楊 輝，白 巍，張 杰

(北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100876)

時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

楊 輝，白 巍，張 杰

(北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100876)

空間信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當(dāng)前航空航天領(lǐng)域的重要研究方向之一,隨著空間信息技術(shù)的發(fā)展和空間通信需求增強(qiáng)，以時(shí)間敏感型業(yè)務(wù)為代表的新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。針對(duì)時(shí)間敏感業(yè)務(wù)的服務(wù)保障需求，提出了時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)，在此架構(gòu)基礎(chǔ)上，從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)與資源等3個(gè)層面對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)展開分析，最后對(duì)時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行總結(jié)與未來發(fā)展展望。

空間信息網(wǎng)絡(luò)；時(shí)間敏感；資源多維化；非對(duì)稱鏈路；業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)；時(shí)變網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著空間信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和通信需求的不斷增強(qiáng)，新業(yè)務(wù)尤其是時(shí)間敏感型業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為空間信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，以其大容量數(shù)據(jù)傳輸及廣播特性適合多媒體業(yè)務(wù)的傳送，能夠?yàn)橛脩籼峁拵Ы尤敕?wù)。為了滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要，必須進(jìn)一步研究有效的資源分配策略以滿足應(yīng)用服務(wù)質(zhì)量。相對(duì)于地面網(wǎng)絡(luò)來說，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和計(jì)算資源極為有限，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化，需要更為有效的業(yè)務(wù)管理和路由維護(hù)策略以充分利用空間資源，同時(shí)滿足對(duì)各類業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。

空間信息網(wǎng)絡(luò)的通信資源主要包括頻率資源(信道帶寬、子載波分配等)、時(shí)隙資源(業(yè)務(wù)時(shí)隙數(shù)量、保護(hù)時(shí)間長度等)、空間資源(天線極化方向、天線角度及數(shù)量等)?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)資源管理的目標(biāo)是在資源有限的前提下，兼顧公平性原則，盡可能在保障用戶最基本業(yè)務(wù)所需資源的情況下，考慮不同等級(jí)業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求，合理配置資源。滿足衛(wèi)星通信中的服務(wù)質(zhì)量關(guān)鍵技術(shù)包括物理層傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)鏈路層接入技術(shù)與資源管理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)層路由技術(shù)、傳輸協(xié)議及移動(dòng)性管理等[1-2]。

1 時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)概述

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，通信主體正逐步由人-人通信到人-物通信，再到物-物通信，業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)間維度的需求正隨著通信主體的轉(zhuǎn)變而變得愈加敏感。尤其在空間信息網(wǎng)絡(luò)中時(shí)，由于其面向用戶與業(yè)務(wù)的特殊性，空間信息網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)敏業(yè)務(wù)正日益增多，時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)的建立顯得尤為重要，已成為空間信息網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向之一。

為了實(shí)現(xiàn)時(shí)間敏感的空間信息網(wǎng)絡(luò)，從業(yè)務(wù)層面、網(wǎng)絡(luò)層面和資源層面3個(gè)角度對(duì)現(xiàn)有空間信息網(wǎng)絡(luò)展開探索與推動(dòng)，如圖1所示。業(yè)務(wù)層面建立時(shí)敏業(yè)務(wù)模型，分析業(yè)務(wù)特性，并根據(jù)業(yè)務(wù)特性提出相應(yīng)的業(yè)務(wù)保障機(jī)制，對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)提出新的業(yè)務(wù)需求，并以此作為網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的驅(qū)動(dòng)。而網(wǎng)絡(luò)層則在業(yè)務(wù)層的驅(qū)動(dòng)下，建立高度適配的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓忍匦耘c時(shí)敏業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)需求，對(duì)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)及該場景下路由技術(shù)展開研究，滿足業(yè)務(wù)層的需求。資源層則對(duì)多維化空間信息網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行挖掘與分析，統(tǒng)合一切可用網(wǎng)絡(luò)資源，探索上下行非對(duì)稱信道共享等資源共享技術(shù)，提高對(duì)資源的利用率，并最終將多維化、可共享化的資源通過網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)映射到網(wǎng)絡(luò)層面，支撐網(wǎng)絡(luò)層面控制技術(shù)及策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層對(duì)資源的有效控制。

圖1 時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

2 業(yè)務(wù)層面

時(shí)敏業(yè)務(wù)是時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的主體，時(shí)敏業(yè)務(wù)的需求與特性是時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)建立與發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力量。因此，為了實(shí)現(xiàn)時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)，在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)層面主要以時(shí)敏業(yè)務(wù)的需求與特性研究為主，并基于時(shí)敏業(yè)務(wù)需求設(shè)計(jì)有效的業(yè)務(wù)保障機(jī)制。

2.1 時(shí)敏業(yè)務(wù)模型

為了服務(wù)時(shí)敏業(yè)務(wù)并建立時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)，首先分析時(shí)敏業(yè)務(wù)需求，并建立時(shí)敏業(yè)務(wù)模型，根據(jù)其模型設(shè)計(jì)時(shí)敏業(yè)務(wù)識(shí)別技術(shù)?，F(xiàn)有的業(yè)務(wù)模型主要在延時(shí)需求和帶寬需求兩方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提出要求[3]。而時(shí)敏業(yè)務(wù)的主要需求在于其對(duì)于時(shí)間的敏感性，需要在傳輸過程中盡可能減少不必要的時(shí)間損耗，以保障信息傳輸?shù)某脱訒r(shí)需求。時(shí)延的主要來源不僅是傳輸時(shí)延，也包括設(shè)備處理時(shí)延。傳輸時(shí)延由傳輸該業(yè)務(wù)的信道帶寬決定，由于時(shí)敏業(yè)務(wù)的特殊性，與其他業(yè)務(wù)相比實(shí)驗(yàn)要求更為嚴(yán)格，因此，時(shí)敏業(yè)務(wù)具有最高的業(yè)務(wù)級(jí)別，在信道帶寬資源的分配上需要絕對(duì)的保障。在系統(tǒng)處理延時(shí)方面，也需要對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行相應(yīng)的分配。

由于時(shí)敏業(yè)務(wù)通常來自于特殊用戶，如金融、軍事方面等，相對(duì)于其延時(shí)特性，業(yè)務(wù)的安全性、可靠性和生存性更為重要，尤其在可靠性、安全性和生存性較弱的空間信息網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)敏業(yè)務(wù)需要對(duì)其提出更高的要求。綜上所述，時(shí)敏業(yè)務(wù)模型不僅需要滿足傳輸延時(shí)和帶寬需求，還需要對(duì)設(shè)備處理速度、計(jì)算資源進(jìn)行考慮，并提供可靠性、安全性和生存性方面保障。

2.2 業(yè)務(wù)保障機(jī)制

針對(duì)時(shí)敏業(yè)務(wù)延時(shí)、帶寬和可靠性等方面的服務(wù)質(zhì)量需求，需要設(shè)計(jì)有效的時(shí)敏業(yè)務(wù)保障機(jī)制。由于空間信息網(wǎng)絡(luò)中多種業(yè)務(wù)共享網(wǎng)絡(luò)資源，因此需要在業(yè)務(wù)保障機(jī)制中，對(duì)資源的分配也同樣需要相應(yīng)的分配算法，同時(shí)為了滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)的低延時(shí)需求，在設(shè)備計(jì)算資源上也同樣需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的分配算法。因此，業(yè)務(wù)保障機(jī)制還可以根據(jù)業(yè)務(wù)資源的類型分為設(shè)備內(nèi)部資源調(diào)度與設(shè)備間資源調(diào)度。設(shè)備內(nèi)部資源調(diào)度主要針對(duì)業(yè)務(wù)對(duì)設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)等資源的使用進(jìn)行調(diào)度，而設(shè)備間資源調(diào)度則主要是網(wǎng)絡(luò)資源如頻譜路由等資源。由于時(shí)敏業(yè)務(wù)對(duì)延時(shí)要求的特殊性，它具有在空間信息網(wǎng)絡(luò)中所需資源最優(yōu)先被滿足的權(quán)力，在設(shè)備內(nèi)部調(diào)度與設(shè)備間調(diào)度中，相對(duì)于其他種類業(yè)務(wù)，時(shí)敏業(yè)務(wù)都將有最優(yōu)先的資源使用權(quán)利，包括計(jì)算存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源。在時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)保障機(jī)制中，時(shí)敏業(yè)務(wù)將得到網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)服務(wù)，而對(duì)該業(yè)務(wù)保障機(jī)制的支持，則需要網(wǎng)絡(luò)層面與資源層面的技術(shù)支持。

3 網(wǎng)絡(luò)層面

網(wǎng)絡(luò)層面的相關(guān)技術(shù)，將為業(yè)務(wù)層面與資源層面建立必要連接，并實(shí)現(xiàn)3個(gè)層面技術(shù)的控制與聯(lián)動(dòng)，維持整個(gè)時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層面主要包括網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)以及路由策略的設(shè)計(jì)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

空間信息網(wǎng)絡(luò)主要包括地面網(wǎng)絡(luò)和高中低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星是其網(wǎng)絡(luò)主體，由于衛(wèi)星圍繞地球在一條橢圓的軌道上做圓周運(yùn)動(dòng)，除了地球同步衛(wèi)星，大部分衛(wèi)星相對(duì)于地面處于時(shí)刻運(yùn)行的狀態(tài)，并且不同軌道上的衛(wèi)星由于其軌道不同，也都處于相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。因此，不同于一般性地面網(wǎng)絡(luò)，空間信息網(wǎng)絡(luò)具有較為突出的實(shí)時(shí)移動(dòng)特性，并且衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間相對(duì)移動(dòng)模型相對(duì)復(fù)雜，時(shí)變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是空間信息網(wǎng)絡(luò)的主要內(nèi)容。有效的網(wǎng)絡(luò)控制將使網(wǎng)絡(luò)更加靈活、更加智能化地為時(shí)敏業(yè)務(wù)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源，因此需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進(jìn)行探索。

采用分布式的控制方式通常需要各個(gè)衛(wèi)星協(xié)作完成控制，而在時(shí)變拓?fù)洵h(huán)境下，各衛(wèi)星間存在著相對(duì)移動(dòng)特性，衛(wèi)星間通信隨時(shí)都有通信聯(lián)絡(luò)通斷的可能，衛(wèi)星間彼此的相互探測需要實(shí)時(shí)更新狀態(tài)，更會(huì)大幅浪費(fèi)設(shè)備的計(jì)算處理資源。而衛(wèi)星間的運(yùn)行相對(duì)運(yùn)行位置模型又十分復(fù)雜，在現(xiàn)有的衛(wèi)星中存在著大量早期衛(wèi)星，其處理能力相對(duì)較弱，無法完成對(duì)全網(wǎng)拓?fù)涞膶?shí)時(shí)更新，因此一些在地面通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)秀分布式控制技術(shù)無法發(fā)揮其作用。

而集中式的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，采用SDN等技術(shù)[3-4]，則可以通過在集中式控制器中建立衛(wèi)星運(yùn)行模型，時(shí)刻確定每一顆衛(wèi)星的準(zhǔn)確位置。并且，對(duì)各個(gè)衛(wèi)星的內(nèi)部處理能力沒有要求，主要策略及算法等由控制器完成，最終，各個(gè)衛(wèi)星只需按照控制器的要求，完成自己的基礎(chǔ)行為與功能，就可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，服務(wù)于時(shí)敏業(yè)務(wù)。因此，集中式網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)更適合空間信息網(wǎng)絡(luò)，在時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)中建立集中式控制架構(gòu)，將使網(wǎng)絡(luò)控制功能更加靈活，有效調(diào)度時(shí)敏業(yè)務(wù)所需資源。圖2為時(shí)敏衛(wèi)星信息網(wǎng)絡(luò)集中式控制架構(gòu)圖，不同軌道衛(wèi)星分別通過不同的衛(wèi)星控制機(jī)進(jìn)行集中式的控制，3個(gè)域的控制器與地面網(wǎng)絡(luò)總控制器連接，實(shí)現(xiàn)全體空間網(wǎng)絡(luò)的控制。由此實(shí)現(xiàn)了時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的集中式控制架構(gòu)。

圖2 時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)

3.2 時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星相對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)具有移動(dòng)特性，如圖3所示，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類型，將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲形恢貌蛔兊木W(wǎng)絡(luò)部分稱為固定拓?fù)溆?，而衛(wèi)星所在拓?fù)浞秶捎谄湮恢玫臅r(shí)變性，屬于時(shí)變拓?fù)溆?，由此形成了空間信息網(wǎng)絡(luò)具有較突出的移動(dòng)特性[5]。當(dāng)圖3(a)中衛(wèi)星運(yùn)行至圖3(b)中所在位置時(shí)，由于地面天線與衛(wèi)星位置較遠(yuǎn)，部分無線鏈路已經(jīng)斷開，而此時(shí)在終端的無限鏈路中的業(yè)務(wù)將全部被阻塞，空間信息網(wǎng)絡(luò)的可靠性得不到保障，而時(shí)敏業(yè)務(wù)不僅僅需要超低的延時(shí)性能保障，由于其服務(wù)用戶的特殊性，網(wǎng)絡(luò)可靠性顯得尤為重要。在普通網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，為了提升網(wǎng)絡(luò)可靠性通常采用業(yè)務(wù)備用路徑保護(hù)、業(yè)務(wù)路徑恢復(fù)等技術(shù)，但需要占用較多資源，并且增加了業(yè)務(wù)時(shí)延，不利于時(shí)敏業(yè)務(wù)的有效傳輸。

圖3 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)變性

由于上述原因，在時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)中對(duì)可靠性的保障迫在眉睫。從空間信息網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)特性出發(fā)，基于集中式控制架構(gòu)的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)，將成為解決可靠性問題的可行方案之一。由于衛(wèi)星運(yùn)行位置模型的復(fù)雜性與衛(wèi)星處理能力的不足，不可能在全部微型設(shè)備上設(shè)置衛(wèi)星位置移動(dòng)模型。而集中式的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，為衛(wèi)星移動(dòng)模型提供了天然的載體，網(wǎng)絡(luò)中的控制器具有大量的計(jì)算處理存儲(chǔ)資源，適用于處理衛(wèi)星移動(dòng)模型，通過建立所屬區(qū)域的衛(wèi)星移動(dòng)模型，控制器可以掌握所屬域內(nèi)衛(wèi)星各個(gè)時(shí)刻位置，由此建立各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的時(shí)變拓?fù)鋱D，并根據(jù)時(shí)變拓?fù)渫瓿删W(wǎng)絡(luò)工作。而對(duì)鏈路通斷的準(zhǔn)確預(yù)測也將為空間信息網(wǎng)絡(luò)中時(shí)敏業(yè)務(wù)的可靠性保障提供有效支撐。

3.3 業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的路由策略

在時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)中，通過網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)提供整體集中式控制架構(gòu)，時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼夹g(shù)提供了具有實(shí)時(shí)性的有效的拓?fù)湫畔?。在上?種技術(shù)的支持下，為了保障時(shí)敏業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)傳輸策略，其中路由策略將成為影響時(shí)敏業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

時(shí)敏業(yè)務(wù)在延時(shí)、帶寬以及可靠性等方面都提出了較為苛刻的需求，為了滿足其業(yè)務(wù)的高質(zhì)量服務(wù)要求，路由策略需要從時(shí)敏業(yè)務(wù)的實(shí)際需求出發(fā)，形成時(shí)敏業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的路由策略。路由策略主要被部署在控制器中，當(dāng)有時(shí)敏業(yè)務(wù)需要服務(wù)時(shí)，業(yè)務(wù)請求將被發(fā)送至控制器，根據(jù)全局的拓?fù)淝闆r以及資源情況為該業(yè)務(wù)分配路徑與傳輸資源。時(shí)敏業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的路由策略首先需要考慮其傳輸時(shí)延，為了達(dá)到時(shí)延要求，需要選擇最短路徑，減少傳輸時(shí)間，其次需要根據(jù)其帶寬需求，結(jié)合全局網(wǎng)絡(luò)資源為其選擇網(wǎng)絡(luò)資源充足的有效路徑，最后結(jié)合時(shí)變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?，保障其在傳輸期間不出現(xiàn)鏈路中斷情況或提前設(shè)置好備用鏈路進(jìn)行快速倒換，對(duì)可靠性做出保障。由此，在網(wǎng)絡(luò)與資源層面技術(shù)協(xié)同下，對(duì)業(yè)務(wù)保障機(jī)制提供有效支持。

4 資源層面

在空間通信網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)資源種類豐富，且具有多種維度，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)層面、業(yè)務(wù)層面和時(shí)敏業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保障技術(shù)提供有效的支持，通過對(duì)資源的多維化管理、虛擬化技術(shù)以及資源共享技術(shù)的研究，將推進(jìn)時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的建立。

4.1 資源多維化

空間信息網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間，衛(wèi)星與各種航天器、地面終端之間的數(shù)據(jù)通信都是通過無線鏈路實(shí)現(xiàn)的?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)資源包括時(shí)、頻、空資源，呈現(xiàn)多維化態(tài)勢。時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)中的資源主要指無線資源中的信道資源，其管理的目的是呼叫準(zhǔn)入控制和波束切換管理過程中對(duì)頻率資源實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)并按需分配，具體是由星上處理模塊中的無線資源管理器集中式管理并同意分配信道資源。對(duì)于多媒體業(yè)務(wù)需采用流量控制技術(shù)，結(jié)合衛(wèi)星鏈路特點(diǎn)進(jìn)行分組調(diào)度，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率資源的最優(yōu)使用[6-7]。尤其是當(dāng)衛(wèi)星采用多波束天線時(shí)，能夠?qū)⑿l(wèi)星在地面的覆蓋區(qū)劃分成多個(gè)波束小區(qū)，并結(jié)合正交極化的重用原則及波束角度分離的頻率重用原則在不同的波束覆蓋范圍內(nèi)重用相同的頻率，實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用，無需提高帶寬就可提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的容量。

由于空間信息網(wǎng)絡(luò)中可以提供不同類型的寬帶多媒體業(yè)務(wù)，但是衛(wèi)星本身的資源是有限的，而且由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)性就要求業(yè)務(wù)傳輸在其可視時(shí)間窗口內(nèi)實(shí)行?？紤]到有的業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延較敏感，且對(duì)時(shí)間準(zhǔn)確度有較高的要求，即用戶要求及時(shí)、準(zhǔn)確地完成信息傳輸，因此要實(shí)現(xiàn)此類業(yè)務(wù)的QoS保證必須對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行有效的調(diào)度與管理。對(duì)于時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度問題，需要考慮不同類型資源(時(shí)、頻和空)的共享原則及時(shí)敏業(yè)務(wù)特點(diǎn)建立相關(guān)的多維時(shí)變資源模型。

4.2 資源虛擬化

空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化目的是充分、靈活地利用時(shí)空頻資源，提高其利用效率。時(shí)頻資源處理主要是指從某個(gè)時(shí)間內(nèi)的寬帶信號(hào)中分離出子信道，或者將多個(gè)窄帶子信道合成一個(gè)寬帶信號(hào)，而空間資源主要指的是多波束的覆蓋[8-9]。在空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的虛擬化過程中，需要考慮如何根據(jù)業(yè)務(wù)的需要靈活調(diào)整子信道的時(shí)頻空尺度。時(shí)間尺度指幀長/突發(fā)長度，頻域尺度指帶寬，而空間尺度則指波束的覆蓋情況。

在空間網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化過程中要充分考慮空間信息網(wǎng)絡(luò),尤其是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)方式。采用基于透明轉(zhuǎn)發(fā)的多星組網(wǎng)，即天星地網(wǎng)方式，可以降低衛(wèi)星技術(shù)難度，充分利用地面成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，但是需要全球部署信關(guān)站。而根據(jù)我國的實(shí)際情況，不具備在境外部署大型衛(wèi)星接入站點(diǎn)的基礎(chǔ)與實(shí)力，因此無法采用該方式進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。近年來，隨著星上處理技術(shù)的成熟，采用基于星上處理和星間鏈路組網(wǎng)方式成為可能。星間資源，包括鏈路資源的虛擬化也是需要研究的一個(gè)方向，虛擬拓?fù)浼疤摂M節(jié)點(diǎn)的研究能夠有效屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)特性[3]。

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，時(shí)間虛擬化策略[10]的基本思想[11-12]是，通過利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的周期性及可預(yù)測性，將系統(tǒng)運(yùn)行的周期劃分為多個(gè)時(shí)間片段。通常星際鏈路連通或斷開發(fā)生在離散的時(shí)間點(diǎn)，而在2個(gè)相鄰的離散時(shí)間點(diǎn)組成的時(shí)間片內(nèi)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以視為固定不變的。而且當(dāng)這個(gè)時(shí)間片足夠小時(shí)，可以認(rèn)為各鏈路的代價(jià)也是不變的。時(shí)間虛擬化策略對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)周期的分割應(yīng)采用不等長時(shí)間片劃分的方法來適應(yīng)星間鏈路切換時(shí)間間隔非等長的特點(diǎn)，以避免在時(shí)間片內(nèi)存在過多的星間鏈路斷開，不能很好地滿足時(shí)敏業(yè)務(wù)的傳輸需求，保證其傳輸質(zhì)量。

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，動(dòng)態(tài)的子載波和功率資源分配方式是根據(jù)用戶的信道增益信息，自適應(yīng)地為每個(gè)波束內(nèi)的用戶分配資源，使得所有的信道資源可以被各個(gè)波束的用戶使用，具有較高的信道利用率。由于無線信道具有時(shí)變特性，且通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣性特點(diǎn)，使得這種動(dòng)態(tài)分配方式能更滿足突發(fā)性時(shí)敏業(yè)務(wù)的傳輸需求。在多層多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，可以將同軌道平面的多個(gè)衛(wèi)星按照一定的原則進(jìn)行虛擬化，能夠進(jìn)一步提高星上無線資源的利用率，且能更好地保證時(shí)敏業(yè)務(wù)的QoS。同時(shí)，由于衛(wèi)星的姿態(tài)變化直接導(dǎo)致星載點(diǎn)波束天線的指向發(fā)生偏移，從而改變點(diǎn)波束的覆蓋區(qū)域，降低通信質(zhì)量。因此在空間信息網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星系統(tǒng)資源的虛擬化過程中，為了保證服務(wù)質(zhì)量需考慮衛(wèi)星姿態(tài)控制。

4.3 上下非對(duì)稱信道共享

地面終端設(shè)備通過天線將相關(guān)的上行鏈路波束發(fā)射到衛(wèi)星設(shè)備，而衛(wèi)星設(shè)備經(jīng)過簡單處理后通過下行鏈路波束傳送到相關(guān)的地面終端。但是空間信息網(wǎng)絡(luò)存在上下行鏈路帶寬不對(duì)稱的特點(diǎn)，即衛(wèi)星設(shè)備到地面終端的前向信道帶寬要遠(yuǎn)大于地面終端到衛(wèi)星設(shè)備的反向信道帶寬。上下行不對(duì)稱有可能造成反向信道帶寬較窄，增加了延時(shí)，從而使前向信道可用帶寬受到限制。

上下行非對(duì)稱信道共享技術(shù)的提出是為了有效解決信道資源在時(shí)間和空間上利用的不均衡，提高信道資源利用率。在時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)中，在保證時(shí)敏業(yè)務(wù)對(duì)信道資源使用優(yōu)先權(quán)的基礎(chǔ)上，允許其他類型的業(yè)務(wù)與其共享信道資源，從而使信道資源得以充分利用。同時(shí)，需要注意的是由于業(yè)務(wù)接入模式的不同，空閑的頻譜塊出現(xiàn)的時(shí)間、中心頻率及帶寬等都不盡相同，加上其他類型業(yè)務(wù)的需求也各不相同，因此頻譜共享需要考慮空閑頻譜塊的接入和使用規(guī)則，提高其使用效率，滿足業(yè)務(wù)的不同需求。與信道共享并存的技術(shù)是信道切換技術(shù)，當(dāng)時(shí)敏業(yè)務(wù)所占用的信道質(zhì)量變差，只能放棄該信道時(shí)，為了保證其服務(wù)質(zhì)量，需要切換到其他空閑信道繼續(xù)傳輸。需要注意的是，在信道切換之前，需要先對(duì)其他的空閑頻譜塊進(jìn)行評(píng)估，再選擇當(dāng)前最優(yōu)的空閑頻譜塊進(jìn)行切換操作。

5 結(jié)束語

隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，對(duì)時(shí)敏業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保障已成為空間信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迫切需要解決的問題，時(shí)敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的建立勢在必行。本文提出了建立時(shí)敏業(yè)務(wù)空間信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展架構(gòu)，從業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)以及資源3個(gè)層面分析了時(shí)敏業(yè)務(wù)的系統(tǒng)需求，并對(duì)各層面技術(shù)的發(fā)展需求進(jìn)行了總結(jié)與歸納。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.03

Research on Key Technologies of Time Sensitive Space Information Network

YANG Hui,BAI Wei,ZHANG Jie

(State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876,China)

Space information network has become one of the hot topics researched in the field of aeronautics and astronautics.With the development of space information technology and the increase of space communication requirements,new services represented by time-sensitive traffic are emerging.For service demand of the time sensitive traffic,this paper first proposes a technical architecture for time sensitive space information network.Based on this architecture,its key technologies from three aspects including service,network and resource have been analyzed.Finally,the time sensitive space information network technologies and the future development prospects are summarized.

space information network;time-sensitive;multi-dimensional resource;non-symmetric link;service driven;time-varying network

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.02

楊 輝,白 巍,張 杰.時(shí)間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2017,43(3):08-12.

[YANG Hui, BAI Wei, ZHANG Jie. Research on Key Technologies of Time Sensitive Space Information Network[J].Radio Communications Technology, 2017,43(3):08-12.]

2016-12-09

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61501049)

楊 輝(1987—)，男，講師，碩士生導(dǎo)師，工學(xué)博士，主要研究方向：空間信息網(wǎng)絡(luò)、光通信、光載無線網(wǎng)絡(luò)、軟件定義組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)安全等。白 巍(1988—)，男，博士生，主要研究方向：光載無線網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)等。

TN913.6

A

1003-3114(2017)03-08-5