6G技術(shù)中的空中接入網(wǎng)：進展與展望

楊睿哲, 何若蘭, 孫恩昌, 張 卉, 張延華

(1.北京工業(yè)大學(xué)信息學(xué)部， 北京 100124； 2.北京工業(yè)大學(xué)先進信息網(wǎng)絡(luò)北京實驗室， 北京 100124)

隨著第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)(5th generation mobile networks，5G)技術(shù)開始商用，用戶數(shù)量和需求不斷增長，各種新興技術(shù)快速發(fā)展，研究人員已經(jīng)開始進行第六代移動通信網(wǎng)絡(luò)(6th generation mobile networks，6G)技術(shù)的相關(guān)研究. 芬蘭牽頭舉辦了6G無線峰會，會中提出了“偏遠地區(qū)連接”的技術(shù)專題，指出由于農(nóng)村和偏遠地區(qū)缺乏適當?shù)倪B接，導(dǎo)致出現(xiàn)了巨大的數(shù)字鴻溝，降低了投資和運營網(wǎng)絡(luò)的價值[1]. 面向用戶及各行業(yè)對于社會信息化和網(wǎng)絡(luò)智能化的需求，需要不斷提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與連接密度，從而減少地區(qū)之間因為缺乏網(wǎng)絡(luò)連接而造成的差距. 6G是無處不在的無線智能網(wǎng)絡(luò)[2]，具有立體覆蓋[3]、泛在連接[4]的特點，而僅依靠地面網(wǎng)絡(luò)難以實現(xiàn)這些特點并滿足用戶要求，因此，非地面網(wǎng)絡(luò)引起了業(yè)界的廣泛關(guān)注與研究. 非地面網(wǎng)絡(luò)使用機載或星載工具作為傳輸?shù)闹欣^節(jié)點或基站，能夠促進未來網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的推出，確保任何地方的服務(wù)可用性[5]，是未來6G中的重要組成部分.

空中接入網(wǎng)絡(luò)(aerial access network, AAN)是由高、中、低緯度衛(wèi)星或高、低空飛行器平臺組成的綜合網(wǎng)絡(luò)，具有覆蓋范圍廣、抗毀性強、視距傳播概率高[6]、可擴展性好、可提供全時空的連接與服務(wù)的優(yōu)勢，能夠緩解地面網(wǎng)絡(luò)日益增長的流量負載壓力，支持6G時代的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建. 衛(wèi)星通信與高空平臺(high altitude platform station, HAPS)相比較，衛(wèi)星通信的覆蓋范圍更廣、運行時間更長，卻存在著運行維護成本高、傳輸時延大的不足；HAPS具有成本低、時延短、部署靈活、易于回收的優(yōu)勢，但是容易受到系統(tǒng)容量和能量的限制. 因此，衛(wèi)星通信與HAPS通信相結(jié)合，可揚長避短，提供容量更大、穩(wěn)定性更好、經(jīng)濟性更強的空中接入鏈路. 同時，二者深度融合地面網(wǎng)絡(luò)，可以顯著提高用戶空口接入能力[7]和網(wǎng)絡(luò)立體覆蓋能力，并為用戶提供全球全域的接入服務(wù)，以實現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋與連接擴展到太空、天空、陸地等自然空間的目標.

當前針對AAN的研究，可分為衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)、空中- 地面網(wǎng)絡(luò)、空天地一體化網(wǎng)絡(luò)3個方向. 對于衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)的研究，主要包括接入方案和傳輸性能的優(yōu)化. 文獻[8]提出一種綜合的衛(wèi)星- 地面自回程方案，為地面用戶提供高質(zhì)量的衛(wèi)星接入鏈路. 文獻[9]研究了衛(wèi)星- 地面協(xié)同傳輸?shù)木C合方案，在業(yè)務(wù)量分流和能量效率上有顯著提升. 對于空中- 地面網(wǎng)絡(luò)的研究，主要是利用空中平臺提高系統(tǒng)通信性能. 文獻[10]構(gòu)建了HAPS- 無人機(unmanned aerial vehicle, UAV)綜合網(wǎng)絡(luò)，采用基于非正交多址技術(shù)的傳輸方案，并提出一種功率管理方案以改善信號失真問題. 最后，對于空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，研究的重點集中在3層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通和協(xié)同配合. 文獻[11]提出了一種以高速、低成本機載網(wǎng)絡(luò)為核心的綜合空間- 地面體系架構(gòu)，空中機載平臺作為骨干節(jié)點連接地面和衛(wèi)星. 文獻[12]提出一種HAPS預(yù)留的空天地傳輸方案，利用HAPS來補充衛(wèi)星- 地面?zhèn)鬏旀溌?，加強地面通信并?jié)省傳輸功率. 本文基于AAN對未來網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的重要影響，分析了衛(wèi)星通信技術(shù)和HAPS技術(shù)的優(yōu)勢和不足，探討了6G下衛(wèi)星通信和HAPS兩種空中接入技術(shù)的研究進展，并對衛(wèi)星接入方案和性能優(yōu)化、HAPS與衛(wèi)星和地面之間的互聯(lián)互通、空天地一體化架構(gòu)的研究進行了綜述、總結(jié)和歸納，最后，對衛(wèi)星通信和HAPS的未來發(fā)展方向進行了展望.

1 6G愿景及性能指標

6G技術(shù)的愿景是“萬物智聯(lián)”[13]，即要在全球范圍內(nèi)建立起無處不在的網(wǎng)絡(luò)連接，使任何人、機器、平臺達到全息交互、人機協(xié)作的程度. 同時，未來人類的活動范圍將從地面擴展到天空甚至太空區(qū)域，未來網(wǎng)絡(luò)需要應(yīng)人類需求擴展為空天地一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu). 為了滿足新場景和新業(yè)務(wù)的更高要求，6G技術(shù)需要在系統(tǒng)容量、傳輸速率、覆蓋范圍、連接密度等性能上進行提升.

表1給出了6G與5G的性能指標，與5G技術(shù)相比，6G技術(shù)各方面性能都有不同程度的提高. 在數(shù)據(jù)傳輸方面，峰值數(shù)據(jù)速率提高了50倍以上，時延降低了90%～99%，吞吐量提高了約1 000倍；在網(wǎng)絡(luò)的覆蓋方面，6G的覆蓋率提高到99%以上，連接密度提高了9～99倍. 基于6G性能的大幅提升，地面固定基礎(chǔ)設(shè)施已無法滿足用戶需求，為此可在5G技術(shù)的基礎(chǔ)上引入AAN技術(shù). 一方面，AAN的多層結(jié)構(gòu)給用戶提供另外的接入方式，為地面提供大容量的回程鏈路，提高視距傳播概率，能夠緩解流量擁塞，有效提升6G的速率、時延等性能；另一方面，利用AAN提供的空中接入鏈路，能夠助力偏遠地區(qū)通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，增加用戶密集區(qū)域的接入節(jié)點，同時增強信號的移動覆蓋，顯著提升6G覆蓋率、連接密度、移動性等性能. AAN的獨特優(yōu)勢促進6G技術(shù)相關(guān)性能指標的增長，推動6G逐步發(fā)展為無處不在的智能信息網(wǎng)絡(luò)，能夠支持智能醫(yī)療[16]、增強現(xiàn)實[17]等高要求應(yīng)用，是6G時代不可或缺的技術(shù)之一.

表1 5G和6G技術(shù)的主要性能指標對比[14-15]

2 6G空中接入網(wǎng)

地面網(wǎng)絡(luò)通過集成AAN技術(shù)能夠為空天地3層網(wǎng)絡(luò)提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù). 本節(jié)主要介紹AAN中衛(wèi)星通信、HAPS兩種代表性技術(shù)，分析二者的優(yōu)勢、研究進展以及存在的問題，探討二者在實現(xiàn)立體化全覆蓋6G的過程中起到的作用.

2.1 衛(wèi)星通信

6G集衛(wèi)星通信系統(tǒng)、空中平臺和地面無線通信于一體，能夠支持多樣化的業(yè)務(wù)場景，提供差異化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù). 衛(wèi)星通信系統(tǒng)位于幾百甚至上萬km的太空軌道上，以衛(wèi)星作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)信號，可在多個地面站點以及用戶之間進行通信. 一般來說，衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋范圍廣、抗毀性強、廣播能力好，可提供定位、廣播、傳真等服務(wù)，如Orbcomm系統(tǒng)、Globalstar系統(tǒng)等[18]. 近年來，低地球軌道(low earth orbit, LEO)衛(wèi)星的部署數(shù)量呈爆發(fā)式增長，通信衛(wèi)星領(lǐng)域呈現(xiàn)出低軌化分布特征. 新興的LEO衛(wèi)星系統(tǒng)有“OneWeb”星座[19]、“Kuiper”星座[20]、“Startlink”星座[21]、“虹云”星座[22]等，它們由幾百甚至上萬顆衛(wèi)星組成，可提供移動數(shù)據(jù)服務(wù)和寬帶多媒體服務(wù).

2.1.1 衛(wèi)星通信研究現(xiàn)狀

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的發(fā)展對6G大容量、廣覆蓋、高速率的要求創(chuàng)造了新的契機. 首先，由大量衛(wèi)星組成的星座可以更為全面地覆蓋空天地多層空間，幫助實現(xiàn)6G全球全域無線覆蓋的目標；其次，應(yīng)用衛(wèi)星系統(tǒng)可以為用戶提供接入服務(wù)，使用戶不再完全依賴于地面基站，以減輕地面網(wǎng)絡(luò)因用戶日益增長的流量需求而導(dǎo)致的負載壓力；最后，衛(wèi)星通信集成地面無線通信網(wǎng)絡(luò)，可以為地面基站、空中平臺等接入節(jié)點提供高速多播回傳服務(wù)，以及為飛機、車輛等移動性工具提供直接或補充的連接服務(wù). 衛(wèi)星通信能夠提供更廣的接入范圍和更多的接入節(jié)點，使6G技術(shù)在吞吐量、通信容量等性能上有所提升. 此外，6G時代的通信頻段將在5G技術(shù)的基礎(chǔ)上進一步擴大到太赫茲頻段[23]，該頻段具有超高速傳輸[24]、低時延、在太空中不會產(chǎn)生傳輸損耗[25]的特點. 6G網(wǎng)絡(luò)下的衛(wèi)星通信技術(shù)，具有更高的傳輸速率和更低的傳輸損耗、傳播時延，與地面網(wǎng)絡(luò)、HAPS技術(shù)相集成，能夠推進6G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，有助于實現(xiàn)6G網(wǎng)絡(luò)“泛在連接”“全面覆蓋”的目標. 為了實現(xiàn)這一目標，航天業(yè)已經(jīng)在發(fā)展輔助衛(wèi)星通信改善地面網(wǎng)絡(luò)局限性的新技術(shù)，在體系結(jié)構(gòu)、頻譜以及天線設(shè)計方面都有較好的進展[26]. 此外，移動邊緣計算(mobile edge computing, MEC)等新興技術(shù)也推動了衛(wèi)星- 地面融合網(wǎng)絡(luò)的進展，MEC技術(shù)和人工智能(artificial intelligence, AI)算法的結(jié)合可以實現(xiàn)一種雙邊智能衛(wèi)星- 地面融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[27]. 衛(wèi)星- 地面集成技術(shù)的發(fā)展，為地面、空中用戶提供了額外的接入方式，能夠?qū)崿F(xiàn)更好的傳輸效果.

近年來，針對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究與部署已經(jīng)有了諸多進展. 在國外，美國SpaceX公司在2020年成功部署833顆“Startlink”衛(wèi)星[28]，網(wǎng)速可達50～150 Mbit/s；英國OneWeb公司成功部署104顆“OneWeb”星座衛(wèi)星[29]，其單星容量達到8 Gbit/s；俄羅斯國家航天集團公司開始建設(shè)“Sphere”星座，可提供寬帶通信、機器對機器通信、偵察、導(dǎo)航等多種功能[30]；美國特超巨星公司推出“超智能航天器增強”衛(wèi)星任務(wù)管理系統(tǒng)，旨在利用AI技術(shù)和云計算技術(shù)降低衛(wèi)星任務(wù)管理成本，支持人為遠程任務(wù)操控. 在國內(nèi)，2020年1月成功發(fā)射銀河航天首發(fā)星，可通過衛(wèi)星終端為用戶提供寬帶通信服務(wù)；同年7月初，亞太6D通信衛(wèi)星成功發(fā)射，通信容量達50 Gbit/s，可滿足海事通信、機載通信、車載通信、固定寬帶接入等多種應(yīng)用需求[31]；7月底，北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通，可提供導(dǎo)航定位和短報文通信[32]等服務(wù). 從國內(nèi)外的研究進展可以看出，現(xiàn)階段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的研究和應(yīng)用集中在通信、地面數(shù)據(jù)監(jiān)測、導(dǎo)航等方面，并且衛(wèi)星系統(tǒng)智能化是未來的重要發(fā)展趨勢. 在通信領(lǐng)域，研究人員針對衛(wèi)星與地面之間的接入網(wǎng)絡(luò)，主要從提升衛(wèi)星系統(tǒng)性能、增加鏈路傳輸可靠性以及減輕地面網(wǎng)絡(luò)流量負載等方面進行了研究.

2.1.2 衛(wèi)星通信接入方案

將地面網(wǎng)絡(luò)中的部分任務(wù)接入到衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中進行數(shù)據(jù)分流，是緩解地面網(wǎng)絡(luò)流量負載的有效方法，目前已有諸多研究成果. 文獻[33-35]從業(yè)務(wù)定價、業(yè)務(wù)類型和回程容量3個方面探討了不同的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入方案. 文獻[33]在基于超密集LEO衛(wèi)星的衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)場景中，從運營商的角度考慮了將部分地面網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)卸載到LEO衛(wèi)星上進行衛(wèi)星回程網(wǎng)絡(luò)接入的方案. 此方案采用Stackelberg博弈方法，依據(jù)運營商的成本和資費設(shè)計分流和定價機制，通過激勵衛(wèi)星運營商和地面運營商協(xié)作實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流. 除了運營商的收益，基于6G“以應(yīng)用服務(wù)為中心”[36]的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需求，還需要考慮接入方案對用戶業(yè)務(wù)的影響. 文獻[34]提出一種基于業(yè)務(wù)類型的接入方案，從時延敏感性入手，將超可靠低延遲通信(ultra-reliable low latency communication, URLLC)業(yè)務(wù)卸載到地面回程以提升傳輸時延性能，而將增強型移動帶寬(enhanced mobile broadband, eMBB)業(yè)務(wù)分流到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中滿足其對傳輸帶寬的要求. 對運營商成本、資費以及用戶業(yè)務(wù)需求的關(guān)注，能夠促使運營商和用戶以積極的態(tài)度面對衛(wèi)星接入工作，推動衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用，同時，提升系統(tǒng)的吞吐量、傳輸速率、時延等性能. 上述方案將衛(wèi)星系統(tǒng)的回程容量視為定量，實際上受到系統(tǒng)資源分配的影響，衛(wèi)星的回程容量會發(fā)生動態(tài)變化，對系統(tǒng)的時延、頻譜效率等性能產(chǎn)生不利影響. 文獻[35]采用基于功率控制和梯度剪枝的交換匹配算法，優(yōu)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的總回程容量以及總和速率，最大化系統(tǒng)效率，并實現(xiàn)了最優(yōu)的業(yè)務(wù)分配方案.

與傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合能夠為用戶提供更加快速、高效的服務(wù). 然而，衛(wèi)星與地面距離較遠，衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)射功率有限且路徑損耗較大，為此，文獻[37-38]在衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)中加入HAPS作為中繼來增加地面和衛(wèi)星之間傳輸鏈路的可靠性. 文獻[37]研究了空天地3層網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路傳輸，以HAPS作為空中基站，利用射頻(radio frequency, RF)、空分多址(space division multiple access, SDMA)以及自由空間光學(xué)(free-space optical, FSO)通信技術(shù)，最大化了系統(tǒng)的遍歷總和速率. 該方案的研究是基于地面基站仍然可以提供網(wǎng)絡(luò)連接的情況，而AAN適用的重要場景之一就是地面網(wǎng)絡(luò)失效的災(zāi)害環(huán)境. 文獻[38]探究了災(zāi)害環(huán)境下的星空一體化網(wǎng)絡(luò)中的地面人員和空中救援人員2層用戶的關(guān)聯(lián)和卸載決策問題. 該方案捕捉地空2層用戶、HAPS以及LEO衛(wèi)星三者之間的三維映射關(guān)系，采用基于局部搜索的三維超圖匹配算法，實現(xiàn)3層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，滿足災(zāi)害場景下的通信需求，最大化系統(tǒng)的總和速率.

盡管衛(wèi)星接入方法能夠有效緩解地面網(wǎng)絡(luò)面臨的壓力，但是衛(wèi)星通信系統(tǒng)是典型的資源受限系統(tǒng)，隨著業(yè)務(wù)量的不斷增多，衛(wèi)星系統(tǒng)中的部分節(jié)點將不可避免地遭遇數(shù)據(jù)擁塞、碰撞、沖突的問題，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)損壞和丟失，影響接入鏈路的吞吐量和傳輸可靠性. 針對該問題，研究人員對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的隨機接入方案進行了研究. 文獻[39]采用基于隨機預(yù)編碼的隨機接入技術(shù)，在發(fā)射端對子幀中的分組進行預(yù)編碼，并在接收端采用基于最小均方誤差的連續(xù)干擾消除(successive interference cancellation, SIC)檢測算法對子幀中的重疊分組進行解碼，與傳統(tǒng)方法相比，具有更高的吞吐量性能. 該方案降低了數(shù)據(jù)傳輸過程中的碰撞概率，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，但是僅用沖突概率來表現(xiàn)接入方案的應(yīng)用效果，并沒有明確的參數(shù)指標評估方案的傳輸可靠性. 文獻[40]利用分組丟失率、可行通信參數(shù)和系統(tǒng)故障率量化網(wǎng)絡(luò)可靠性. 該方案將軟件無線電(software-defined radio, SDR)技術(shù)和增強型沖突解決ALOHA(enhanced contention resolution ALOHA，ECRA)協(xié)議相結(jié)合，利用SDR技術(shù)提升衛(wèi)星平臺的信號處理和路由能力，增強了網(wǎng)絡(luò)靈活性和適應(yīng)性，提高了衛(wèi)星上行鏈路的分組沖突方面的可靠性，并降低了系統(tǒng)功耗. 在未來網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量不斷增長的情況下，隨機接入方案往往會受到訪問規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的限制，影響組網(wǎng)性能，因此，文獻[41]針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在大規(guī)模并發(fā)訪問測距的情況，提出一種多目標抗碰撞算法，聯(lián)合優(yōu)化測距信道數(shù)、測距時間和沖突概率，根據(jù)組網(wǎng)需求匹配信道和節(jié)點數(shù)量，能夠提高訪問過程中的時延性能，降低碰撞概率. 綜上，衛(wèi)星接入過程中數(shù)據(jù)碰撞問題的優(yōu)化可以從以下2個方面考慮. 一是提高收發(fā)端對數(shù)據(jù)的處理能力，例如：利用編碼技術(shù)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；結(jié)合SIC技術(shù)等消除數(shù)據(jù)傳輸過程中受到的干擾；引入SDR技術(shù)等提高衛(wèi)星平臺的信號處理能力，從而提高傳輸可靠性. 二是優(yōu)化傳輸過程，使信道中的節(jié)點組數(shù)量達到較好的匹配狀態(tài)，提高傳輸效率，降低沖突概率.

本文對衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究進行了總結(jié)，如表2所示. 衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)之間的互通對于緩解有限的地面容量帶來的預(yù)期高負荷至關(guān)重要，并且能夠在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)的傳輸速率、時延、吞吐量等性能. 運營商資費、業(yè)務(wù)類型、衛(wèi)星回程容量等是影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入方案的重要因素. 同時，數(shù)據(jù)的沖突、碰撞問題是衛(wèi)星接入過程中不可忽視的影響因素，解決此問題一般從系統(tǒng)的收發(fā)端入手，在發(fā)射端利用數(shù)據(jù)分組、功率分集傳輸?shù)姆椒?，在接收端用SIC技術(shù)對分組解碼，消除接收過程中受到的干擾，增強衛(wèi)星系統(tǒng)的傳輸可靠性，同時，結(jié)合隨機預(yù)編碼、SDR等技術(shù)來提升系統(tǒng)的吞吐量性能并降低系統(tǒng)能耗. 基于此，未來接入方案的設(shè)計可以考慮以用戶的業(yè)務(wù)需求為前提，針對不同的通信場景對成本、資費、容量、速率、可靠性等因素進行折中，以達到用戶和運營商雙方需求的平衡. 在推進一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展的過程中，通過部署HAPS、UAV等空中平臺作為中繼，可以提高通信質(zhì)量并保證鏈路可靠性. 同時，在網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量不斷增加的情況下，需要消除接入數(shù)據(jù)的碰撞對系統(tǒng)性能的影響. 除了上述提高信號處理能力以及優(yōu)化信道與節(jié)點匹配的方法，還可以結(jié)合相控陣列天線等技術(shù)，它們能夠靈活控制天線波束的指向和形狀，同時，對數(shù)據(jù)傳輸路徑和時間進行規(guī)劃安排，實現(xiàn)快速有序的數(shù)據(jù)傳輸，減少數(shù)據(jù)間的沖突，再利用SIC技術(shù)和SDR技術(shù)降低衛(wèi)星接入過程中的數(shù)據(jù)碰撞概率. 此外，在未來一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，還需要考慮網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性和動態(tài)性.

表2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的接入方案

2.1.3 衛(wèi)星通信與MIMO技術(shù)

隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展與應(yīng)用，用戶對于衛(wèi)星接入業(yè)務(wù)的多樣性和系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量(quality of service, QoS)提出了更高的要求. 除了系統(tǒng)的容錯率和可靠性，還需要進一步提高傳輸速率、通信質(zhì)量等性能. 為此，多輸入多輸出(multiple input multiple output, MIMO)等技術(shù)被提出用于衛(wèi)星接入系統(tǒng)中. MIMO技術(shù)在收發(fā)兩端之間建立多個并行的空間傳輸信道，具有空間復(fù)用、空間分集和波束賦形的特性，可以提高傳輸速率[42]、系統(tǒng)容量[43]，保證傳輸可靠性[44]以及提升通信質(zhì)量. 最初MIMO技術(shù)的分集增益被用于降低雨衰現(xiàn)象對衛(wèi)星系統(tǒng)性能的影響[45]，隨著MIMO技術(shù)的不斷發(fā)展，其在衛(wèi)星通信中也起到了更多的作用. 文獻[46]研究了一種基于LEO衛(wèi)星的MIMO傳輸方法，將控制信號和數(shù)據(jù)信號分配到不同的信道，從而抵消多普勒頻移的影響. 此方案顯著提升了系統(tǒng)下行鏈路容量，但是沒有關(guān)注衛(wèi)星系統(tǒng)與用戶之間的接入情況. 文獻[47]在衛(wèi)星下行鏈路中利用具有多個波束的MIMO來同時服務(wù)同一頻率信道中的不同用戶，并對發(fā)射信號進行預(yù)編碼，以緩解多用戶下行鏈路中波束間的干擾. 該方案解決了衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)上下行鏈路的帶寬限制，提升了系統(tǒng)的吞吐量. 上述2種方法研究了衛(wèi)星下行鏈路中不同類型數(shù)據(jù)流的空間復(fù)用，而文獻[48]從用戶的業(yè)務(wù)需求考慮，提出了基于空間角度的用戶分組算法. 該方案將大規(guī)模MIMO(massive MIMO, M-MIMO)技術(shù)應(yīng)用于全頻率復(fù)用的LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，根據(jù)業(yè)務(wù)需求對接入的用戶端分組，每組用戶使用相同的時間和頻率資源，顯著提高了LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率. 除了上述空間復(fù)用特性的運用，文獻[49]在衛(wèi)星和關(guān)口站鏈路的切換算法中應(yīng)用了MIMO技術(shù)的分集增益特性，在衛(wèi)星和關(guān)口站之間形成多對多的關(guān)系，提高了系統(tǒng)的通信質(zhì)量. MIMO技術(shù)的應(yīng)用在提升衛(wèi)星系統(tǒng)容量、吞吐量等性能的同時，系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本也隨之提高. 針對這一問題，文獻[50]結(jié)合多波束(multi-beam, MB)技術(shù)以簡化M-MIMO在系統(tǒng)和衛(wèi)星有效載荷級別的實現(xiàn)，同時，提出了基于混合整數(shù)二次規(guī)劃的無線資源管理方法以實現(xiàn)更高的寬帶衛(wèi)星吞吐量. 該方案在有效載荷中采用基于多級多維快速傅里葉變換的多級固定波束形成矩陣，通過有效的多級網(wǎng)絡(luò)以及“分治”范式，將大問題劃分為一組更容易解決的小問題，能夠進一步降低系統(tǒng)載荷的復(fù)雜度.

本文對衛(wèi)星與MIMO的相關(guān)研究進行了總結(jié)，如表3所示. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)結(jié)合MIMO技術(shù)能夠緩解衛(wèi)星- 地面鏈路之間的信道衰落影響，提升衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)的容量、吞吐量、傳輸速率等性能. 在此基礎(chǔ)上，未來在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中MIMO技術(shù)與衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)合可以進一步優(yōu)化用戶的調(diào)度方案，提高用戶接入鏈路的性能，最大化用戶接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的效益. 若進一步擴大MIMO技術(shù)的應(yīng)用，未來還需要繼續(xù)優(yōu)化MIMO技術(shù)的復(fù)雜度，提升MIMO技術(shù)與衛(wèi)星通信結(jié)合的可行性.

表3 MIMO技術(shù)應(yīng)用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2.2 HAPS通信

地面通信系統(tǒng)雖然建設(shè)完善，技術(shù)成熟，但是在面臨自然災(zāi)害等不可抗力因素導(dǎo)致基站損毀的情況時，無法保證通信服務(wù)且在環(huán)境惡劣地區(qū)難以部署基站，限制了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍. 衛(wèi)星通信系統(tǒng)擁有廣泛的覆蓋范圍和較強的抗毀性，但是距離地面較遠，存在通信時延大[51]、實施成本高的不足. 空中基站位于地面和衛(wèi)星之間，具有很多突出特點，因而受到了研究人員的廣泛關(guān)注.

2.2.1 HAPS研究進展

HAPS通信系統(tǒng)位于距地面20～50 km的平流層中，通常以飛艇、飛行器作為空中基站，可以為用戶提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù). 現(xiàn)有的HAPS通信系統(tǒng)的相關(guān)項目主要用于提高偏遠農(nóng)村地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、應(yīng)急通信等方面. Google公司X實驗室推出了Project Loon計劃[52]，利用發(fā)射在平流層的氦氣球向偏遠地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)連接，希望實現(xiàn)全球互聯(lián)互通. Facebook公司開發(fā)的Aquila無人機[53]項目，計劃使用激光和無線電連接形成高速通信網(wǎng)絡(luò)，在高空提供用戶能搜尋到的網(wǎng)絡(luò)信號并為偏遠地區(qū)提供網(wǎng)絡(luò)連接. 中國移動開展高空應(yīng)急基站的研究工作[54]，通過氦氣艇搭載小型通信設(shè)備，規(guī)避了地形起伏的遮擋，實現(xiàn)了遠距離的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時可解決災(zāi)區(qū)語音通信問題. HAPSMobile公司提出的Sunglider項目[55]，于2020年完成了多次試飛測試，并成功與地面智能手機進行了視頻通信，推動了HAPS技術(shù)的發(fā)展.

隨著HAPS技術(shù)的逐步發(fā)展，研究人員對HAPS的研究應(yīng)用不再局限于提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，開始關(guān)注HAPS與其他網(wǎng)絡(luò)層次的聯(lián)合. 近年來，HAPS的研究主要集中在與地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的接入、地空傳播模型[56-57]、能源續(xù)航[58-59]等方面. 在6G空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，HAPS作為接入基站能夠增加用戶可接入節(jié)點，彌補衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)在時延、可靠性、成本等方面的不足，并進一步提高網(wǎng)絡(luò)的性能. 下面探討HAPS接入網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究，包括HAPS與地面和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的接入方案、對系統(tǒng)性能的優(yōu)化以及HAPS在接入過程中的切換策略.

2.2.2 HAPS接入網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為了應(yīng)對大規(guī)模突發(fā)事件以及自然災(zāi)害等應(yīng)急通信場景，文獻[60]提出了一種混合的空天地網(wǎng)絡(luò). HAPS以網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)互相連接以實現(xiàn)更大的區(qū)域覆蓋，衛(wèi)星在地面節(jié)點和HAPS之間建立遠程中繼連接，將覆蓋網(wǎng)絡(luò)接入骨干交換網(wǎng)絡(luò). 這一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有效緩解了衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)的巨額成本壓力并提高了通信系統(tǒng)的可靠性. 除了在應(yīng)急通信中的應(yīng)用，HAPS還能滿足高移動通信的需求，文獻[61-62]探究了車載網(wǎng)絡(luò)在HAPS中接入的場景. 文獻[61]提出了一種空地一體化車輛網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，HAPS以廣播的方式推送信息，同時結(jié)合車載緩存技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)切片方法實現(xiàn)訪問性能的優(yōu)化和資源管理. 該方案減輕了地面交通的網(wǎng)絡(luò)負載，降低了車輛網(wǎng)絡(luò)延遲并提高了內(nèi)容訪問率. 在HAPS接入車載網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，文獻[62]進一步結(jié)合軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network, SDN)實現(xiàn)流量的靈活控制，為網(wǎng)絡(luò)擁塞情況下的車輛提供可靠的連接. 該方案減輕了地面網(wǎng)絡(luò)的負擔，并且利用SDN和AI算法優(yōu)化系統(tǒng)在各個場景下的資源分配方案，提高了系統(tǒng)吞吐量，增強了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性. 在上述車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，HAPS為車輛提供了新的網(wǎng)絡(luò)接入方式，減輕了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的負載壓力，有助于實現(xiàn)交通信息的實時感知和智能決策.

此外，HAPS還可以作為空中基站接入衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)中，提供通信服務(wù). 文獻[63]提出了一種將HAPS作為超級宏基站的設(shè)想，在衛(wèi)星和地面之間使用HAPS系統(tǒng)作為基站提供連接，同時結(jié)合MIMO技術(shù)，獲得了更高的系統(tǒng)容量并降低了傳播時延. HAPS用作宏基站，能夠在提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的同時，滿足用戶對于時延、容量、計算等性能的超高要求. 文獻[64]提出了一種將HAPS系統(tǒng)應(yīng)用在航空及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中進行計算卸載的想法. HAPS具有的準靜態(tài)位置和覆蓋范圍廣的特點，使其可以承擔衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或其他空中節(jié)點的計算任務(wù)，相比于將計算卸載到地面網(wǎng)絡(luò)中，可以減少響應(yīng)延遲和由于衛(wèi)星或UAV移動性而造成的卸載中斷問題.

HAPS和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)都具有自己獨特的優(yōu)勢，能夠在6G時代提供更好的通信連接服務(wù)，為此，研究人員針對HAPS與衛(wèi)星的相互結(jié)合展開了研究. 文獻[65]使用HAPS來輔助從智能設(shè)備到LEO衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸，提出一種兩階段聯(lián)合資源分配和HAPS部署算法. 通過求解HAPS部署位置，進一步優(yōu)化HAPS與衛(wèi)星之間的信道增益，在可接受的算法復(fù)雜度下優(yōu)化了系統(tǒng)傳輸速率，降低了系統(tǒng)功耗. 除了HAPS的部署會影響與衛(wèi)星連接的系統(tǒng)增益，文獻[66]從衛(wèi)星與HAPS連接的穩(wěn)定性考慮，提出了基于HAPS海量接入和衛(wèi)星回程協(xié)同的優(yōu)化系統(tǒng)模型. 該方案中采用基于蓋爾- 沙普利的兩兩穩(wěn)定匹配算法，減輕了衛(wèi)星與HAPS之間動態(tài)連接的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)連接的可靠性，保證了衛(wèi)星收益和服務(wù)用戶數(shù).

衛(wèi)星系統(tǒng)與HAPS系統(tǒng)的有效結(jié)合，推動了空天地一體化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，能夠顯著提升未來網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能，基于此，文獻[67]研究了在混合FSO/RF衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)之間設(shè)置HAPS作為中繼站的一體化網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能. 該方案中采用了一種基于自適應(yīng)組合的交換方式，對比了單跳和雙跳混合系統(tǒng)的上下行鏈路的傳輸性能，表明采用HAPS作為中繼站能夠顯著提高上行衛(wèi)星通信系統(tǒng)在高信噪比區(qū)域的可靠性. 由于一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)集成了地面網(wǎng)絡(luò)與AAN，會發(fā)生網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍重疊的情況，為此，文獻[68]提出基于強化學(xué)習的空天地一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與優(yōu)化框架，利用分布式管理架構(gòu)和中心式控制方式混合的分層控制架構(gòu)，增強空天地一體化網(wǎng)絡(luò)對異構(gòu)復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)度. HAPS在衛(wèi)星和地面之間作為基站或中繼能夠提高傳輸可靠性，緩解網(wǎng)絡(luò)壓力，在此基礎(chǔ)上，可以用強化學(xué)習等AI算法，增強一體化網(wǎng)絡(luò)在異構(gòu)環(huán)境下的適應(yīng)性和穩(wěn)定性，同時AI技術(shù)可實現(xiàn)智能的網(wǎng)絡(luò)接入選擇，根據(jù)組網(wǎng)信息和用戶需求選擇接入網(wǎng)絡(luò)，提升了一體化網(wǎng)絡(luò)的性能.

隨著一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究與發(fā)展，衛(wèi)星、HAPS、地面的互聯(lián)互通為用戶提供了其他的接入方案，同時空天地三者的協(xié)同合作能夠為智能時代提供更多的可能. 文獻[69]針對列車通信網(wǎng)絡(luò)的需求，聯(lián)合空天地3層網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，提出了基于SDN的鐵路系統(tǒng)，將天基、空基網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合專網(wǎng)、公網(wǎng)形成多模融合網(wǎng)絡(luò)，保證西部偏遠地區(qū)的鐵路沿線得到有效覆蓋，確保數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和超可靠傳輸. 此外，在車輛網(wǎng)絡(luò)中，可通過衛(wèi)星為車輛提供軟件更新[62]，HAPS等空中平臺作為基站為車輛提供靈活可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)中空天地不同層次的協(xié)同配合. 綜上，為了實現(xiàn)衛(wèi)星、地面和HAPS三者之間的互聯(lián)互通，一方面，HAPS可作為空中基站與衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，緩解衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)上行鏈路流量負載壓力，提高一體化網(wǎng)絡(luò)的信號覆蓋強度；另一方面，HAPS作為通信中繼傳送、接收數(shù)據(jù)，可為衛(wèi)星和地面基站提供回程鏈路，增加用戶接入鏈路，優(yōu)化一體化網(wǎng)絡(luò)的QoS. 同時，可結(jié)合SDN技術(shù)驅(qū)動空天地3層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與功能的運行，獲取、整合數(shù)據(jù)信息并控制數(shù)據(jù)流向，再引入MEC等技術(shù)進行協(xié)同管理，在邊緣節(jié)點進行數(shù)據(jù)收集處理和就近共享，緩解一體化網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模數(shù)據(jù)流量對核心網(wǎng)造成的壓力.

本文對HAPS與一體化架構(gòu)的研究進行了總結(jié)，如表4所示. HAPS可以為用戶提供接入鏈路或是輔助用戶進行計算卸載，減輕了衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的流量負載，緩解了衛(wèi)星部署的成本壓力. 隨著空天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的提出，HAPS等空中平臺需要與衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)建立連接，從而實現(xiàn)空天地3層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通. 通過優(yōu)化HAPS的部署位置以及HAPS與衛(wèi)星之間的匹配穩(wěn)定性，能夠在HAPS與衛(wèi)星之間建立可靠的連接. 在此基礎(chǔ)上，用戶從HAPS轉(zhuǎn)接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以提高衛(wèi)星、地面之間上行傳輸?shù)目煽啃? 此外，引入AI算法，并在衛(wèi)星、地面和HAPS之間建立穩(wěn)定的鏈接，協(xié)助優(yōu)化一體化網(wǎng)絡(luò)中用戶的接入選擇，以提高系統(tǒng)QoS和用戶體驗質(zhì)量(quality of experience, QoE). 總體而言，HAPS最開始的提出是為了解決偏遠地區(qū)沒有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問題，隨著網(wǎng)絡(luò)流量的增加，研究人員開始將HAPS應(yīng)用在通信連接方面，能夠增加通信鏈路，降低傳輸時延，減輕網(wǎng)絡(luò)負載，由此推動了一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展與應(yīng)用. 對于6G一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，HAPS可作為空中基站或是通信中繼連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面通信系統(tǒng)，并結(jié)合SDN等技術(shù)協(xié)同控制一體化網(wǎng)絡(luò)，通過引入MEC技術(shù)、緩存技術(shù)等緩解大規(guī)模流量傳輸給核心網(wǎng)造成的壓力. 最后，除了考慮HAPS在未來網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用，同時還需要進一步考慮其性能的優(yōu)化與提升.

表4 HAPS與一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.2.3 HAPS與無線緩存

近年來，網(wǎng)絡(luò)邊緣的內(nèi)容緩存被提出并用于以內(nèi)容為中心的蜂窩網(wǎng)絡(luò)[70]，以降低內(nèi)容獲取時延和緩解回程鏈路流量負載壓力. 為進一步提升系統(tǒng)性能并保證用戶QoE，研究人員將此技術(shù)應(yīng)用于UAV等空中基站. 文獻[70]以最大化用戶QoE為目標，結(jié)合用戶內(nèi)容偏好研究了UAV位置部署、緩存放置和用戶關(guān)聯(lián)的聯(lián)合優(yōu)化問題，在內(nèi)容訪問時延和回程流量分流方面取得了不錯的性能. 為了進一步滿足用戶需求，文獻[71]從緩存內(nèi)容的流行度入手研究UAV網(wǎng)絡(luò)的緩存策略. 該方案首先預(yù)測單個用戶的內(nèi)容偏好，在此基礎(chǔ)上利用聚類和分簇的方法部署UAV，最后，采用貪婪算法決定緩存放置方案，在緩存命中率和平均傳輸時延性能上均優(yōu)于對比算法. 在已經(jīng)建立的UAV緩存網(wǎng)絡(luò)中，文獻[72]對時延性能進行了分析與優(yōu)化，建立了邊緣緩存網(wǎng)絡(luò)下的多UAV動態(tài)飛行網(wǎng)絡(luò)模型，利用隨機微分博弈模型解決時延優(yōu)化問題，在消耗相同能量的情況下達到更小的時延.

對于緩存方案的研究，需要從用戶對于緩存內(nèi)容的滿意度考慮，只有當大量用戶都需要使用緩存的內(nèi)容時，緩存技術(shù)的應(yīng)用才大有可為，并且，UAV的動態(tài)性使其部署和運行軌跡也影響著緩存方案的設(shè)計. 相比于UAV等低空平臺，HAPS相對靜態(tài)、容量更大、續(xù)航更久，并且與地面距離較大，受到地面網(wǎng)絡(luò)干擾較小，與無線緩存技術(shù)的結(jié)合具有很大的發(fā)展前景. 基于UAV網(wǎng)絡(luò)緩存技術(shù)和HAPS一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究，可以得出，HAPS結(jié)合無線緩存技術(shù)，可以直接為用戶提供所需內(nèi)容，能夠進一步降低用戶獲取內(nèi)容的延遲，減輕HAPS上行鏈路的流量負載并降低衛(wèi)星的回程鏈路負荷，同時，可以將緩存技術(shù)用于用戶設(shè)備間，采用與HAPS不同的緩存策略，當用戶設(shè)備中無法獲取內(nèi)容時再向HAPS層發(fā)送請求，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的緩存命中率，降低系統(tǒng)時延.

2.2.4 HAPS的切換策略

HAPS與衛(wèi)星、地面網(wǎng)絡(luò)的一體化架構(gòu)能夠有效減輕衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的壓力，優(yōu)化系統(tǒng)性能，但受到大氣湍流和用戶移動性兩方面的影響，用戶接入鏈路的穩(wěn)定性會有所降低. 因此，HAPS的切換策略對于未來多層網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)QoS和用戶QoE有著極其重要的影響，研究人員對其進行了諸多研究. 文獻[73]中驗證了HAPS的不穩(wěn)定性對于切換概率的影響，指明合適的切換策略可以有效地降低切換的掉話率，能夠保證通信的QoS. 在此基礎(chǔ)上，文獻[74]中HAPS搭載可操縱天線，根據(jù)自身姿態(tài)信息實現(xiàn)一定的天線指向調(diào)整，保證穩(wěn)定的天線中心指向，同時，預(yù)測用戶端接收信號強度，輔助進行切換判決. 該方案降低了用戶的不必要切換，有較低的平均掉話次數(shù)、平均切換次數(shù)以及鏈路失效率，同時，對系統(tǒng)中高速運動的用戶也具有適用性.

除了HAPS的不穩(wěn)定性，還需要考慮用戶的移動性對HAPS接入網(wǎng)絡(luò)性能的影響. 文獻[75]提出了基于協(xié)同傳輸?shù)淖赃m應(yīng)切換方案，選擇信道增益較高的平臺節(jié)點進行協(xié)同傳輸. 該方案結(jié)合信道增益來判定用戶與HAPS的切換，減少了頻繁切換造成的業(yè)務(wù)中斷時間，而文獻[76]是從用戶的接收信號強度入手，預(yù)測移動用戶在給定時刻的接收信號強度，根據(jù)信號強弱決定用戶的切換，有效減少了不必要的切換次數(shù)，降低了無線鏈路失效率. 除了上述針對HAPS與地面用戶之間連接的研究，文獻[77]進一步考慮HAPS和衛(wèi)星之間的連接，研究了LEO-HAPS聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)下的切換方案，提出一種動態(tài)切換策略來優(yōu)化切換時刻和資源分配. 這一策略利用拉格朗日對偶性求解切換時刻和資源分配構(gòu)成的非凸優(yōu)化問題，在時延、信令開銷、丟包率和功耗等方面具有很好的性能.

本文對HAPS的切換策略研究進行了總結(jié)，如表5所示. 在6G衛(wèi)星- HAPS- 地面多層網(wǎng)絡(luò)下，合適的切換策略能夠減少能源損耗、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)接入性能、提高系統(tǒng)QoS以及用戶QoE. 用戶接入信號強度是影響HAPS切換策略的主要因素，通過固定HAPS中心天線指向緩解氣流影響，再通過預(yù)測用戶移動軌跡、估算用戶的信號強度來減輕用戶移動對接入效果的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)HAPS通信系統(tǒng)的最優(yōu)切換策略并優(yōu)化系統(tǒng)通信性能. 基于此，針對HAPS的不穩(wěn)定性，可通過調(diào)整波束指向減輕大氣湍流的影響；針對用戶的移動性，在未來業(yè)務(wù)多樣化的情況下，可以通過業(yè)務(wù)分級的方式，量化不同業(yè)務(wù)類型的網(wǎng)絡(luò)需求，首先預(yù)測用戶軌跡并選擇接入的節(jié)點，然后依據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級決定接入順序，對不同的業(yè)務(wù)需求設(shè)置不同的切換閾值以更好地滿足不同用戶的需求. 此外，HAPS的部署方案會影響覆蓋小區(qū)，從而影響其切換策略，可以參考博弈論的思想?yún)f(xié)調(diào)不同區(qū)域用戶與HAPS之間的連接，聯(lián)合優(yōu)化HAPS部署方案與切換策略.

表5 HAPS的切換策略

3 問題與展望

作為還在研究開發(fā)中的無線通信技術(shù)，6G技術(shù)存在著許多待解決的問題以及在研究中需要不斷攻克的難題. 本節(jié)對6G技術(shù)下衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)碰撞問題和HAPS系統(tǒng)的緩存放置策略問題進行了探討，并對未來的研究方向進行了展望.

3.1 存在的問題

基于文中對衛(wèi)星和HAPS兩種AAN技術(shù)的研究進展的闡述，對2種通信方式在未來應(yīng)用過程中存在的問題進行了分析.

1) 衛(wèi)星接入過程中的數(shù)據(jù)碰撞問題. 在6G時代，大量衛(wèi)星組成星座部署在太空中，這使得衛(wèi)星系統(tǒng)能夠為地面網(wǎng)絡(luò)提供更多的接入鏈路，并進行數(shù)據(jù)分流工作，實現(xiàn)業(yè)務(wù)的合理分配和處理. 但是，由于衛(wèi)星系統(tǒng)覆蓋面積增大以及服務(wù)的用戶終端數(shù)量增多且衛(wèi)星接入的頻譜資源有限，海量接入用戶之間的資源競爭極有可能導(dǎo)致傳輸和接收過程中發(fā)生數(shù)據(jù)碰撞的問題.

2) HAPS系統(tǒng)中的無線緩存放置策略問題. 與地面緩存不同的是，空中平臺具有移動性，結(jié)合緩存技術(shù)能快速適應(yīng)大規(guī)模突發(fā)通信需求，提供可靠的網(wǎng)絡(luò)連接，滿足用戶需求. 現(xiàn)有的緩存技術(shù)多用于低空UAV，而HAPS與UAV在工作高度、系統(tǒng)容量、運行方式等多個方面均有差異，HAPS的覆蓋用戶數(shù)量、能夠存儲的內(nèi)容都遠遠多于UAV，因此，HAPS通信網(wǎng)絡(luò)中會發(fā)生用戶需求不同、內(nèi)容偏好差異過大的情況，使得HAPS的緩存方案設(shè)計面臨著較大的挑戰(zhàn).

3.2 研究方向展望

針對上述衛(wèi)星與HAPS應(yīng)用過程中存在的問題，本文提出一些可行的解決方案，并基于上文所闡述的研究進展對其未來發(fā)展進行展望.

1) 針對衛(wèi)星接入過程中存在的數(shù)據(jù)碰撞問題，可以從兩方面考慮. 一方面是在發(fā)生碰撞后消除影響、恢復(fù)數(shù)據(jù)，例如上文提到的SIC方法，或是利用前向糾錯等方法在接收端恢復(fù)出錯的數(shù)據(jù). 另一方面是減少數(shù)據(jù)碰撞的概率，例如以MIMO為代表的多天線技術(shù)，其波束賦形特性能夠增強信號傳輸?shù)姆较蛐?，使?shù)據(jù)向特定方向傳輸，可避免數(shù)據(jù)全方向傳播所受到的干擾. 未來可采用波束賦形和MB技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多路低干擾傳輸，再結(jié)合機器學(xué)習等AI算法，對其他同步發(fā)送或異步發(fā)送的數(shù)據(jù)進行預(yù)測和控制，從而最小化數(shù)據(jù)碰撞概率.

2) 針對HAPS系統(tǒng)緩存策略問題的研究，需要從緩存命中率來考慮. 一方面，HAPS的覆蓋人口眾多，內(nèi)容差異化大，因此，可以考慮其與低空層飛行器相結(jié)合，利用低空飛行器針對小范圍用戶需求進行緩存，HAPS為其范圍內(nèi)的用戶提供內(nèi)容補充；另一方面，對于用戶偏好模型的建立，可采用AI算法，提取用戶歷史內(nèi)容偏好并劃分重要性. 在用戶終端、HAPS端、低空飛行器處都可以運用AI算法. 各處的算法互相融合，最后將結(jié)果匯總到HAPS端，根據(jù)內(nèi)容重要性、各處存儲空間大小等因素決定緩存放置方案，以提高緩存命中率. 此外，可結(jié)合地區(qū)用戶和內(nèi)容的分布等特點考慮HAPS的部署方案，聯(lián)合優(yōu)化HAPS的部署方式與緩存方案，實現(xiàn)低成本且高效緩存方案.

4 結(jié)論

1) 面向未來6G網(wǎng)絡(luò)的全面覆蓋、泛在連接需求，地面網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信以及HAPS三者的集成能夠形成互補關(guān)系，有助于構(gòu)建空天地一體化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可為用戶提供無感知的一致性服務(wù)，保證網(wǎng)絡(luò)的韌性和魯棒性以及資源的合理運用.

2) 衛(wèi)星通信能夠提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋，為用戶提供除地面基站以外的接入鏈路，有效緩解地面網(wǎng)絡(luò)的流量負載壓力. 為解決衛(wèi)星通信的信道衰落影響，可應(yīng)用MIMO技術(shù)，同時，提升系統(tǒng)的容量、吞吐量、通信質(zhì)量等性能.

3) HAPS具有部署靈活、成本低、時延小的特點，可在空天地一體化網(wǎng)絡(luò)中提供中繼連接或是空中基站接入服務(wù)，能夠在地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)間起到較好的承接作用，補充衛(wèi)星- 地面網(wǎng)絡(luò)的不足. 選擇合適的切換策略能夠提高HAPS的通信質(zhì)量，降低鏈路失效率. HAPS與無線緩存技術(shù)的結(jié)合，能夠進一步提升網(wǎng)絡(luò)容量、時延性能，具有較好的發(fā)展前景.