朱 珂，李彥欣，王 丹，黃克武，王小琰，張 偉，田 嘉，董 超

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094；2. 中國空間技術(shù)研究院通信與導航衛(wèi)星總體部，北京 100094；3. 西安空間無線電技術(shù)研究所，西安 710100)

0 引 言

地外天體居住與活動一直以來都是全人類的夢想。20世紀60年代,美國阿波羅計劃實現(xiàn)了人類登陸月球的第一步,但隨著“阿波羅”工程的結(jié)束,人類登陸地外天體的活動戛然而止。近年來,中國月球探測活動取得了舉世矚目的成績,嫦娥工程完成了“繞、落、回”的壯舉。與此同時,國際上“重返月球”的呼聲也持續(xù)高漲?！拜d人地外天體探測”越來越吸引世界各航天國家的目光,已經(jīng)成為未來載人航天活動的重要內(nèi)容和競爭焦點。

從“阿波羅”到“嫦娥”,未來月面探測活動的數(shù)量和種類將會持續(xù)增加。未來的載人月球探測活動場景下,月面節(jié)點增多,為保證月面著陸器、航天員、月球車、巡視機器人等任意月面設(shè)施節(jié)點之間的相互通信,需要在月面節(jié)點之間建立網(wǎng)絡(luò),保障信息被可靠轉(zhuǎn)發(fā)。同時,地球與月面之間的信息需要被轉(zhuǎn)發(fā)至指定的月面目標,月面的信息需要被收集并發(fā)回地球,月面通信網(wǎng)同時需要與地面組網(wǎng),形成地月一體化通信網(wǎng)。

載人月球探測也是一個持續(xù)的過程,其目的就是通過對月球的探測和駐留,合理開發(fā)和利用空間資源、探索未知科學領(lǐng)域。因此在月面通信系統(tǒng)建設(shè)之初,就應當按照“規(guī)劃全面,任務可靠,統(tǒng)籌兼顧,開放靈活”的原則開展規(guī)劃和設(shè)計,著眼于滿足未來一定時期內(nèi)的載人月球探測活動需求。

1 月面通信需求分析

1.1 國際月面通信網(wǎng)技術(shù)

1.1.1阿爾忒彌斯計劃

近年,美國提出了阿爾忒彌斯載人重返月球計劃,其最終目標是實現(xiàn)人類在月球上的長期駐留[1],并在環(huán)月軌道設(shè)計建造“門戶”空間站,作為航天員登月和返回的中轉(zhuǎn)站和通信中繼[2]。在NASA給出的地月空間通信架構(gòu)中,根據(jù)用途和鏈路性質(zhì),以地月空間平臺(CSP)為中心劃分出了5種鏈路。對于整個地月空間通信網(wǎng)絡(luò)而言,以地月空間平臺,經(jīng)訪航天器(中繼星、載人飛船等),月球低軌軌道器,月面通信網(wǎng)絡(luò),艙外無線網(wǎng)絡(luò),地球深空網(wǎng)等作為節(jié)點,構(gòu)成時延容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)[3]。

在艙外活動的場景中,阿爾忒彌斯計劃也規(guī)劃了由月表通信終端構(gòu)成的月面通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。月面通信塔可以直接服務6 km范圍內(nèi)的用戶;而對于6 km到30 km范圍內(nèi)的運動終端,如巡視器,則需要借助中繼星,通過鄰近鏈路與月面終端通信,實現(xiàn)月面網(wǎng)絡(luò)接入。此外,中繼星通過鄰近鏈路提供2路信號,通過多普勒測量和測距,計算運動終端的位置并將相應的信息傳輸給它。從NASA的月面通信總體架構(gòu)設(shè)計上不難看出,對于近距離的月面通信網(wǎng),其均由月面設(shè)施構(gòu)成;對于遠距離通信,則必須借助月軌中繼衛(wèi)星網(wǎng)。

圖1 借助中繼星的月面遠距離通信場景示意圖Fig.1 Schematic diagram of lunar remote communication scenario assisted by relay satellites

1.1.2NASA LunaNet架構(gòu)

在月球通信網(wǎng)的建設(shè)上,NASA提出LunaNet地月空間通信系統(tǒng)架構(gòu)[4-6],如圖2所示。其目的在于建立一套為月表和月軌航天器提供通信導航及其他服務的月球通信網(wǎng)絡(luò),其服務類型包括通信、數(shù)傳、定位、導航和授時,以及態(tài)勢感知等。NASA希望能夠通過LunaNet建立一系列通用化標準、協(xié)議和接口,來實現(xiàn)月球通信網(wǎng)的國際化,并允許眾多能夠為LunaNet建設(shè)提供幫助的國家、機構(gòu)和私人公司參與其中。LunaNet以極高的開放性、擴展性、健壯性和安全性為關(guān)鍵設(shè)計理念,并在總體架構(gòu)設(shè)計上以具備直接用于其他行星探索任務的能力為目標,如直接移植為火星通信網(wǎng)。

圖2 NASA構(gòu)想的LunaNet架構(gòu)示意圖Fig.2 NASA’s conceptual LunaNet architecture

在月面通信網(wǎng)設(shè)計上,NASA委托諾基亞公司開展了LTE/4G月面無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的相關(guān)研究[7],作為LunaNet的一部分,支持阿爾忒彌斯計劃中航天員的月面活動,包括發(fā)送視頻語音通信、遙測數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)、遠程控制機器人等。諾基亞的月球LTE/4G系統(tǒng)在IM公司的Nova-C月球著陸器配置了約4 m高的通信基站(BTS),在月面漫游車(Lunar outpost rover)上約1 m高處配置了用戶設(shè)備(UE),計劃在月球南極開展以著陸器為中心,距離數(shù)百米至2～3 km范圍內(nèi)的通信試驗,驗證利用地面通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)滿足未來空間任務通信需求的可行性以及設(shè)備對空間環(huán)境的適應能力。顯然NASA希望通過相關(guān)研究來驗證將地面移動通信系統(tǒng)用于月球的可行性,以減少月球通信網(wǎng)的研發(fā)成本,同時獲得強大的擴展性和通用性。

考慮到月球探索的階段性和持續(xù)性,NASA也計劃在月球探索的早期任務階段,將LunaNet以簡單的架構(gòu)開始建設(shè),滿足少數(shù)月球節(jié)點的任務需求,并逐步改進以適應不斷擴展的月球探索規(guī)模和不斷增長的通信需求。同時NASA明確提出不會因為早期個別飛船或月面節(jié)點的需要而開展月球中繼衛(wèi)星建設(shè)。NASA預期的LunaNet的不斷擴展需要在眾多商業(yè)和政府的支持下來開展,其實現(xiàn)的技術(shù)途徑最重要的是基于參與各方共同協(xié)商制定的一系列具備極強互操作性的標準和規(guī)范[8-10]。

1.2 月面活動場景

美國在20世紀60至70年代實施了阿波羅計劃,月面活動主要包括月面人體生命科學測試、天地互動、國旗展示、月面駕駛、科學探測、月壤采樣返回等。其中,阿波羅11～14號只有航天員活動,主要以政治展示、系統(tǒng)測試、探索性任務為主。阿波羅15～17號任務中增加了雙人月球車配置,開展人車聯(lián)合的大范圍月面活動,其中,阿波羅17號月面活動最遠行駛距離7.63 km,累計行駛35.7 km,出艙活動22小時05分,返回樣品110.52 kg[11]。

阿波羅計劃以成功登月為核心驅(qū)動。在目前的阿爾忒彌斯計劃中,NASA提出在成功實施登月后,分步部署月面設(shè)施并建立月面前哨站的長期可持續(xù)的登月計劃,配置上包括全地形月球漫游車(無加壓)、可移動的居住平臺(加壓)、月面居住艙,以及通訊網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等配套設(shè)施。月面前哨站可延長航天員在月面執(zhí)行探測任務的持續(xù)生存能力,月面駐留時間預計可從阿波羅時期的最長72小時延長至30天以上[12-13]。

隨著嫦娥無人探月活動的成功,未來的月球探測活動無論是在規(guī)模、時間、科學性和復雜性上,都會越來越精細化、深入化和長期化?？紤]到科學實驗復雜性和操作性需求,更需要發(fā)揮“人”的能動性優(yōu)勢,由航天員參與開展更加復雜的月球科學實驗和探索活動,利用航天員復雜操作能力、全局觀察能力、決策判斷力、發(fā)現(xiàn)未知等無人系統(tǒng)難以具備的能力,提升月面科學效益,取得成果突破。未來有人參與的月面活動模式,必然將從單點的小范圍活動擴展到更大范圍、更長時間和內(nèi)容更豐富的活動,需要逐漸部署能力越來越強的基礎(chǔ)設(shè)施來予以支持。按照中國目前的載人月球探測計劃,2030年前將實現(xiàn)把2名航天員送上月球,并攜帶月球車,開展月球表面的人機聯(lián)合探測活動。后續(xù)將逐漸拓展航天員在月球表面的停留時間、活動范圍和探測的深入程度。

1.3 月面活動對通信需求

1.3.1初期活動對通信需求

初期載人月面活動的重點必然是政治展示和初步的科學探索。航天員首次的月面活動主要以政治展示、人機聯(lián)合操作、科學探測取樣這3類活動為主,但相比阿波羅計劃活動內(nèi)容更加豐富,參加的裝置更多,網(wǎng)絡(luò)化的通信需求初見端倪。

初期活動對通信的需求分析如下:

1)航天員的音頻和生理數(shù)據(jù)傳輸,確保航天員生命和身體狀態(tài)能夠被實時監(jiān)測,并向航天員下達任務命令;

2)航天員月面活動圖像的傳輸,獲取任務的展示性和政治意義;

3)對航天服、月球車、科學儀器等月面活動支持設(shè)施進行遙控,傳達任務計劃,并獲取其狀態(tài)數(shù)據(jù),以確保設(shè)施的正確運行;

4)通信應具有一定的可靠性,如誤碼率10-5或10-6,根據(jù)業(yè)務類型的重要程度不同具體確定;

5)能源的受限,通信過程應簡單可靠,盡可能降低設(shè)備功耗;

6)考慮到月球曲率的影響,通信距離與天線的布設(shè)高度相關(guān),綜合考慮基礎(chǔ)設(shè)施、航天員和月球車的活動能力、生命保障資源,初期月面直接通信鏈路的最遠通信距離在5 km左右較為合適(天線高度3 m),進一步擴展通信距離將帶來各方面實施代價的成倍增長。

初期載人月面活動各節(jié)點詳細需求及約束條件的分析結(jié)果如表1所示。

表1 初期各節(jié)點需求及限制條件Table 1 Requirements and limitations of various lunar nodes in the early stage

1.3.2遠期活動對通信需求

隨著人類在月面活動的深入,將逐步由短期活動過渡到中長期駐留與科考開發(fā),探索建造月球科研試驗站,開展連續(xù)的月球探測和相關(guān)技術(shù)試驗驗證,逐步實現(xiàn)月面原位資源利用和月球資源開發(fā),實現(xiàn)人類長期地外生存,開展地外科學試驗與探索。通信節(jié)點和終端數(shù)量、類型和能力都會進一步提升。在此過程中,以人為中心的活動,宏觀的通信需求就是實現(xiàn)人與人,人與物之間的通信,以及物與上下游之間的通信需求,總體上是多點到多點的通信需求,即網(wǎng)絡(luò)化的通信需求。NASA目前的地月空間通信規(guī)劃都是基于網(wǎng)絡(luò)化,月面通信網(wǎng)作為地月空間的重要組成部分,也需要納入網(wǎng)絡(luò)化的范圍。

遠期活動對通信的需求總體上是在初期具體需求的基礎(chǔ)上進一步的拓展,包括以下幾方面:

1)網(wǎng)絡(luò)化需求。隨著月面活動人員和設(shè)施的擴大,未來將會形成以月球科研試驗站、月球移動實驗室、著陸器為中心的多基站組網(wǎng)通信,航天員、月球車、機器人、飛躍器等小型移動設(shè)施作為用戶終端接入該通信網(wǎng)絡(luò),從而將涉及地、月、人、機的全部節(jié)點進行連通,形成地月一體的通信網(wǎng)絡(luò)。

2)遠距離需求:受月球曲率的限制,月球表面的視距通信難以突破5～10 km量級,隨著月面科考活動范圍的擴展,月面通信網(wǎng)直接通信鏈路的作用范圍在5～6 km范圍內(nèi)較為適宜。當活動范圍超出該范圍時,則需要通過月軌或者地球轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)月面漫游車與居住艙之間的中繼通信。

3)一體化需求。月面活動航天員、車、機器人等設(shè)施不應當成為孤島,而勢必與地面之間存在強烈的通信需求,這一點毋容置疑。因此,地球通信網(wǎng)和月球通信網(wǎng)在未來必然需要一體化設(shè)計。

4)開放性需求。月球探測理應匯聚全人類的力量,爭取更多的合作伙伴,利用一切可以利用的資源,降低月球開發(fā)的成本,月面通信網(wǎng)必然需要與國際上開展月球探測活動的國家與機構(gòu)進行開放性合作。

5)擴展性需求。載人月球探測活動是一個持續(xù)開展的過程,初期活動規(guī)模較小,后期逐漸擴大,尤其是月面基礎(chǔ)設(shè)施的組裝建造階段是一個長期持續(xù)建造的過程。這要求月面通信系統(tǒng)架構(gòu)需要具備較高的靈活性,既能夠適應初期載人登月任務小規(guī)模場景的需求,又要具備較強的擴展性,能夠覆蓋建造階段一定時間跨度的規(guī)模需求,支持有人與無人探測的融合,并需要具備持續(xù)演進的能力。

遠期載人月面活動各節(jié)點詳細需求及限制條件的分析結(jié)果詳見表2。

表2 遠期活動對通信的需求Table 2 Communication requirements for long-term lunar activities

2 載人月球探測月面通信網(wǎng)的總體架構(gòu)

2.1 地月人機一體化通信網(wǎng)

為滿足未來月球有人長期駐留和科考開發(fā)的需求,未來月面通信系統(tǒng)的應用場景,應與地面互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)類似,是以網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)的萬物互聯(lián),以實現(xiàn)人與物、物與物、人與人的全方位互聯(lián)互通。在月球探測任務中,地球指揮中心、月球科考站、移動實驗室、著陸器、航天員、飛躍器、巡視器、機器人等有機結(jié)合,組成地月人機一體化通信網(wǎng)是載人月球探測的必然選擇,如圖3所示。

圖3 地月人機一體化通信網(wǎng)總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of Earth-Moon-human-robot integration network

在地月人機一體化通信網(wǎng)總體架構(gòu)上,按照空間位置分布不同,可以劃分為地球網(wǎng)、月軌網(wǎng)和月面網(wǎng)3大通信主網(wǎng),3大主網(wǎng)的任意二者間都存在直接鏈路,3大主網(wǎng)可以實現(xiàn)直接連通,也可以借助其他主網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)間接連通。

3大主網(wǎng)的主要特征如下:

1)月面通信網(wǎng):月面活動的各節(jié)點,如月面著陸器、月球科研試驗站、移動實驗室、航天員、機器人之間,通過月面通信網(wǎng)實現(xiàn)信息傳輸;

2)地球通信網(wǎng):月面活動節(jié)點可通過直接對地鏈路,與地球通信網(wǎng)連接;

3)月軌中繼網(wǎng):月面活動的各節(jié)點借助月軌中繼星,實現(xiàn)與地球通信網(wǎng)間的信息傳輸。

對于處于月面活動中的各節(jié)點,如月球科考站、移動實驗室、航天員、機器人之間,需要組成月面通信網(wǎng)。但從地月人機一體化測控通信網(wǎng)總體架構(gòu)的3大主網(wǎng)角度上來看,月面通信網(wǎng)的各節(jié)點間的信息傳輸途徑并不需要僅僅拘泥于月面通信網(wǎng)的直接連通,可用于通信的信息流途徑包括:

1)月面通信網(wǎng)的直接通信鏈路,月面活動的各節(jié)點通過月面直接通信網(wǎng)實現(xiàn)信息傳輸;

2)借助月軌中繼網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路,月面活動的各節(jié)點借助月軌中繼網(wǎng)實現(xiàn)信息傳輸;

3)借助地球通信網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路,月面活動的各節(jié)點借助地球通信網(wǎng)實現(xiàn)信息傳輸。

3條信息流具有不同特點,適應不同場景,是同時存在、相輔相成的關(guān)系。其中月面通信網(wǎng)具有時延低、速率高,能夠滿足月面應急通信需求的特點,在使用優(yōu)先級上屬于月面通信支持的最高優(yōu)先級。

目前月軌和月面通信網(wǎng)的研制工作已經(jīng)在逐步開展?；谳d人月球探測和嫦娥探月工程,月面著陸器、科學載荷、月球車、月面探測器、機器人等月面節(jié)點將陸續(xù)研制并發(fā)射,逐漸形成月面通信網(wǎng)的先導型。

2.2 月面通信網(wǎng)

2.2.1月面通信網(wǎng)的功能

在地月人機一體化通信網(wǎng)的總體框架下,月面通信網(wǎng)是實現(xiàn)月面活動節(jié)點組網(wǎng)通信的首選鏈路,肩負著支持月面活動的重要任務,月面通信網(wǎng)主要承擔的功能任務應包括:

1)完成月面視距范圍內(nèi)的可靠通信。保證月面節(jié)點活動范圍內(nèi)的全時通信覆蓋,滿足月面的應急通信需求。

2)完成月面近距離的高速通信。在100 m左右的近距離范圍內(nèi),具備完成近距離高速通信任務的能力。

3)航天員艙內(nèi)和艙外通信的橋接。月面通信網(wǎng)應能夠由艙外擴展至艙內(nèi),承擔起航天員艙內(nèi)和艙外通信的橋接任務。

4)“無線”移動通信網(wǎng)需求。月球上以千米為單位大范圍布置光纖、光纜顯然是不現(xiàn)實的,月面通信網(wǎng)應能夠支持月面各節(jié)點的遠距離無線通信。

5)具備靈活可擴展性的架構(gòu)。月面通信網(wǎng)能夠適應初期載人登月任務小規(guī)模場景的需求,又要具備較強的擴展性和支持持續(xù)演進過程的能力。

6)信息安全能力。載人月球探測活動開展的主體包括國內(nèi)和國外,需要具備一定的信息安全能力,防止指定范圍外的其他月面活動主體對信息的竊取、仿冒和攻擊。

7)地面商用標準化無線設(shè)備的接入:月面著陸器/移動科研站等艙內(nèi)的良好環(huán)境能夠為地面商用標準化無線設(shè)備的應用創(chuàng)造有利條件,因此,可以充分利用月面通信網(wǎng),實現(xiàn)地-月無線設(shè)備的統(tǒng)一與標準化。

2.2.2月面通信網(wǎng)的性能

月面通信網(wǎng)的性能需求主要包括以下幾方面:

1)高可靠低延時網(wǎng)絡(luò)需求。與地面工業(yè)自動化場景類似,月面通信網(wǎng)存在對月面機器實施控制的任務,“高可靠”與“低時延”是2項重要指標。

2)高效率網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理需求。由于月球存在較強的空間輻射影響,地球所采用的高速計算芯片難以在月球應用,而宇航級器件存在著運算速率低等難題,月面活動將面臨計算資源受限的問題。因此,需要對月面網(wǎng)絡(luò)計算進行簡化,提高月面計算資源利用效率。

3)豐富的多址接入能力需求。隨著月面活動參與對象數(shù)量的增加,有人探測和無人探測的綜合,地球向月球資源轉(zhuǎn)移數(shù)量的增加,月球原位資源利用規(guī)模的提升,月球上各項活動目標和物資資源,都具有向月面通信網(wǎng)接入的需求。月面通信網(wǎng)應具備物聯(lián)網(wǎng)級的多址接入能力,這是月面通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項重要需求。

4)能源、重量受限下的組網(wǎng)需求。地面上的5G基站,正常工作情況下通常需要3 500～4 000 W是功率(中興基站3 674 W,華為基站3 852 W),即便空載狀態(tài),也需要約2 200 W功耗[15-16]。在月面活動中,這種功耗代價對于依賴太陽能發(fā)電的航天器而言,顯然是無法接受的。因此,需要一種低重量、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計,按照目前航天器可以搭載的月面準基站的裝置估計,其質(zhì)量代價≤20 kg,功耗代價≤200 W。

5)航天員的高速率上行通信需求。在月面通信系統(tǒng)中,終端用戶如航天員在艙外活動時的能源是極為有限的,但航天員需要向月面移動實驗室或著陸器等基站節(jié)點發(fā)送較大數(shù)據(jù)量的高清圖像等,而月面著陸器等月面基站節(jié)點只需要向航天員等終端用戶下發(fā)遙控、話音等低速率的數(shù)據(jù),這是月面通信網(wǎng)與地面移動通信系統(tǒng)完全相反的需求。

6)月面環(huán)境的抗多徑需求。月面環(huán)境存在月塵、巖石和地形起伏,與地面多徑環(huán)境類似,因此月面通信系統(tǒng)在設(shè)計上需要考慮抗多徑的需求,采用循環(huán)前綴、分集接收等抗多徑技術(shù)。

3 月面通信網(wǎng)建設(shè)的總體技術(shù)途徑

3.1 地面移動通信技術(shù)在月面應用的可行性研究

目前地面可以實現(xiàn)多節(jié)點無線高速組網(wǎng)通信的標準主要有2類:一類是由3GPP主導,從最早的GSM經(jīng)WCDMA、LTE、5G NR一路發(fā)展而來。另一類是由IEEE主導,主要包括802.11協(xié)議族、802.15協(xié)議族、802.16協(xié)議族,分別指無線局域網(wǎng)WLAN(如WiFi)、無線個域網(wǎng)WPAN(藍牙)、無線城域網(wǎng)WMAN(WIMAX)。

1)802.15協(xié)議

802.15協(xié)議族主要用于在較短的距離內(nèi)傳輸信息,被廣泛應用的協(xié)議有802.15.1(Bluetooth)、802.15.4(Zigbee)[17],具有低功耗、低成本的特點,但傳輸距離短、易被干擾。

2)802.11協(xié)議[18]

WiFi(Wireless Fidelity)是IEEE為無線局域網(wǎng)(WLAN)定義的一系列無線網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)標準,即IEEE 802.11協(xié)議族,主要工作在2.4 GHz頻段或5 GHz頻段。主要應用于室內(nèi)場所,如小區(qū)、家庭等生活場景,或車站、機場等交通樞紐場景。

3)LTE、5G、802.16協(xié)議

國際電信聯(lián)盟ITU將3GPP組織提出的LTE協(xié)議和IEEE 802.16 m均定義為4G移動通信技術(shù),而5G協(xié)議[19-22]則是在LTE的基礎(chǔ)上演進而來,具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高了一個量級。目前LTE/5G被廣泛應用于辦公、自動駕駛、工業(yè)自動化、智慧城市等多種場景。

以上無線通信標準是面向不同場景、不同需求制訂的,具有不同的特性,對月面通信網(wǎng)的功能、性能需求的滿足情況梳理如表3所示。

表3 基于LTE/5G移動通信、WiFi的技術(shù)途徑需求滿足情況表Table 3 Technical requirement satisfaction based on LTE/5G mobile communication and WiFi

綜上,無論是LTE、5G還是WiFi等地面移動通信網(wǎng)絡(luò)都無法完全滿足月面通信網(wǎng)的功能、性能需求,且地面LTE、5G移動通信協(xié)議體系復雜,月面通信網(wǎng)應利用經(jīng)過地面充分驗證的移動通信關(guān)鍵技術(shù),對其進行簡化、修改,得出一套適應月面通信需求的總體設(shè)計方案。

3.2 月面通信網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

當前國際航天領(lǐng)域?qū)εR近空間通信的標準都是點對點的通信標準。NASA在阿爾忒彌斯計劃中委托諾基亞開展基于4G移動通信技術(shù)的月面組網(wǎng)通信研究,但并未公布最終詳細方案?？梢灶A料的是,無論是照搬4G還是5G的通信方案都需要較多的基礎(chǔ)設(shè)施,這顯然并不適用于月面這一資源極度缺乏的場景。

月面通信系統(tǒng)在總體技術(shù)途徑上應當選擇基于5G技術(shù)并適當修改的簡化協(xié)議作為總體架構(gòu)的設(shè)計方案,從而既能利用5G在無線通信方面的關(guān)鍵技術(shù),又能滿足月面重量、功耗資源受限的條件,同時利用地面5G與互聯(lián)網(wǎng)融合的成熟技術(shù),能夠更方便地建立與月軌中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、地球通信系統(tǒng)一體化的通信體制。另一方面,考慮到月面通信系統(tǒng)對商用設(shè)備的標準化直接接入的需求,采用WiFi技術(shù)作為補充,實現(xiàn)商用設(shè)備的近距離高速無線通信接入,而遠距離則通過中繼節(jié)點的轉(zhuǎn)換接入月面通信網(wǎng)。

基于簡化5G體制和WiFi體制融合的技術(shù)途徑的總體架構(gòu)見圖4。

圖4 基于5G的簡化和WiFi融合的技術(shù)途徑架構(gòu)Fig.4 System architecture of lunar communication network based on simplify 5G and WiFi technologies

整個月面通信網(wǎng)由骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)組成,骨干網(wǎng)由主節(jié)點、副節(jié)點組成,接入網(wǎng)由主/副節(jié)點與終端組成。主節(jié)點是月面著陸器、大型移動實驗室或固定的基礎(chǔ)設(shè)施,具有較強的能源和通信能力,也是月面通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)的直接橋梁。主節(jié)點搭載功率較大的月面無線通信基站設(shè)備,可與航天員等活動終端設(shè)備實現(xiàn)近距離的高速通信和數(shù)公里內(nèi)的低速通信。副節(jié)點是月球車或其他移動設(shè)備,具備在月面數(shù)公里距離內(nèi)探測的能力,可以作為航天員與月面無線骨干網(wǎng)的中繼節(jié)點。副節(jié)點對主節(jié)點組成骨干網(wǎng),對終端設(shè)備組成接入網(wǎng)。航天員在主節(jié)點附近活動時,與主節(jié)點直接組成接入網(wǎng);當駕駛月球車或加壓漫游車執(zhí)行月面遠距離活動任務時,與車組成接入網(wǎng),由車實現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)鏈路可以選擇月面通信網(wǎng)、月軌通信網(wǎng)或地月通信網(wǎng)。

4 月面通信網(wǎng)協(xié)議總體設(shè)計方案

4.1 月面通信網(wǎng)協(xié)議棧架構(gòu)

月面通信網(wǎng)采用基于分層的協(xié)議架構(gòu),對傳輸數(shù)據(jù)進行5層數(shù)據(jù)處理,分別是應用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。月面通信應用層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層可采用標準的TCP/IP協(xié)議簇,有利于建立地月一體化通信網(wǎng);數(shù)據(jù)鏈路層(L2)和物理層(L1)采用適應月面通信的自定義協(xié)議,從而滿足月面組網(wǎng)通信的需求。以月面著陸器為核心的組網(wǎng)模式,可以看作月面通信網(wǎng)的基本型,其協(xié)議棧架構(gòu)如圖5所示。

圖5 月面通信網(wǎng)協(xié)議棧架構(gòu)圖Fig.5 Architecture diagram of lunar communication network protocol stack

月面著陸器配置2個網(wǎng)關(guān)設(shè)備,對地通信處理器承擔對地網(wǎng)關(guān),月面通信處理器承擔對月網(wǎng)關(guān),通過雙網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)地-器-月端到端的雙向數(shù)據(jù)通信,其中月面著陸器需要完成2次協(xié)議轉(zhuǎn)換,以適配地月鏈路和月面鏈路的不同信道特性、傳輸速率和協(xié)議。

4.2 月地路由通道

將地-器-月作為一體化網(wǎng)絡(luò)來考慮,劃分為地面子網(wǎng)、航天器子網(wǎng)和月面子網(wǎng)。不同子網(wǎng)內(nèi)部存在不同協(xié)議的可能,子網(wǎng)間也通過不同鏈路連接。子網(wǎng)與子網(wǎng)之間配置網(wǎng)關(guān),完成網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換。當月面的終端a需要與地面終端b通信時,終端a將目的IP地址(地面終端b的IP地址)與子網(wǎng)掩碼進行“與”操作,如果目的地址不在同一子網(wǎng),則將該數(shù)據(jù)包的目的地址設(shè)置為網(wǎng)關(guān)(月面終端網(wǎng)關(guān)),通過內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或總線將數(shù)據(jù)包傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)將該數(shù)據(jù)包按照月面通信網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議發(fā)送至航天器子網(wǎng),航天器子網(wǎng)的月面網(wǎng)關(guān)設(shè)備判斷數(shù)據(jù)包的目的地址屬于哪一個子網(wǎng),如果屬于航天器內(nèi)網(wǎng),則將該數(shù)據(jù)包MAC地址裝訂為對應內(nèi)網(wǎng)終端的地址,并通過內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機向目的終端轉(zhuǎn)發(fā);如果屬于月面子網(wǎng)的其他終端,則匹配相應的月面通信網(wǎng)的MAC地址,并向月面通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā);如果屬于地面子網(wǎng),則匹配天地網(wǎng)關(guān)的MAC地址,通過天地網(wǎng)關(guān)按照天地數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)送至地面站,地面站再發(fā)送至地面網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)地面子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),最終送至地面終端b,整個轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖6所示。地面終端b需要發(fā)送數(shù)據(jù)至月面終端a數(shù)據(jù)包時,采用相反的過程。

使用天地網(wǎng)關(guān)和月面網(wǎng)關(guān)后,月面終端子網(wǎng)、航天器子網(wǎng)和地面子網(wǎng)可以采用不同數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議,只需要子網(wǎng)間鏈路在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層采用相同的協(xié)議即可。在路由算法的選擇上,對于基本的IP包,可以直接利用地面成熟的IP路由協(xié)議,對于空間包,如CCSDS定義的SPP包,則需要配置專門的空間包路由算法,通過建立基于SPP包地址的路由表實現(xiàn)。

4.3 用戶面和控制面的分離

月面通信網(wǎng)的核心是月面通信處理器,它的作用類似5G基站和部分核心網(wǎng)將航天器內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為射頻信號,發(fā)送到月面活動節(jié)點,如航天員/載荷接收終端,同時對用戶的接入、退出和資源分配進行管理。月面通信協(xié)議棧包含用戶面和控制面,借鑒5G移動通信的思想,將控制信令和用戶數(shù)據(jù)的解耦,從而簡化管理路徑。用戶面、控制面協(xié)議的區(qū)別主要為:控制面協(xié)議不包括傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層,控制面應用層負責信令傳輸;用戶面協(xié)議包括網(wǎng)絡(luò)層(IP)、傳輸層(UDP)、應用層。月面通信處理器負責航天員數(shù)據(jù)鏈路層幀的轉(zhuǎn)換重組,將內(nèi)網(wǎng)幀轉(zhuǎn)為月面鏈路幀。

如圖7所示,左側(cè)為月面通信網(wǎng)的接入網(wǎng)協(xié)議棧,可見控制面協(xié)議?？缭搅藗鬏攲雍途W(wǎng)絡(luò)層,控制面協(xié)議只在月面無線通信網(wǎng)的內(nèi)部使用,通過數(shù)據(jù)鏈路層完成尋址和傳遞。通信介質(zhì)的改變也引起了協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的重建,信令的管理通過L3層負責,本質(zhì)上屬于應用層協(xié)議。

圖7 月面通信網(wǎng)控制面、用戶面協(xié)議棧Fig.7 Protocol stack for lunar communication network control surface and user surface

對用戶數(shù)據(jù)的管理、調(diào)度主要通過控制面的信令實現(xiàn)。在5G中,控制面數(shù)據(jù)通過專用的控制信道承載,數(shù)據(jù)量和種類非常龐大,調(diào)度機制非常復雜,顯然不適用于月面通信網(wǎng)的控制面設(shè)計。

5 月面通信網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 物理層關(guān)鍵技術(shù)

1)高效帶寬利用

月面通信的頻率、重量和功率資源都非常緊張,同時擴展性的需求也十分強烈。隨著月面活動節(jié)點的增加,必須選擇高效率的帶寬利用技術(shù),提高月面網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效率。

在通信體制上,綜合考慮頻率、重量和功耗等因素,月面通信網(wǎng)物理層在用戶多址接入方式上,采用TDD及TDMA技術(shù),顯然更具優(yōu)勢。采用上下行和多用戶全時分的方式,一方面減少了頻率分配導致的濾波器開銷,同時為也為多用戶同時使用全頻段資源提供了基礎(chǔ),實現(xiàn)各方資源的均衡。

在信號波形產(chǎn)生方式上,采用OFDM技術(shù),這一技術(shù)適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸,且可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率。當子載波數(shù)量較多時,頻帶利用率近似為lbM(M為調(diào)制階數(shù)),是傳統(tǒng)頻分復用(FDM)系統(tǒng)的2倍,非常適用于月面頻譜資源極度有限的特點。

2)自適應功率控制

提高發(fā)射功率有助于應用更高階的調(diào)制方式,增加傳輸比特率,降低誤碼率和丟包率,但是月面能源緊張,提高功率不利于節(jié)能,尤其不利于月面設(shè)備的電池壽命。因此,月面通信網(wǎng)采用功率控制技術(shù),根據(jù)終端和節(jié)點的通信距離不同,在通信過程中使用適宜的發(fā)射功率,在提高信道容量的同時,降低終端間的干擾,提高整個網(wǎng)絡(luò)的能源效率和兼容性。

功率控制功能通過信道估計和信令實現(xiàn)。在OFMA多載波設(shè)計中,采用部分的子載波頻率發(fā)送導頻信號,通過預先約定的先驗信息實現(xiàn)對當前信道狀態(tài)的估計,從而評估功率的合理程度。發(fā)現(xiàn)當前的功率設(shè)置過大或者過小時,通過傳遞信令實現(xiàn)對功率的適應性調(diào)整。

3)自適應調(diào)制編碼控制

月面通信網(wǎng)主節(jié)點可根據(jù)信道狀態(tài),對信道的調(diào)制編碼方式進行自適應調(diào)整,實現(xiàn)上下行速率控制。用戶終端將解調(diào)參考信號的測量值反饋給主節(jié)點,由主節(jié)點來推測信道的質(zhì)量,評估并選取適應的調(diào)制方式和編碼率以及編碼效率,實時選擇適應的調(diào)制編碼方式。

4)靈活擴展能力

在月面通信網(wǎng)物理層的設(shè)計上,通過子載波的調(diào)配、調(diào)制編碼的自適應實現(xiàn)用戶規(guī)模的擴展。月面通信系統(tǒng)的容量受限于發(fā)射功率和帶寬。單純通過提高頻率利用率的技術(shù),在擴展能力上存在上限。提高功率需要部署大型月面通信塔、陣列天線等,需要月面基礎(chǔ)設(shè)施能力的不斷擴展。未來隨著航天光伏能源技術(shù)、月面核反應發(fā)電技術(shù)的突破,月面基站將有能力具備更高的發(fā)射功率,進而支持月面通信系統(tǒng)逐步由低頻向S、Ku、Ka等高頻段高帶寬擴展,以滿足超高速、超低延遲和超大傳輸容量等需求。月面通信網(wǎng)基于TDMA的體制設(shè)計,實現(xiàn)了通信協(xié)議與頻率的剝離,頻率作為整個系統(tǒng)的一項配置參數(shù),可以實現(xiàn)靈活配置,在體制上為后續(xù)規(guī)模擴展留下空間。

5.2 數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵技術(shù)

1)通信資源動態(tài)分配

月面通信網(wǎng)各節(jié)點在不同時間對通信資源的需求不同,如業(yè)務需求變化和通信距離變化,從而需要動態(tài)調(diào)整時隙配比來適配即時的通信需求。月面通信網(wǎng)為適應實時的業(yè)務調(diào)整,在數(shù)據(jù)鏈路層采用資源動態(tài)分配技術(shù),通過時隙動態(tài)調(diào)整解決月面通信上下行數(shù)據(jù)量差異性大、月面節(jié)點通信能力不平衡的問題,滿足不同場景下的通信需求。

如圖8所示,某月面載荷節(jié)點由于需要向網(wǎng)絡(luò)傳輸高速遙測信息,則數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)需求調(diào)整信道分布由超幀0變?yōu)槌瑤?,載荷上下行數(shù)據(jù)傳輸速率變?yōu)橹暗?倍。

圖8 月面節(jié)點資源動態(tài)分配示意圖Fig.8 Schematic diagram of dynamic resource allocation for lunar nodes

2)可自由擴展的超幀設(shè)計

月面通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層幀長可變,當系統(tǒng)節(jié)點個數(shù)N擴展時,鏈路層超幀長度可進行自適應拓展。月面網(wǎng)的無線超幀需要具備擴展性,既能夠適應初期載人登月任務小規(guī)模場景的需求,又要支持遠期用戶數(shù)量不斷增長的需求。因此在超幀的設(shè)計上必須覆蓋月球探測建造過程在一定時間跨度內(nèi)的規(guī)模需求,且具備支持持續(xù)演進過程的能力。

3)高效的控制面管理技術(shù)

月面通信網(wǎng)控制信道和共享信道的定位,與5G移動通信的控制面模式不同,5G的控制面基于核心網(wǎng)的架構(gòu),需要大量的服務器和資源,顯然不適用于月面通信的資源受限場景。月面通信網(wǎng)采用低速信道用于接入、申請和退出業(yè)務,而其他高動態(tài)調(diào)度的信令則通過高速信道實現(xiàn),一方面能降低控制面實現(xiàn)的算法復雜度,同時也能為終端高優(yōu)先級需求提供專用的信道服務,實現(xiàn)功能和性能的均衡。

6 結(jié) 論

本文對照載人月球探測的規(guī)劃,分析了載人月球探測的主要任務和活動模式,結(jié)合國際地月空間通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢,提出了一種能夠支持當前乃至未來一定時期的月球探測的地月人機一體化通信網(wǎng)的總體架構(gòu),并在此基礎(chǔ)上細化提出了基于月面通信網(wǎng)的總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

月面通信網(wǎng)與地球移動通信網(wǎng)在對活動目標支持的基礎(chǔ)無線通信技術(shù)上有很大的相似之處。通過對地面移動通信技術(shù)在月面應用進行可行性分析得到,月面通信網(wǎng)構(gòu)建的總體架構(gòu)可以參考地面移動通信網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)。但月面活動有其獨特的特點和約束,直接照搬地面移動通信系統(tǒng)在月球通信基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的條件下是不可行的,月面通信網(wǎng)必須在充分利用地面已有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對地面移動通信技術(shù)進行簡化和適配,并具備一定的支持標準商用設(shè)備接入的能力。本文提出了一種適用于載人月球探測計劃的基于簡化5G體制和WiFi體制相融合的月面通信網(wǎng)總體技術(shù)途徑。

在上述基礎(chǔ)上,本文提出了月面通信網(wǎng)的通信協(xié)議棧、路由通道和用戶管理方案,并對協(xié)議棧中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用的功率控制、自適應調(diào)制編碼控制、月面節(jié)點資源動態(tài)分配等關(guān)鍵技術(shù)進行剖析和可行性分析。以此協(xié)議棧為基礎(chǔ),逐步分階段開展月面通信網(wǎng)的研究和建設(shè),逐步提高月面通信網(wǎng)的規(guī)模和能力。

月球探測是一項長期工程,每個階段的需求、考量的問題及關(guān)鍵技術(shù)都不盡相同。月面的組網(wǎng)通信系統(tǒng)要構(gòu)建一個開放、兼容的架構(gòu),并應當跳出月球表面通信本身,從地月測控通信網(wǎng)建設(shè)的更高維度去審視月面通信的總體架構(gòu)。月面通信網(wǎng)在初期設(shè)計上就應具備持續(xù)演進、更新的能力,既需要保護前期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資不被浪費,也要為未來網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新留下空間。

月面通信體制研究目前還處于起步階段,是中國可參與和主導制定國際標準或者提出建議的重點方向。未來中國應主動掌握國際上主流技術(shù)體制及其技術(shù)標準的發(fā)展動向,積極開展國際合作,建設(shè)以中國為主導的國際月面通信標準體系,提升中國月球探測領(lǐng)域的話語權(quán)和競爭力,進而以標準帶動產(chǎn)品研制、數(shù)據(jù)共享、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多維度的國際合作。