原创《天地一体化信息网络中卫星通信关键技术》
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摘 要：天地一体化信息网络是国家重要的信息基础设施,而卫星通信是天地一体化信息网络的重要组成部分.本文分析了卫星通信在天地一体化信息网络中的作用,并从无线接入技术和组网技术两个方面,详细阐述了卫星通信中传输、接入、路由、安全等关键技术的研究难点和发展趋势.
关键词：天地一体化信息网络；卫星通信；接入技术；组网技术
1 引言
天地一体化信息网络是以地面网络为依托、天基网络为拓展,采用统一的技术架构、统一的技术体制、统一的标准规范,由天基信息网、互联网和移动通信网互联互通而成,具有多样化业务承载、异构网络互联、全域资源管理等特点.天地一体化信息网络作为国家重要的信息基础设施,对于国土安全、应急救灾、交通运输、经济发展等多个领域有着重大战略意义.
近年来,世界各国都在积极开展天地一体化信息网络建设工作.美国国防部早在2002 年提出了美国转型通信架构（TCA）,将天基网络与地面网络集成,服务美国军方；欧盟于2007 年提出一体化卫星通信计划（ISICOM）；我国也在积极开展天地一体化信息网络论证工作,从2006 年沈荣骏院士提出我国天地一体化航天互联网的概念及总体构想至今,我国已形成了天地一体化信息网络建设的初步思路,并被列入“科技创新2030—重大工程项目”.
卫星通信作为天地一体化信息网络中的重要组成部分,有着覆盖范围广、接入灵活等优势.然而,卫星通信网络拓扑结构复杂且具有高动态性,网络中节点可用资源多维受限,卫星通信网络中信息的可靠、高效传输对于建设天地一体化信息网络具有重要意义.
2 卫星通信在天地一体化信息网络中的作用
卫星通信在天地一体化信息网络中的作用主要体现在天基骨干网、天基接入网以及星地融合接入网3个方面（见图1）.
（1）天基骨干网是由多颗分布在同步轨道或高轨道的卫星组网而成,通过星间链路为系统提供宽带接入、数据中继、路由交换等功能,由于单颗星的通信载荷和星上处理能力受限,可将多颗卫星联结起来组成簇,从而完成较为复杂的通信任务.典型系统有我国的“天链”系统和美国的TSAT等.
（2）天基接入网是由同步轨道、中低轨卫星、服务增强平台（无人机、飞艇等）组网而成,通过星地链路、星空链路、空地链路为系统提供无缝覆盖、应急通信、移动接入等功能.典型系统有我国的天通1 号、Inmarsat、全球星、铱星、OneWeb、Orbcomm等.
（3）星地融合接入网是由同步轨道、中低轨卫星以及地面基站共同组网而成,通过星地链路、地面链路对系统起到覆盖补充、容量增强的作用.典型系统有地面CGC（Complementary Ground Component）、Inmarsat与地面LTE协同组网等.
国际电信联盟ITU在2009 年定义了两类包含移动卫星网络与地面网络的系统,分别为“集成系统”与“混合系统”.其中,“集成系统”指地面网络仅作为移动卫星网络的补充,由移动卫星网络管理,使用移动卫星网络频段,可认为是“单模”系统；“混合系统”定义较为宽泛,除了集成系统,其他包含移动卫星网络与地面网络的系统都称为混合系统,可认为是保证卫星与地面网络连通性的“双模”系统.可以预见,天地一体化信息网络建设初期将主要以混合系统的形式呈现.随着系统融合的深入,集成系统将充分发挥其优势.欧盟第七框架项目BATS（Broadband Access via IntegratedTerrestrial and Satellite Systems）利用智能用户网关组成了一个典型的混合系统；地平线2020 项目SANSA（Shared Access Terrestrial- Satellite Backhaul NetworkEnabled by Smart Antennas）则致力于卫星与地面网络的深度融合,以实现卫星与地面网络的频谱共享、融合内容分发等.
3 卫星通信关键技术及发展趋势
卫星通信网络受到通信环境、轨道、星座等因素的影响,与地面通信网络存在较大差异.因此,许多地面成熟的组网、通信技术不能直接应用到卫星通信中.本文将从卫星通信的无线接入技术和组网技术两方面出发,围绕上行多址接入技术、多波束卫星波束赋形技术、星间通信及路由技术、星座设计、异构网络资源管理等关键技术展开重点论述.
3.1 无线接入技术
（1）抗频偏、高能效波形设计
卫星移动通信系统功率受限、带宽受限,通信链路具有大尺度频偏,对传输信号的峰均比、抗频偏能力和频谱利用率要求较高.为了满足卫星通信信号低峰均比的要求,现有卫星移动通信通常采用单载波连续相位、恒包络/准恒包络调制来降低传输波形的峰均比,并改善带外频谱滚降.然而,随着卫星移动通信业务的发展,系统可用的频率资源越来越紧缺,单载波调制已不能满足卫星移动通信系统的容量需求.另一方面,随着卫星移动通信业务的发展,L、S 频段资源日趋饱和,高频段卫星移动通信成为重点关注领域,但高频段通信使卫星功率受限的问题更加突出,对功放效率提出更高要求.
此外,卫星移动通信中的频偏受卫星轨位、通信频率、仰角、终端移动速度等因素影响,变化范围较大（见图2）.通常情况下,大尺度频偏表现为两个方面：一是不同通信链路频偏差异较大；二是同一链路在不同时刻频偏变化较明显.
因此,抗频偏、高能效波形设计及大尺度频偏抑制技术研究对于下一代卫星移动通信系统具有较大的科学意义和应用前景.
（2）上行多址接入技术
多址接入技术作为通信过程中的关键技术,决定了系统的吞吐量、时延、稳定性、资源利用率等性能.传统卫星通信系统主要采用按需分配多址接入技术,适合于大数据量业务传输.近年来,随着物联网应用的发展,一些低功耗传感器成为了卫星网络中的主要终端种类,这些传感器终端数量庞大、分布密集,用于采集、监测周围环境中的信息,然后将采集到的数据通过卫星回传给地面,完成对监测目标的实时监测.此类业务具有数据量小、发送频繁、占空比（Duty Cycle）小的特点.对于小包类业务传输,传统的按需分配效率较低.此外,卫星移动通信具有传播距离远、星上处理能力受限的特点,导致信号传播时延大,如静止轨道（GEO）卫星与地面终端通信距离长达36000km,双跳传输时延约为500ms.未来,大连接、低时延、复杂业务种类的通信场景给卫星移动通信上行多址接入技术带来了新的挑战.
（3）多波束卫星波束赋形技术
多波束卫星同时产生多个点波束,不仅可以满足系统大容量需求,同时还可以满足移动用户设备低功耗、小型化的需求.目前,多波束卫星系统主要采用数字波束赋形技术.一般情况下,数字波束赋形可分为星上（on-board）波束赋形和地面（on-ground）波束赋形.由于卫星载荷的处理能力有限,on-ground 波束赋形灵活性优于on-board 波束赋形,但on-ground 波束赋形对馈电链路带宽、射频通道一致性要求高于on-board波束赋形.
随着卫星系统工作带宽和星载天线馈源数目的增加,on-ground 波束赋形所需的馈电信道带宽、射频通道的复杂度越来越高,实现难度和成本开销越来越大,因此将模拟波束赋形技术和数字波束赋形技术进行级联的混合波束赋形技术应运而生.多波束卫星混合波束赋形有着星上射频通道数小于馈源数,并且可基于覆盖和容量需求动态调整波束数目及指向的优势,是多波束卫星波束赋形技术的发展趋势之一.
（4）卫星通信信息安全
卫星通信新技术在带给个人便利的同时,也在一定程度上对个人的信息安全构成威胁.现有研究主要从以下几个方面来提高卫星通信过程中的信息安全性：
●卫星通信物理层加密（一次一密）
相比于其他通信子层加密,物理层加密具有加密算法复杂度低,可保护信息交互过程以及可以利用信道噪声,进一步提升算法安全性等优势.因此,可以利用物理层加密的优势以及物理信道的特性,实现一次一密,确保通信安全可靠.
●卫星通信网络接入认证为了防止各种假冒攻击,在执行数据访问操作之前,要在终端和网络间进行双向身份鉴权认证.
●卫星通信网络密钥管理卫星通信资源、计算资源以及存储资源受限,在多维资源受限情况下,设计合理的密钥管理机制对于卫星通信安全至关重要.
●卫星通信网络加密算法
加密算法通常面临安全性和计算复杂度之间的矛盾.针对卫星通信信道特点,设计新型加解密算法,以平衡数据安全性和加解密速度是卫星通信信息安全的主要研究方向之一.
3.2 组网技术
（1）软件定义卫星网络
相比于地面通信网络,卫星通信网络具有高动态、时空跨度大等特点,这给其网络管理带来了巨大的挑战.同时,不同卫星载荷能力差别较大,在轨硬件更新、维护的难度较高,基于软件定义网络思想的卫星通信网络对于灵活部署和配置卫星网络、降低卫星网络的复杂程度和运营成本,以及提高网络的整体性能具有重要意义.软件定义卫星网络的系统框图如图3 所示.
在软件定义卫星网络中,网络的数据平面和控制平面进行分离,由控制平面负责对网络的统一管理,而数据平面只负责数据的转发.此外,软件定义卫星网络可基于虚拟化资源切片、全域资源管理、动态路由管控等技术更好地实现用户服务,以及星地融合服务等内容.
（2）通信卫星星座设计
按照卫星轨道的类型,卫星星座可以划分为极/近极轨道星座、赤道轨道星座、椭圆轨道星座和倾斜圆轨道星座.卫星星座的设计是构建天地一体化信息网络的重要环节,天地一体化信息网络中的卫星星座设计受到通信链路的持续时间、通信延时、星间链路的干扰、覆盖和容量需求等诸多条件的约束,是一个多目标、多约束的优化问题.
早期的卫星通信系统一般采用单层卫星星座,用以支持传统的语音、数据传输等通信业务.未来的天地一体化信息网络将能够为用户提供大容量、高质量和高可靠性的通信服务,这就需要更加合理、优化的星座设计,基于多层卫星星座的天地一体化信息网络可以提高卫星网络的可靠性和抗毁性,提供给网络更多的链路选择.
（3）星间通信及路由
天地一体化信息网络将实现对全球的无缝覆盖,为用户提供高质量、高可靠性的通信服务.然而,仅仅依靠星地之间的通信链路,卫星网络无法真正实现全球范围的通信服务,需要在卫星之间建立星间链路,通过星间链路和路由协议实现全球互联.卫星间的星间链路主要分为3 种（见图4）：轨内星间链路,即同一轨道面内卫星间的通信链路；轨间星间链路,即同一层内不同轨道面间的星间链路；层间星间链路,则是不同层之间的星间链路.
星间链路一般采用微波通信或者激光通信的方式进行数据交互,构建起整个天基网络.不同于地面通信网络,卫星通信网络拓扑结构复杂多变,传统的静态路由算法很难适应整个卫星网络,因此卫星网络需要采用能够对路由表进行维护和更新的动态路由算法,来更好地适应复杂多变的卫星网络拓扑.
（4）星地融合组网
星地融合组网能够更好地发挥天基网络和地基网络的优势,二者相得益彰,能够提升系统容量和业务服务质量,提高网络资源的利用率.由于移动卫星网络与地面网络在接入技术、组网方式、控制机制等方面存在差异,星地融合组网也面临着一些亟待解决的问题.透明特性就是其中之一,即如何让用户终端不会察觉正在使用地面基站还是卫星进行通信.在星地融合网络中,接入不同的网络会给用户带来不同的性能体验,如何根据用户的业务特性及需求为其接入合适的网络并分配相应资源进行服务,如何保证用户始终接入到服务更好的网络,都是天地一体化信息网络需要解决的问题.
（5）空天异构网络资源管理
卫星通信网络节点组成复杂,是一个典型的异构网络.卫星通信中的异构网络资源管理主要是对频谱、发射功率、波束和缓存资源进行管理,合理地分配和使用有限的资源,实现资源利用效率的最大化.多址接入技术、切换技术和传输技术是空天异构网络资源管理的3 个关键技术.多址接入技术可以切割资源粒度,减小终端的碰撞概率.切换技术保证终端的连续通信,控制终端在同层接入点和异层接入点的切换方式；而传输技术则主要对抗信道衰落,增强抗干扰能力,提高链路的自适应能力.
4 结束语
天地一体化信息网络是卫星通信技术发展新的契机,是未来通信网络发展的新趋势.本文分析了卫星通信在天地一体化信息网络中的作用,并针对天地一体化信息网络建设需求,分析了卫星通信接入技术和组网技术的发展趋势.由分析可知,星地协作组网、星地联合覆盖/容量优化、星地协作波束赋形、星地融合多址接入、一体化波形设计等关键技术是天地一体化顺利实施的基础.
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信息网络论文参考资料：
结束语，这是一篇关于卫星通信和关键技术和天地方面的相关大学硕士和信息网络本科毕业论文以及相关信息网络论文开题报告范文和职称论文写作参考文献资料。
