楊 輝，白 巍，張 杰

(北京郵電大學(xué) 信息光子學(xué)與光通信國家重點實驗室，北京100876)

時間敏感空間信息網(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)與光通信國家重點實驗室，北京100876)

空間信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為當前航空航天領(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，以時間敏感型業(yè)務(wù)為代表的新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。針對時間敏感業(yè)務(wù)的服務(wù)保障需求，提出了時間敏感空間信息網(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個層面對其關(guān)鍵技術(shù)展開分析，最后對時間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行總結(jié)與未來發(fā)展展望。

空間信息網(wǎng)絡(luò)；時間敏感；資源多維化；非對稱鏈路；業(yè)務(wù)驅(qū)動；時變網(wǎng)絡(luò)

0 引言

隨著空間信息技術(shù)的進一步發(fā)展和通信需求的不斷增強，新業(yè)務(wù)尤其是時間敏感型業(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，能夠為用戶提供寬帶接入服務(wù)。為了滿足時敏業(yè)務(wù)應(yīng)用的需要，必須進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。相對于地面網(wǎng)絡(luò)來說，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬資源和計算資源極為有限，拓撲結(jié)構(gòu)頻繁變化，需要更為有效的業(yè)務(wù)管理和路由維護策略以充分利用空間資源，同時滿足對各類業(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)、時隙資源(業(yè)務(wù)時隙數(shù)量、保護時間長度等)、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)議及移動性管理等[1-2]。

1 時間敏感空間信息網(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)對時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，由于其面向用戶與業(yè)務(wù)的特殊性，空間信息網(wǎng)絡(luò)中的時敏業(yè)務(wù)正日益增多，時間敏感空間信息網(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。

為了實現(xiàn)時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個角度對現(xiàn)有空間信息網(wǎng)絡(luò)展開探索與推動，如圖1所示。業(yè)務(wù)層面建立時敏業(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)保障機制，對空間信息網(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。而網(wǎng)絡(luò)層則在業(yè)務(wù)層的驅(qū)動下，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)拓撲變化等特性與時敏業(yè)務(wù)的業(yè)務(wù)需求，對時變網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(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。資源層則對多維化空間信息網(wǎng)絡(luò)資源進行挖掘與分析，統(tǒng)合一切可用網(wǎng)絡(luò)資源，探索上下行非對稱信道共享等資源共享技術(shù)，提高對資源的利用率，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，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層對資源的有效控制。

圖1 時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)架構(gòu)

2 業(yè)務(wù)層面

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

2.1 時敏業(yè)務(wù)模型

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

由于時敏業(yè)務(wù)通常來自于特殊用戶，如金融、軍事方面等，相對于其延時特性，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，時敏業(yè)務(wù)需要對其提出更高的要求。綜上所述，時敏業(yè)務(wù)模型不僅需要滿足傳輸延時和帶寬需求，還需要對設(shè)備處理速度、計算資源進行考慮，并提供可靠性、安全性和生存性方面保障。

2.2 業(yè)務(wù)保障機制

針對時敏業(yè)務(wù)延時、帶寬和可靠性等方面的服務(wù)質(zhì)量需求，需要設(shè)計有效的時敏業(yè)務(wù)保障機制。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)保障機制中，對資源的分配也同樣需要相應(yīng)的分配算法，同時為了滿足時敏業(yè)務(wù)的低延時需求，在設(shè)備計算資源上也同樣需要設(shè)計相應(yīng)的分配算法。因此，業(yè)務(wù)保障機制還可以根據(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)度主要針對業(yè)務(wù)對設(shè)備的計算、存儲等資源的使用進行調(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。由于時敏業(yè)務(wù)對延時要求的特殊性，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，相對于其他種類業(yè)務(wù)，時敏業(yè)務(wù)都將有最優(yōu)先的資源使用權(quán)利，包括計算存儲資源和網(wǎng)絡(luò)資源。在時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)保障機制中，時敏業(yè)務(wù)將得到網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)服務(wù)，而對該業(yè)務(wù)保障機制的支持，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，并實現(xiàn)3個層面技術(shù)的控制與聯(lián)動，維持整個時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的正常運行。時敏空間信息網(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)拓撲技術(shù)以及路由策略的設(shè)計。

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動，除了地球同步衛(wèi)星，大部分衛(wèi)星相對于地面處于時刻運行的狀態(tài)，并且不同軌道上的衛(wèi)星由于其軌道不同，也都處于相對運動狀態(tài)。因此，不同于一般性地面網(wǎng)絡(luò)，空間信息網(wǎng)絡(luò)具有較為突出的實時移動特性，并且衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間相對移動模型相對復(fù)雜，時變的拓撲結(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、更加智能化地為時敏業(yè)務(wù)調(diào)配網(wǎng)絡(luò)資源，因此需要對網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)進行探索。

采用分布式的控制方式通常需要各個衛(wèi)星協(xié)作完成控制，而在時變拓撲環(huán)境下，各衛(wèi)星間存在著相對移動特性，衛(wèi)星間通信隨時都有通信聯(lián)絡(luò)通斷的可能，衛(wèi)星間彼此的相互探測需要實時更新狀態(tài)，更會大幅浪費設(shè)備的計算處理資源。而衛(wèi)星間的運行相對運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，其處理能力相對較弱，無法完成對全網(wǎng)拓撲的實時更新，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)星運行模型，時刻確定每一顆衛(wèi)星的準確位置。并且，對各個衛(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，就可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，服務(wù)于時敏業(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)度時敏業(yè)務(wù)所需資源。圖2為時敏衛(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)星控制機進行集中式的控制，3個域的控制器與地面網(wǎng)絡(luò)總控制器連接，實現(xiàn)全體空間網(wǎng)絡(luò)的控制。由此實現(xiàn)了時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的集中式控制架構(gòu)。

圖2 時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)

3.2 時變網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星相對地面網(wǎng)絡(luò)具有移動特性，如圖3所示，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點類型，將網(wǎng)絡(luò)拓撲中位置不變的網(wǎng)絡(luò)部分稱為固定拓撲域，而衛(wèi)星所在拓撲范圍由于其位置的時變性，屬于時變拓撲域，由此形成了空間信息網(wǎng)絡(luò)具有較突出的移動特性[5]。當圖3(a)中衛(wèi)星運行至圖3(b)中所在位置時，由于地面天線與衛(wèi)星位置較遠，部分無線鏈路已經(jīng)斷開，而此時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，而時敏業(yè)務(wù)不僅僅需要超低的延時性能保障，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、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)時延，不利于時敏業(yè)務(wù)的有效傳輸。

圖3 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓撲時變性

由于上述原因，在時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)中對可靠性的保障迫在眉睫。從空間信息網(wǎng)絡(luò)移動特性出發(fā)，基于集中式控制架構(gòu)的時變網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)，將成為解決可靠性問題的可行方案之一。由于衛(wèi)星運行位置模型的復(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)星位置移動模型。而集中式的網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)，為衛(wèi)星移動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算處理存儲資源，適用于處理衛(wèi)星移動模型，通過建立所屬區(qū)域的衛(wèi)星移動模型，控制器可以掌握所屬域內(nèi)衛(wèi)星各個時刻位置，由此建立各個時間點的時變拓撲圖，并根據(jù)時變拓撲完成網(wǎng)絡(luò)工作。而對鏈路通斷的準確預(yù)測也將為空間信息網(wǎng)絡(luò)中時敏業(yè)務(wù)的可靠性保障提供有效支撐。

3.3 業(yè)務(wù)驅(qū)動的路由策略

在時敏空間信息網(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)，時變網(wǎng)絡(luò)拓撲技術(shù)提供了具有實時性的有效的拓撲信息。在上述2種技術(shù)的支持下，為了保障時敏業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，需要進一步設(shè)計傳輸策略，其中路由策略將成為影響時敏業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

時敏業(yè)務(wù)在延時、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，路由策略需要從時敏業(yè)務(wù)的實際需求出發(fā)，形成時敏業(yè)務(wù)驅(qū)動的路由策略。路由策略主要被部署在控制器中，當有時敏業(yè)務(wù)需要服務(wù)時，業(yè)務(wù)請求將被發(fā)送至控制器，根據(jù)全局的拓撲情況以及資源情況為該業(yè)務(wù)分配路徑與傳輸資源。時敏業(yè)務(wù)驅(qū)動的路由策略首先需要考慮其傳輸時延，為了達到時延要求，需要選擇最短路徑，減少傳輸時間，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)合時變網(wǎng)絡(luò)拓撲模型，保障其在傳輸期間不出現(xiàn)鏈路中斷情況或提前設(shè)置好備用鏈路進行快速倒換，對可靠性做出保障。由此，在網(wǎng)絡(luò)與資源層面技術(shù)協(xié)同下，對業(yè)務(wù)保障機制提供有效支持。

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，可以對網(wǎng)絡(luò)層面、業(yè)務(wù)層面和時敏業(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，將推進時敏空間信息網(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現(xiàn)的。空間信息網(wǎng)絡(luò)資源包括時、頻、空資源，呈現(xiàn)多維化態(tài)勢。時間敏感空間信息網(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入控制和波束切換管理過程中對頻率資源實時動態(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)星鏈路特點進行分組調(diào)度，滿足不同業(yè)務(wù)的QoS需求，實現(xiàn)對頻率資源的最優(yōu)使用[6-7]。尤其是當衛(wèi)星采用多波束天線時，能夠?qū)⑿l(wèi)星在地面的覆蓋區(qū)劃分成多個波束小區(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，實現(xiàn)頻率復(fù)用，無需提高帶寬就可提高整個網(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)星的運動性就要求業(yè)務(wù)傳輸在其可視時間窗口內(nèi)實行?？紤]到有的業(yè)務(wù)對時延較敏感，且對時間準確度有較高的要求，即用戶要求及時、準確地完成信息傳輸，因此要實現(xiàn)此類業(yè)務(wù)的QoS保證必須對空間信息網(wǎng)絡(luò)資源進行有效的調(diào)度與管理。對于時間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度問題，需要考慮不同類型資源(時、頻和空)的共享原則及時敏業(yè)務(wù)特點建立相關(guān)的多維時變資源模型。

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、靈活地利用時空頻資源，提高其利用效率。時頻資源處理主要是指從某個時間內(nèi)的寬帶信號中分離出子信道，或者將多個窄帶子信道合成一個寬帶信號，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)整子信道的時頻空尺度。時間尺度指幀長/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)我國的實際情況，不具備在境外部署大型衛(wèi)星接入站點的基礎(chǔ)與實力，因此無法采用該方式進行衛(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方向，虛擬拓撲及虛擬節(jié)點的研究能夠有效屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲動態(tài)特性[3]。

在空間信息網(wǎng)絡(luò)中，時間虛擬化策略[10]的基本思想[11-12]是，通過利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運行的周期性及可預(yù)測性，將系統(tǒng)運行的周期劃分為多個時間片段。通常星際鏈路連通或斷開發(fā)生在離散的時間點，而在2個相鄰的離散時間點組成的時間片內(nèi)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)可以視為固定不變的。而且當這個時間片足夠小時，可以認為各鏈路的代價也是不變的。時間虛擬化策略對衛(wèi)星系統(tǒng)周期的分割應(yīng)采用不等長時間片劃分的方法來適應(yīng)星間鏈路切換時間間隔非等長的特點，以避免在時間片內(nèi)存在過多的星間鏈路斷開，不能很好地滿足時敏業(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，對于多波束衛(wèi)星通信系統(tǒng)而言，動態(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變特性，且通信業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣性特點，使得這種動態(tài)分配方式能更滿足突發(fā)性時敏業(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衛(wèi)星按照一定的原則進行虛擬化，能夠進一步提高星上無線資源的利用率，且能更好地保證時敏業(yè)務(wù)的QoS。同時，由于衛(wèi)星的姿態(tài)變化直接導(dǎo)致星載點波束天線的指向發(fā)生偏移，從而改變點波束的覆蓋區(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稱的特點，即衛(wèi)星設(shè)備到地面終端的前向信道帶寬要遠大于地面終端到衛(wèi)星設(shè)備的反向信道帶寬。上下行不對稱有可能造成反向信道帶寬較窄，增加了延時，從而使前向信道可用帶寬受到限制。

上下行非對稱信道共享技術(shù)的提出是為了有效解決信道資源在時間和空間上利用的不均衡，提高信道資源利用率。在時間敏感空間信息網(wǎng)絡(luò)中，在保證時敏業(yè)務(wù)對信道資源使用優(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，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)，當時敏業(yè)務(wù)所占用的信道質(zhì)量變差，只能放棄該信道時，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，需要先對其他的空閑頻譜塊進行評估，再選擇當前最優(yōu)的空閑頻譜塊進行切換操作。

5 結(jié)束語

隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，對時敏業(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，時敏空間信息網(wǎng)絡(luò)的建立勢在必行。本文提出了建立時敏業(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個層面分析了時敏業(yè)務(wù)的系統(tǒng)需求，并對各層面技術(shù)的發(fā)展需求進行了總結(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