曹先彬，楊朋

北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院臨空信息系統(tǒng)先進(jìn)技術(shù) 工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083

臨空信息網(wǎng)絡(luò)是以各類臨近空間平臺(tái)、高空和低空飛行平臺(tái)為載體，實(shí)時(shí)獲取、傳輸和處理空間信息的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的核心組成部分[1]。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是中國“科技創(chuàng)新2030——重大項(xiàng)目”中首個(gè)啟動(dòng)的重大工程專項(xiàng)項(xiàng)目，自被列入國家“十三五”規(guī)劃綱要之后，又被納入“新基建”的范疇，并繼續(xù)被列為國家“十四五”規(guī)劃綱要。近年來，在應(yīng)急救援和對(duì)地觀測(cè)等重大需求的推動(dòng)下，中國以及全球其他一些主要國家關(guān)于大力發(fā)展和建設(shè)臨空信息網(wǎng)絡(luò)的緊迫性越來越強(qiáng)。相比于天基網(wǎng)絡(luò)，臨空信息網(wǎng)絡(luò)更接近地面用戶，能提供高速率、大容量通信服務(wù)。相比于地面網(wǎng)絡(luò)，臨空信息網(wǎng)絡(luò)能快速延伸通信距離、提供廣域通信覆蓋；因此，臨空信息網(wǎng)絡(luò)兼具了天基網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)，是地面網(wǎng)絡(luò)和天基網(wǎng)絡(luò)的重要補(bǔ)充。此外，臨空信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的高靈活性、部署的高時(shí)效性、平臺(tái)的高機(jī)動(dòng)性、以及能實(shí)現(xiàn)廣域覆蓋、局部增強(qiáng)的特殊性必然會(huì)將人類開展公共安全應(yīng)急響應(yīng)與救災(zāi)和對(duì)地觀測(cè)等重大任務(wù)的能力提升到一個(gè)新的高度。

作為一種新興信息網(wǎng)絡(luò)，臨空信息網(wǎng)絡(luò)需要解決許多新的問題，主要包括臨空信道建模、臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署、網(wǎng)絡(luò)接入控制、高可靠低時(shí)延通信等，其中信道建模與動(dòng)態(tài)部署是其需要重點(diǎn)突破的關(guān)鍵問題。臨空信道建模旨在研究電磁波在臨空信道中的傳播規(guī)律問題，是關(guān)于臨空信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理論分析、性能評(píng)估、動(dòng)態(tài)部署等諸多重要問題的研究基礎(chǔ)。動(dòng)態(tài)部署旨在研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)中各空中平臺(tái)的空間部署位置動(dòng)態(tài)尋優(yōu)問題，是使能臨空信息網(wǎng)絡(luò)有效滿足用戶服務(wù)請(qǐng)求的核心技術(shù)。本文重點(diǎn)研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)信道建模與動(dòng)態(tài)部署關(guān)鍵技術(shù)，著重剖析臨空信息網(wǎng)絡(luò)在信道建模與動(dòng)態(tài)部署2方面面臨的重大挑戰(zhàn)，并展望應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)。

本文接下來的組織結(jié)構(gòu)如下：首先，描述臨空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及限制；其次，展望臨空信息網(wǎng)絡(luò)信道建模關(guān)鍵技術(shù)；再次，展望臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署關(guān)鍵技術(shù)；接下來，指出臨空信息網(wǎng)絡(luò)未來其他重點(diǎn)研究方向；最后，總結(jié)全文。

1 臨空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及限制

臨空信息網(wǎng)絡(luò)是部署在距離地表高度為22 km的空域內(nèi)，由臨近空間飛行平臺(tái)(簡稱，臨空平臺(tái))、大型長航時(shí)飛行平臺(tái)及低空飛行平臺(tái)組成的綜合性信息網(wǎng)絡(luò)，其綜合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示[2]。根據(jù)部署高度的不同，空中平臺(tái)將完成分層部署，構(gòu)成分層子網(wǎng)，并對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的用戶實(shí)行聚焦覆蓋。各子網(wǎng)與地面網(wǎng)絡(luò)互連，以便大容量數(shù)據(jù)及時(shí)回傳。相比于天基網(wǎng)絡(luò)，臨空信息網(wǎng)絡(luò)具有規(guī)劃部署快、平臺(tái)高度低、時(shí)空尺度小等特點(diǎn)，所以其在應(yīng)急救援和對(duì)地觀測(cè)等方面具有反應(yīng)迅速和觀測(cè)精準(zhǔn)等優(yōu)勢(shì)。此外，在臨空信息網(wǎng)絡(luò)中，不同高度層的平臺(tái)(或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn))可以按照任務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)渲貥?gòu)和服務(wù)響應(yīng)能力的快速伸縮，從而有效提升臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)立體觀測(cè)與應(yīng)急響應(yīng)的機(jī)動(dòng)性和時(shí)效性。完成構(gòu)建的臨空信息網(wǎng)絡(luò)將具備特定任務(wù)響應(yīng)的廣域覆蓋與局部增強(qiáng)能力，包括增強(qiáng)快速響應(yīng)能力，增強(qiáng)信息獲取精度、頻次與維度等。

臨空信息網(wǎng)絡(luò)的部署空域包括了民航通信所在空域和低空通信空域?；诘厍蛲杰壍佬l(wèi)星的天基通信是民航通信的主要解決方案，其中，衛(wèi)星在民航飛機(jī)與地面接入網(wǎng)間起到信息中繼的作用，實(shí)現(xiàn)民航飛機(jī)與地面接入網(wǎng)間信息的透明彎管傳輸。該方案能提供民航飛機(jī)在全球任何民航空域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，且網(wǎng)絡(luò)切換不頻繁，通信可靠性高；不過，天基通信的成本高、時(shí)延大，難以有效滿足未來民航通信的要求[3]?；诘孛鎸Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)的地基通信是民航通信的另一種重要解決方案，其中，民航飛機(jī)直接通過空中接口與專用地面宏基站相連，實(shí)現(xiàn)高速低時(shí)延的信息傳輸；但是，受限于地面基站的建設(shè)，地基通信方案不支持跨洋國際航線[4]。近年來，低空無人機(jī)通信成為低空空域通信的熱點(diǎn)研究內(nèi)容。國內(nèi)外研究人員分別從無人機(jī)自組織網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)景、通信協(xié)議設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)安全、信道建模等方面綜述了無人機(jī)通信[5-12]。考慮到單架低空無人機(jī)的能力極其有限，為提升基于無人機(jī)的低空通信網(wǎng)絡(luò)的魯棒性、生存能力和服務(wù)能力等，研究人員達(dá)成了基于多架低空無人機(jī)構(gòu)建平面(或?qū)哟?Mesh型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或Ad hoc拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多無人機(jī)網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)。

組成臨空信息網(wǎng)絡(luò)的空中平臺(tái)種類繁多。其平臺(tái)重量從幾百克到數(shù)百千克不等，各平臺(tái)的載荷能力有所不同，可裝備的天線類型亦有差異，例如，低空微型飛行平臺(tái)往往只配備一根天線[13]，臨空平臺(tái)則能配置大規(guī)模天線陣列[14]。相比于地面網(wǎng)絡(luò)，臨空信息網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)數(shù)量少，網(wǎng)絡(luò)稀疏；然而，其平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性高，平臺(tái)的飛行速度可以達(dá)到數(shù)百公里每小時(shí)[15]。此外，空中平臺(tái)的覆蓋范圍與平臺(tái)的部署高度正相關(guān)，單個(gè)臨空平臺(tái)的覆蓋半徑可高達(dá)150 km，單個(gè)低空微型飛行平臺(tái)的覆蓋半徑可能只有數(shù)十米。空中平臺(tái)的覆蓋范圍與通信仰角反相關(guān)，考慮到部署環(huán)境的影響，地面用戶與臨空平臺(tái)間的最小實(shí)用仰角為5°，不過，為緩解過度地面雜波的影響，通常將通信仰角設(shè)計(jì)為15°?？紤]到信號(hào)遮擋和陰影等影響，需要設(shè)計(jì)一個(gè)較高的地面用戶到低空微型飛行平臺(tái)的通信仰角。

依賴于空中平臺(tái)攜帶的載荷種類，臨空信息網(wǎng)絡(luò)能提供多種不同類型的服務(wù)。例如，空中平臺(tái)能擔(dān)任空中移動(dòng)基站的角色為地面用戶提供應(yīng)急通信恢復(fù)與保障服務(wù)，能充當(dāng)空中中繼節(jié)點(diǎn)承擔(dān)信息中繼任務(wù)，也能通過掛載不同類型的傳感器來執(zhí)行計(jì)算、導(dǎo)航、監(jiān)視、感知等特種任務(wù)[16]。

臨空信息網(wǎng)絡(luò)部署在立體空域中，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多樣性的特點(diǎn)。臨空信息網(wǎng)路的高空部署環(huán)境相對(duì)簡單，高層子網(wǎng)可以采用星型、鏈型或Mesh型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[16]。實(shí)際應(yīng)用中，場(chǎng)景任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本決定了高層子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且成本更加關(guān)鍵。例如，為實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的臨空飛艇與地面用戶間的傳輸，理論可行的方案是采用多艘臨空飛艇構(gòu)成鏈型拓?fù)?，但是，單艘臨空飛艇當(dāng)前的造價(jià)高達(dá)數(shù)千萬元人民幣，因此，考慮到制造成本，實(shí)際的方案可能是僅采用一艘臨空飛艇，并通過租用衛(wèi)星鏈路的方式實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸。臨空信息網(wǎng)絡(luò)中的低空部署環(huán)境復(fù)雜，星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)往往難以保證低空水平子網(wǎng)的連通性和可靠性；因此，低空水平子網(wǎng)可以維護(hù)Mesh型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[17]。臨空信息網(wǎng)絡(luò)不同高度層的平臺(tái)可以互連互通，形成跨層垂直子網(wǎng)，提升子網(wǎng)的服務(wù)能力和覆蓋范圍。

臨空信息網(wǎng)絡(luò)中的平臺(tái)能支持2類通信鏈路，分別是載荷通信鏈路與非載荷控制鏈路。為支持載荷通信，S波段頻率2.4～2.483 5 GHz和C波段頻率5.725～5.85 GHz被分配給低空飛行平臺(tái)[18]；為支持非載荷控制鏈路，L波段頻率960～977 MHz和C波段頻率5.03～5.091 GHz被分配給低空飛行平臺(tái)[19]。大型長航時(shí)飛行平臺(tái)的軍事用途廣泛，因此尚未公開特定工作頻段。為協(xié)助臨空平臺(tái)的部署，ITU將48 GHz毫米波頻段指定給臨空平臺(tái)在全球范圍內(nèi)使用，31/28 GHz頻段指定給其在特定國家使用。臨空平臺(tái)亦支持2 GHz頻段和6 GHz頻段，以分別提供IMT-2000最低服務(wù)保障和作為IMT-2000的網(wǎng)關(guān)鏈接使用[20]。表1展示了當(dāng)前分配給臨空信息網(wǎng)絡(luò)的頻段。

表1 臨空信息網(wǎng)絡(luò)頻段使用表[16,19,20]Table 1 An overview of spectrum bands dedicated for near space information network[16,19,20]

在臨空信息網(wǎng)絡(luò)限制方面，為維護(hù)國家安全、公共安全、飛行安全，臨空信息網(wǎng)絡(luò)的部署空域受到嚴(yán)格的監(jiān)管與限制。例如，中國民航局分別于2018年1月和2021年7月發(fā)布了《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》和《民用無人駕駛航空器系統(tǒng)空中交通管理辦法》，對(duì)不同尺寸、不同起飛重量的無人駕駛航空器在國界邊境、人口稠密區(qū)、重點(diǎn)地區(qū)等的飛行空域設(shè)置了禁飛和管控空域，并限定了各無人駕駛航空器的工作頻率、功率等技術(shù)指標(biāo)。

此外，由于臨空平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制造對(duì)成本與技術(shù)的要求較高，所以全球僅有少數(shù)幾個(gè)國家的少數(shù)幾個(gè)(非)盈利組織有能力構(gòu)建臨空信息網(wǎng)絡(luò)。然而，這并不影響臨空信息網(wǎng)絡(luò)成為全球范圍的研究熱點(diǎn)和學(xué)術(shù)前沿。

2 臨空信息網(wǎng)絡(luò)信道建模

信道建模一直以來都是無線通信領(lǐng)域的基礎(chǔ)和熱點(diǎn)研究問題。在低空無人機(jī)信道建模研究方向，近年來，基于實(shí)際信道測(cè)量和模擬仿真方法研究人員構(gòu)建了大量低空無人機(jī)空對(duì)空和空對(duì)地信道模型。其中，文獻(xiàn)[10]綜述了基于信道測(cè)量方式和統(tǒng)計(jì)建模的低空無人機(jī)信道建模方法，并將無人機(jī)信道模型劃分為確定型、隨機(jī)型、幾何-隨機(jī)型3類模型。文獻(xiàn)[11]主要綜述了基于信道測(cè)量的低空無人機(jī)空對(duì)地信道建模方法，并概述了測(cè)量頻率、配置、環(huán)境、空地信道測(cè)量的挑戰(zhàn)、探測(cè)波形類型、仰角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。此外，文獻(xiàn)[12]綜述了多種低空無人機(jī)部署場(chǎng)景下基于信道測(cè)量和無人機(jī)的空對(duì)空和空對(duì)地信道建模方法?？傮w而言，現(xiàn)有低空無人機(jī)信道建模方法重點(diǎn)研究氣象因素(如自由空間損耗、大氣損耗、雨衰等)與非氣象因素(如頻段、間歇性多徑效應(yīng)、窄帶衰落、多普勒擴(kuò)展、延遲色散、機(jī)身遮擋等)對(duì)無人機(jī)通信信號(hào)衰落的影響。詳細(xì)的低空無人機(jī)信道建模方法可以參考文獻(xiàn)[10-12]及其中的參考文獻(xiàn)。

在臨空信道建模研究方向，盡管研究人員對(duì)臨空信道建模問題開展了初步探索[21-27]，然而，這些工作沒有繼續(xù)研究臨空信道模型中的高精度信道參數(shù)估計(jì)問題；所以，所構(gòu)建的模型不夠準(zhǔn)確。此外，調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段研究人員尚未開展臨空信息網(wǎng)絡(luò)普適信道建模問題的研究。精確度是信道模型最重要的性能指標(biāo)，高精度信道模型將對(duì)通信理論技術(shù)研究、通信系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響；模型的普適性或通用性則是僅次于精確度的重要指標(biāo)。本文接下來展望這2方面研究的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 高精度臨空信道建模

得益于陣列增益、分集增益和共信道干擾消除等，陣列天線能極大地提升信道容量并改善通信質(zhì)量。但能否受益于陣列天線，取決于空中平臺(tái)的載荷能力。相比于低空飛行平臺(tái)，臨空平臺(tái)具有更強(qiáng)的載荷能力，因此，在臨空平臺(tái)上安裝陣列天線是一個(gè)國際共識(shí)。再者，由于臨空平臺(tái)主要工作在毫米波頻段，所以，現(xiàn)階段，臨空平臺(tái)在實(shí)際通信過程中推薦采用毫米波陣列天線通信技術(shù)。這給信息傳輸帶來高增益、高帶寬通信優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，也給臨空信道建模帶來了極大的挑戰(zhàn)。首先，超長距離衰減是毫米波通信技術(shù)面臨的一大挑戰(zhàn)；其次，臨空信息網(wǎng)絡(luò)的信道將通過整個(gè)對(duì)流層，ITU和3GPP指出在對(duì)流層傳輸環(huán)境下，毫米波通信將受大氣、雨水、閃爍等復(fù)雜氣象條件的嚴(yán)重影響[28,29]；第三，受氣流擾動(dòng)等因素影響，高空平臺(tái)的飛行姿態(tài)不完全可控，進(jìn)而影響信道模型的準(zhǔn)確性；第四，受信號(hào)接收端移動(dòng)性的影響，信道面臨多普勒頻移問題[30,31]；第五，低空飛行平臺(tái)和地面信號(hào)接收端接收到的信號(hào)質(zhì)量將受特殊復(fù)雜的地形和地域的嚴(yán)重影響；第六，陣列天線有待估計(jì)的參數(shù)維度更高，估計(jì)難度更大。由于存在上述挑戰(zhàn)，對(duì)臨空信道開展建模研究時(shí)，用于地面毫米波陣列天線信道建模的方法都將毫無例外的變得不準(zhǔn)確。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)適用于臨空信息網(wǎng)絡(luò)的高精度信道建模方法，需要以最新的地面毫米波陣列天線信道高精度估計(jì)方法為基礎(chǔ)，著重研究臨空信道環(huán)境下的通信仰角、氣象、高低空平臺(tái)移動(dòng)和抖動(dòng)、地面終端的移動(dòng)、地形和地域等復(fù)雜因素分別對(duì)波達(dá)方向估計(jì)準(zhǔn)確性、收發(fā)端天線增益、大小尺度衰落的影響。例如，在開展陣列天線信號(hào)波達(dá)方向高精度估計(jì)研究的過程中，首先需要深入分析大氣折射和對(duì)流層閃爍如何改變無線電波傳播方向，推導(dǎo)臨空信息網(wǎng)絡(luò)中各平臺(tái)抖動(dòng)和移動(dòng)造成的信號(hào)方位角與俯仰角的變化，根據(jù)分析結(jié)果補(bǔ)償波達(dá)方向。接著，基于補(bǔ)償?shù)牟ㄟ_(dá)方向可以利用最新的地面毫米波陣列天線信號(hào)波達(dá)方向高精度估計(jì)方法估計(jì)臨空環(huán)境下的波達(dá)方向。再如，在開展臨空信息網(wǎng)絡(luò)陣列天線信號(hào)復(fù)信道增益恢復(fù)的研究中，首先，可以探索氣象等條件(如雨衰、對(duì)流層閃爍等)對(duì)臨空信道復(fù)增益的影響；接著，可以采用適用于地面毫米波陣列天線信道恢復(fù)的稀疏貝葉斯方法[32]或近似消息傳播方法[33]等恢復(fù)臨空信道的復(fù)增益。

2.2 普適臨空信道建模

信道模型的普適性是無線信道模型的關(guān)鍵性能指標(biāo)之一，對(duì)信道模型標(biāo)準(zhǔn)化、通信共性理論技術(shù)研究及通信系統(tǒng)融合構(gòu)建至關(guān)重要，且其重要性僅次于信道模型的精確度。無線信道模型受頻段、環(huán)境和場(chǎng)景的直接影響。信道普適性建模需要解決的問題是僅通過調(diào)整校正信道模型的參數(shù)，就能使所建模型適用于不同頻段、環(huán)境和場(chǎng)景。臨空信息網(wǎng)絡(luò)普適信道建模面臨極大的挑戰(zhàn)。臨空信道模型的準(zhǔn)確性受頻段、環(huán)境和場(chǎng)景中諸多因素的影響，如此，構(gòu)建普適的信道模型意味著該信道模型必須包含所有能夠表征這些影響因素的參數(shù)。此時(shí)，探索臨空信道新特性、研究信道新規(guī)律和構(gòu)建信道新體系是構(gòu)建臨空信息網(wǎng)絡(luò)普適信道模型面臨的首要理論挑戰(zhàn)。如何同時(shí)估計(jì)種類繁雜、維度較高的參數(shù)是該普適信道建模面臨的一大技術(shù)挑戰(zhàn)。在真實(shí)信道樣本數(shù)量不足的情況下，如何評(píng)估各類參數(shù)的影響，校正各類參數(shù)并驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性是該普適信道建模面臨的一大現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，首先，需要構(gòu)建多因素融合的普適信道模型原型。具體地，考慮到臨空信道與星地信道具有部分相似性的特點(diǎn)，可以以標(biāo)準(zhǔn)星地信道模型為基礎(chǔ)，融入臨空信道的新特性，構(gòu)建如式(1)所示的同時(shí)考慮頻段、環(huán)境和場(chǎng)景中多種影響因素的臨空信道模型原型，

H=Gt(θ,φ,α,β,γ)Gr(θ,φ,α,β,γ)·

PLSFCLBLWESC·A(fb,fD,θ,φ,α,β,γ)

(1)

式中：Gt(θ,φ,α,β,γ)和Gr(θ,φ,α,β,γ)分別表示平臺(tái)發(fā)射端天線增益和接收端天線增益；θ、φ、α、β和γ表示方位角、俯仰角、側(cè)滾角、航向偏角、偏航角；PL為自由空間路徑損耗；SF為多徑陰影衰落；CL為地物損耗；BL為阻擋建模；WE表示雨衰、水汽和大氣氣體吸收；SC表示散射建模；A(fb,fD,θ,φ,α,β,γ)為陣列流形矩陣，fb為臨界頻率，fD為多普勒頻率?；陔S機(jī)幾何理論與等效的對(duì)流層幾何模型可以分析多普勒頻移、平臺(tái)抖動(dòng)對(duì)接收信號(hào)相位的影響。收發(fā)端天線增益的建模具體取決于平臺(tái)的天線配置、俯仰角、方位角和抖動(dòng)。國際社會(huì)很早就啟動(dòng)了關(guān)于氣象條件(如云、雨、霧、雪花、冰晶、大氣等)對(duì)毫米波通信影響的研究，且ITU和3GPP給出了詳細(xì)的氣象衰減建議[28,29,34]。因此，水蒸氣和大氣吸收損耗以及雨衰需要結(jié)合無線電探空儀測(cè)得的本地局部氣象數(shù)據(jù)與ITU給出的建議進(jìn)行計(jì)算[35]。

其次，需要設(shè)計(jì)臨空信道模擬器以生成部分模型訓(xùn)練集；具體可以采用分級(jí)、分階段的設(shè)計(jì)方案。為模擬水蒸氣和大氣氣體吸收導(dǎo)致的信號(hào)強(qiáng)度衰減，需要參照本地局部測(cè)量數(shù)據(jù)或ITU-R P.836[36]中的數(shù)字地圖；為模擬雨衰，可以參考ITU-R P.837[37]、ITU-R P.838[34]和3GPP TR 38.811[28]中給出的數(shù)據(jù)；針對(duì)閃爍的影響，需要構(gòu)建區(qū)分湍流層與對(duì)流層底層的閃爍幾何模型，設(shè)計(jì)包括可調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)差的復(fù)高斯噪聲發(fā)生器和低空濾波器的閃爍信道模擬器；復(fù)雜地形與地域會(huì)引發(fā)信號(hào)傳播的多徑陰影衰落和阻擋效應(yīng)，這意味著在模擬復(fù)雜地形與地域影響時(shí)需要構(gòu)建分階段模型[20]?？梢詷?gòu)建一個(gè)兩階段模型來模擬此類影響。第1階段生成一個(gè)變化特別慢的信道狀態(tài)變量，將信道狀態(tài)劃分為在恒定環(huán)境因素下的任意2個(gè)子信道狀態(tài)，并找到一個(gè)子狀態(tài)到另一個(gè)子狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率。由于信道的時(shí)空相關(guān)性，此階段可以采用一階馬爾科夫鏈進(jìn)行信道狀態(tài)轉(zhuǎn)移建模。第2階段構(gòu)建慢變化和快變化的信道狀態(tài)變量，并確定每個(gè)子狀態(tài)的信道統(tǒng)計(jì)特征，此階段可以采用對(duì)數(shù)正態(tài)分布、萊斯分布等進(jìn)行建模。

再次，需要訓(xùn)練與校正模型參數(shù)，此過程可以采用參數(shù)降維思路訓(xùn)練與校正信道模型的高維與繁雜參數(shù)，以真實(shí)與模擬仿真生成的樣本為基礎(chǔ)，利用機(jī)器學(xué)習(xí)與人工智能方法進(jìn)行回歸分析等處理，以獲得各類模型參數(shù)的均值、預(yù)測(cè)值或統(tǒng)計(jì)分布，并根據(jù)局部測(cè)量或經(jīng)驗(yàn)結(jié)果采用人工智能技術(shù)預(yù)測(cè)校正模型參數(shù)。

3 臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署

臨空信息網(wǎng)絡(luò)具有平臺(tái)高動(dòng)態(tài)異質(zhì)、空域共享、響應(yīng)任務(wù)不定等特性，為保證臨空信息網(wǎng)絡(luò)高效、安全地滿足用戶的服務(wù)請(qǐng)求，必須深入挖掘臨空信息網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)信息，研究態(tài)勢(shì)引導(dǎo)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署問題。另一方面，任務(wù)驅(qū)動(dòng)(或按需部署)是實(shí)現(xiàn)臨空信息網(wǎng)絡(luò)高效動(dòng)態(tài)部署的核心指導(dǎo)原則，而不同類型的服務(wù)請(qǐng)求對(duì)臨空信息網(wǎng)絡(luò)性能有著不同的要求。因此，本文接下來分別探索臨空信息網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)感知、QoS驅(qū)動(dòng)部署與QoE驅(qū)動(dòng)部署問題。

3.1 臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知

臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)主要包括網(wǎng)絡(luò)與安全2方面的態(tài)勢(shì)，本文將分別闡述如何獲取這2方面的態(tài)勢(shì)信息。

3.1.1 網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)感知

臨空信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)是表征其網(wǎng)絡(luò)層面的資源、容量、業(yè)務(wù)承載等狀態(tài)，包括頻率、計(jì)算、存儲(chǔ)、平臺(tái)等資源，鏈路、子網(wǎng)、全網(wǎng)容量，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)擁塞狀態(tài)等，是臨空信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)態(tài)部署的重要前提。然而，準(zhǔn)確感知臨空信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)的難度較大。首先，臨空信息網(wǎng)絡(luò)面臨的電磁環(huán)境復(fù)雜多變，信號(hào)干擾嚴(yán)重；其次，業(yè)務(wù)服務(wù)請(qǐng)求的不確定性導(dǎo)致臨空信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載狀態(tài)的隨機(jī)性較高；再次，平臺(tái)的動(dòng)態(tài)性高，低空環(huán)境復(fù)雜多變，難以準(zhǔn)確計(jì)算網(wǎng)絡(luò)容量；此外，臨空信息網(wǎng)絡(luò)資源維度高、隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，難以精準(zhǔn)感知。

為應(yīng)對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜和干擾嚴(yán)重的難題，需要進(jìn)行電磁頻譜感知，采用隨機(jī)幾何理論分析信道期望干擾情況；為分析網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載狀態(tài)，需要綜合利用隊(duì)列分析理論與概率論，構(gòu)建新的隊(duì)列模型，分析隊(duì)列中數(shù)據(jù)分組的演化狀態(tài)；針對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量計(jì)算難的問題，需要結(jié)合臨空信道模型、采用隨機(jī)幾何理論分析網(wǎng)絡(luò)的期望容量[38]；為應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源難以準(zhǔn)確感知的問題，需要研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)的片段化部署，頻繁監(jiān)測(cè)片段子網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的資源狀態(tài)，降低資源感知的維度。臨空信息網(wǎng)絡(luò)的片段化部署體現(xiàn)在臨空信息網(wǎng)絡(luò)中參與部署的不是相對(duì)獨(dú)立的若干子網(wǎng)，而是在任務(wù)序列驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)態(tài)匯聚若干空中平臺(tái)并按需構(gòu)建新的片段化子網(wǎng)，以支持動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)服務(wù)；隨著任務(wù)序列的發(fā)展，這些片段化子網(wǎng)也在動(dòng)態(tài)變化，具有生命期并在期間發(fā)生解構(gòu)、重組等動(dòng)態(tài)變化。

3.1.2 安全態(tài)勢(shì)感知

臨空信息網(wǎng)絡(luò)中各飛行平臺(tái)在執(zhí)行任務(wù)時(shí)需要自主地飛往目標(biāo)空域，并要共享有限復(fù)雜空域。因此，研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)部署問題首先要考慮與民航空域的協(xié)同規(guī)劃；此外，各平臺(tái)在飛行過程中，需要避開障礙物，還需要避免與鄰域其他飛行平臺(tái)相碰撞。所以，臨空信息網(wǎng)絡(luò)需要實(shí)時(shí)準(zhǔn)確感知空域安全態(tài)勢(shì)，并以此感知信息為引導(dǎo)開展部署研究。

空域安全態(tài)勢(shì)是指在指定時(shí)間、空間范圍內(nèi)空域環(huán)境要素(如鄰近飛行平臺(tái)、地形地物、氣象等)對(duì)飛行平臺(tái)安全飛行威脅程度的時(shí)空分布表征，是實(shí)現(xiàn)多異質(zhì)空中平臺(tái)安全高效地使用混合空域的前提，能夠?yàn)榕R空信息網(wǎng)絡(luò)安全動(dòng)態(tài)部署提供風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估依據(jù)。

然而，準(zhǔn)確感知與構(gòu)建臨空信息網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢(shì)的挑戰(zhàn)性極大。首先，臨空信息網(wǎng)絡(luò)中空域管控邊界模糊，飛行平臺(tái)速度快，反應(yīng)時(shí)間短；其次，許多空中小目標(biāo)威脅物的信號(hào)微弱，特征不顯著，難以及時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)；再次，多飛行平臺(tái)局部安全態(tài)勢(shì)之間的強(qiáng)耦合關(guān)系導(dǎo)致安全態(tài)勢(shì)的時(shí)空推演異常復(fù)雜，全空域大尺度動(dòng)態(tài)安全態(tài)勢(shì)難以精確描述與建模。

為解決空域管控邊界模糊的問題，需要研究單飛行平臺(tái)與環(huán)境要素之間的相對(duì)定位誤差、安全間隔余度等與指定碰撞風(fēng)險(xiǎn)水平之間的映射關(guān)系，建立飛行平臺(tái)安全包絡(luò)模型。針對(duì)空中小目標(biāo)特征不明顯的問題，一方面需要在空間、時(shí)間等維度上來獲取多粒度的觀測(cè)數(shù)據(jù)；另一方面可以引入低空空域的關(guān)聯(lián)物，通過建立目標(biāo)與關(guān)聯(lián)物的關(guān)聯(lián)特性來輔助探測(cè)。為降低全空域安全態(tài)勢(shì)推演與建模的復(fù)雜度，可以采用多主體系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)演化博弈的方法，將異質(zhì)空中平臺(tái)的自主運(yùn)動(dòng)映射為多主體系統(tǒng)中的個(gè)體行為，結(jié)合臨空信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的演化策略，通過多主體演化來實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)態(tài)勢(shì)信息的融合，進(jìn)而在體現(xiàn)個(gè)體異質(zhì)性與關(guān)聯(lián)性的同時(shí)，能更全面地描述系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 QoS驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署

臨空信息網(wǎng)絡(luò)存在任務(wù)驅(qū)動(dòng)的屬性，而臨空信息網(wǎng)絡(luò)中各平臺(tái)的服務(wù)能力、任務(wù)響應(yīng)速度等各有差異，為有效滿足用戶服務(wù)請(qǐng)求，提升網(wǎng)絡(luò)利用率，動(dòng)態(tài)部署臨空信息網(wǎng)絡(luò)需要有用戶服務(wù)請(qǐng)求時(shí)空分布信息的支撐；因此，接下來，本文首先討論臨空信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)問題；然后，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果探索臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署問題。

3.2.1 業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)

臨空信息網(wǎng)絡(luò)面向的服務(wù)請(qǐng)求往往具有應(yīng)急性、短時(shí)突發(fā)性、時(shí)變性和異質(zhì)性的特點(diǎn)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致臨空信息網(wǎng)絡(luò)需要承載的業(yè)務(wù)的時(shí)空分布難以得到準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。為解決該難題，需要深入探討業(yè)務(wù)的應(yīng)急、突發(fā)和短時(shí)發(fā)生等特性，構(gòu)建業(yè)務(wù)請(qǐng)求收集與模型學(xué)習(xí)的聯(lián)合預(yù)測(cè)機(jī)制[39]。

在業(yè)務(wù)請(qǐng)求收集方面，需要指定地面或空中基站收集業(yè)務(wù)請(qǐng)求用戶的位置、移動(dòng)范式、設(shè)備類別、MAC標(biāo)識(shí)號(hào)、到達(dá)和離開時(shí)間等信息。當(dāng)一個(gè)新的用戶進(jìn)入到某個(gè)基站的覆蓋范圍內(nèi)之后，用戶將主動(dòng)定期向該基站發(fā)送信標(biāo)消息。如此，各基站能將用戶的上述信息存儲(chǔ)到其注冊(cè)表中。一段時(shí)間后，基站通過更新與檢查注冊(cè)表即能知道其覆蓋范圍內(nèi)業(yè)務(wù)請(qǐng)求基本情況。為應(yīng)對(duì)短時(shí)突發(fā)業(yè)務(wù)，每個(gè)基站需要定期更新注冊(cè)表。當(dāng)基站發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)請(qǐng)求超過其服務(wù)能力時(shí)，將主動(dòng)向集中控制單元發(fā)送業(yè)務(wù)請(qǐng)求情況。集中控制單元亦定期向各業(yè)務(wù)請(qǐng)求收集基站詢問業(yè)務(wù)請(qǐng)求情況。通過分析從基站中獲取的業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息，集中控制單元將能知道整個(gè)臨空信息網(wǎng)絡(luò)面向的業(yè)務(wù)請(qǐng)求的時(shí)空狀態(tài)。

在模型學(xué)習(xí)方面，集中控制單元將以機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)，分析收集到的業(yè)務(wù)請(qǐng)求信息，構(gòu)建并學(xué)習(xí)業(yè)務(wù)請(qǐng)求的變化趨勢(shì)。此外，為實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性與及時(shí)性之間的折中，有必要設(shè)計(jì)包含預(yù)測(cè)窗口、分析預(yù)測(cè)、預(yù)測(cè)冗余與預(yù)測(cè)上限機(jī)制的綜合預(yù)測(cè)方案。

業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)結(jié)果將引導(dǎo)臨空信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)部署以有效滿足用戶服務(wù)請(qǐng)求，提升網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

3.2.2 QoS驅(qū)動(dòng)部署

QoS驅(qū)動(dòng)部署是指以業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，優(yōu)化臨空信息網(wǎng)絡(luò)中平臺(tái)的移動(dòng)軌跡或空間部署位置以滿足用戶QoS需求。通常，用戶QoS需求可以表征為用戶的可達(dá)數(shù)據(jù)速率。

然而，QoS驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署問題的求解難度極大。首先，臨空信息網(wǎng)絡(luò)是由臨空平臺(tái)、高空和低空飛行平臺(tái)共同組成的信息網(wǎng)絡(luò)，空中平臺(tái)部署高度的不同導(dǎo)致臨空信息網(wǎng)絡(luò)在空間上呈現(xiàn)明顯的立體層次化分布特性，各平臺(tái)在計(jì)算、通信、移動(dòng)等能力方面各有差異；因此，研究QoS驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署問題意味著要求解一個(gè)立體多層、多異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)合優(yōu)化部署問題。其次，臨空信息網(wǎng)絡(luò)所部署的空域環(huán)境復(fù)雜多變，多個(gè)空中平臺(tái)之間、空中平臺(tái)與民航飛機(jī)之間需要共享空域，且空域中存在許多未知不確定的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域；因此，研究QoS驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署問題還需要探索如何保障空中平臺(tái)飛行安全的問題。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，首先需要以臨空信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)為支撐建模臨空信息網(wǎng)絡(luò)的立體多層、多異質(zhì)特性；體現(xiàn)空中平臺(tái)立體多層特性的可行思路是建模不同的平臺(tái)覆蓋范圍、時(shí)變的子網(wǎng)選擇和多類別的信號(hào)干擾等，體現(xiàn)多異質(zhì)特性的可行思路是約束平臺(tái)的服務(wù)能力，具體包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源約束。其次，需要以臨空信息網(wǎng)絡(luò)的安全態(tài)勢(shì)為支撐建?？罩衅脚_(tái)飛行安全約束條件。第三，構(gòu)建并求解臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)引導(dǎo)下的以滿足用戶QoS需求為目標(biāo)的優(yōu)化部署問題；不過，該優(yōu)化問題往往是一個(gè)多約束、高維、序列化決策問題，利用傳統(tǒng)的最優(yōu)化方法很難得到上述問題的最優(yōu)或次優(yōu)解，強(qiáng)化學(xué)習(xí)與圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將是求解上述問題的較好方法。

3.3 QoE驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署

本質(zhì)上，QoE驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署問題是一個(gè)優(yōu)化問題。用戶的QoE指標(biāo)具有明顯的主觀性，為了數(shù)學(xué)建模QoE驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署問題，首先需要研究QoE指標(biāo)映射問題。因此，本文接下來依次研究QoE指標(biāo)映射與QoE驅(qū)動(dòng)部署問題。

3.3.1 QoE指標(biāo)映射

多媒體業(yè)務(wù)是臨空信息網(wǎng)絡(luò)傳輸業(yè)務(wù)的重要組成部分。隨著多媒體服務(wù)的發(fā)展，用戶的主觀感受到的重視程度越來越高，QoE已成為多媒體傳輸技術(shù)中衡量服務(wù)質(zhì)量的主要性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示，QoE評(píng)價(jià)指標(biāo)包括流暢性、清晰度和低時(shí)延。

流暢性、清晰度和低時(shí)延評(píng)價(jià)指標(biāo)具有明顯的主觀性，為優(yōu)化部署臨空信息網(wǎng)絡(luò)以有效滿足用戶的QoE需求，首先需要探索主觀的QoE評(píng)價(jià)指標(biāo)到客觀物理層資源分配的合理映射問題。

客觀度量清晰指標(biāo)的可行途徑是定義并優(yōu)化峰值信噪比，例如，第i個(gè)用戶的峰值信噪比psnri可以表示為[40]

(2)

式中：M表示總的離散余弦變換(DCT)系數(shù)塊；t為某個(gè)時(shí)隙；T為總時(shí)隙數(shù)；λt表示服從零均值高斯分布的DCT系數(shù)塊隨機(jī)變量的方差，常數(shù)η為多媒體視頻的像素深度；σ0為高斯白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差；q(t)為t時(shí)隙信號(hào)發(fā)射設(shè)備的空間位置；wi表示用戶i的空間位置；β0表示平均的信道功率增益；pt為信號(hào)發(fā)射端t時(shí)隙的發(fā)射功率。

客觀度量流暢性指標(biāo)的可行途徑是設(shè)計(jì)并優(yōu)化與用戶可達(dá)數(shù)據(jù)速率、需求播放速率和應(yīng)用類型等因素相關(guān)的對(duì)數(shù)效用函數(shù)，例如，第i個(gè)用戶的流暢性體驗(yàn)指數(shù)可表示為[41]

(3)

式中：不同的常數(shù)ε和ν反映不同的應(yīng)用類型；ri表示用戶i的需求播放速率；Ri(t)為用戶i在t時(shí)隙的可達(dá)數(shù)據(jù)速率。

用戶i體驗(yàn)到的時(shí)延di包括處理時(shí)延(如編解碼、渲染)、分組等待時(shí)延(如協(xié)議解析)、緩沖時(shí)延和傳播時(shí)延等，其中，處理和分組等待時(shí)延與傳播路徑上設(shè)備的計(jì)算能力有關(guān)，緩沖時(shí)延與用戶端播放緩沖區(qū)的長度有關(guān)，傳播時(shí)延與用戶可達(dá)數(shù)據(jù)速率反相關(guān)。

3.3.2 QoE驅(qū)動(dòng)部署

QoE驅(qū)動(dòng)部署是指以業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)結(jié)果為基礎(chǔ)，優(yōu)化臨空信息網(wǎng)絡(luò)中平臺(tái)的移動(dòng)軌跡或空間部署位置以滿足用戶QoE需求。

求解QoE驅(qū)動(dòng)的臨空信息網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化部署問題面臨極大的挑戰(zhàn)。除網(wǎng)絡(luò)的立體多層、多異質(zhì)特性造成的部署挑戰(zhàn)與空域共享引起的安全挑戰(zhàn)外，其還面臨著聯(lián)合優(yōu)化QoE 3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)所帶來的技術(shù)挑戰(zhàn)。如圖2所示，QoE 3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)相互沖突、相互制約，難以同時(shí)最優(yōu)化3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，例如，多媒體業(yè)務(wù)編碼碼率越高，清晰度越高，但是出現(xiàn)丟幀和卡頓的現(xiàn)象越頻繁；為減少播放出現(xiàn)卡頓的頻次，需要設(shè)置較大的播放緩沖區(qū)，但是較大的播放緩沖區(qū)會(huì)帶來較高的緩沖時(shí)延。

為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要以臨空信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)和安全態(tài)勢(shì)為支撐，構(gòu)建如下臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)引導(dǎo)下的多目標(biāo)優(yōu)化部署問題，并尋找其Pareto最優(yōu)解，

s.t. 網(wǎng)絡(luò)與安全態(tài)勢(shì)約束，

其他類型約束。

(4)

由于傳統(tǒng)的最優(yōu)化方法往往很難求解所構(gòu)建的優(yōu)化問題，采用最優(yōu)化和人工智能相結(jié)合的方法是求解該優(yōu)化問題的可選途徑，其中，最優(yōu)化方法用于求解該優(yōu)化問題分解出的凸問題，人工智能方法(如圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))可以得到該優(yōu)化問題分解出的非凸問題的近似解。此外，為加速人工智能方法收斂，需要利用最優(yōu)化方法評(píng)價(jià)優(yōu)選人工智能方法得到的近似解。

4 其他未來研究方向

前兩節(jié)剖析了臨空信息網(wǎng)絡(luò)在信道建模與動(dòng)態(tài)部署研究方面面臨的重大挑戰(zhàn)，并展望了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵技術(shù)；不過，為進(jìn)一步提高臨空平臺(tái)-低空飛行平臺(tái)間信道模型的準(zhǔn)確性，并提升臨空信息網(wǎng)絡(luò)的部署效率，還需要繼續(xù)深入研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)中低空飛行平臺(tái)抖動(dòng)下的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)、網(wǎng)絡(luò)容量分析、態(tài)勢(shì)場(chǎng)構(gòu)建、子網(wǎng)選擇和網(wǎng)絡(luò)彈性重構(gòu)的問題。波達(dá)方向是陣列天線信道矩陣的關(guān)鍵組成部分，且低空飛行平臺(tái)的抖動(dòng)嚴(yán)重影響波達(dá)方向的估計(jì)精度。網(wǎng)絡(luò)容量是臨空信息網(wǎng)絡(luò)的重要態(tài)勢(shì)信息，以網(wǎng)絡(luò)容量、安全等態(tài)勢(shì)信息為支撐而構(gòu)建的態(tài)勢(shì)場(chǎng)將在引導(dǎo)臨空信息網(wǎng)絡(luò)高效動(dòng)態(tài)部署方面發(fā)揮決定性作用。此外，臨空信息網(wǎng)絡(luò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)部署的特點(diǎn)突出，有必要從用戶的網(wǎng)絡(luò)切換代價(jià)和需求時(shí)變的視角出發(fā)研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)的高效動(dòng)態(tài)部署。因此，本文接下來分別展望臨空信息網(wǎng)絡(luò)在波達(dá)方向估計(jì)等上述5個(gè)方向的研究工作。

4.1 低空飛行平臺(tái)抖動(dòng)下信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)

平臺(tái)抖動(dòng)是低空飛行平臺(tái)飛行過程中始終存在的一個(gè)現(xiàn)象，引起飛行平臺(tái)抖動(dòng)的因素很多，主要包括飛行平臺(tái)機(jī)械振動(dòng)和空氣擾動(dòng)。飛行平臺(tái)抖動(dòng)給研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)中信號(hào)波達(dá)方向高精度估計(jì)問題帶來了極大的挑戰(zhàn)。其抖動(dòng)可能造成接收信號(hào)方位角和俯仰角發(fā)生較大的改變，造成接收陣列中陣元位置的改變以及接收陣列在空間坐標(biāo)系上發(fā)生“形變”[42]，進(jìn)而導(dǎo)致現(xiàn)有的信號(hào)波達(dá)方向估計(jì)方法失效。而信號(hào)波達(dá)方向高精度估計(jì)對(duì)陣列天線波束賦形、鏈路容量分析等的意義十分重大。因此，亟需探討低空飛行平臺(tái)抖動(dòng)環(huán)境下陣元位置與陣列流形矩陣的相對(duì)變化，研究抖動(dòng)環(huán)境下的信號(hào)波達(dá)方向高精度估計(jì)方法。

4.2 網(wǎng)絡(luò)容量分析

網(wǎng)絡(luò)容量是進(jìn)行臨空信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)效能評(píng)估的關(guān)鍵核心指標(biāo)，也是臨空信息網(wǎng)絡(luò)的重要態(tài)勢(shì)信息，對(duì)引導(dǎo)其高效動(dòng)態(tài)部署起到關(guān)鍵作用。目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于臨空信息網(wǎng)絡(luò)容量分析的研究尚處于起步階段。臨空信息網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)復(fù)雜立體多層動(dòng)態(tài)的信息網(wǎng)絡(luò)，分析其網(wǎng)絡(luò)容量的難度極大，需要分別從臨空信息網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量、子網(wǎng)容量和全網(wǎng)容量3方面遞進(jìn)展開分析。

臨空信息網(wǎng)絡(luò)的鏈路存在弱連接、高動(dòng)態(tài)特性。其弱連接性表現(xiàn)為空中平臺(tái)在混合空域中稀疏分布，相對(duì)距離較遠(yuǎn)(可達(dá)數(shù)十公里)且大多數(shù)空中平臺(tái)作業(yè)高度較低，因此在空空互連的低仰角通信場(chǎng)景中，信號(hào)容易受地形地物等遮擋而出現(xiàn)斷續(xù)連接的現(xiàn)象；其高動(dòng)態(tài)性是指空中平臺(tái)的飛行特性各異，即使收發(fā)平臺(tái)間建立了視距傳播鏈路，該鏈路也難以長時(shí)間維持；這表明臨空信息網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)時(shí)變，且不規(guī)則。此外，其鏈路容量受復(fù)雜的臨空信道模型與干擾等影響，很難推導(dǎo)得到精確的臨空信息網(wǎng)絡(luò)鏈路容量表達(dá)式。為此，可以采用隨機(jī)幾何理論等工具分析臨空信息網(wǎng)絡(luò)鏈路容量，得到統(tǒng)計(jì)容量結(jié)果。

在分析子網(wǎng)容量方面，臨空信息網(wǎng)絡(luò)具有獨(dú)特的集群化特征，其集群化體現(xiàn)為在提供業(yè)務(wù)服務(wù)時(shí)，部分空中平臺(tái)會(huì)按照任務(wù)需求，快速匯聚到相對(duì)較小的空域中形成子網(wǎng)，并協(xié)同工作。集群化子網(wǎng)內(nèi)的空中平臺(tái)間具有較強(qiáng)的耦合性，在這種情況下，子網(wǎng)容量往往取決于狀態(tài)最差的一條鏈路。

臨空信息網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)容量主要受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和子網(wǎng)容量的影響。為降低分析難度，可以將傳統(tǒng)基于平面圖論的網(wǎng)絡(luò)分析手段擴(kuò)展到立體多層空間的范疇，充分利用臨空信息網(wǎng)絡(luò)的集群化特性將子網(wǎng)從時(shí)間和空間上分離，并采用時(shí)變圖、超圖等理論探索研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涮匦耘c網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)系。

4.3 態(tài)勢(shì)場(chǎng)構(gòu)建

臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)場(chǎng)是指臨空信息網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)體(如飛行平臺(tái)、地形地物、氣象等)在時(shí)域、頻域、空域、網(wǎng)絡(luò)域中的演化狀態(tài)，其在引導(dǎo)臨空信息網(wǎng)絡(luò)高效、安全動(dòng)態(tài)部署方面的作用是決定性的。不過，構(gòu)建臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)場(chǎng)的難度極大，需要分別解決態(tài)勢(shì)信息感知、態(tài)勢(shì)信息融合、態(tài)勢(shì)場(chǎng)構(gòu)建3方面的難題。首先，臨空信息網(wǎng)絡(luò)面臨嚴(yán)峻的數(shù)據(jù)、模型、場(chǎng)景爆炸問題[43]。數(shù)據(jù)爆炸表現(xiàn)為臨空信息網(wǎng)絡(luò)感知、存儲(chǔ)、計(jì)算、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)(如流媒體、圖像、雷達(dá)數(shù)據(jù)等)的數(shù)據(jù)量越來越大、維度越來越高；模型爆炸表現(xiàn)在為提高分析和學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，臨空信息網(wǎng)絡(luò)需要構(gòu)建和訓(xùn)練的學(xué)習(xí)模型越來越復(fù)雜，計(jì)算復(fù)雜度越來越高，給網(wǎng)絡(luò)中各平臺(tái)帶來的計(jì)算壓力越來越大；場(chǎng)景爆炸表現(xiàn)為臨空信息網(wǎng)絡(luò)的空域廣闊、場(chǎng)景復(fù)雜易突變，臨空信息網(wǎng)絡(luò)很難學(xué)到所有的場(chǎng)景。上述問題嚴(yán)重制約了臨空信息網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢(shì)信息的準(zhǔn)確感知。如何解決數(shù)據(jù)、模型與場(chǎng)景爆炸問題是臨空信息網(wǎng)絡(luò)在態(tài)勢(shì)感知方面需要解決的首要關(guān)鍵問題。其次，臨空信息網(wǎng)絡(luò)有待感知的態(tài)勢(shì)信息眾多，態(tài)勢(shì)信息的重要性有所差異，某些態(tài)勢(shì)信息(如安全態(tài)勢(shì)信息)尤為重要，此時(shí)，如何開展態(tài)勢(shì)評(píng)估并制定有效的態(tài)勢(shì)信息優(yōu)選方案以實(shí)現(xiàn)態(tài)勢(shì)的高效融合有待進(jìn)一步深入研究。再次，受限于平臺(tái)的部署高度、感知和計(jì)算能力等，臨空信息網(wǎng)絡(luò)中各平臺(tái)或子網(wǎng)的感知空域范圍不同、感知內(nèi)容有差異；此時(shí)，如何開展各平臺(tái)或子網(wǎng)的全局協(xié)同、推演，以構(gòu)建準(zhǔn)確的全局態(tài)勢(shì)場(chǎng)的研究工作還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4.4 子網(wǎng)選擇

臨空信息網(wǎng)絡(luò)具有廣域覆蓋、隨遇接入和動(dòng)態(tài)變化的特性，亦存在多層次異構(gòu)特性。其多層次性體現(xiàn)為由于空中平臺(tái)部署高度不同導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)立體層次化分布；其異構(gòu)性是指各層子網(wǎng)之間、甚至同層子網(wǎng)之間的空中接口、協(xié)議功能等存在差異的現(xiàn)象。上述特性意味著臨空信息網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)變的覆蓋范圍與覆蓋關(guān)系，在這種情況下，為滿足服務(wù)需求，用戶需要比較頻繁地進(jìn)行同構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換(水平切換)、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的切換(垂直切換)，而不同子網(wǎng)的切換代價(jià)不同。因此，如何在滿足用戶長期服務(wù)需求的條件下，制定最小化用戶切換代價(jià)的子網(wǎng)選擇方案是一個(gè)值得繼續(xù)深入研究的問題。此外，臨空信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)資源受限且網(wǎng)絡(luò)容量動(dòng)態(tài)變化，這意味著服務(wù)用戶需要競(jìng)爭(zhēng)接入臨空信息網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)，如何實(shí)現(xiàn)用戶間的有序高效競(jìng)爭(zhēng)和子網(wǎng)間的負(fù)載均衡的研究工作也有待加強(qiáng)。

4.5 網(wǎng)絡(luò)彈性重構(gòu)

為保障臨空信息網(wǎng)絡(luò)的按需服務(wù)能力，除了需要重點(diǎn)研究臨空信息網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)部署問題外，還需要深入研究其彈性重構(gòu)問題。根據(jù)不同的部署場(chǎng)景要求和服務(wù)請(qǐng)求，不同高度層、不同服務(wù)能力的空中平臺(tái)有必要重組為一個(gè)彈性動(dòng)態(tài)的子網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的移動(dòng)性管理、異構(gòu)資源管理與協(xié)同編排，進(jìn)而靈活適配業(yè)務(wù)場(chǎng)景和需求，達(dá)到臨空信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力快速伸縮的目的。然而，受服務(wù)請(qǐng)求不定、網(wǎng)絡(luò)分層多異質(zhì)特性的制約，如何快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)彈性重構(gòu)，有效解決網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力供需不匹配的問題，并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的挑戰(zhàn)較大。

5 結(jié) 論

本文重點(diǎn)展望了臨空信息網(wǎng)絡(luò)信道建模與動(dòng)態(tài)部署關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)論如下：

1)構(gòu)建臨空信息網(wǎng)絡(luò)信道模型必須剖析臨空環(huán)境下通信仰角、氣象、高空和低空飛行平臺(tái)移動(dòng)和抖動(dòng)、地面終端移動(dòng)、地形和地域等多種因素對(duì)臨空信息網(wǎng)絡(luò)信道建模的影響機(jī)理，并補(bǔ)償多種因素的影響。

2)設(shè)計(jì)臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署方法必須挖掘臨空信息網(wǎng)絡(luò)立體多層、多異質(zhì)拓?fù)涮卣?，感知臨空信息網(wǎng)絡(luò)的態(tài)勢(shì)，建模并求解態(tài)勢(shì)引導(dǎo)下的臨空信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)部署問題。