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(jì)的初級(jí)階段。盡管對(duì)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(shí)中生存。在本文中，我們對(duì)如何改善SAGIN 基礎(chǔ)設(shè)施的當(dāng)前場(chǎng)景以及一些增值服務(wù)提出了清晰的愿景。

SAGIN 對(duì)6G 的愿景是一個(gè)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(gè)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(gè)關(guān)鍵方面?？偟膩碚f，SAGIN 是一個(gè)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(jì)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(shí)現(xiàn)可部署應(yīng)用的共同利益。我們還預(yù)計(jì)，在6G 時(shí)代，可能會(huì)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(yàn)水平。

然而，要實(shí)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(jí)，超可靠的通信，低延遲的連接，以及增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶。保證具有99.999999%可靠性的服務(wù)質(zhì)量將是一個(gè)必要條件。必須利用新的頻譜帶，同時(shí)使用大于100Gbps 的峰值數(shù)據(jù)率?？罩小⑻蘸秃５椎念l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(jí)費(fèi)用。應(yīng)盡量減少對(duì)電池充電方案的干預(yù)。應(yīng)實(shí)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(jí)）。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(dòng)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(jì)，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(jì)方面，這包括光學(xué)地面控制單元的激光終端元件設(shè)計(jì)、空間鏈路的空間終端設(shè)計(jì)以及星上衛(wèi)星通信的數(shù)據(jù)處理方案設(shè)計(jì)(Malik et al.)。我們還討論了整個(gè)地面操作中心和空中操作中心在控制動(dòng)態(tài)方面的設(shè)計(jì)考慮。

1 終端設(shè)計(jì)方面

1.1 激光終端

通過設(shè)計(jì)像激光終端和機(jī)載數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)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(jì)中，可以考慮兩種方法，地面站和空間站設(shè)計(jì)。在框定兩個(gè)元件時(shí)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(gè)光學(xué)孔徑組成，該孔徑主要由一個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換成等效的電信號(hào)。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(gè)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(hào)隨后由光學(xué)孔徑傳輸。另一方面，光學(xué)孔徑用于隨時(shí)分離接收和發(fā)射信號(hào)。光學(xué)系統(tǒng)還通過改變上行鏈路或下行鏈路的波長(zhǎng)來執(zhí)行濾光器的工作。接收器前端將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，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(hào)。

1.2 車載數(shù)據(jù)終端設(shè)計(jì)

衛(wèi)星應(yīng)該能夠評(píng)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(hào)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(huì)(CCSDS)類型的有效信號(hào)到達(dá)時(shí)，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(hào)的報(bào)頭在CDU 內(nèi)被解包，隨后是可能的錯(cuò)誤檢測(cè)以及糾正。遠(yuǎn)程命令(TC)幀然后被發(fā)送到車載計(jì)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(cè)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(cè)幀，并添加報(bào)頭；(2)將命令鏈路控制字(CLCW)與即將到來的遙測(cè)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(dòng)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(shí)，將FSO 信道上行鏈路與OBC 和TM/TC 結(jié)合；(2)當(dāng)自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求(ARQ)方案失敗時(shí)，將遙控命令路由到命令解碼器；(3)在包含命令時(shí)，可以將命令列表上載到OBC，以避免可能的命令排隊(duì)沖突。

2 運(yùn)營(yíng)中心設(shè)計(jì)

2.1 地面中心設(shè)計(jì)

綜合地面操作中心的設(shè)計(jì)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(yùn)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(bào)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(jí)5G 通信技術(shù)可能涉及連接有網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備的監(jiān)控服務(wù)器。這種存儲(chǔ)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(tái)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(jì)

無人機(jī)預(yù)計(jì)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(jì)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(jì)，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(dú)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(jì)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(jì)主要重視射頻終端裝置，允許地面服務(wù)請(qǐng)求相應(yīng)地行動(dòng)。連接的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備可即時(shí)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(jì)

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(jì)指標(biāo)。我們?cè)O(shè)想用射頻和光收發(fā)器來負(fù)責(zé)信號(hào)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(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)處理分為兩種模式，即車載實(shí)時(shí)模式和離線模式。在實(shí)時(shí)操作中，執(zhí)行有效載荷遙測(cè)和航天中心內(nèi)務(wù)管理相關(guān)命令。在離線模式期間測(cè)量空間測(cè)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(shí)時(shí)模式下幫助支持車站TM 和TC 活動(dòng)。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(jì)

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(shí)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(shí)，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(dòng)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(qǐng)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(cè)元件因此被增強(qiáng)以提供三個(gè)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(shí)時(shí)命令控制功能。

3 設(shè)計(jì)中的鏈路干擾緩解

由于6G-SAGIN 預(yù)計(jì)將承載空間頻譜各層中所有可能類型的設(shè)計(jì)元素，因此它必須能夠在完全防故障模式下做到這一點(diǎn)。為了滿足這一需求，6G-SAGIN 將依賴于兩個(gè)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(gè)人OBCs 的空間、地面和空中中心觸發(fā)遙測(cè)命令，以保護(hù)單點(diǎn)故障?？梢詫?duì)AQR 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(qǐng)求時(shí)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(jì)數(shù)器模塊來唯一地識(shí)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(jì)。在這種情況下，整個(gè)SAGIN 基礎(chǔ)設(shè)施可以獨(dú)立于運(yùn)營(yíng)商工作。

4 設(shè)計(jì)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(jì)。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(shí)允許按照空間鏈路協(xié)議(SLP)封裝遙測(cè)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(yùn)營(yíng)中心的能力。必須包括控制服務(wù)增強(qiáng)，以涵蓋運(yùn)行中心之間的實(shí)時(shí)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(duì)稱鏈路、遙測(cè)格式并實(shí)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(jì)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(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)。這種路線可以在地面或空中操作中心計(jì)算。隨后重新考慮預(yù)先計(jì)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(gè)運(yùn)營(yíng)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(shí)現(xiàn)各運(yùn)營(yíng)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(gè)階段，即位于地面、空中或衛(wèi)星中心的預(yù)計(jì)算星上系統(tǒng)和星上實(shí)時(shí)計(jì)算。預(yù)計(jì)算包括三個(gè)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(shí)庫(kù)(PISLIK)；(2)預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)隙中的衛(wèi)星位置(例如，帶寬可用性、延遲等)；(3)接近實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)多路徑路由方案與面向流量的并行路由和實(shí)時(shí)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(duì)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(gè)主要因素。隨著空中和衛(wèi)星操作中心移動(dòng)性的提高，這個(gè)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(shí)隙浮動(dòng)；然后，根據(jù)給定數(shù)據(jù)中心中目標(biāo)服務(wù)實(shí)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(shí)例導(dǎo)致的總成本最小化。動(dòng)態(tài)JSPR 在早期的方案中增加了一個(gè)新的參數(shù)，即移動(dòng)單元的時(shí)間。它旨在利用三個(gè)關(guān)鍵考慮因素，(1)將來要使用的服務(wù)實(shí)例的數(shù)量，即，放置；(2)路由路徑確定；(3)服務(wù)遷移控制。對(duì)一個(gè)基于歐洲的SAGIN 基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行測(cè)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(shí)空?qǐng)D中心HR(HGHR)來解決與移動(dòng)性和時(shí)變拓?fù)涔芾?Heese et al，2017)。HGHR 工作在混合時(shí)空搜索技術(shù)之上，同時(shí)緩解確定性和半確定性網(wǎng)絡(luò)。早期的一個(gè)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(chǔ)-結(jié)轉(zhuǎn)方案的規(guī)定下迎合混合時(shí)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(shí)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(cè)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)機(jī)制。HGHR 能夠預(yù)測(cè)無人機(jī)的位置、接觸時(shí)間、接觸概率、逗留時(shí)間概率和狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。