基于卫星协作的空间信息传输技术研究综述

戴翠琴，宋清洋，郭 磊

(1.重庆邮电大学 通信与信息工程学院，重庆 400065;2.东北大学 计算机科学与工程学院，沈阳 110819)

0 引 言

卫星通信，被称为“地球外的中继(extra-terrestrial relay)通信”，是通信技术、计算机技术和航空航天技术相结合的重要成果，在全球许多领域得到了广泛的应用。作为空间通信的重要组成部分，卫星通信以其战略性、基础性和不可替代性，一直都是全球范围的研究热点[1-2]。

与地面通信网络相比，卫星通信网络主要呈现出3个基本特征：①拓扑结构方面，空间卫星节点不断运动(非静止轨道卫星)、链路长度和通断关系随时间动态变化，使得网络拓扑呈现出规律的动态时变性；②网络节点方面，基于卫星节点的中继协作，使得信息传输呈现出空间多点协作性；③传输链路方面，远距离传输使得空间信息传输呈现出长时延、大损耗、高误码等问题。因此，拓扑的动态性、节点的协作性和链路的易断性使得卫星通信网络动态时空变化，加剧了传输业务的链路切换，导致了空间信息传输的自适应性、路由的自优化性、网络的自组织性较差，系统中断率和误码率较高，也使得卫星通信网络一直以来面临许多亟待解决的技术挑战，如：网络架构优化和节点部署问题、动态拓扑下的星地互联互通以及星间通信问题等，这些问题的有效解决需要具有快速、可靠、灵活、稳定的传输新技术的出现。

近年来，人类对空间资源依赖性和空间探索需求与日俱增，世界各国空间探测计划逐步展开，特别是星间链路(inter satellite link, ISL)的出现和星上处理(on board processing, OBP)功能的日益增强, 使得空间节点间互联、空天地一体化网络架构成为未来空间信息传输的发展趋势和必然要求[3-5]。目前，国内外针对卫星通信网络的研究积累，大多是基于透明转发的弯管式卫星中继通信，较少有研究针对具有ISL和OBP功能的卫星协作通信，对该领域的研究尚在探索阶段，而空间无线传输的开放性、复杂性和不确定性，使得现有链路传输技术不能满足未来新型空间通信网络架构下的需求。同时，未来空天地一体化通信网络还将具有多层立体、动态时变的特点，拓扑结构的动态性、复杂性和可扩展性，空间节点的高速移动性和有限的存储及处理能力，使得现有空间信息传输技术将不能很好地满足新型空间网络架构下的通信需求。因此，未来空天地一体化通信的研究方向大致可分为：①新型空间信息网络体系架构研究，通过多轨多星多空间节点自主协同工作、空间节点间及星地节点间的高速互联，实现空天地一体化的信息协同传输；②空间链路传输特性研究，不仅需要考虑星间链路受自由空间传播损耗的影响，还要考虑不同轨星间链路的持续通信时间、链路距离等空间几何参数和链路传输性能参数随时间周期性变化的规律，甚至随着临近空间飞行器的加入，还要考虑不同种类空间节点的特性，不同的轨道高度、移动性以及电波传播环境，会使得不同类型的空间链路呈现不同的连通时间和传输特性；③空地链路传输特性研究，除了考虑自由空间传播损耗，还需考虑大气吸收损耗、降雨损耗、云雾雪损耗、大气折射、电离层对流层闪烁、多径衰落、阴影衰落等多种电波传播特性的影响，以及地面终端移动性和系统工作频率越来越高对空地链路传输特性的影响。

1 基于卫星协作的空间通信网络

传统的地面网络技术成熟、资源丰富，但受地理环境影响较大。卫星网络中的卫星中继节点分布在太空中，具有极强的灵活性与极大的覆盖范围，以其机动灵活的对地覆盖能力一直都是应对、处理应急事件的通信主体。当发生紧急事件和敏感事件时(如：地震洪水等自然灾害、恐怖袭击等人为灾害、国家战略要道的通信保障等)，由于缺乏一体化的信息传输基础设施，使得数据下不来、观测不连续、反应不及时，无法满足远程、及时、连续的信息传输。因此，为了进一步提高信息传输的速度和质量，需要基于天地一体化的组网及信息传输新技术的出现。

天地一体化网络，是以地面网络为基础、以天基网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基、海基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施[6-7]。任何网络都有两大构成要素：节点和链路。对于天地一体化网络中的节点来说，主要可分为4类：①信息获取节点；②传输分发节点；③存储处理节点；④用户终端。其中，传输分发节点和存储处理节点均需要具有信息传输、分发和交换能力，在传统天地一体化网络中主要由空间卫星中继节点完成上述功能。对于天地一体化网络中的链路来说，主要可分为2类：①ISL，指用于卫星之间通信的链路，实现空间卫星节点之间的信息传输与路由；②星地链路(satellite-to-ground link,SGL)，指围绕地球的卫星与地球表面的陆地终端间的通信链路。

目前，基于空间卫星中继节点和星地传输链路的传统天地一体化网络的关键技术难点有：①网络要素多样化、网络结构立体异构，地面互联网和移动通信网可以采用成熟的基于IP的互联网技术实现互联互通，对于卫星与卫星之间、卫星与地面之间，也需要引入IP协议实现天地的互联互通，但是，不同时空结构的异构网络会给网络架构、路由和传输带来更大的设计难度；②网络拓扑时变、传输链路质量迥异，空间信息的间断传输、不稳定的链路连接也将给空间信息传输的可靠性和稳定性带来较大的挑战；③空间任务种类多、业务一体化难，需要一体化的协议体系。

近年来，随着人们对空域信息传输的需求与日俱增，传统基于单层卫星网络的空间通信逐渐难以满足人们的需求，不同轨道高度卫星组合在一起的多层卫星星座网络(multilayer satellite network, MLSN)作为一种新的空间网络形式被提出[8-9]。但是，MLSN依然是基于卫星节点实现的星地传输，由于卫星所处的轨道高度较高，使得星地间的信息传输呈现出距离远、时延大等传输特性。因此，为了满足人们对高质量、低延迟的空间信息传输要求，在基于传统天地一体化的星地传输中可以考虑引入“空层(AIR)”节点(如：飞艇、民航飞机、军事侦察机等空间飞行器)[10-11]，从而形成基于空天地一体化的空间信息网络。

2013年6月，Google公司的气球计划在新西兰开展试验，采用互联网技术和30个平流层气球进行无线组网，实现低成本网络覆盖，滞空时间可达100天以上，每个气球在地面的覆盖面积为1 200平方公里，接入速率与3G网络相当，以此来有效补充地面网络和卫星网络，满足用户随机接入互联网的需求。同时，考虑到无人机(unmanned aerial vehicle, UAV)的低成本、快速部署、完全可控的移动性以及视线通信链路特性，将UAV引入空间通信已变得至关重要，无人机通信网络与传统的卫星网络和地面蜂窝网络构成了一个基于空-天-地的3层异构网络，通过基于卫星和UAV的多空间节点协作通信实现空间信息的有效传递[12]。文献[13]提出了一种基于无人机的认知卫星地面网络中协调多点传输的新结构，通过联合优化地面基站和空中UAV的发射功率来更好地分配和管理UAV的飞行轨迹，最大限度地提高地面用户的可达率。此外，在卫星节点和UAV节点间还可以引入高空平台站(high altitude plaform stations, HAPs)，它是一个位于20 ～50 km高空的相对地球准静止的空间信息站[14-15]。由于处于不同空间层次的空间节点的移动性、负载和时延等有较大不同，将给基于天空地一体化的空间信息传输带来更多的难题和更大的挑战。因此，支撑未来空间信息传输的网络架构将是贯穿水平(空空连接)与垂直(空地连接)两方向的空天地一体化的多层立体通信系统，基于卫星协作的新型空间通信网络架构如图1。除了节点的多样化，还将有链路的多样化；除了传统的ISL和SGL，还将有介于卫星和地面终端之间的临近空间中的节点与卫星和地面节点之间的通信链路。

综上可知，未来基于卫星协作的空间通信网络架构的发展趋势为从卫星通信网络走向空间信息网络，从天地一体化走向空天地海一体化的空间信息网络，通过临近空间网络形成对地面网络和卫星网络的有效补充，以多种空间平台(如：同步卫星、中低轨卫星、平流层浮空器或气球以及飞机无人机等)为载体，实现空间信息的实时获取、传输和处理。与传统空间通信网络相比，将呈现出如下几个明显特征：①空间分布上将是一个立体多层网络，网络拓扑高度动态、空间链路不断变化；②业务种类多、分布范围广、需求差异性大；③空间轨位和频率资源有限、空间平台处理能力弱；④地面布站受限。此外，还可以通过布设在应急或城市热点区域的“升空平台”，实现区域通信、遥感和导航的增强，通过布设在地面的“运行控制子网”维持各类空间平台的正常可靠运行，为用户提供业务支持。

此外，现阶段在未来多层立体卫星网络的已有研究中，很少有研究能结合未来卫星网络轨道运行规律和链路实际连接状态，给出解决问题的具体措施，且基于卫星协作的空间信息传输的仿真测试平台尚不完善，实验范例缺失，理论研究与实际应用之间存在鸿沟。卫星工具包(satellite tool kit, STK)，是由美国AGI (analytical graphics inc.)公司开发的一款在航天领域处于领先地位的商业化系统仿真和分析软件。作为一个通用的建模和分析平台，STK不仅支持在复杂集成的陆、海、空、天场景下进行航天任务的规划、设计、测试、运行和应用，还可提供分析引擎用于复杂的时域和空域的专业分析、三维可视化地图和航空航天运动对象的高度集成，其核心能力是产生位置和姿态数据、并进行各类空间数据分析。此外，STK还能够与一些常见的商用软件产品进行互操作，如：MATLAB，OPNET等。

2 基于协作策略的空间信息传输

“协作(cooperation)”，源自拉丁语“co-”和“operare (进行工作)”，指“共同工作”。其基本思想是协作实体通过采取一定的协作策略获得一定的协作收益。

基于卫星协作的空间信息传输系统如图2，在基于卫星协作的空间通信中，空间节点间的长距离链路使得直达链路建立效果不佳或无法建立直达链路，此时需要借助源端和目的端之间的中继卫星节点协助完成空间信息的传输，因此，卫星通信网络天然具有多跳、协作的特性，见图2a。在基于卫星协作的空间信息传输中，虽然有着通信距离远、容量大、机动灵活的优势，然而，大时延、高误码、低的信息传输成功概率，使得基于卫星协作的空间信息传输可靠性成为卫星通信中首先需要解决的关键问题。针对以上问题，目前已有研究大多采用传统的放大转发(amplify and forward, AF)和译码转发(decode and forward, DF)的中继协作策略。文献[16-17]对星地网络中的AF和DF协作中继性能进行了研究，分别给出了基于星地一体化网络的协作通信系统模型图，见图2b。其中，文献[16]中基于AF协作的通信卫星采用透明转发器，在卫星中继处只提供简单的信号放大转发功能；文献[17]中基于DF协作的通信卫星采用处理转发器，在卫星中继处提供更复杂的解码转发功能。文献[18]针对近地卫星通信网络，将接收信噪比高于设定门限值的中继节点选为协作中继，分别给出了AF和DF协作方式下的中断概率表达式和系统性能仿真结果。文献[19]基于AF星地协作通信，以最小化差错率为优化目标，针对星地直传链路和协作链路分别以阴影-莱斯衰落和Nakagami-m衰落进行信道建模，推导评估了3个节点AF星地协作通信系统的差错性能。文献[20]基于DF协作卫星通信，以最小化中断概率为优化目标，分别采用了最大比合并(maximum ratio combining, MRC)和选择分集合并(selective diversity combining, SDC)方法，提出了一种功率分配优化算法。文献[21]基于AF协作卫星通信，以地面节点作为多天线协作中继节点，通过波束赋形矢量放大转发接收到的源端卫星信号发送给具有多天线的地面目的节点，目的节点采用MRC方法接收信号，仿真分析了不同调制方式和不同天线数目下的平均误符号率，该协作方案的实施有着较高的算法复杂度。文献[22]在基于AF协作的星地通信中采用认知无线电来分析系统频谱和能效问题，同时综合考虑由于信号传输的远距离特性和遮蔽效应导致地面节点无法收到来自卫星源节点的直传信号的问题，研究提出了基于AF协作和认知无线电的星地通信功率分配优化方案。

网络编码(network coding, NC)，融合了路由和编码的概念，使网络节点不仅可以对数据进行存储转发，还可以进行编码处理，卫星通信网络的广播特性使其非常适合使用网络编码。近年来，基于网络编码的卫星协作方式以其良好的吞吐、安全和鲁棒性日益受到广泛关注[23-26]，许多文献从不同方面证明了在卫星通信中使用网络编码带来的性能增益。目前，已有研究工作大致可分为以下几个方面。

1)物理层网络编码与模拟网络编码在卫星协作通信中的可行性分析及性能对比。文献[27-29]以GEO和LEO卫星通信为例，以系统的误符号率与中断概率为目标，研究了在非统一衰落信道卫星通信系统中使用物理层网络编码和模拟网络编码的可行性，通过已有文献研究成果可看出，网络编码具有能够在中继节点对接收到的信号进行处理这一特性，正适用于带宽不足、传播时延大的卫星通信。

2)网络编码在多波束卫星协作通信中的应用。文献[30-31]在多波束卫星协作通信场景中使用网络编码技术，综合考虑每波束负载和信道条件下获得的最小传输时间，研究结果表明引入网络编码后的系统吞吐量得到了大幅度提升。

3)网络编码在多路广播卫星协作通信中的应用[32-33]。

综上，在基于网络编码的卫星协作通信已有研究中，主要引入了3种中继协作策略：传统中继转发策略(traditional scheme， TS)、链路层网络编码也称直接网络编码(straightforward network coding，SNC)和物理层网络编码(physical-layer network coding，PNC)。基于网络编码的空间信息协作传输示意图如图3。由图3可知，在卫星协作通信中，引入了网络编码后可进一步节约通信时隙、提高吞吐量性能。

由以上分析可知：不论是采用传统AF和DF协作方式，还是采用基于NC的协作方式，已有研究成果均较少，缺乏系统性的研究，尤其是在未来复杂多变的多层立体空间通信网络架构和各种新技术背景下，还存在许多问题需要解决。因此，对于基于具有ISL和OBP功能的卫星协作的未来多层立体空间通信网络而言，引入AF，DF，NC等协作策略，可进一步提高空间信息传输的可靠性、稳定性及有效性。

3 基于高频段的空间信息传输

为了满足未来空间大业务量的信息传输需求，SGL和ISL均可通过采用较高工作频段的无线射频链路或激光链路，实现天地一体化的空间信息高速传输。激光传输，以其高速率、大容量、保密安全等优势日益受到空间通信研究者们的关注。目前，星间与地空通信普遍使用850 nm附近波长，星地通信主要使用1 550 nm附近波长。然而，空间激光技术的主要瓶颈在于，尽管激光通信波段为大气窗口，但其透过率不及微波，同时还受到大气湍流的影响，造成传输激光闪烁、准直性变差，从而影响误码率，造成误码率在一定范围内随机跳动，从而影响通信过程的稳定性。若采用激光作为SGL的信息传输方式，则会出现无法实现高速率、低误码率的双向空间信息可靠有效地传输，尤其是当存在较浓的云雾或降雨时甚至无法通信。因此，针对SGL上的空间信息传输，卫星通信中普遍采用无线射频传输方式。

目前，卫星通信的工作频段主要包括：L(1～2 GHz)，S(2～4 GHz)，C(4～8 GHz)，X(8～12 GHz)，Ku(12～18 GHz)，K(18～26 GHz)，Ka(26～40 GHz)，Q(33～50 GHz)，U(40～60 GHz)，V(50～75 GHz)，E(60～90 GHz) 频段等。近年来，随着卫星通信业务量的急剧增加，L，S和C频段已经饱和，X频段主要预留给政府使用，Ku频段用于大多数的卫星数字广播和互联网接入系统，Ka频段因其可以提供更高的带宽、允许使用更小的天线等特点逐渐引起人们的普遍关注，国际上大多数建议采用的宽带卫星系统都运行在该频段上。Ka频段成功开发后，不少技术先进的国家开始研究更高频段的使用，即Q，V频段，目前美国联邦通信委员会计划在17个空间应用领域使用该频段进行信息传输。然而，恶劣天气下(如降雨)具有较大的传输损耗是采用这些更高频段通信的最大缺点，如何有效利用更高无线频段通信的同时提高空间信息传输可靠性成为需要解决的关键问题。为了解决以上问题，物理层通常采用频谱效率较高的调制编码方案及自适应的功率调整技术，在充分考虑信道传播特性、传输有效性和可靠性的基础上，选择更符合特定传输任务需求的调制、信道编码、功率控制方式，在恶劣天气情况下提高误码性能、降低发送功率电平；数据链路层通常采用自动请求重传(automatic repeat request，ARQ)技术。因此，基于高频段的链路自适应传输技术日益成为卫星协作通信领域的研究热点。

在时域，链路自适应技术通常被称为自适应调制(adaptive modulation and coding，AMC)，即对于给定的系统服务质量要求，根据信道状态动态调整调制编码方式等时域参数；除AMC外，链路自适应技术还包括ARQ以及混合重传(hybrid ARQ， HARQ)等重传反馈技术，均以其良好的可靠性在卫星通信中得到了广泛应用。ARQ技术，可分为3类：①停等式ARQ(stop and wait-ARQ，SW-ARQ)；②退回N式ARQ(go back N-ARQ，GBN-ARQ)；③选择式ARQ (selective repeat-ARQ，SR-ARQ)。其中，SR-ARQ以其具有发送端连续发送、重传只需发送出错数据包的特点，在卫星通信中使用效果佳且应用广泛，近年来已有研究讨论了在传统卫星通信中如何增强SR-ARQ传输性能。文献[34]针对SR-ARQ在卫星通信中的应用，引入信号流图分析法得出了更加精确的系统传输时延性能。文献[35-36]提出了一种进一步缩短SR-ARQ时延的方案，即通过将信道划分为N个子信道令数据分组按流传输，缩短数据分组在缓存中等待重排的时间。文献[37]基于DF协作的星地瑞利衰落信道，分析推导了当协作节点使用SR-ARQ方案时系统的端到端分组差错率。

尽管SR-ARQ技术以其低时延、高可靠性在传统卫星通信中得到了广泛使用，但在高频段的高误码卫星信道中，空间传输的数据分组出错较多，单纯使用SR-ARQ使得重传频繁发生，严重影响了系统吞吐量，因此需要通过采用HARQ技术，即将物理层前向纠错码(forward error correction,FEC)技术与链路层ARQ技术联合使用来优化卫星通信系统性能。文献[38]通过对数据分组编码并交织后使用ARQ技术，提出了一种联合FEC和ARQ的传输优化方案，增强了卫星通信系统的抗衰落能力，提高了系统吞吐量。然而，与使用SR-ARQ相比，使用SR-HARQ虽然可减少重传次数、优化系统吞吐性能，但有一定几率出现缓存溢出现象。文献[39]提出了一种新的HARQ缓存溢出解决方案来保障卫星通信系统的吞吐性能，文献[40]提出了一种新的HARQ调度算法来降低缓存溢出发生概率，文献[41]提出了一种HARQ优化方案，通过减少分组控制信息(packet control information，PCI)发送数量来提高空间信息传输效率，文献[42]给出了Ka频段高通量卫星通信中采用无损和截断HARQ方案后的分布式多天线卫星系统的吞吐性能评估方法。

同时，由于卫星信道状态常常是时变的，ARQ技术的各项参数也需随信道状态变化，因此自适应ARQ技术成为研究者们关注的热点。文献[43-44]针对高频段卫星通信的传输特性，提出了一种延迟双复制的自适应ARQ传输策略，来进一步提升高频段卫星通信系统的可靠性。文献[45]基于多状态卫星信道建模，使用N状态马尔科夫过程(Markov process)描述卫星通信信道，不同信道状态使用不同的SR-ARQ参数，实现自适应SR-ARQ。文献[46]针对瑞利衰落，提出了一种自适应SR-ARQ，使系统可以根据接收的数据包个数动态调整反馈周期、根据信道条件决定反馈次数，以此提高空间信息传输性能。自适应ARQ技术的使用，可以使得空间信息传输效率与实际信道状态保持动态匹配，从而提升空间信息传输性能。

“跨层优化(cross-layer optimization)”，利用通信网络各协议层间的相关性信息，将原来被割裂的各层作为统一整体进行设计、分析、优化和控制，在地面网络优化设计中已有很多研究成果，但较少有研究将其引入到卫星通信性能增强上。卫星通信网络属于典型的资源受限系统，频谱、轨位、星上处理能力和转发器功率等资源受限，使得如何拓展不同层次协议之间的相互关系、动态适应空间通信链路的变化，进而提高资源的有效利用率成为基于卫星协作的空间信息自适应传输需要解决的关键问题。解决这一问题的一种可能的新方法是对空中接口的跨层设计，通过这种方法，在给定的一组资源限制条件下，通过对通信协议的各层进行联合优化，设计出最优的跨层资源调度和自适应传输策略，这种方法正在成为卫星通信系统设计的一种新模式，其信息传输图如图4。

2006年，Giovanni Giambene等在文献[47]中针对GEO卫星通信中的多媒体数据传输问题，讨论了如何通过物理层、数据链路层、传输层和应用层间的信息交互来提升系统传输性能。文献[48]在Ka频段的卫星通信中，将网络编码技术与自适应传输技术相结合获得了更好的吞吐和时延性能。文献[49]针对卫星通信中传输时延大的问题，提出了一种基于网络编码的SR-ARQ传输方法，与传统SR-ARQ相比，在平均传输时延、丢包率以及实际吞吐性能上均表现更好。文献[50]提出了一种基于物理层AMC和链路层截短协作ARQ(truncated cooperative ARQ，TC-ARQ)的跨层联合设计方法，分析得到了平均频谱效率和分组丢失率的闭合解，相比传统AMC与ARQ策略能获得更好的系统性能。文献[51]针对卫星链路中频繁的信号阻塞和多变的信道状态，提出了一个基于物理层和数据链路层跨层协作的链路传输适配方案，通过统计卫星信道状态信息(channel state indicator，CSI)的动态变化来调整调制编码方案(modulation and coding scheme，MCS)，从而提高系统吞吐量。文献[52]针对LTE卫星网络，提出了一个基于物理层和链路层的跨层动态分组调度方案，与传统卫星分组调度算法相比，该方案在业务服务质量、系统公平性和吞吐量等方面均能获得更好的性能。

由以上分析可知，截止目前，针对未来多层卫星网络环境下的空间信息跨层联合优化设计问题，仅有少量、零散的研究成果出现，尚未形成完善的理论体系和系统框架。为了改善基于卫星协作的未来空间信息传输中出现的长时延、高误码、多中断等问题，在卫星协作通信中不仅需要考虑高频段下天气因素的影响，还需要很好地融合天气衰落过程、多径和阴影衰落过程、电离层闪烁等不同传输因素的影响，进而通过物理层、数据链路层和网络层之间的跨层联合优化设计，有效提高空间信息传输自适应性和卫星通信网络整体传输性能。

4 结束语

近年来，广覆盖、大容量、远距离传输等优点使得基于卫星协作的空间通信越来越受到人们的广泛关注。但是，由于卫星节点围绕地球周期性的动态轨道运动特性，使得空间通信呈现出网络拓扑动态、传输链路瞬断等问题，拓扑结构和链路权值随卫星节点运动时间的周期性变化而发生相应的变化，对空间信息传输的有效性和可靠性造成了严重的影响。同时，卫星节点存储及处理能力的有限性、空间信息负载分布的不均匀性等因素，均使得基于卫星协作的空间信息传输成为未来空间通信中的核心问题。因此，本文首先给出了未来空间通信网络架构，通过STK仿真工具分析了其链路传输特性；其次，从卫星采用的协作策略和工作频段2个方面分析阐述了基于卫星协作的空间信息传输技术的国内外研究现状和存在的主要问题；最后，基于当前研究中存在的关键技术问题，提出了下一步的研究方向和意见建议。