空天通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)綜述

安建平，李建國(guó)，于季弘，葉 能

（1. 北京理工大學(xué)網(wǎng)絡(luò)空間安全學(xué)院，北京 100081；2. 北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院，北京 100081）

1 引言

現(xiàn)代信息社會(huì)發(fā)展新形態(tài)需要無(wú)線通信體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)的嬗變. 伴隨不斷提升的“4A”（Anytime、Anywhere、Anyone、Anything）通信需求，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆發(fā)增長(zhǎng)，業(yè)務(wù)覆蓋要求無(wú)縫銜接. 預(yù)計(jì)到2030 年，全球范圍內(nèi)每立方公里的接入設(shè)備數(shù)量最多可達(dá)千萬(wàn)量級(jí). 為此，未來(lái)亟需突破時(shí)空限制，通過(guò)低延時(shí)、超可靠的實(shí)時(shí)通信完成全球范圍內(nèi)100%立體全覆蓋，真正實(shí)現(xiàn)人與萬(wàn)物泛在互聯(lián)的信息社會(huì)發(fā)展愿景［1～5］.

在過(guò)去幾十年間，傳統(tǒng)的基于無(wú)線蜂窩組網(wǎng)的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（Terrestrial Communications Networks）已成為推動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)進(jìn)步的重要基礎(chǔ)設(shè)施. 但地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)存在覆蓋范圍有限、安全可靠性不足、抗損毀能力差等缺點(diǎn)，僅憑借傳統(tǒng)的地面蜂窩移動(dòng)通信無(wú)法滿足全球范圍內(nèi)海量泛在覆蓋、高效安全傳輸?shù)男枨?

與地面移動(dòng)通信相比，超長(zhǎng)距離的空天通信功能易受到不利環(huán)境因素的影響，例如因通信鏈路經(jīng)過(guò)行星大氣層和電離層導(dǎo)致信號(hào)散射與衰減、因等離子散射導(dǎo)致傳輸延遲大大增加、上下行鏈路異構(gòu)且不對(duì)稱等問(wèn)題以及越來(lái)越稀缺的空間軌道資源［6］. 為使空天通信網(wǎng)絡(luò)利用有限資源實(shí)現(xiàn)高速、海量、實(shí)時(shí)、安全傳輸，亟待解決下述技術(shù)挑戰(zhàn).

（1）缺乏有效精準(zhǔn)的傳播環(huán)境建模. 在空天通信網(wǎng)絡(luò)中，信道條件會(huì)隨著時(shí)間、地理位置、天氣條件、飛行高度等因素波動(dòng)，且廣泛覆蓋的衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)等空間平臺(tái)的信道具有異質(zhì)性，它們擁有完全不同的信道模式. 而現(xiàn)有的成熟的衛(wèi)星信道模型主要是針對(duì)郊區(qū)、空曠地區(qū)提出的，在低軌密集星座服務(wù)城市等信道散射環(huán)境復(fù)雜的場(chǎng)景的模型尚處于論證階段，還需進(jìn)一步驗(yàn)證和校準(zhǔn)，缺乏經(jīng)過(guò)大量實(shí)測(cè)驗(yàn)證的傳播信道模型.

（2）缺乏高效適配的信道傳輸技術(shù). 空天通信業(yè)務(wù)場(chǎng)景如空間探測(cè)、無(wú)人機(jī)遙感、衛(wèi)星通信等由于采樣距離越來(lái)越小、采樣頻率越來(lái)越高，將產(chǎn)生大量的通信數(shù)據(jù). 而這些數(shù)據(jù)在大部分場(chǎng)景下都需要以實(shí)時(shí)的方式傳遞給最終用戶，但是空間平臺(tái)（如衛(wèi)星和無(wú)人機(jī)等）帶寬資源稀缺，所以缺乏高效適配的信道傳輸技術(shù)來(lái)滿足空天通信網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)傳輸要求［7］.

（3）缺乏異構(gòu)融合的組網(wǎng)體系架構(gòu). 空天信息通信網(wǎng)絡(luò)由于覆蓋范圍廣、業(yè)務(wù)種類多等特點(diǎn)，對(duì)終端配置的要求較為嚴(yán)格，從而給空天傳輸網(wǎng)絡(luò)的接入設(shè)計(jì)增加了難度. 另外，空天信息通信網(wǎng)絡(luò)需要不斷整合衛(wèi)星之間、衛(wèi)星與地面之間的信息資源，同時(shí)需要具備較強(qiáng)的自主管理能力以及快速響應(yīng)能力以應(yīng)對(duì)突發(fā)狀況.因此，亟需異構(gòu)融合的組網(wǎng)體系架構(gòu)使得空天通信傳輸網(wǎng)絡(luò)的資源調(diào)度具備較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)重組的特性［8］.

面向上述挑戰(zhàn)，本文綜述了空天通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù). 首先從空-天-地三網(wǎng)、物理-網(wǎng)絡(luò)-應(yīng)用三層、有效傳輸-資源管理-安全防護(hù)三域出發(fā)，給出了一種空天通信網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu). 然后以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)型和路由管理為脈絡(luò)梳理了空天通信網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)與接入技術(shù)，同時(shí)總結(jié)了空天通信中物理層技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，包括調(diào)制多址、波形、編碼、高頻段傳輸和多天線技術(shù). 此外，梳理了多域資源管理、跨層切換技術(shù). 最后針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的不足，本文指出了未來(lái)空天通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì).

2 發(fā)展歷程

2.1 現(xiàn)有系統(tǒng)

在過(guò)去的幾十年來(lái)里，部分空天通信系統(tǒng)已經(jīng)成功進(jìn)行了軍事或商業(yè)化應(yīng)用，最廣為人知的包括全球信息網(wǎng)格（Global Information Grid，GIG）、TSAT（Transformational Satellite Communications System）、Iridium

等. 其中GIG 是通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)組成的一體化網(wǎng)絡(luò)，基于此實(shí)現(xiàn)無(wú)縫全球通信［9］. TSAT系統(tǒng)是美國(guó)國(guó)家航空航天局為軍事應(yīng)用而設(shè)計(jì)的下一代GEO（Geosynchronous Earth Orbit）衛(wèi)星系統(tǒng)，該系統(tǒng)由5 顆GEO 衛(wèi)星組成，使用激光鏈路相互通信，形成一個(gè)10 Gbps 主干網(wǎng)，并允許地面終端從無(wú)人機(jī)和衛(wèi)星獲取實(shí)時(shí)信息［10］. 而銥星系統(tǒng)由66 顆LEO 衛(wèi)星組成，軌道高度為大約780 公里. 旨在為全地球覆蓋地區(qū)提供移動(dòng)數(shù)據(jù)和語(yǔ)音服務(wù)［11］. 與此同時(shí)，近幾年涌現(xiàn)出多個(gè)如“下一代銥星”（Iridium Next）、“一網(wǎng)”（OneWeb）、“星鏈”（Starlink）等寬帶低軌衛(wèi)星通信星座來(lái)提供覆蓋全球的高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù).

歐盟在2005年提出了全球通信綜合空間基礎(chǔ)設(shè)施ISICOM（Integrated Space Infrastructure for Global Communication），ISICOM 采用衛(wèi)星、高空平臺(tái)、無(wú)人機(jī)等多種節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建天地一體網(wǎng)絡(luò)，其致力于導(dǎo)航系統(tǒng)、全球環(huán)境安全系統(tǒng)以及未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的融合［12］. 在2017 年6月，歐洲成立了SaT5G（Satelliteand Terrestrial Network for 5G）組織，主要研究衛(wèi)星與5G 的融合問(wèn)題，并推動(dòng)相應(yīng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作［13，14］.

國(guó)內(nèi)的空天信息網(wǎng)絡(luò)研究，鴻雁星座系統(tǒng)一期建設(shè)由60 余顆骨干衛(wèi)星組成，優(yōu)先提供全球移動(dòng)通信業(yè)務(wù)和重點(diǎn)地區(qū)的寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)；虹云工程系統(tǒng)由156顆小型衛(wèi)星組成，采用Ka波段通信，每顆衛(wèi)星有4 Gbps帶寬的吞吐量，旨在向全球用戶提供“寬帶互聯(lián)網(wǎng)”服務(wù)；我國(guó)在雄安新區(qū)成立了中國(guó)星網(wǎng)集團(tuán)，來(lái)實(shí)現(xiàn)通信衛(wèi)星應(yīng)用產(chǎn)業(yè)化，為國(guó)家新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提供基礎(chǔ)性條件. 北斗衛(wèi)星系統(tǒng)則是世界上首個(gè)集定位、授時(shí)和報(bào)文通信為一體的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng). 北斗系統(tǒng)還可以靈活的劃分使用等級(jí)范圍，實(shí)現(xiàn)定位保障等級(jí)的調(diào)整、優(yōu)先權(quán)調(diào)配和能力集成［15］.

2.2 應(yīng)用場(chǎng)景

空天通信網(wǎng)的應(yīng)用主要包括五個(gè)方面，分別為泛在物聯(lián)、寬帶互聯(lián)、智能海洋、隱蔽安全、社會(huì)治理.

泛在物聯(lián)是指任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、任何人和物之間的信息連接和交互. 主要包括對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤監(jiān)控和管理，保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)募皶r(shí)性、有效性，保障運(yùn)輸?shù)陌踩瑢?shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)全天候萬(wàn)物互聯(lián).

寬帶互聯(lián)可以提高道路特征和交通設(shè)施的清晰度. 在沙漠、山路、鄉(xiāng)路等沒(méi)有普通信號(hào)的地方，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地聯(lián)網(wǎng). 增強(qiáng)移動(dòng)終端導(dǎo)航能力，為機(jī)載、車載定位終端提供精準(zhǔn)可靠的位置服務(wù). 同時(shí)可以為交通物流、跨境電商、海洋、能源、旅游、農(nóng)牧業(yè)等多個(gè)領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)信息，為國(guó)家的“一帶一路”建設(shè)做出貢獻(xiàn).

在智能海洋通信方面，空天信息網(wǎng)絡(luò)面對(duì)海上環(huán)境情況復(fù)雜、海事業(yè)務(wù)異構(gòu)等問(wèn)題，提出了智能化、協(xié)同化和信息化的發(fā)展，克服海洋復(fù)雜環(huán)境對(duì)傳播的影響，滿足海事安全通信、海況通報(bào)、導(dǎo)航避障、海事緊急救援、公共通信服務(wù)等多種異構(gòu)業(yè)務(wù)的低延遲、高可靠、全覆蓋的需求［16，17］.

空天通信網(wǎng)可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾[蔽性. 傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)，基站數(shù)目過(guò)多，任一基站發(fā)生故障或被安裝竊聽(tīng)設(shè)備，都會(huì)導(dǎo)致秘密信息的泄露. 而采用空天通信網(wǎng)，加密數(shù)據(jù)可以通過(guò)天基骨干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)進(jìn)行直接傳輸. 而高空飛行器和衛(wèi)星的數(shù)據(jù)鏈路更為安全，更難截獲. 因此可以構(gòu)建隱蔽安全的通信鏈路.

在社會(huì)治理方面，當(dāng)面對(duì)重大安全事件，如自然災(zāi)害，社恐暴亂等，國(guó)家需要對(duì)大規(guī)模人群或地區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管. 這暴露出在面對(duì)重大事件時(shí)，采用普通的模式將不再適用. 我們必須提升監(jiān)管效率，加大監(jiān)管強(qiáng)度. 尤其是在面對(duì)重點(diǎn)防控地區(qū)，更要實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角的人員流動(dòng)監(jiān)控以及實(shí)時(shí)周邊環(huán)境信息的采集. 這需要技術(shù)的支持，而要對(duì)如此海量的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、流量監(jiān)管. 空天通信網(wǎng)可以憑借三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角的地區(qū)覆蓋，并可以對(duì)熱點(diǎn)地區(qū)進(jìn)行靈活的資源調(diào)配，通過(guò)科學(xué)手段實(shí)現(xiàn)高效的社會(huì)治理.

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

面向未來(lái)泛在無(wú)線、智聯(lián)萬(wàn)物的發(fā)展需求，構(gòu)建跨維域、跨業(yè)務(wù)、跨體制的空天地融合通信網(wǎng)絡(luò)，達(dá)成全球全方位的覆蓋，已然成為未來(lái)通信系統(tǒng)的發(fā)展方向.面向未來(lái)的空天通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，本文提出一種三網(wǎng)-三層-三域整體架構(gòu)：從空間層面上可以劃分為由宇宙飛船、軌道衛(wèi)星等構(gòu)成的天基網(wǎng)絡(luò)，由飛行器所構(gòu)成的空基網(wǎng)絡(luò)和由地面用戶所構(gòu)成的地基網(wǎng)絡(luò)；從體系結(jié)構(gòu)上可以分為以多址技術(shù)、編碼技術(shù)、多天線技術(shù)為主的物理層，以組網(wǎng)架構(gòu)和協(xié)議架構(gòu)為主的網(wǎng)絡(luò)層，以及面向用戶的應(yīng)用層；從功能結(jié)構(gòu)上可以劃分為以降低傳輸時(shí)延、提升譜效率為目標(biāo)的有效傳輸域，以跨網(wǎng)跨層資源管理為核心的資源管理域，以及以可靠安全抗干擾為抓手的安全防護(hù)域. 如圖1所示.

圖1 空天信息通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.2 天網(wǎng)-空網(wǎng)-地網(wǎng)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)從空間上可以劃分為天網(wǎng)、空網(wǎng)和地網(wǎng). 這三個(gè)部分可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以互操作，通過(guò)在這三個(gè)網(wǎng)段之間集成異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，可以輕松構(gòu)建分層寬帶無(wú)線網(wǎng)絡(luò).

天網(wǎng)由衛(wèi)星和星座及其相應(yīng)的地面基礎(chǔ)設(shè)施（例如，地面站，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)控制中心）組成. 這些衛(wèi)星和星座處于不同的軌道，具有不同的特性. 根據(jù)離地面高度，衛(wèi)星可分為三類：GEO、MEO（Medium Earth Orbit）和LEO（Low Earth Orbit）衛(wèi)星. 此外，還可以根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信道帶寬將其分為窄帶和寬帶.

空網(wǎng)是一種空中移動(dòng)系統(tǒng)，它使用無(wú)人機(jī)、飛艇和氣球是構(gòu)成高空和低空平臺(tái)（HAP（High Altitude Platform）和LAP（Low Altitude Platform）），為主要基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行信息獲取、傳輸和處理. 可以提供寬帶無(wú)線通信以補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò). 與地面網(wǎng)絡(luò)中的基站（Base Station，BS）相比，空中網(wǎng)絡(luò)具有易于部署和覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，可以在區(qū)域范圍內(nèi)提供無(wú)線接入.

地面網(wǎng)絡(luò)主要由地面通信系統(tǒng)組成，例如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（Mobile Ad hoc NETwork，MANET）、全球微波接入互操作性（Worldwide Interoperability for Microwave Access，WiMAX）、無(wú) 線 局 域 網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）等等. 特別是蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)從第一代（1G）演進(jìn)到了演進(jìn)到了第五代（5G）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以支持各種服務(wù). 在標(biāo)準(zhǔn)化上，第三代合作伙伴計(jì)劃（The 3rd Generation Partner Project，3GPP）已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)蜂窩/移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范. 地面網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)橛脩籼峁└邤?shù)據(jù)速率，但是目前對(duì)于農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限.

3.3 物理層-網(wǎng)絡(luò)層-應(yīng)用層

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)從體系結(jié)構(gòu)上可以分為物理層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層. 上層利用相鄰下層的服務(wù)，建立起與通信對(duì)端同一層相同的服務(wù).

物理層是無(wú)線傳輸系統(tǒng)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，是提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砻襟w. 空天地一體化網(wǎng)絡(luò)為實(shí)現(xiàn)星地融合，簡(jiǎn)化終端，實(shí)現(xiàn)星地頻譜部署，需先解決物理層空口融合設(shè)計(jì)問(wèn)題. 針對(duì)大規(guī)模MIMO 技術(shù)在單星條件下增益不明顯且精確時(shí)頻網(wǎng)絡(luò)在多星協(xié)作條件下搭建困難的情況，采用非正交多址方案能夠有效地提升系統(tǒng)頻譜資源利用率，應(yīng)對(duì)功率受限、信道高動(dòng)態(tài)的特性可以采取魯棒的低峰均比載波體制，應(yīng)對(duì)海連高速接入的需求引入多波束實(shí)現(xiàn)有限頻率資源的高效空間復(fù)用和極化復(fù)用.

網(wǎng)絡(luò)層采用空天地一體化的組網(wǎng)原則進(jìn)行設(shè)計(jì)和規(guī)劃，保證系統(tǒng)間路由和數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮?jiǎn)單高效. 其支持兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，層次型協(xié)議體系和非層次型模塊化協(xié)議體系. 主要面向天基環(huán)境，實(shí)現(xiàn)空天地一體化協(xié)同組網(wǎng)，能夠支持IP、CCSDS（The Consultative Committee for Space Data Systems）等不同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空天地不同終端實(shí)時(shí)接入與不同QoS（Quality of Service）的信息傳輸.

應(yīng)用層是體系結(jié)構(gòu)中最高的一層，直接為用戶的通信過(guò)程提供服務(wù). 未來(lái)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中將存在大量多方協(xié)作的場(chǎng)景且多方協(xié)作服務(wù)與資源共享將朝著去中心化、智能化的方向發(fā)展. 其未來(lái)典型的應(yīng)用場(chǎng)景主要涵蓋互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、車聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用以及國(guó)家戰(zhàn)略應(yīng)用，具體包括基于衛(wèi)星的泛在網(wǎng)絡(luò)連接、移動(dòng)多媒體廣播、衛(wèi)星高清視頻，全球范圍內(nèi)全天候萬(wàn)物互聯(lián)，機(jī)載、車載定位終端精準(zhǔn)可靠的位置服務(wù)以及推動(dòng)商業(yè)航天的發(fā)展升級(jí)，服務(wù)區(qū)域安全等.

3.4 有效傳輸域-資源管理域-安全防護(hù)域

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)從功能上可以劃分為有效傳輸域、資源管理域和安全防護(hù)域.

有效傳輸域側(cè)重解決空天地一體化中接入時(shí)延、傳輸信息有效性的問(wèn)題，以滿足未來(lái)通信中泛在連接、海量接入、寬帶傳輸和實(shí)時(shí)傳輸為核心的目標(biāo). 有效傳輸域的技術(shù)核心在于設(shè)計(jì)完善的空口體制和系統(tǒng)組網(wǎng)體制. 其中空口設(shè)計(jì)主要包括了接入信令設(shè)計(jì)、多址設(shè)計(jì)、新載波體制設(shè)計(jì)等，未來(lái)將著重發(fā)展以智能化為核心的新空口體制.

資源管理域是指對(duì)于空天地多個(gè)系統(tǒng)資源的統(tǒng)一調(diào)度與管理，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全局優(yōu)化和資源的利用效率，其主要涵蓋了有限的頻譜資源、衛(wèi)星載荷資源、儲(chǔ)存資源、計(jì)算資源等稀缺資源的分配. 系統(tǒng)運(yùn)維管控是資源管理域的核心工作之一，當(dāng)前天基互聯(lián)網(wǎng)主要采用地面站控制的方式進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維，自主運(yùn)維能力差，因此搭建智能化預(yù)見(jiàn)式運(yùn)維是未來(lái)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的發(fā)展趨勢(shì).

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)集成了各種軍事和民用應(yīng)用系統(tǒng)，包含了開(kāi)放的鏈接，移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑢?duì)于數(shù)據(jù)安全可靠和實(shí)時(shí)要求高，因此安全防護(hù)域顯得尤為重要. 安全防護(hù)域重點(diǎn)工作主要包含IP 協(xié)議安全和鏈路安全等.

4 組網(wǎng)與接入技術(shù)

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)型

空天通信中衛(wèi)星星座一般由位于GEO（地球同步靜止軌道）、MEO（赤道面中軌道）、LEO（低軌道）和VLEO（甚低軌道）的多顆通信衛(wèi)星組成；L、Ku、Ka 以及Q/V 頻段頻譜在衛(wèi)星通信中被廣泛采用. 其中低軌衛(wèi)星由于其軌道低、鏈路損耗小在通信的可達(dá)性和實(shí)時(shí)性角度具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［18］. 對(duì)于地面網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)全球無(wú)死角覆蓋，對(duì)于高軌通信衛(wèi)星，則能夠?qū)崿F(xiàn)極地連接和更小的時(shí)延.

以近幾年涌現(xiàn)的多個(gè)低軌衛(wèi)星通信星座為例，“下一代銥星”（Iridium Next）總共有81顆衛(wèi)星，主要工作星運(yùn)行于高度870 km，傾斜角度86.4°的低軌道，每顆衛(wèi)星與另4 顆相連，從而形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，在衛(wèi)星間路由流量［19］.

“一網(wǎng)”（OneWeb）由高度為1 200 km 的近極地圓形軌道上的720 顆LEO 衛(wèi)星組成，分別分布在18 個(gè)平面上［20］. 衛(wèi)星在穿過(guò)赤道時(shí)，會(huì)采用“漸進(jìn)俯仰”（progressive pitch）的技術(shù)來(lái)逐漸改變自身的信號(hào)發(fā)射方向和強(qiáng)度，從而消除對(duì)地球同步衛(wèi)星的干擾，如圖2.

圖2 OneWeb“漸進(jìn)俯仰”技術(shù)

“電信衛(wèi)星”（Telesat）采用雙低軌混合系統(tǒng)，由極地軌道和傾斜軌道組成. 系統(tǒng)至少由117 顆衛(wèi)星組成，兩個(gè)軌道分別為1 000 km 高度，99.5°的極地軌道以及1 284 km高度，37.4°的傾斜軌道. 雙軌道設(shè)計(jì)的目的主要是為了實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的無(wú)縫覆蓋高速通信服務(wù).

4.2 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）是一種能夠?qū)⒖刂坪娃D(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行分離的技術(shù)，將其應(yīng)用于空天自組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)資源的靈活自動(dòng)配置，滿足空天網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求. 不同接入網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的混合將有助于提高帶寬以及均衡負(fù)載.SDN 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的精確控制，從而在最佳鏈路上無(wú)縫分發(fā)數(shù)據(jù)流. 圖3是利用SDN實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò).

圖3 利用SDN實(shí)現(xiàn)混合網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）則由運(yùn)營(yíng)商聯(lián)盟提出，核心思想是IT 虛擬化，將傳統(tǒng)的通信設(shè)備軟件與通信硬件解耦，從而降低成本，提高效率.

將SDN 和NFV 配合可以在異構(gòu)環(huán)境下對(duì)全網(wǎng)設(shè)備全局管理，從而更為靈活高效的資源分配，并解決傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置管理繁瑣的問(wèn)題.

基于信息中心網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)［21］以內(nèi)容名字命名，并以該名稱進(jìn)行尋址. 其信息獲取采用請(qǐng)求、應(yīng)答方式，由消費(fèi)者發(fā)送興趣包申請(qǐng)數(shù)據(jù)包，進(jìn)入路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包，先緩存到存儲(chǔ)器中，然后按照興趣包進(jìn)入路徑原路返回. 該網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)擁有低延遲、高時(shí)效的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，支持高移動(dòng)性，容遲容斷，多顆粒度網(wǎng)絡(luò)切片，內(nèi)生安全等特點(diǎn)，滿足網(wǎng)絡(luò)一體化、功能服務(wù)化、應(yīng)用定制化的空天通信網(wǎng)絡(luò)需求.

4.3 接入機(jī)制

針對(duì)空天系統(tǒng)中大量終端的海量鏈接需求，對(duì)于多址接入技術(shù)提出了進(jìn)一步的要求. 現(xiàn)有的正交多址方式如頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）、時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）、空分多址（Space Division Multiple Access，SDMA）、碼分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）和正交頻分多址（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA）普遍存在頻譜利用率不高，可劃分的物理資源塊受限的問(wèn)題.

隨機(jī)接入?yún)f(xié)議主要用于減少?zèng)_突和解決沖突，從而更高效利用網(wǎng)絡(luò)資源，保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定.ALOHA（Areal Locations of Hazardous Atmospheres）協(xié)議由于其實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，曾在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中被廣泛使用. 后續(xù)又在ALOHA 基礎(chǔ)上發(fā)展為時(shí)隙ALOHA、CSMA（Carrier Sense Multiple Access）和擴(kuò)展ALOHA 等協(xié)議. 隨機(jī)接入?yún)f(xié)議優(yōu)勢(shì)主要在于可以在同一時(shí)間服務(wù)眾多的終端用戶.

5 物理層技術(shù)

5.1 調(diào)制多址技術(shù)

由于空天地信息通信系統(tǒng)容量擴(kuò)張和空天地網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)增加的需求，使得衛(wèi)星通信信道的頻譜資源越來(lái)越稀缺，這就要求信號(hào)調(diào)制方式具有比較高的頻帶利用率和資源利用率，而調(diào)制和多址技術(shù)都是影響空天地通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素［22～25］.

調(diào)制在通信系統(tǒng)中的重要性不言而喻，調(diào)制是把信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合在信道中傳輸?shù)男问降囊环N過(guò)程. 其中，正交幅度調(diào)制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是一種經(jīng)典且高效的調(diào)制方式［26，27］，它具有頻帶利用率較高、抗噪性能好的優(yōu)勢(shì)，有線數(shù)字視頻廣播（Digital Video Broadcasting-Cable，DVB-C）由于信道信噪比較高、誤碼率較低的特點(diǎn)，就采用了QAM 調(diào)制，并且QAM在高速數(shù)據(jù)傳輸和衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛.

在空天地一體化通信系統(tǒng)中，衛(wèi)星通信信道具有非線性的特點(diǎn)，這會(huì)導(dǎo)致已調(diào)波的外包絡(luò)發(fā)生波動(dòng)，從而進(jìn)一步導(dǎo)致相位失真和頻譜擴(kuò)展［28］. APSK（Amplitude Phase Shift Keying）作為一種PSK 與QAM 相結(jié)合的調(diào)制方式，有較高的頻譜效率［29］，能改善頻譜資源緊張的問(wèn)題，且信號(hào)的幅度值較少、包絡(luò)起伏小，即PAPR（Peak to Average Power Ratio）低，能有效抵抗功率放大器的非線性失真［30，31］. 以16-APSK 為例，如圖4所示.

圖4 16-APSK星座圖（4+12-APSK）

16-APSK的星座圖由兩個(gè)同心圓組成，圓上分布了相等間隔的PSK 星座點(diǎn). 與PSK 調(diào)制相比，APSK 克服了PSK 相位不連續(xù)、有較大帶外功率泄露的缺點(diǎn)；與QAM 相比，APSK 更適合根據(jù)不同信道及業(yè)務(wù)分級(jí)傳輸?shù)膱?chǎng)景［30］.

5.2 波形技術(shù)

在極高頻（Extra High Frequency，EHF）衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中，波形的選擇不僅需要考慮頻譜效率，更重要的是抵抗熱噪聲和相位噪聲的魯棒性［32］. 而傳統(tǒng)的基于奈奎斯特脈沖的波形（如根升余弦脈沖波形）由于易受到非線性失真的影響，不能很好地滿足此類要求［32］.

在空天地一體化通信系統(tǒng)中，波形的PAPR 與頻譜效率相比同樣重要. 典型的低頻移動(dòng)衛(wèi)星通信存在非線性放大和頻率選擇性多徑衰落的問(wèn)題，而多載波恒包絡(luò)（Constant Envelope，CE）波形，如基于FFT 的CEOFDM 和CE-SCFDMA（Constant Envelope Single-Carrier FDMA）能有效抵抗非線性失真、避免功率補(bǔ)償?shù)牟焕绊?，可以作為EHF 寬帶移動(dòng)衛(wèi)星通信的有效波形方案［33，34］. 但在W 頻段，這類波形極易受到相位噪聲的影響，所以建議在相位噪聲較小的頻段內(nèi)（如Q 頻段）使用.

到目前為止，從實(shí)際可實(shí)現(xiàn)程度以及抵抗相位噪聲的角度來(lái)看，較好的候選波形是跳時(shí)超寬帶（Time-Hopping UWB，TH-UWB）［32］，既能有效抵抗功率放大器引入的非線性失真，又能在合適的頻段內(nèi)（如Q 頻段）抵抗相位噪聲. 另外，PSWF-based PSM 波形以及CE 波形也是未來(lái)可研究的方向，需要關(guān)注完善相應(yīng)的信號(hào)處理體系結(jié)構(gòu)，將復(fù)雜度控制在合理的范圍內(nèi)，保證波形的生成［32］.

5.3 可靠編碼技術(shù)

衛(wèi)星通信距離遠(yuǎn)、時(shí)延長(zhǎng)，合理的選用可靠的編碼技術(shù)，可以有效的降低通信系統(tǒng)的誤碼率［35］. 國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）推薦的編碼有卷積碼、RS 碼、LDPC 碼、Turbo 碼等. 卷積碼主要用于對(duì)抗隨機(jī)噪聲引起的誤碼.RS 碼主要用于對(duì)抗突發(fā)噪聲引起的誤碼. LDPC 碼和Turbo 碼編碼增益高，但是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，消耗資源多. 文獻(xiàn)［36］提出了具有循環(huán)冗余校驗(yàn)的RS 碼和LDPC，其中RS 用作內(nèi)碼來(lái)糾突發(fā)噪聲引起的誤碼，LDPC 用作外碼來(lái)糾隨機(jī)噪聲引起的誤碼.

Polor碼是一種線性分組碼，糾錯(cuò)性能強(qiáng)，在理論上被證明可以達(dá)到二元對(duì)稱信道的信道容量. 文獻(xiàn)［37］在可見(jiàn)光通信中，使用固定比特索引的方法限制編碼游程長(zhǎng)度來(lái)設(shè)計(jì)極化碼. 文獻(xiàn)［38］給出了一種低復(fù)雜度的極化碼順序譯碼方法. 文獻(xiàn)［39］在系統(tǒng)復(fù)雜度、地板效應(yīng)、瀑布區(qū)域的限制條件下，設(shè)計(jì)了一種具有迭代譯碼性能的比特交織極化編碼調(diào)制系統(tǒng).

為滿足星間鏈路、星地鏈路不同業(yè)務(wù)需求、不同時(shí)頻資源的條件下，實(shí)現(xiàn)信息高效可靠傳輸. 衛(wèi)星通信鏈路可采用自適應(yīng)調(diào)制編碼技術(shù). 在不同的業(yè)務(wù)類型、不同的信道條件下，使用不同方式、速率的編碼調(diào)制以保證各類業(yè)務(wù)信息高效傳輸.

6 多域資源管理與切換

空天信息通信網(wǎng)絡(luò)中，彼此融合的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了吞吐量的提升以及更為靈活多變的信息傳輸方案［40］. 然而，有限的能量和頻譜資源并不能滿足日益增長(zhǎng)的通信需求，以及其具有的高異構(gòu)性、復(fù)雜多變性和長(zhǎng)短時(shí)滯混合變性等特點(diǎn)，影響了業(yè)務(wù)可靠高效的端到端傳輸［41］. 因此設(shè)計(jì)高效的資源管理方案來(lái)對(duì)三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的通信、計(jì)算、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活管控，實(shí)現(xiàn)多域信息存算通融合變得至關(guān)重要. 同時(shí)，在空天通信網(wǎng)中，用戶終端將不再限定于某一個(gè)層，而可能是立體網(wǎng)絡(luò)中的任一通信節(jié)點(diǎn). 如何設(shè)計(jì)合理的切換策略以避免不必要的無(wú)效切換，保證用戶切換的無(wú)縫連接以維持較高的通信質(zhì)量亦是下一階段的研究重點(diǎn).

6.1 多域資源聯(lián)合管理設(shè)計(jì)

6.1.1 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

通過(guò)采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN，將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行分離，從而通過(guò)集中的控制器中的軟件平臺(tái)去實(shí)現(xiàn)可編程化控制底層硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源靈活的按需調(diào)配.

在文獻(xiàn)［42］中作者提出了一種支持無(wú)縫連接，高速數(shù)據(jù)車載服務(wù)的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu). 回顧了空天地網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的動(dòng)機(jī)和挑戰(zhàn). 而文獻(xiàn)［43］提出了采用BalanceFlow 分布式控制器以解決負(fù)載不均的問(wèn)題. 同時(shí)提出一種基于可靠性感知的控制器部署策略和控制流保護(hù)技術(shù).

6.1.2 干擾管理與資源共享

在空天信息通信網(wǎng)絡(luò)中，天基骨干網(wǎng)，天基接入網(wǎng)以及地面網(wǎng)絡(luò)在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)共享通信，計(jì)算，存儲(chǔ)資源. 如何設(shè)計(jì)合理的資源分配方案，既保留自身網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，同時(shí)兼顧其他網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性. 通過(guò)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)中通信，計(jì)算，存儲(chǔ)資源進(jìn)行統(tǒng)一分配，將存算一體技術(shù)與空天通信網(wǎng)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)省帶寬，減少能量損耗. 是下一階段空天網(wǎng)絡(luò)的研究熱點(diǎn).

由于空天通信網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)分布廣、類型多，高中低軌衛(wèi)星、高空平臺(tái)、無(wú)人機(jī)以及終端之間的干擾管理問(wèn)題受到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注. 文獻(xiàn)［44］針對(duì)數(shù)目眾多的非靜止軌道衛(wèi)星的軌道特性，提出了全球場(chǎng)景下的非靜止軌道衛(wèi)星的全星座干擾分析方案，并給出了全球范圍內(nèi)的衛(wèi)星干擾狀態(tài)及可用比例的概率分布，為非靜止軌道星座的干擾情況提供了理論依據(jù).

通信資源管理可大致分為基于資源預(yù)留的信道資源管理策略、基于預(yù)測(cè)模型的信道資源管理策略，以及基于博弈論的信道資源管理策略［41］. 有學(xué)者利用衛(wèi)星移動(dòng)軌跡的可預(yù)測(cè)性，結(jié)合用戶的移動(dòng)速率和時(shí)延等QoS需求，研究了基于信道預(yù)測(cè)的下行動(dòng)態(tài)資源優(yōu)化方案. 解決了波束間切換的聯(lián)合資源分配問(wèn)題［45，46］. 對(duì)部署多個(gè)高空平臺(tái)（HAP）的空天通信網(wǎng)絡(luò)，有學(xué)者研究在這些分布在不同的星座中，共享相同的頻帶并服務(wù)于相同的覆蓋區(qū)域的高空平臺(tái)的信道資源分配問(wèn)題［47］. 以及基于OFDMA 的高空平臺(tái)（HAP）中用于多播的無(wú)線資源分配方案［48］.

6.2 空天通信網(wǎng)跨層切換及層間切換

在空天信息通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，移動(dòng)終端的切換問(wèn)題面臨新的挑戰(zhàn). 與單層網(wǎng)絡(luò)的用戶切換問(wèn)題相比，在空天地三層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中用戶（User Equipment，UE）的行動(dòng)軌跡很難預(yù)測(cè)，尤其是當(dāng)UE 無(wú)法在地面網(wǎng)絡(luò)上中繼時(shí). 因此需要保證終端可以通過(guò)透明的切換連接到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或者天基網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中. 基于此，有學(xué)者提出來(lái)兩種切換過(guò)程，即S1 和X2 切換. 當(dāng)UE 在衛(wèi)星小區(qū)之間或在衛(wèi)星小區(qū)與地面eNB 之間移動(dòng)時(shí)，發(fā)生S1切換（跨層切換），而當(dāng)UE在地面eNB之間移動(dòng)時(shí)，需要進(jìn)行X2切換（層間切換）. 相對(duì)于衛(wèi)星或地面系統(tǒng)的單個(gè)網(wǎng)段，綜合網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理更為復(fù)雜，因?yàn)樗仨毧紤]來(lái)自所有集成網(wǎng)段的移動(dòng)節(jié)點(diǎn).

7 技術(shù)發(fā)展挑戰(zhàn)與趨勢(shì)

本文綜述了空天通信網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù). 相比于地面通信網(wǎng)絡(luò)，空天通信網(wǎng)絡(luò)不受地形的限制，可實(shí)現(xiàn)全維立體全覆蓋，將成為滿足海量異構(gòu)用戶泛在連接需求的關(guān)鍵使能技術(shù). 但空天通信網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性，業(yè)務(wù)種類的多樣性給跨層系統(tǒng)資源優(yōu)化設(shè)計(jì)、子網(wǎng)間的融合、節(jié)點(diǎn)的高效安全可靠運(yùn)行等方面提出了挑戰(zhàn). 本文首先給出了一種空天通信網(wǎng)絡(luò)的整體架構(gòu)，隨后從組網(wǎng)與接入、物理層、資源管理與切換以及網(wǎng)絡(luò)安全等角度出發(fā)分別總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)給出了空天通信網(wǎng)絡(luò)賦能未來(lái)智慧社會(huì)業(yè)務(wù)的多元化應(yīng)用場(chǎng)景.

面向未來(lái)泛在智慧連接需求，需要有針對(duì)性的技術(shù)演進(jìn)，包括以下幾個(gè)方向.

（1）網(wǎng)絡(luò)智慧柔性化：空天通信網(wǎng)絡(luò)需要智能化、柔性化的自主重構(gòu)技術(shù)，通過(guò)將柔性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和空天通信網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合. 從軟硬解耦、頻譜共享、人工智能優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)突破，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源優(yōu)化分配方案.

（2）通導(dǎo)感算一體化：空天通信網(wǎng)絡(luò)是遙感、傳輸、控制等空天領(lǐng)域關(guān)鍵業(yè)務(wù)的承載載體，需要研究結(jié)合人工智能，存算一體，軟件定義網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)三維融合網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的高速傳輸與轉(zhuǎn)發(fā).

（3）無(wú)線空口智能化：人工智能和深度學(xué)習(xí)技術(shù)已經(jīng)成為無(wú)線通信技術(shù)演進(jìn)的設(shè)計(jì)新范式. 未來(lái)空天通信網(wǎng)絡(luò)需要研究人工智能增強(qiáng)的空中接口技術(shù)，通過(guò)智能可演進(jìn)實(shí)現(xiàn)環(huán)境適配，迫近通信性能極限.

（4）傳輸安全可信化：出于空天通信網(wǎng)絡(luò)的特殊架構(gòu)，其存在一定程度的脆弱性，為了保證信息傳輸?shù)陌踩院涂煽啃? 需要研究基于擴(kuò)頻傳輸，自適應(yīng)波束形成，抗干擾陣列天線設(shè)計(jì)等抗干擾抗截獲技術(shù).