周 健, 孫麗艷, 段愛華, 施文君

1(安徽財經(jīng)大學 管理科學與工程學院,蚌埠 233041)

2(北京郵電大學 計算機學院,北京 100876)

空間通信是空間探索的必備條件,電路交換網(wǎng)絡難以滿足空間探索的需求,建立多跳包交換網(wǎng)絡將增強人類空間探索的能力[1,2],因此空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)從九十年代開始空間網(wǎng)絡研究,其目的是建立若干行星附近的近空網(wǎng)絡,并通過星際主干網(wǎng)絡將這些近空網(wǎng)絡連接起來,提高空間網(wǎng)絡通信效率[3,4],如火星探測任務中建立多跳的通信網(wǎng)絡,在火星表面部署傳感器網(wǎng)絡,在環(huán)日軌道部署多跳傳輸網(wǎng)絡,將地面無線網(wǎng)絡擴展到整個太陽系,提供空間實體的合作,不僅技術(shù)成熟節(jié)約成本,而且提高通信質(zhì)量[5]. 未來,將太陽系內(nèi)不同軌道上的各種衛(wèi)星、星座和航天器等太空信息資源進行有機連接,構(gòu)建集成化、智能化、綜合一體的互聯(lián)網(wǎng),支撐更遠距離的深空探測任務[6].

空間飛行器以集群式方式的執(zhí)行空間任務,但是需要組網(wǎng)技術(shù)支撐[7]. 自組織網(wǎng)絡(Self-organization Networks,SN)是一種分布式、自治、多跳網(wǎng)絡,無固定基礎設施[8],支撐任意的網(wǎng)絡拓撲,較遠的兩個終端的通信可借助其它節(jié)點進行分組轉(zhuǎn)發(fā),因此移動終端具有路由和分組轉(zhuǎn)發(fā)功能. 它具有自治管理、快速部署、容忍損毀和拓撲變化的特點[9],不僅適應飛行器群組的網(wǎng)絡通信,如航空自組織網(wǎng)絡(Aeronautical Ad Hoc Network)、飛行器自組織網(wǎng)絡(Flying Ad Hoc Network),也契合深空網(wǎng)絡的環(huán)境,既可以作為深空主干網(wǎng)絡[10],也可用于行星探測的傳感器網(wǎng)絡,自組織性能減少了地面干預,提高自主運行程度,因此自組織網(wǎng)絡在空間具有廣闊的應用前景,把部署在空間中的自組織網(wǎng)絡稱為空間自組織網(wǎng)絡(Space Self-organization Networks,SSN). 美國航天局(NASA)早期在開展地球環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究時就提出sensor-web構(gòu)想,即由小型衛(wèi)星群、天基和低級設備互聯(lián)構(gòu)成有機統(tǒng)一的信息系統(tǒng); Shen將這一構(gòu)想推廣到了星際探測通信體系結(jié)構(gòu)中,提出了Ad Hoc Space Network[11]的概念,此后又涌現(xiàn)了Satellite Sensor Network[12]、Space-based WSN[13]等概念. 但是空間環(huán)境與地面環(huán)境顯著不同,廣闊的部署面積,遙遠距離、超長飛行時間、開放復雜空間環(huán)境、高昂運輸成本、受限制的支撐平臺,后期維護困難,這些因素導致地面自組織網(wǎng)絡技術(shù)應用于空間通信將會面臨巨大的挑戰(zhàn)[14].

1 空間網(wǎng)絡支撐資源

空間成員依賴一些特定的網(wǎng)絡資源建立網(wǎng)絡.

(1) 頻譜資源,頻率資源是一種有限的、不可再生的自然資源. 不僅地面無線網(wǎng)絡和空間無線網(wǎng)絡競爭頻譜資源,而且空間網(wǎng)絡也在競爭頻譜資源,美國GPS系統(tǒng)和俄羅斯的格洛納斯衛(wèi)星導航系統(tǒng)已占用了80%的“黃金導航頻段”. 目前空間通信使用的頻段包括：C波段、Ku波段、UHF波段、S波段等,這些波段具有不同的物理傳輸特性. 未來動態(tài)分配頻譜模式如認知無線電是自組織深空網(wǎng)絡頻率資源管理的一個重要選擇.

(2) 軌道資源,空間實體依據(jù)軌道運行,不同軌道的通信實體具有不同的性能. 在環(huán)繞行星的軌道方面,以對地靜止軌道位置資源為例,靜止軌道固定在距地35 786公里處,一顆靜止衛(wèi)星可以覆蓋地球表面約40%的區(qū)域,且地球站天線容易跟蹤,信號穩(wěn)定,因此大多數(shù)通信衛(wèi)星、廣播衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星都選用靜止軌道位置. 但是軌道資源有限,且一條軌道上可支撐的空間實體也是有限的,同一頻段、覆蓋區(qū)域相同或部分重疊的對地靜止衛(wèi)星相互間隔一定的距離,例如兩顆衛(wèi)星之間需要在經(jīng)度上間隔不小于2度,導致在整個對地靜止軌道上的同頻段衛(wèi)星通常不會超過150個. 在環(huán)日軌道方面,太陽系內(nèi)的軌道資源具有特殊性質(zhì),根據(jù)太陽系內(nèi)九大行星的運行軌道將太陽系內(nèi)的通信分成九層,每一層次的距離、部署密度、與地球的關(guān)系都顯著不同,如行星軌道遵行開普勒三大定律.

(3) 空間位置資源,如同軌道資源一樣,空間中的一些特殊地理位置具有通信優(yōu)勢,如拉格朗日點,拉格朗日點是一組天體力學的平衡點,具有不變的位置和穩(wěn)定的環(huán)境,在日地系統(tǒng)、地月系統(tǒng)中均存在五個拉格朗日點. 在這些點放置中繼探測器、衛(wèi)星或者空間站,可以建立一個穩(wěn)固的深空通信節(jié)點,保持中繼衛(wèi)星和行星的穩(wěn)定拓撲關(guān)系. 未來利用地月系統(tǒng)、日地系統(tǒng)、日金系統(tǒng)和日火系統(tǒng)的四個拉格朗日點構(gòu)造骨干網(wǎng)絡節(jié)點,優(yōu)化網(wǎng)絡通信.

(4) 空間實體的能力,空間實體的能力受到嚴格的限制,一方面空間實體的體積受到限制,因此攜帶的電池、存儲器和計算器都是有限的,而且后期維護或替換基本不可行; 一方面,空間網(wǎng)絡的實體節(jié)點受空間物理支配,在空間的位置按照一定的規(guī)律動態(tài)變化,導致空間互聯(lián)網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)也隨時間進行有規(guī)律的變化,空間的拓撲位置也限定了空間實體的能力,如離太陽越遠的空間實體,在環(huán)日軌道上具有較大的周期,較小的速度、角速度和加速度.

(5) 時間同步,在空間網(wǎng)絡業(yè)務應用中時間同步數(shù)據(jù)具有一定的特殊性,航天器在生命周期時鐘存在漂移,稱為時間漂移,空間實體隔一定的時間就需要進行時間校正工作. 在傳統(tǒng)的非網(wǎng)絡式的空間任務中各傳輸環(huán)節(jié)的延遲都是固定的,可以在數(shù)據(jù)源修正后發(fā)送,基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)模式難于精確控制時間,導致時間數(shù)據(jù)的非正確性.

(7) 拓撲結(jié)構(gòu),拓撲的劇烈變化導致頻繁的網(wǎng)絡分割,網(wǎng)絡節(jié)點的密度隨時間和空間不同而劇烈變化,一方面導致空間實體在不同的區(qū)域內(nèi)切換,導致系統(tǒng)資源浪費; 一方面可能會導致某一時間內(nèi)節(jié)點過于密集,或者過于稀疏,稀疏地區(qū)的連通性會降低.

(8) 信道鏈路質(zhì)量,通信容量和通信帶寬,它們是空間通信中最稀缺的資源. 鏈路帶寬受到硬件性能、存儲容量和傳輸能量等限制. 信道誤碼率為10-4到10-3之間,而空間網(wǎng)絡的信道最差誤碼率為10-1,空間信道與地面信道之間的顯著差異,使得TCP/IP協(xié)議中的擁塞、數(shù)據(jù)包確認、重傳機制難于應用于空間網(wǎng)絡.

(9) 天體路徑關(guān)系,以太陽系為例,太陽系內(nèi)最重要的星體為太陽和九大行星,九大行星運行具有明顯規(guī)律,共面、逆行和環(huán)繞. 天體在運行中距離發(fā)生改變,由此對網(wǎng)絡通信產(chǎn)生影響.

表1 地面自組織網(wǎng)絡與空間自組織網(wǎng)絡支撐資源對比

2 空間自組織網(wǎng)絡

未來空間網(wǎng)絡的建立以火星探測為目標,因此空間通信技術(shù)的應用主要從地球擴展到太陽系區(qū)域. 因此考察空間自組織網(wǎng)絡技術(shù)的應用,從延時、距離、密度、覆蓋范圍和網(wǎng)絡規(guī)模進行分類.

2.1 星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡

星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡是指新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡和地面無線自組織網(wǎng)絡組成的星地一體化網(wǎng)絡[15],如通過銥星網(wǎng)絡、O3b衛(wèi)星網(wǎng)絡或OneWeb組成空間自組織網(wǎng)絡與地面自組織網(wǎng)絡進行通信. 星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡由行星表面的多個實體和該行星軌道上的多個實體組成的自組織網(wǎng)絡,網(wǎng)絡成員分為兩大類,地表的網(wǎng)絡實體和軌道上的實體,廣泛的應用于地球觀測應用和行星的深空探測任務,如圖1所示,Ad Hoc科學地球觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(SEO)由多個地面站和多個衛(wèi)星動態(tài)配置而成. 地面和空間實體在性能和功能上具有顯著的差異,軌道上的實體比地表實體具有更高的速度,覆蓋面積更大,不受地形影響,但是運行軌跡固定,管理復雜,而地表的實體密度大于空間的實體密度,行動自由,因此星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡既能克服地理環(huán)境的局限,也能提供大容量、低時延的網(wǎng)絡覆蓋,克服地面環(huán)境對地面自組織網(wǎng)絡的通信限制,反之地面自組織網(wǎng)絡可以提供更為精確的操作. 星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡一跳的傳輸延時時間根據(jù)軌道的位置在30 ms (LEO)到300 ms (GEO)之間,網(wǎng)絡帶寬在10 Mbit/s到10 Gbit/s之間,隨著軌道高度的增加,在GEO、MEO、LEO上的衛(wèi)星密度逐漸減小,單個軌道內(nèi)的實體數(shù)量從幾十個到幾百顆不等. 因此星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡具有明顯的層次性,每層具有不同的物理屬性.

圖1 星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡

2.2 星內(nèi)自組織網(wǎng)絡

星內(nèi)自組織網(wǎng)絡是指部署在分布式集群空間飛行器系統(tǒng)中的一種網(wǎng)絡,分布式集群空間飛行器系統(tǒng)中各組成部件的通信呈現(xiàn)自組織網(wǎng)絡性質(zhì). 分布式集群空間飛行器系統(tǒng)[16]是指空間實體分解發(fā)射到空間,并在空間自由組合,運行在不同軌道的空間實體分解的模塊通過組網(wǎng)構(gòu)成一個異構(gòu)集合群體,各模塊可被替代,各個模塊之間具有數(shù)據(jù)信息的交換的能力,實現(xiàn)不同模塊之間的資源共享和分布式計算,提高空間系統(tǒng)對不確定性的快速反應能力. 在特定的空間任務中,空間模塊可以加入、退出、合并、分裂、替換,集群能夠快速的完成集群組建、構(gòu)型變化及模塊飛行器分離/切換等操作,自組織網(wǎng)絡在分布式集群空間飛行器系統(tǒng)中的應用提高空間系統(tǒng)對不確定性的快速反應能力和自主管理能力.

根據(jù)這一構(gòu)思,2006年美國國防預先研究計劃局(DARPA)提出“分離模塊化航天器”的概念,并制定了“未來、快速、靈活、模塊化、自由、飛行”的F6計劃,航天器按功能分解為有效載荷、動力、能源、控制和通信等專門模塊,將這些模塊物理分離,各模塊通過多次發(fā)射在空間形成分布式結(jié)構(gòu),通過編隊飛行和無線傳輸方式構(gòu)成一顆虛擬的大衛(wèi)星,經(jīng)過軌道周期調(diào)整行程初始構(gòu)型,通過信息交互方式建立網(wǎng)絡的初始資源配置及初始路由信息,完成特定的任務. 無限傳輸技術(shù)、編隊飛行控制技術(shù)、網(wǎng)絡化技術(shù)和分布式計算技術(shù)成為F6計劃的關(guān)鍵技術(shù),其中網(wǎng)絡化技術(shù)的目標是使“分離模塊航天器”構(gòu)成一個自組織網(wǎng)絡,功能模塊自組織加入到網(wǎng)絡中,網(wǎng)絡規(guī)模隨著模塊的加入自適應擴展,具有高可靠性和高可用性. 由于“分布式集群空間飛行器”系統(tǒng)有一定的作用半徑,因此星內(nèi)自組織網(wǎng)絡的成員距離是有限的,星內(nèi)分散的成員距離在幾米到幾十米距離之間,集群間傳輸控制指令而非數(shù)據(jù),因此對帶寬較低,密度與地面自組織網(wǎng)絡相似,但是與地面自組織網(wǎng)絡不同,星內(nèi)自組織網(wǎng)絡不僅是異構(gòu)的,而且需要多個異構(gòu)實體組合具有功能性,單個的實體不具有功能性. 星內(nèi)自組織網(wǎng)絡以功能為導向,強調(diào)成員間通過通信進行協(xié)作.

2.3 星間集群自組織網(wǎng)絡

星間自組織網(wǎng)絡是指由多顆同構(gòu)的空間實體以自組織網(wǎng)絡形式通信,空間實體身份對等,承擔數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務. 根據(jù)空間實體距離的大小,分為三種：(1) 星群;(2) 星座; (3) 編隊飛行. 距離分布從幾十米到幾千米[17].根據(jù)軌道位置,分為單軌道和多軌道.

衛(wèi)星星座部署在單一軌道內(nèi),環(huán)繞衛(wèi)星位于多邊形的頂點,并相對于某一參考衛(wèi)星(或虛擬衛(wèi)星-基準點)形成特定的編隊構(gòu)形在軌道上飛行. 以編隊飛行繞飛軌道(Flying Around Orbit)的衛(wèi)星群(Satellite Cluster)組成空間自組織網(wǎng)絡,空間距離較近,飛行器群同構(gòu),例如AFRL計劃在2004年發(fā)射三顆衛(wèi)星在橢圓軌道上飛行,衛(wèi)星相對距離為100米到5公里. 衛(wèi)星星座布置在多個不同的軌道上,如圖2所示,形成一個三維的拓撲結(jié)構(gòu). 如多個衛(wèi)星組成環(huán)繞不同軌道的Delta星座和玫瑰星座. 如多個立方體納形衛(wèi)星可以組合成一個微型衛(wèi)星[18],在以星座組網(wǎng)或星群編隊的形式執(zhí)行分布式空間任務方面,具有極大的優(yōu)勢.

圖2 基于F6結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星組件群

皮納衛(wèi)星體現(xiàn)航天器微型化趨勢. 文獻[19]將地面Ad Hoc網(wǎng)絡的概念引入到皮納衛(wèi)星集群飛行任務中,提出了皮納衛(wèi)星Ad Hoc網(wǎng)絡的概念. 皮納衛(wèi)星在質(zhì)量、體積和功耗上要求更為苛刻,納衛(wèi)星重量在10 kg以下,皮衛(wèi)星在1 kg以下. 衛(wèi)星的距離在1 m到10 m之間. 要求控制精度較高. NASA提出的ANTS計劃(Autonomic Nano Technology Swarm)中的PAM計劃預計于2020～2025年構(gòu)建由1000顆皮衛(wèi)星組成的集群航天器系統(tǒng),用于對小行星帶進行科研觀測,此系統(tǒng)的拓撲具有規(guī)律性,每顆皮星都將搭載特定的檢測設備以及智能化的星載計算機,使得整個分布式系統(tǒng)針對空間任務的不同工況具有自主性,能夠智能調(diào)配網(wǎng)絡中資源以保證任務的順利執(zhí)行.

圖3 立方體星空網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)組成

空間實體分布密度依賴軌道特點和衛(wèi)星性能,分布在同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星,間隔2-3度,因此同一軌道內(nèi)的衛(wèi)星最多150顆,而皮納衛(wèi)星受限體積和質(zhì)量,因此空間傳輸距離有限,皮納衛(wèi)星群的密度較大.

2.4 星際自組織網(wǎng)絡

為了實現(xiàn)行星間的信息傳輸,一種通用信息交換網(wǎng)絡星際英特網(wǎng)(Interplanetary Internet Network,IPN)被提出,并作為空間主干網(wǎng)提供行星間的互聯(lián)互通. 目前,IPN只是提出一個框架,具有傳輸延時大、傳輸損耗大、斷續(xù)通信、信道誤碼率高等缺陷,采用Internet的TCP/IP技術(shù)是不能滿足星際間的傳輸需求.

圖4 星際自組織網(wǎng)絡

將自組織網(wǎng)絡應用在星際主干網(wǎng)絡中,稱為星際自組織網(wǎng)絡( Interplanetary Self-organization Network,IPSN). 空間實體被部署在不同的行星軌道上,傳輸距離在兩個行星之間的最長和最遠距離之間,如火星和地球之間的距離在5500萬公里到4億公里之間. 行星之間的超遠距離,使得傳輸延時單位在分鐘,甚至小時.由于空間實體被部署在不同的行星附近,因此星際自組織網(wǎng)絡的密度非常稀疏. 地球與其他行星之間的光時也是隨著時間變化的,大約一年時間能夠偏移1 s到270 ms不等,提供準確的同步支持在星際自組織網(wǎng)絡很重要. 高速移動性、較大的覆蓋面積導致鏈路的狀態(tài)較大,信號傳播模型和天線的結(jié)構(gòu)是物理層關(guān)注的焦點,因此MAC層設計是一個顯著挑戰(zhàn),而目前的IEEE 802.11協(xié)議的物理層和鏈路層也不適用長距離的通信傳輸,如基于全方向的天線和信道模式. 星際間的長時間鏈路需要保存一些信息：拓撲管理,路徑計算,異構(gòu)網(wǎng)絡管理,因此星際自組織網(wǎng)絡的實體具有較強的存儲、計算等能力.

如表2所示,給出四種不同空間自組織網(wǎng)絡的對比,星內(nèi)自組織網(wǎng)絡與地面自組織網(wǎng)絡較為相似,但是具有異構(gòu)性,而星際自組織網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的差距最大,星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡具有不同的層次結(jié)構(gòu),星間自組織網(wǎng)絡覆蓋面積比地面自組織網(wǎng)絡大.

表2 空間自組織網(wǎng)絡的比較 (AU為一個地日距離,7.9 km/s為第一宇宙速度,11.2 km/s為第二宇宙速度.)

3 研究方向

未來空間探索具有四個趨勢,(1) 長距離探索,空間探測從近地空間、月地空間過度到深空空間,空間探測區(qū)域從地球區(qū)域擴展到太陽系區(qū)域,以火星探測為核心內(nèi)容的深空探測; (2) 軌道環(huán)繞,從飛行軌道上看,從飛掠勘察探測逐步過渡為更為深入的長期環(huán)繞遙感探測; (3) 從飛行器能力上,短期的低智能探測器將逐步過渡到具高度自主性的移動機器人探測器; (4)從空間實體規(guī)?？?近地軌道單探測器的觀測任務將逐漸過渡到多探測器陣列觀測靈活性更強的探測任務.自組織空間網(wǎng)絡的發(fā)展需要滿足上述發(fā)展趨勢.

3.1 空間網(wǎng)絡協(xié)議棧

在網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)中,將空間不同軌道的各種衛(wèi)星、星座和航天器等太空信息資源進行有機連接,構(gòu)建集成化、智能化、綜合一體的太空信息網(wǎng)絡需要網(wǎng)絡協(xié)議支撐. 目前鮮有文獻論述自組織網(wǎng)絡協(xié)議棧,或是改進協(xié)議棧中某個層次,或是重新構(gòu)造物理層. 空間網(wǎng)絡協(xié)議棧的研究集中空間互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議[20],主要有四種：(1)空間IP協(xié)議,與地面通信無需協(xié)議轉(zhuǎn)換,技術(shù)成熟,但是極高的延時對于基于端到端重傳協(xié)議和短延時的TCP來說是滿足不了深空傳輸性能要求. (2) 自主開發(fā)的空間通信協(xié)議SCPS,基于TCP/IP的重傳機制仍舊限制SCPS的應用前景. (3) CCSDS高級在軌系統(tǒng)標準,CCSDS體系結(jié)構(gòu)不完整,難于和地面網(wǎng)絡互連,必須進行協(xié)議轉(zhuǎn)換. (4) DTN協(xié)議[21-23],DTN引入捆綁層,進行虛信息的發(fā)送而不是分組交換,不假定在發(fā)送端和接收端存在端到端的路徑,解決了高延時和高誤碼率的問題,目前DTN協(xié)議主要構(gòu)建在基于窗口和多次握手的TCP/IP協(xié)議基礎上[24]. 四種協(xié)議主要借鑒Internet協(xié)議,因此距離空間自組織網(wǎng)絡的應用需求還有一定距離. 未來,IPV4地址規(guī)模不能滿足空間需要,協(xié)議棧中空間地址需要進一步擴展; 可靠傳輸協(xié)議需要適應空間物理屬性,協(xié)議棧中存儲空間屬性知識,有利于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率.

3.2 空間自組織網(wǎng)絡路由協(xié)議

空間自組織網(wǎng)絡路由協(xié)議：空間自組織網(wǎng)絡的路由協(xié)議設計是一個關(guān)鍵問題,由于空間環(huán)境復雜、誤碼率較高、延時較大、無全局信息給路由設計帶來巨大的障礙. 極端的環(huán)境限制和無法獲得及時的維護,空間路由設計需要分布式處理和本地決策,以實現(xiàn)路由的自治和可重組.

目前空間路由設計主要分為兩類：一類基于空間位置屬性預測的路由協(xié)議[24],空間自組織網(wǎng)絡的實體具有顯著的運行規(guī)律,空間中節(jié)點在一定范圍內(nèi)繞飛,組成的拓撲結(jié)構(gòu)具有周期性,航天器和天體之間的運動規(guī)律具有確定性,因此針對航天任務的路由算法與傳統(tǒng)的基于預測的地面路由算法具有本質(zhì)的不同,專門針對提出了連接圖路由算法在算法中假定鏈路的連接機會是計劃好或者規(guī)劃好的而不是預測或發(fā)現(xiàn)的.利用空間實體的軌道知識提高路由選擇質(zhì)量[25],文獻[26]在測試床的基礎上設計Contract Graph Router,能夠根據(jù)天體運行規(guī)律預測實體的運行軌道,因此空間實體具有全局路由的拓撲結(jié)構(gòu),并在此基礎上驗證了多條通信比單跳通信具有更好的傳輸效率. 一類通過優(yōu)化現(xiàn)有協(xié)議性能的路由協(xié)議,文獻[27]中研究了基于DTN的路由協(xié)議的最大吞吐量問題,并且考慮了端到端的時變對拓撲結(jié)構(gòu)的影響問題,文獻[28,29]基于能量和鏈路狀態(tài)設計包的阻塞因子,為擁塞控制策略使用. 目前路由研究主要集中于環(huán)繞地球的行星軌道的衛(wèi)星星座、星地網(wǎng)絡和飛行編隊,上述的路由設計,距離和延時都較短[30,31]. SGR路由協(xié)議基于層次結(jié)構(gòu)[32],分為兩個部分外部SGR和內(nèi)部SGR,前者使用基于位置預測的方向性廣播解決不自治域之間的數(shù)據(jù)傳輸問題,后者采用接受者初始化按需路由RIRO解決自治域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸問題.

自組織網(wǎng)絡中有兩類路由,先驗式路由維護全局網(wǎng)絡信息,難于在覆蓋范圍巨大,長延時的空間范圍內(nèi)維護一致的、及時的、準確的路由信息. 反應式路由包括按需距離矢量路由協(xié)議(AODV)和動態(tài)源路由協(xié)議(DSR). AODV記錄下一條時間,鑒于空間實體的軌道具有可預期性,因此將下一條的選擇應與空間實體的物理特性和軌道運行規(guī)律相互結(jié)合,適合網(wǎng)絡規(guī)模較大,距離較近的空間網(wǎng)絡. DSR中每個節(jié)點記錄整個路由,因此路由信息結(jié)構(gòu)多于AODV,路由表的維護也應與空間實體的物理特性和軌道運行規(guī)律相互結(jié)合,適合網(wǎng)絡規(guī)模稀疏,距離較遠的空間網(wǎng)絡. 巨大的覆蓋面積使得實際應用中需要多種路由機制的組合使用.將DTN路由技術(shù)應用于Ad Hoc網(wǎng)絡的AODV和DSR中,利用“存儲、攜帶、轉(zhuǎn)發(fā)”的機制,以及在空間中一些特殊的位置部署轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點,能夠提高數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的成功率[33]. 進一步將未來空間路由的一項重要指標是優(yōu)化能源,降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪茉聪臉O大的提高空間實體的生命周期. 星圖識別的導航應用于空間網(wǎng)絡路由設計[34],空間實體通過識別空間星座尋找可達路徑,使得空間實體的路由選擇具有自主應對環(huán)境的能力.

3.3 空間自組織網(wǎng)絡安全管理

空間自組織網(wǎng)絡的安全包含兩個方面,網(wǎng)絡信息傳輸?shù)臄?shù)據(jù)安全和支撐網(wǎng)絡硬件設備的物理安全.

在物理安全性上,空間實體很容易被捕獲或者損毀,宇宙輻射或太陽耀斑可能引發(fā)實體重啟,空間物體的碰撞很容易造成單點失效問題.

在數(shù)據(jù)安全性上,數(shù)據(jù)傳輸?shù)目缭骄嚯x如此之長,空間覆蓋面積大、環(huán)境更加開放,空間自組織網(wǎng)絡安全威脅更加嚴重,很容易被攻擊者竊取篡改,因此提供加密和認證是十分必要的[35]. 一方面,在集中式的安全管理策略建立認證中心CA或密鑰管理中心KMC的方式難以實現(xiàn)覆蓋空間網(wǎng)絡,很容易造成單點失效和拒絕服務問題,造成網(wǎng)絡擁塞和服務的長時間延時; 一方面,基于身份的密鑰減少密鑰分發(fā)和驗證、提高自組織空間網(wǎng)絡管理效率,無需在線密鑰管理中心支持,但是系統(tǒng)安全性有賴于基于雙線性對的主密鑰[36,37];最后,長距離傳輸必然導致長延時效應,數(shù)據(jù)在傳輸中保留時間的不確定性、高速飛行[38]和非可靠端到端導致空間網(wǎng)絡很容易遭受重放攻擊,基于時間的抗中間人攻擊的密鑰協(xié)議無法應用具有時間漂移的空間網(wǎng)絡中. 一些新的密鑰協(xié)議和認證方案被應用于空間網(wǎng)絡中,如基于單加密密鑰多解密密鑰的密鑰交互協(xié)議本地化的更新密鑰減少通信延時和網(wǎng)絡負載[39-41],基于屬性的加密解密密鑰協(xié)議適用于星內(nèi)自組織網(wǎng)絡,群授權(quán)提高認證的靈活性和效率性,而且經(jīng)過的多次加密解密不能破壞源的認證過程[42]. 空間網(wǎng)絡的安全研究主要集中在衛(wèi)星的密鑰管理,適合星地、星內(nèi)合星間的自組織網(wǎng)絡,而對于星際自組織網(wǎng)絡,長時間的延時和非同步性破壞了上述密鑰管理的運行基礎.

3.4 拓撲和移動模型研究

自組織網(wǎng)絡應用不同的環(huán)境,具有不同的移動模型. MANET網(wǎng)絡的移動模型為Random Waypoint Mobility Model,隨機路點移動模型. VANET網(wǎng)絡的移動模型基于公路結(jié)構(gòu),FANET的移動模型空間飛行軌跡,空間自組織網(wǎng)絡的移動模型是環(huán)行星或環(huán)日軌道結(jié)構(gòu),飛行的軌跡具有較強的可預測性.

為保持飛行姿態(tài)和軌道,空間實體必須保持一定的速度,如為達到環(huán)繞地球的第一宇宙速度和環(huán)日的第二宇宙速度,這些空間實體的運動速度遠高于地面的無線自組織網(wǎng)絡實體的速度.

空間網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)和移動也導致網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域的不同,如Iridium幾乎中66顆衛(wèi)星提供實施全覆蓋的地球通信[43],A-Train計劃中6個同步衛(wèi)星提供地球大氣和表面的三維數(shù)據(jù)[44].

集群航天器網(wǎng)絡拓撲變化頻繁,網(wǎng)絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包含各類控制參數(shù),如編隊控制指令等,網(wǎng)絡對數(shù)據(jù)傳輸時延、丟包率等指標的要求更為嚴格. 拓撲和移動模型決定“預備-存儲-轉(zhuǎn)發(fā)-處理”機制性能.

3.5 空間自組織網(wǎng)絡架構(gòu)

空間自組織網(wǎng)絡架構(gòu)決定未來空間網(wǎng)絡的性能和屬性[45]. 未來火星探測空間網(wǎng)絡的建立有賴于合理的網(wǎng)絡架構(gòu)設計. NASA SPACE Communication提出空間通信結(jié)構(gòu)(Space Communication & Navigation Architecture,SCNA),包括四層結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡層(overlapping network)、安全層(security)、頻譜管理層(RF Spectrum)和導航層(Navigation architecture). 該結(jié)構(gòu)建立在空間實體的部署位置基礎上,未來空間自組織網(wǎng)絡架構(gòu)也應滿足此要求,但是該結(jié)構(gòu)未考慮空間物理特性,以及復雜結(jié)構(gòu)導致的大規(guī)模數(shù)據(jù)和處理的失效性,特別是空間的時空結(jié)構(gòu)、星圖結(jié)構(gòu)、以及分布式飛行器分離模塊的結(jié)構(gòu)等.

圖5 空間自組織網(wǎng)絡架構(gòu)

空間自組織網(wǎng)絡的整體結(jié)構(gòu)由上述四種不同的空間自組織網(wǎng)絡融合而成,建立以星際自組織網(wǎng)絡為主干網(wǎng),星內(nèi)/星間自組織網(wǎng)絡為轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng),星地自組織網(wǎng)絡為末端的空間一體化網(wǎng)絡,網(wǎng)絡容忍空間實體的拓撲結(jié)構(gòu)變化,自治區(qū)域無中心網(wǎng)絡. 其中星際自組織網(wǎng)絡覆蓋面積廣闊,長距離的傳輸延時使得協(xié)議棧中的鏈路協(xié)議和路由協(xié)議難于建立可靠的端到端鏈接,在時空結(jié)構(gòu)的基礎上建立存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制,如圖6所示; 星內(nèi)自組織網(wǎng)絡距離較近,一次任務由多個模塊完成,因此對星內(nèi)自組織網(wǎng)絡的實時通信要求較高,在分布式飛行器分離模塊的結(jié)構(gòu)的基礎上建立即時通信網(wǎng)絡; 星間自組織網(wǎng)絡和星地自組織網(wǎng)絡基于星圖結(jié)構(gòu)建立可靠通信網(wǎng)絡,如圖6所示. 空間自組織網(wǎng)絡的實體根據(jù)本地的空間屬性自治的管理通信資源,提高通信效率.

圖6 基于DTN的自組織網(wǎng)絡協(xié)議棧

4 空間自組織網(wǎng)絡發(fā)展的幾點建議

結(jié)合當前空間技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來空間任的潛在需求,空間自組織網(wǎng)絡的主要研究任務可分為以下幾點：

(1) 以皮納衛(wèi)星為組網(wǎng)對象,探索基于微型衛(wèi)星的空間自組織網(wǎng)絡技術(shù),探索在欠缺資源條件下建立面向集群任務需求的空間自組織網(wǎng)絡資源管理優(yōu)化的新方法和新機理.

(2) 基于地面自組織網(wǎng)絡與DTN網(wǎng)絡的融合,摸索DTN網(wǎng)絡的匯聚層和自組織網(wǎng)絡的路由層、傳輸層融合方法.

(3) 研究空間實體的物理運動規(guī)律和信息傳播之間的規(guī)律,從而建立空間的信息物理網(wǎng),結(jié)合空間飛行器運行軌道、特殊物理位置點和資源調(diào)度設計空間自組織網(wǎng)絡的路由發(fā)現(xiàn)機制,改進現(xiàn)有的自組織網(wǎng)絡路由協(xié)議,將空間屬性融入?yún)f(xié)議中,提高位置預測概率進而提高存儲轉(zhuǎn)發(fā)策略的成功率.

(4) 部署空間PKI基礎設施,設計延時少、交互少、更新規(guī)模少的群組密鑰管理方案,提高空間網(wǎng)絡的安全.

(5) 建立空間數(shù)據(jù)庫,通過空間數(shù)據(jù)庫的大數(shù)據(jù)分析為空間網(wǎng)絡提供預測.

5 結(jié)束語

空間自組織網(wǎng)絡的提出適應未來空間技術(shù)的需求.首先,編隊飛行、分離模塊航天器、星簇結(jié)構(gòu)、衛(wèi)星集群等分布式空間體系結(jié)構(gòu)相關(guān)概念相繼被提出,多航天器協(xié)同開展空間任務成為空間技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢. 其次,整體式的航天器構(gòu)造成本高昂,各部分耦合程度較高,單個部件的損毀影響整個航天器的壽命因此深空探索自主系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)將由集中式自主運行模式向分布式自主運行模式發(fā)展. 最后,針對深空的探測活動日益增多,如何利用網(wǎng)絡技術(shù)支撐空間探索,需要在空間部署主干網(wǎng)絡,主干網(wǎng)絡的性能決定空間探索的效率. 綜合上述,自組織網(wǎng)絡的內(nèi)在特性能夠主動應對環(huán)境的變化,自治調(diào)整網(wǎng)絡屬性,無需人工干預的前提下提高通信效率,因此自組織網(wǎng)絡在空間中具有廣闊的應用前景.

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