空天地關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用與分析

無錫科技職業(yè)學(xué)院 周燕萍

空-天-地一體化網(wǎng)絡(luò)(SAGIN)仍處于設(shè)計的初級階段。盡管對地面、空中和衛(wèi)星系統(tǒng)的增強(qiáng)有一些關(guān)鍵的見解，但生態(tài)系統(tǒng)還不夠成熟，不足以在現(xiàn)實中生存。在本文中，我們對如何改善SAGIN 基礎(chǔ)設(shè)施的當(dāng)前場景以及一些增值服務(wù)提出了清晰的愿景。

SAGIN 對6G 的愿景是一個純粹的概念性方法，并列出了一系列合理的論據(jù)[1-3]。然而，這樣一個整體的綜合網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為即將到來的先進(jìn)調(diào)查中非常需要的因素，到目前為止，我們發(fā)現(xiàn)SAGIN 背后有幾個關(guān)鍵方面。總的來說，SAGIN 是一個綜合網(wǎng)絡(luò)框架，包括空間、空中和地面網(wǎng)絡(luò)元素。

我們預(yù)計6G 將賦予許多關(guān)鍵性能指標(biāo)（KPI），如速度、可靠性、低成本、容量、連接性、低延遲、可用性、覆蓋率、認(rèn)知、感應(yīng)、信任和安全性。因此，6G 將允許用戶和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商緊密合作，以實現(xiàn)可部署應(yīng)用的共同利益。我們還預(yù)計，在6G 時代，可能會出現(xiàn)各種不確定的用例。特別是在SAGIN 的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，我們可以期待6G-SAGIN 的合并將超越目前面臨的所有障礙。牽涉到觸覺、認(rèn)知、人工智能和戰(zhàn)術(shù)信息處理，6G將改善SAGIN 的基礎(chǔ)設(shè)施，使其達(dá)到更高的經(jīng)驗水平。

然而，要實現(xiàn)這樣的6G-SAGIN 方向，我們必須包括一些關(guān)鍵的要求，如現(xiàn)有機(jī)器類型通信的升級，超可靠的通信，低延遲的連接，以及增強(qiáng)的移動寬帶。保證具有99.999999%可靠性的服務(wù)質(zhì)量將是一個必要條件。必須利用新的頻譜帶，同時使用大于100Gbps 的峰值數(shù)據(jù)率?？罩?、太空和海底的頻譜的極端覆蓋。能源消耗必須降到最低水平，以便能夠負(fù)擔(dān)得起毫米波/太赫茲的納瓦級費用。應(yīng)盡量減少對電池充電方案的干預(yù)。應(yīng)實現(xiàn)超大規(guī)模的設(shè)備連接（＞100M/km2）范圍。需要增強(qiáng)具有豐富傳感能力的高精度定位（毫米/厘米級）。如圖1所示展示了6G-SAGIN 架構(gòu)。

圖1 6G-SAGIN 架構(gòu)Fig.1 6G-SAGIN architecture

6G-SAGIN：第六代移動通信技術(shù)——空天地一體化網(wǎng)絡(luò)。

SAGIN 元素需要以嚴(yán)格的方式設(shè)計，以允許它們以無縫的方式建立和通信。因此，我們可以將以下關(guān)鍵要素作為6G-SAGIN 方案中最重要的設(shè)計方面，這包括光學(xué)地面控制單元的激光終端元件設(shè)計、空間鏈路的空間終端設(shè)計以及星上衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計(Malik et al.)。我們還討論了整個地面操作中心和空中操作中心在控制動態(tài)方面的設(shè)計考慮。

1 終端設(shè)計方面

1.1 激光終端

通過設(shè)計像激光終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端設(shè)計這樣的關(guān)鍵元素，可以提供地面到衛(wèi)星站之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。在激光終端設(shè)計中，可以考慮兩種方法，地面站和空間站設(shè)計。在框定兩個元件時應(yīng)該仔細(xì)考慮，以便光傳輸和接收完全符合需要。地面站單元由一個光學(xué)孔徑組成，該孔徑主要由一個直徑為40 ～80cm 的反射式望遠(yuǎn)鏡制成。光學(xué)系統(tǒng)由濾光片、中繼組件和光學(xué)分束器組成。接收器前端用于將光信號轉(zhuǎn)換成等效的電信號。接收的數(shù)據(jù)在數(shù)字處理單元被解碼。而且鏈路狀態(tài)更新和信息共享也是由這個單元來鋪設(shè)的。在傳輸側(cè)，可以使用低功率種子形狀因子激光器，其輻射需要被生產(chǎn)線中的后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)放大。輸出光信號隨后由光學(xué)孔徑傳輸。另一方面，光學(xué)孔徑用于隨時分離接收和發(fā)射信號。光學(xué)系統(tǒng)還通過改變上行鏈路或下行鏈路的波長來執(zhí)行濾光器的工作。接收器前端將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，供數(shù)字單元進(jìn)一步處理。該元件中的激光源用于傳輸數(shù)字信號。

1.2 車載數(shù)據(jù)終端設(shè)計

衛(wèi)星應(yīng)該能夠評估基于射頻的子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)能夠使用分組利用站(PU)作為星上數(shù)據(jù)處理單元的關(guān)鍵子單元。射頻收發(fā)器充當(dāng)空中和衛(wèi)星之間的接口，包括天線、信號放大器、上變頻器、下變頻器和調(diào)制器/解調(diào)器(調(diào)制解調(diào)器)。當(dāng)空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)類型的有效信號到達(dá)時，它被轉(zhuǎn)換成等效的比特流。轉(zhuǎn)換后的比特流隨后被傳送到命令解碼單元(CDU)。CCSDS 信號的報頭在CDU 內(nèi)被解包，隨后是可能的錯誤檢測以及糾正。遠(yuǎn)程命令(TC)幀然后被發(fā)送到車載計算機(jī)(OBC)。然后，OBC 將命令包分發(fā)給指定的PUS 終端，以供可能的執(zhí)行。TCs 必須以適當(dāng)?shù)念A(yù)定義方式執(zhí)行。

因此，這種信息可以與遙測數(shù)據(jù)和有效載荷數(shù)據(jù)一起下行傳輸，以饋送給傳輸側(cè)。在這種情況下，可以考慮兩種情況，(1)根據(jù)PUS 指南包裝遙測幀，并添加報頭；(2)將命令鏈路控制字(CLCW)與即將到來的遙測幀相結(jié)合，以允許其下行，從而形成更快的遠(yuǎn)程命令包反饋系統(tǒng)。如果在上行/下行鏈接階段出現(xiàn)任何問題，可以設(shè)置自動化。因此，可以提供更可靠的元件，然而，可以將下列規(guī)則賦予其中，例如，(1)當(dāng)TC-cable 肯定用于從地面到衛(wèi)星終端的上載時，將FSO 信道上行鏈路與OBC 和TM/TC 結(jié)合；(2)當(dāng)自動重復(fù)請求(ARQ)方案失敗時，將遙控命令路由到命令解碼器；(3)在包含命令時，可以將命令列表上載到OBC，以避免可能的命令排隊沖突。

2 運營中心設(shè)計

2.1 地面中心設(shè)計

綜合地面操作中心的設(shè)計依賴于FSO 和射頻站。激光終端設(shè)備應(yīng)與網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用監(jiān)控元素保持一致，以跟蹤中心的運行狀態(tài)。光收發(fā)器和RF 收發(fā)器單元通過局域網(wǎng)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)或廣域網(wǎng)(WAN)連接。包括用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(UDP)和傳輸控制協(xié)議(TCP)的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議可以被積極地用于信息共享。上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)流共享和聯(lián)合功能需要由RF 終端在網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的幫助下鋪設(shè)。高級5G 通信技術(shù)可能涉及連接有網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備的監(jiān)控服務(wù)器。這種存儲設(shè)施使地面站能夠進(jìn)行更快的緩存，從而最大限度地減少信息處理的延遲。否則，聯(lián)網(wǎng)的云平臺和數(shù)據(jù)中心可以服務(wù)于空間鏈路擴(kuò)展(SLE)服務(wù)提供商，以獲得和發(fā)送與衛(wèi)星中心的操作控制信息。

2.2 空中中心設(shè)計

無人機(jī)預(yù)計將在6G-SAGIN 生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮最重要的作用，因此設(shè)想空中操作中心設(shè)計可以將整體網(wǎng)絡(luò)可用性提高到更高的水平。我們預(yù)計，基于5G 的無人機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)將為在各種類型的無人機(jī)之間建立無縫連接做出重大貢獻(xiàn)。在這種情況下，RF 收發(fā)器可以單獨用于上行鏈路和下行鏈路信令任務(wù)。與地面中心一樣，空中中心也在設(shè)計范圍內(nèi)集成了云和數(shù)據(jù)中心。除了使用SLEs、天線中心設(shè)計主要重視射頻終端裝置，允許地面服務(wù)請求相應(yīng)地行動。連接的網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備可即時改進(jìn)數(shù)據(jù)緩存和服務(wù)工作。

2.3 衛(wèi)星中心設(shè)計

與前面提到的方案相比，衛(wèi)星中心將涉及更大規(guī)模的設(shè)計指標(biāo)。我們設(shè)想用射頻和光收發(fā)器來負(fù)責(zé)信號事件。航天中心的地面部分處理兩種關(guān)鍵類型的數(shù)據(jù)，操作數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。運營數(shù)據(jù)處理分為兩種模式，即車載實時模式和離線模式。在實時操作中，執(zhí)行有效載荷遙測和航天中心內(nèi)務(wù)管理相關(guān)命令。在離線模式期間測量空間測距、多普勒效應(yīng)和角度細(xì)節(jié)。記錄進(jìn)一步的歷史以供將來處理。管理數(shù)據(jù)類型用于在實時模式下幫助支持車站TM 和TC 活動。否則，服務(wù)管理、任務(wù)調(diào)度、軌道跟蹤和空間站配置工作都是離線完成的。

2.4 指揮控制中心設(shè)計

關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用由航天中心規(guī)劃和監(jiān)控。因此，它應(yīng)該以帶時間戳的方式維護(hù)命令就緒的文件系統(tǒng)。此類文件需要根據(jù)OBC 境內(nèi)給定的TC 執(zhí)行。同時，應(yīng)密切監(jiān)控事件順序(SOE)，以便為有效的任務(wù)調(diào)度鋪平道路，從而產(chǎn)生適當(dāng)?shù)慕Y(jié)果。此外，還集成了飛行動態(tài)、離線工作設(shè)施和數(shù)據(jù)存檔技術(shù)。地面航段服務(wù)請求被認(rèn)為與空中和地面中心一起工作。該中心的主要目的是控制所有前面提到的中心中與有效載荷相關(guān)的操作。創(chuàng)新的空間-地面遙測元件因此被增強(qiáng)以提供三個關(guān)鍵特征，即地面服務(wù)管理，SLE 分配和SLE 定向。此外，機(jī)載模擬工具可用于在選定的SLE 用戶分布TM/TC 范例中可視化實時命令控制功能。

3 設(shè)計中的鏈路干擾緩解

由于6G-SAGIN 預(yù)計將承載空間頻譜各層中所有可能類型的設(shè)計元素，因此它必須能夠在完全防故障模式下做到這一點。為了滿足這一需求，6G-SAGIN 將依賴于兩個重要的控制回路，即直接反饋和間接反饋。在直接反饋方法中，通過光學(xué)終端。而間接反饋方案允許個人OBCs 的空間、地面和空中中心觸發(fā)遙測命令，以保護(hù)單點故障?？梢詫QR 進(jìn)行研究，以尋求地面、空中、太空和指揮控制中心之間的無故障通信。應(yīng)該在被請求時觸發(fā)有效載荷數(shù)據(jù)流的重傳。光學(xué)衛(wèi)星數(shù)據(jù)鏈路(OSDL)可以在上行鏈路過程中充當(dāng)返回信道。此外，6G-SAGIN 可以使用分組計數(shù)器模塊來唯一地識別傳輸期間丟失的數(shù)據(jù)分組。因此，光通道將有助于完整性感知系統(tǒng)的設(shè)計。在這種情況下，整個SAGIN 基礎(chǔ)設(shè)施可以獨立于運營商工作。

4 設(shè)計中的數(shù)據(jù)流標(biāo)準(zhǔn)化

6G-SAGIN 必須包括標(biāo)準(zhǔn)化政策，以發(fā)展現(xiàn)有的協(xié)議，使其適用于未來的設(shè)計。例如，應(yīng)重新審視SLE 協(xié)議，以改善空間內(nèi)的通信，互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(IP)可用作SLE的基礎(chǔ)，同時允許按照空間鏈路協(xié)議(SLP)封裝遙測命令。此外，應(yīng)在TM/TC 的現(xiàn)有幀中進(jìn)行改進(jìn)，以便命令鏈路傳輸單元提供最佳服務(wù)。因此，可以增強(qiáng)三種主要服務(wù)，(1)轉(zhuǎn)發(fā)來自通信鏈路傳輸單元的數(shù)據(jù)幀；(2)返回信道幀；(3)更新所有幀。SLP 和系統(tǒng)性紅斑狼瘡都允許其他現(xiàn)有中心之間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。6G-SASIN將需要交叉支持轉(zhuǎn)移服務(wù)(CSTS)，以增強(qiáng)所有運營中心的能力。必須包括控制服務(wù)增強(qiáng)，以涵蓋運行中心之間的實時TM/TC。應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步研究，以改進(jìn)通用空間鏈路協(xié)議(USLP)，促進(jìn)對稱鏈路、遙測格式并實現(xiàn)非常高的數(shù)據(jù)速率。需要使用消息抽象層(MAL)來封裝操作中心到衛(wèi)星中心之間的文件頭傳輸。應(yīng)進(jìn)行新的研究，以利用CCSDS 與延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)和文件傳送協(xié)議(FDP)的集成，在衛(wèi)星操作中心和地球上的其他SAGIN中心之間建立大容量數(shù)據(jù)。

5 設(shè)計的布線技術(shù)

5.1 多路徑QoS 路由

使用單一傳輸性能指標(biāo)，多路徑服務(wù)質(zhì)量(QoS)感知路由改善了SAGIN 生態(tài)系統(tǒng)中的信息共享。衛(wèi)星間鏈路(ISL)用于利用有關(guān)ISL 的近實時和歷史數(shù)據(jù)。這種路線可以在地面或空中操作中心計算。隨后重新考慮預(yù)先計算的路由策略，以根據(jù)SAGIN 的需要調(diào)整QoS要求。6G-SAGIN 必須允許兩個運營中心之間的多路徑路由，以提高到達(dá)率和極低延遲感知數(shù)據(jù)傳輸。通過利用多鏈路資源來實現(xiàn)各運營中心之間的負(fù)載均衡。在6G-SAGIN 中，多路徑QoS 路由應(yīng)分為兩個階段，即位于地面、空中或衛(wèi)星中心的預(yù)計算星上系統(tǒng)和星上實時計算。預(yù)計算包括三個關(guān)鍵步驟，(1)根據(jù)可用的位置信息和ISL日志建立位置和ISL 信息知識庫(PISLIK)；(2)預(yù)測下一個時隙中的衛(wèi)星位置(例如，帶寬可用性、延遲等)；(3)接近實時的反饋ISL 與可能的QoS 需求和業(yè)務(wù)持續(xù)性的組合。之后，預(yù)加載的近實時多路徑路由方案與面向流量的并行路由和實時ISL 信息相集成，以利用優(yōu)化的多路徑并行路由策略。

5.2 聯(lián)合服務(wù)放置路由

仔細(xì)確定路由服務(wù)的路徑提高了SAGIN 中的QoS。因此，6G-SAGIN 旨在解決這些挑戰(zhàn)。其中存在空對地(A2G)和直接A2G(DA2G)鏈路。成本、帶寬和延遲是A2G 或DA2G 鏈路中變化的三個主要因素。隨著空中和衛(wèi)星操作中心移動性的提高，這個問題變得更加嚴(yán)重。我們討論了一種新引入的方法，稱為混合整數(shù)線性規(guī)劃(MILP)，其目標(biāo)是從聯(lián)合服務(wù)放置和路由(JSPR)方案中推斷出更好的質(zhì)量。6G-SAGIN 應(yīng)根據(jù)地面、空中和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的DA2G 鏈路組合進(jìn)行調(diào)整。靜態(tài)JSPR 的工作方式如下：首先，一組基于SAGIN 的服務(wù)在不同的時隙浮動；然后，根據(jù)給定數(shù)據(jù)中心中目標(biāo)服務(wù)實例的要求來放置它們；最后，尋找最佳路由，使得由于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)緩解和服務(wù)實例導(dǎo)致的總成本最小化。動態(tài)JSPR 在早期的方案中增加了一個新的參數(shù)，即移動單元的時間。它旨在利用三個關(guān)鍵考慮因素，(1)將來要使用的服務(wù)實例的數(shù)量，即，放置；(2)路由路徑確定；(3)服務(wù)遷移控制。對一個基于歐洲的SAGIN 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行測試，以調(diào)查成本降低情況，從而有效地確定路由和服務(wù)遷移之間的權(quán)衡。

5.3 統(tǒng)一路由

6G-SAGIN 將受益于分層路由(HR)算法。在這種情況下，最近的工作已經(jīng)提出了混合時空圖中心HR(HGHR)來解決與移動性和時變拓?fù)涔芾?Heese et al，2017)。HGHR 工作在混合時空搜索技術(shù)之上，同時緩解確定性和半確定性網(wǎng)絡(luò)。早期的一個應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，而后者意味著具有附加的半馬爾可夫模塊方法的空中網(wǎng)絡(luò)。然后，基于規(guī)則的消息轉(zhuǎn)發(fā)引擎在存儲-結(jié)轉(zhuǎn)方案的規(guī)定下迎合混合時間-空間。HGHR 背后的目標(biāo)是在整體功耗方面采用改進(jìn)的結(jié)果。此外，以更高的成功率實現(xiàn)了端到端延遲緩解和消息傳遞率。發(fā)現(xiàn)HGHR 優(yōu)于傳統(tǒng)的DTN、拓?fù)涿枋龊皖A(yù)測節(jié)點移動機(jī)制。HGHR 能夠預(yù)測無人機(jī)的位置、接觸時間、接觸概率、逗留時間概率和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。