以及容忍延遲網(wǎng)絡(luò)（Delay Tolerant Network，DTN）協(xié)議體系［82］，而地面移動通信及Internet 網(wǎng)多采用TCP/IP 協(xié)議.根據(jù)ITU的報(bào)告［83］，當(dāng)前沒有任何協(xié)議可在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不斷移動的同時計(jì)算其最佳路徑.然而，利用衛(wèi)星運(yùn)動規(guī)律性較強(qiáng)的特性，可以很好地預(yù)測未來某一時間段的衛(wèi)星連接，計(jì)算路由.基于此，文獻(xiàn)［84］搭建了軟件定義衛(wèi)星網(wǎng) 絡(luò)（Software-Defined Satellite Network，SDSN）平 臺OpenSatNet，利用未來某一時間段的全局拓?fù)湫畔?，通過Dijkstra 算法計(jì)算最短路徑，再分發(fā)到衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由控制.對于地面及平流層FSOC 網(wǎng)絡(luò)，一些研究針對基于FSOC 的無線移動自組網(wǎng)（FSOCMANET）提出了支持節(jié)點(diǎn)低速移動的最短路徑路由算法［85］、以中心度與連接概率為花費(fèi)函數(shù)的Spray 路由策略［86］以及考慮了QoS的定向路由技術(shù)［87］.此外，一些研究工作基于Ad-hoc 網(wǎng)和Internet 網(wǎng)路由的思想，結(jié)合FSOC 系統(tǒng)拓?fù)渥兓^快、收發(fā)機(jī)方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，針對FSOC-MANET 開發(fā)了考慮網(wǎng)絡(luò)QoS 的AODV-QoSFSOC 算法［88］、基于位置預(yù)測 的UAV-EDCAR（Enhanced Distributed Coding-Aware Routing）路由算法［89］以及QDRP（Quality of Service-Directional Routing Protocol）路由算法［90］等.

現(xiàn)階段缺乏適用于空天地一體化無線光網(wǎng)絡(luò)多層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的路由算法和路由協(xié)議.在未來以下兩方面值得進(jìn)一步研究.

（1）FSOC/X 混合傳輸路由算法.空天地一體化網(wǎng)絡(luò)不同層的設(shè)備終端在通信能力、能耗、處理復(fù)雜度、通信覆蓋、移動性等方面均存在顯著差異.路由算法需結(jié)合路徑預(yù)測、信道預(yù)測方法，考慮各設(shè)備的實(shí)時情況，以保障網(wǎng)絡(luò)的QoS需求.

（2）FSOC/X 混合傳輸路由協(xié)議.空天地一體化FSOC/X 混合網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議需綜合考慮拓?fù)錁?gòu)建方法、路由算法等，構(gòu)建多設(shè)備間路由信息協(xié)商交換機(jī)制，實(shí)現(xiàn)路由信息互聯(lián)互通.

4.5 資源分配

龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)極易出現(xiàn)部分區(qū)域通信業(yè)務(wù)過載或業(yè)務(wù)擁塞而其他區(qū)域資源空閑的現(xiàn)象，資源利用率低.設(shè)計(jì)合理的資源分配方案，實(shí)現(xiàn)功率、帶寬、鏈路、信道、接口等網(wǎng)絡(luò)資源的有效利用，是解決網(wǎng)絡(luò)擁塞并提高網(wǎng)絡(luò)QoS的關(guān)鍵.目前涉及空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)資源分配的相關(guān)研究工作較少，且主要針對功率和帶寬兩種資源.針對天地一體化網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)［91］提出了一種基于次梯度的功率分配方案，在總功率和峰值功率的約束下最大化網(wǎng)絡(luò)容量.基于FSOC-UAV 輔助移動接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，文獻(xiàn)［92］設(shè)計(jì)了一種基于QoS喚醒基站位置和移動用戶關(guān)聯(lián)的帶寬分配方案，為不同帶寬需求的用戶進(jìn)行資源分配并關(guān)聯(lián)基站，以保證服務(wù)用戶數(shù)量的最大化.針對空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，文獻(xiàn)［93］考慮GSO-HAPs-地面站通信場景，將混合FSOC/RF 網(wǎng)絡(luò)用于回程傳輸，并對功率和帶寬進(jìn)行聯(lián)合分配，實(shí)現(xiàn)吞吐量和能量效率的提升.

目前，空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)資源分配的研究處于起步階段，現(xiàn)有方案存在考慮因素不全面、計(jì)算復(fù)雜度高、實(shí)時性差等問題.在未來以下兩方面值得進(jìn)一步研究.

（1）基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的資源分配.引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Deep Neural Networks，DNN）實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，利用深度學(xué)習(xí)的邏輯抓取能力實(shí)現(xiàn)多種資源的統(tǒng)一調(diào)度.

（2）基于SDN/NFV 的資源分配.利用SDN 可解耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制部分與數(shù)據(jù)部分，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與移動設(shè)備的實(shí)時控制［94］.利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）可通過軟件化的方法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，完成對資源服務(wù)的動態(tài)部署［95］.二者相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源實(shí)時動態(tài)分配，避免業(yè)務(wù)過載或業(yè)務(wù)擁塞，有效提高資源利用率.

4.6 可靠傳輸協(xié)議

TCP 協(xié)議應(yīng)用在空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)時，高誤碼率、長往返時延、非對稱信道、間歇性鏈路中斷等問題會使其性能嚴(yán)重降低［96］，其面臨的主要挑戰(zhàn)如下.

（1）在高速、長時延的網(wǎng)絡(luò)中如何有效避免擁塞

TCP 協(xié)議是基于反饋應(yīng)答的協(xié)議，通過慢啟動、擁塞避免、快速重傳和恢復(fù)來控制擁塞，然而長時延鏈路環(huán)境下反饋時延非常大，高傳輸速率會導(dǎo)致競爭業(yè)務(wù)快速占用網(wǎng)絡(luò)緩沖資源，因此TCP很難避免擁塞.

（2）在高丟包率的網(wǎng)絡(luò)中如何設(shè)計(jì)重傳機(jī)制

受湍流、障礙物遮擋和光束跟蹤誤差的影響，空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)很容易出現(xiàn)鏈路中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)包頻繁丟失［97］，TCP 無法區(qū)分鏈路誤碼和網(wǎng)絡(luò)擁塞，當(dāng)有數(shù)據(jù)包因?yàn)閭鬏敵鲥e而丟棄，即使沒有發(fā)生擁塞，TCP也會縮減發(fā)送窗口，導(dǎo)致TCP 協(xié)議的發(fā)送速率降低，鏈路閑置.另外，丟失數(shù)據(jù)包反復(fù)重傳會引起端到端傳輸時延劇烈變化、吞吐量嚴(yán)重降低、鏈路帶寬浪費(fèi)的情況.因此，需要引入自動重傳請求機(jī)制使TCP能夠區(qū)分當(dāng)前快速重傳是否必要，減少傳輸層不必要的重傳，提高其在高誤碼率環(huán)境下的性能.停等式ARQ（Stop-andwait Automatic Repeat Request），回 退n幀ARQ（Goback-n ARQ），選擇性重傳ARQ（Selective Repeat ARQ，SR-ARQ）在空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)中均表現(xiàn)不佳.混合ARQ（Hybrid ARQ）［98］在強(qiáng)大氣湍流條件下中斷概率和誤碼率均有較好的表現(xiàn)，但其時延較大且鏈路帶寬利用率很低.協(xié)作分集ARQ（Cooperative Diversity ARQ，C-ARQ）能夠有效緩解強(qiáng)大氣湍流引起的信號衰落，并且其改進(jìn)方案MC-ARQ（Modified C-ARQ）［99］能夠?qū)崿F(xiàn)更低的傳輸時延和更高的能量效率.

（3）非對稱鏈路帶寬

TCP 傳輸過程會產(chǎn)生大量ACK（Acknowledge character）包，由于雙向鏈路帶寬的不對稱性，帶寬較低的鏈路上ACK 吞吐量很容易超過鏈路容量，緩沖區(qū)很快被填滿，導(dǎo)致ACK 報(bào)文排隊(duì)時延增加甚至?xí)粊G棄，使響應(yīng)時間變長，吞吐量降低.尤其當(dāng)存在雙向數(shù)據(jù)傳輸時，帶寬的不對稱性將會使得TCP 協(xié)議的性能下降更加嚴(yán)重.

目前針對FSOC 網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議的研究工作多集中于地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)［96，97，100，101］，并且處于早期研究階段，還沒有適用于空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議.為增強(qiáng)傳輸協(xié)議在空天地一體化FSOC網(wǎng)絡(luò)中的性能，可對現(xiàn)有TCP 協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)，調(diào)整優(yōu)化TCP 的一些運(yùn)行參數(shù)或者直接修改其控制機(jī)制.此外，可研發(fā)專門針對該環(huán)境的傳輸協(xié)議，但這種方式需要對現(xiàn)有TCP進(jìn)行全面修改，難以推廣和部署.

4.7 微波協(xié)作傳輸

FSOC/RF 混合傳輸是提升惡劣天氣條件下一體化網(wǎng)絡(luò)性能的有效解決方案.文獻(xiàn)［102］提出利用FSOC鏈路連接HAPs 與衛(wèi)星，由于地面用戶具有移動性，且用戶間的視距路徑很容易被建筑物和樹木等障礙物阻擋，規(guī)定用戶通過RF 訪問平流層.文獻(xiàn)［103］及文獻(xiàn)［104］仿真結(jié)果均證明在霧天條件下，混合FSOC 與RF鏈路可以顯著提高系統(tǒng)性能.

利用微波RF 鏈路作為FSOC 備份也是一個重要的研究方向.文獻(xiàn)［106］提出利用RF-FSOC 鏈路作為備份，通過切換主要FSOC 鏈路和次要RF-FSOC 鏈路，實(shí)現(xiàn)不間斷和可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)主要鏈路受到大氣湍流影響時，利用RF-FSOC 次要鏈路保持連通性；當(dāng)存在明確的視距路徑時，利用主FSOC 鏈路以獲得更高的數(shù)據(jù)速率.文獻(xiàn)［79］構(gòu)建了一個由衛(wèi)星、飛艇和懸停無人機(jī)組成的星空一體化網(wǎng)絡(luò).其中平流層飛艇負(fù)責(zé)空間遙感和天氣觀測，并利用數(shù)據(jù)挖掘?qū)⑹占降臍庀髷?shù)據(jù)進(jìn)行處理，精確預(yù)測大氣條件，從而提前將FSOC 鏈路切換為RF 鏈路，克服惡劣天氣引起的信號衰減問題，并有效降低切換延遲.但是以上兩種方案均采用雙鏈路并行傳輸方式，導(dǎo)致傳輸資源嚴(yán)重浪費(fèi).表8 總結(jié)了現(xiàn)有跨層一體化網(wǎng)絡(luò)混合傳輸方式及其特點(diǎn).

表8 跨層一體化網(wǎng)絡(luò)混合傳輸方式及特點(diǎn)

目前，F(xiàn)SOC 與微波協(xié)作傳輸?shù)难芯窟€停留在架構(gòu)設(shè)計(jì)階段，缺乏拓?fù)?、路由、資源分配、協(xié)議制定等解決方案.在未來以下兩方面值得進(jìn)一步研究.

（1）鏈路高效切換.由于探測值和切換門限值的相對偏差，目前廣泛采用的閾值比較法會造成FSOC鏈路信道容量的浪費(fèi)或短暫鏈路中斷.未來需研究更高效、準(zhǔn)確的判斷機(jī)制以保證鏈路的可用性，降低切換時延.

（2）多元FSOC/X 混合傳輸.RF 通信頻譜資源擁擠，數(shù)據(jù)承載能力有限，且對環(huán)境非常敏感，安全性低.除FSO/RF 混合傳輸方式外，還可以將FSOC 與其他通信方式結(jié)合，如FSOC/光纖、FSOC/可見光通信［109］，以適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景.

5 結(jié)論

FSOC 作為一種室外無線光通信技術(shù)，是構(gòu)建空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要手段.國內(nèi)外針對衛(wèi)星、平流層及地面網(wǎng)絡(luò)各層內(nèi)鏈路及層間鏈路進(jìn)行了大量激光通信實(shí)驗(yàn)，并提出了Iridium銥星系統(tǒng)、OneWeb、Kuiper、鴻雁、虹云等多項(xiàng)空間網(wǎng)絡(luò)建設(shè)項(xiàng)目，為空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).然而FSOC 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化文件僅限于物理層及數(shù)據(jù)鏈路層，缺乏上層的標(biāo)準(zhǔn)化工作，F(xiàn)SOC 特殊的鏈路特性和一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對物理層及上層關(guān)鍵通信技術(shù)也提出了很大的挑戰(zhàn).為充分了解光信號在大氣中的傳輸特性，需要提高大氣信道建模精度，為網(wǎng)絡(luò)算法設(shè)計(jì)和協(xié)議優(yōu)化提供準(zhǔn)確的底層模型；APT 是確保FSOC 鏈路穩(wěn)定性的重要前提，需要進(jìn)一步減小體積和硬件復(fù)雜度，提高在終端高速移動時的性能；拓?fù)淇刂?、路由和資源分配等技術(shù)還需要投入大量研究工作，以匹配一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)特性，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能；傳統(tǒng)TCP 協(xié)議不能適應(yīng)高速、長時延、高丟包率的網(wǎng)絡(luò)，必須針對空天地一體化FSOC 網(wǎng)絡(luò)研發(fā)專門的傳輸協(xié)議或改進(jìn)現(xiàn)有TCP協(xié)議；單一的FSOC 傳輸性能受到鏈路特性的制約，應(yīng)考慮FSOC/X的混合傳輸方式以適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場景.

基于FSOC 的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)仍處于建設(shè)階段，急須突破和改進(jìn)物理層及上層通信關(guān)鍵技術(shù)，充分利用其高帶寬、高速率、高保密性的優(yōu)勢，加快我國一體化空間信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的步伐.