航空激光/射频通信网络技术研究进展

赵尚弘

(空军工程大学信息与导航学院， 西安， 710077)

利用航空光通信传输链路，结合现有的航空机间射频数据链，将各类航空平台整合为一个互联共享的传输系统，构建以航空激光骨干网为基础，随遇接入航空射频子网的航空信息网络，向上兼容天基平台，向下接入地面通信系统，能够有效提高空间信息网络传输能力[1-3]。然而，在高空大气信道中，大气吸收、散射及湍流效应、航空平台特性及气动光学效应严重影响航空光通信链路性能。此外，由于航空光通信具有大尺度分布、终端动态运动、传输时延大等特点，航空平台组网应用面临许多挑战[4-10]。因此，迫切需要开展航空平台间光通信链路传输特性及组网技术的研究，以加强航空激光链路传输可靠性，提高航空平台信息传输分发能力，充分发挥航空平台信息转发、互联共享的枢纽作用。

1 航空激光点对点通信技术进展

美国、德国等发达国家从20世纪80年代开始陆续开展了一系列机载光通信载荷及链路试验研究，并陆续取得了实质性进展，国内主要是长春理工大学、中国科学院和国防科工局等单位进行了系列相关研究，其中典型的试验研究如表1所示[11-26]。

表1 航空光通信试验

1.1 美国研究进展

美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)为发展下一代全球信息栅格需要的关键技术，支持了一系列相应的研究项目。早在1960年，美国空军就提出并完成了一架飞机与地面站相距100 km的光通信试验。美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory, AFRL)开展了机载飞行测试系统(Airborne Flight Test Sytem, AFTS)项目，于1980年在白沙基地首次实现了飞机与地面之间的光通信演示试验，试验中KC-135飞机搭载激光终端设备，采用脉冲间隔调制，数据传输速率为20 kbps，误码率≤10-6，上行及下行激光波长分别为532 nm和1 064 nm，此次试验首次验证了机载通信终端在空间通信系统中的可行性[11]。随后在1983年资助的HAVE LACE项目中成功验证了2架飞机之间光通信的可行性，HAVE LACE项目于1984年成功实现了2架飞机之间通信距离为160 km，飞行高度为6 069～7 620 m的光通信试验[16]，获得的具体通信指标为：数据速率19.2 kbps，误码率≤10-6。1995年资助的RICL项目验证了2架飞机在约12.192 km高度且相距50～500 km的之间的光通信试验，通信速率大于1.5 Gbps，误码率≤10-6。

1995年开始，美国Thermo Trex公司在AFRL的支持下进行新一代机载光通信设备RILC的研究。RILC终端为球形转塔结构，采用810 nm的信号光以及852 nm的信标光[17]。Thermo Trex公司随后采用RILC光通信载荷，在1.1 km的高空中开展了传输范围为20～30 km的空-地间激光链路演示验证，实现了通信速率为1 Gbps的试验指标[18]；1998年9月，AFRL完成了飞机之间的光通信试验，RILC光通信载荷分别搭载在2架T-39飞机上，通信链路距离50～500 km，传输速率1 Gbps，误码率≤10-6[19]。随后在2004年和2005年，RICL项目又相继进行了一系列试验，如2架飞机在12.192 km高空中相距100 km下实现了数据速率为2.5 Gbps、误码率≤10-6的试验结果。

美国NASA下属的JPL实验室一直致力于光通信终端载荷的研究，研制的第二代OCD(Optical Communications Demonstrator, OCD)系统于2003年进行了空对地光通信链路APT演示验证试验。OCD-2演示系统主要技术指标为：高空无人机的飞行高度为18～23 km，跟踪精度18 μrad，通信速率拟实现2.5 Gbps，通信波长1 550 nm。2013年，NASA成功演示了地月之间进行高速数据传输的激光通信试验(LLCD)，创下622 Mbps的下载速率纪录。2017年，美国进行了OCSD-2(L5U)卫星试验，星地上行速率10 kbps，下行速率可达5～200 Mbps。

1.2 欧洲研究进展

2006年12月，欧洲空间局(European SpaceAgency, ESA)成功开展LOLA试验项目，其中法国飞机“神秘20”上搭载ELAS通信终端，飞行高度为6～10 km，飞行速度300 km/h，静止轨道卫星Artemis上搭载SILEX光通信装置。在大气湍流传输信道条件下，飞机与卫星之间建立了通信范围为38 000 km且通信速率为50 Mbps的空-星双向光通信链路，如图1所示。

图1 LOLA项目空-星双向光通信

德国宇航中心(Deutsches Zentrum Fur Luft-und Raumfahrt, DLR)的ARGOS项目在2008年实现了飞行高度为3 km、通信距离为10～85 km、传输速率为155 Mbps的飞机与地面站的光通信演示验证[22]。飞机搭载光通信载荷于2010年成功进行了通信距离为10～100 km、传输速率1.25 Gbps的空地通信链路试验，采用1 550 nm激光波长、发射功率为1 W、天线孔径为30 mm的通信终端，具体安装示意图如图2所示。

2013年，在DODfast项目支持下，德国宇航中心(DLR)成功在试验中建立了战斗机“狂风”与地面移动节间的光通信链路，测试试验如图3所示。其中飞机飞行速度为238.21 m/s，链路传输速率1.25 Gbps，链路距离≥50 km，稳定跟踪距离为79 km[23-24]。

图2 ARGOS项目机载光通信终端

图3 DODfast项目战斗机搭载光通信终端

2016年，欧空局开展了欧洲数据中继系统(EDRS)计划，成功发射通信卫星EDRS-A，测试试验的星座架构如图4所示。该卫星可提供激光和Ka波段2种双向星间链路，星间传输速率可达1.8 Gbps，星间最远距离达到45 000 km，并于2016年7月进入业务运行阶段。

图4 EDRS计划星座架构

1.3 中国研究进展

长春理工大学在机间点对点光通信方面开展了一系列研究工作，他们先后进行了船舶与车辆的动平台间光通信试验、空中飞艇与船舶间光通信试验、双直升机间双向激光传输试验以及双固定翼飞机间的激光点对点远距离通信试验。在大连黄海湾进行了水面船舶与车辆的动平台间光通信试验，试验中通信距离20.4 km，获得了通信速率300 Mbps、误码率优于10-7的试验指标[25]。2011年8月，在新疆完成了飞艇与水面船舶之间的双动态高速率光通信演示验证试验，飞艇与船舶间光通信示意图如图5所示。其中，光通信载荷分别位于飞艇吊舱和水面船只上，通信距离20.8 km，传输速率1.5 Gbps，终端发射功率为500 mW，通信平均误码率≤0.33×10-7。

图5 飞艇与船舶之间光通信试验

在飞机平台间激光链路实验中，低空双直升机间动态平台光通信试验于2011年9月在黑龙江某机场进行[25]。试验中双直升机在800 m高度、距离范围5 km左右进行捕获跟踪，建立光通信链路，并逐渐将机间传输距离增加至20 km。多次捕获跟踪试验表明，激光终端系统的捕获平均时间为18 s，当飞机之间相距17 km时实现双机动态条件下的稳定跟踪，粗跟踪和精跟踪系统的精度分别为6.2×10-5rad和1.6×10-5rad。

此外，2013年进行了双固定翼飞机间动态平台光通信试验(见图6)，该动态远距离光通信野外试验实现了双固定翼飞机间飞行高度为4 700 m，传输距离在136～144 km条件下，平均捕获时间低于20 s、数据传输速率为2.5 Gbps、误码率≤6.2×10-5以及速率为1.5 Gbps、误码率≤10-7的试验指标[25]。

图6 双固定翼飞机间光通信试验

在中国科学院支持下，由中科院上海光学精密机械所牵头研制的星地高速相干激光通信试验成功，此次试验是国内首次在轨相干激光通信试验，如图7所示。由2016年8月发射的“墨子”量子卫星进行，实现了星地距离1 000 km以上，下行单路通信速率5.12 Gbps，并成功进行了图像传输，图片清晰；同时也进行上行PPM调制直接通信，通信速率可达20 Mbps。

2017年，中国完成了实践十三号(即中星十六号)卫星试验，建立中国首个GEO卫星激光通信实验平台。该实验是世界上首次GEO卫星与地面站直接双向激光高速通讯实验；首次应用Ka频段多波束宽带通信系统，通信总容量超过20 Gbps；首次在我国高轨卫星上搭载激光通信系统，通信速率达到2.4 Gbps。

图7 中国“墨子”号量子科学实验

2 航空信息网络应用需求

2.1 航空信息网络是未来空中作战与指挥的重要依托

未来网络中心战体系中的空中作战与指挥将呈现2个特点[26-27]：一方面，单架战机的战斗力并不单单取决于它所携带的武器数、质量，更大程度上取决于与联合作战网络内参与作战成员的信息共享与协同能力，没有充分的信息共享与支援，携带再多的武器也没有用武之地；另一方面，依靠单个预警机、指挥通信机平台的传感探测和指挥控制已无法满足空中作战平台对信息共享的需求，有必要将多层次、多平台的传感器、指挥控制节点、武器平台等链接成航空信息网络，由此实现战场综合态势感知、综合信息处理与分发、空中指挥控制、协同作战和战场管理等。因此，通过构建航空信息网络，可以极大地提高空中平台的信息共享能力，进而全面提高平台的战斗力；另一方面，可以将现有的地面指挥系统拓展到空中，有效扩展空中作战指挥半径和效能。因此构建航空信息网络对未来空战具有重大的现实意义。

根据目前已有的研究成果，趋于一致的看法是，航空信息网络从结构上可分为网格型骨干网与多种异构战术子网两部分[28]，从网络特征上看是一种拓扑高动态变化的混合、分层、移动自组织网络,其拓扑结构如图8所示。

航空骨干网由宽带数据链构成，能够覆盖整个战场空域并在大范围联合作战中实现综合业务传输，并与地面子网、海上子网以及空间平台形成骨干网路由。骨干网节点由大型空中平台组成,主要包括预警机、指挥通信机、长航时无人机、情报侦察机以及邻近空间飞行器等。这些具有稳定移动轨迹及较强载荷能力的节点通过宽带链路数据链相互链接，并通过IP协议及分布式自组织路由功能实现网络化信息传输。骨干节点通常作为战术子网与骨干网之间的网关，完成消息格式与网络协议的转换。此外，高级骨干节点(如指挥通信机)除了具备上述功能外，还需要向上接入一体化战术互联网，使之成为多部队联合作战的空中信息分发节点。

图8 航空信息网络典型结构

对于航空骨干网络机间链路有3个基本要求，一是宽带宽，因为骨干网作为空中指挥信息系统的高速路由通道，必须具备完成诸如视频、图像等战场态势的大容量信息的传输；二是抗干扰能力强，在空域多平台进行互联时除了抵御敌方干扰，相互之间也不能干扰，保障链路畅通；三是隐身能力强，在空域通信时不被敌方检测到，若信息交互不具备良好的隐身特性，将面临有源和无源双重被探测威胁。

航空战术子网的规模相对较小，但实时性、吞吐量较高,通常由各类射频战术数据链构成。战术子网主要由有人/无人作战飞机、巡航导弹以及空空/空地打击武器等战术节点组成。各批次作战飞机与预警机之间通过射频指挥控制数据链组成态势感知与指挥控制网络；同批次作战飞机通过机间射频数据链组成高吞吐量、延时敏感的协同交战网络，缩短从传感器到射手的信息延时，增强对时延敏感目标的打击能力。另外，基于IP协议的战术子网可以连接骨干节点，并通过骨干网与其他子网节点建立端到端连接[29]。航空信息网络应当采用基于IP协议标准的统一网络协议架构，如图9所示。

目前国际上已有的各型数据链经过相应的改造即可构成各种战术子网，可以完成相应的战术任务。而如何构建航空骨干网就成为急需研究的课题。航空骨干网的关键技术包括链路技术、路由技术、网络协议、网络管理、服务质量等。

图9 基于统一IP协议的网络协议架构

2.2 航空骨干网是宽带数据链的发展方向

为实现机间信息交互，国际上正在研究指控链、武器协同链以及宽带链等3个不同应用需求的数据链[30]。其中指挥引导数据链主要用于飞机起飞后到飞达交战区这一阶段，通过地面或空中指挥员对飞机的飞行航机进行指挥引导。此阶段以态势分发和引导指令下达为主；机间指控链主要实现机间指控信令的传输，速率较低；武器协同数据链主要用于编队间的协同作战，通过编队间快速的信息交互(雷达信息等)实现对目标的精确定位、跟踪及打击，对带宽、时延要求高。宽带数据链[31]主要用于ISR信息的传输，对带宽要求更高，但对时延要求较低。由此可见，宽带数据链是航空骨干网的基础，机间指控链和武器协同链对应于战术子网。

目前基于射频的链路存在3个问题：

1)数据传输速率低。从传输速率来看，射频数据链带宽数百kbps，只能传输简单的指令信息，如敌机瞬时态势、友机位置、燃料、武器配置等，难以完成诸如视频图像等战场态势的大容量信息的传输。

2)隐身能力弱。从技术体制而言，目前使用的主要用于信息分发和指挥引导的射频数据链采用全向通信模式，这种全向通信模式的数据链无法满足机间数据链低截获要求，被敌方无源探测系统感知的风险高。为了降低机间数据链系统被截获概率，需要研制微波频段、定向通信模式的机间数据链。

3)强电磁干扰环境下通信能力弱。射频数据链最大的问题是抗电磁干扰能力弱，不仅仅是抗敌方主动干扰能力弱，而且友方系统间的相互电磁干扰很容易造成系统无法正常传输信息。为了增加通信的抗干扰能力，通常用的手段有：①采用扩频技术(如直扩、跳扩)；②采用编码技术(如采用卷积编码、RS编码、LDPC编码等)；③采用跳时脉冲突发技术。但是从实际应用来看，跳频和扩频方案的配频程序极其复杂，耗时较长，效率较低，难以满足训练和作战需求。

因此，射频链路只适合构建各类战术子网，而具有低截获、高速、抗干扰通信特点的激光链路就成为未来构建航空骨干网的理想方案。

2.3 航空激光链路骨干网的技术优势及面临的挑战

利用激光链路构建航空骨干网[32]具有大容量传输、隐身传输和强电磁干扰下的传输优势。原因包括：

1)利用现有成熟光通信技术容易实现Gbit/s量级以上的传输速率，满足各种战场信息的传输。

2)激光的单色性、相干性和方向性决定了激光传输的发散角小，为毫弧度量级，光通信基本上是点对点通信，接收机只有落在激光束的光斑范围内才能接收到信号，因此难以被截获，传输的保密性好，具备了良好的空间传输隐身能力。

3)由于光通信的波长远小于微波通信，频谱特性决定了目前为止还没有实用化的针对光通信的干扰措施，因此激光可以在强电磁干扰下实现通信。同时，光通信容易实现设备轻小型化，具有良好的电磁兼容性，不会对其它电子设备造成干扰，在飞机内部等狭小平台应用的潜力较大。

由此可见，机间光通信技术是建立航空骨干网的理想方案。结合未来空中作战对战机信息支援能力需求、光通信的优势及技术成熟度，机载激光大容量隐身信息传输技术可望首先在轰炸效果评估大容量信息传输、预警侦查信息隐身传输等方面可以发挥宽带传输的作用，作为完善机载通信的新型手段，将会在提高战机战斗力和战场生存率方面发挥重要作用。但同时，由于激光通信频率高、波束窄，工程实现难度很大，且光频段易受大气湍流、云层遮挡等影响，导致稳定性、可靠性较低，因此，基于激光链路的航空骨干网络在可用性上还需进一步提高。

2.4 激光信号对机上装备和人身安全问题

激光对物质的热损伤效应取决于激光的功率大小和波长特性[33-34]。不同大小的功率产生的热效应不同，不同波长的激光具有不同的热效应。对机上人员而言，尽管高功率激光能够灼伤人的皮肤，但是与之相比，它对于眼睛的危害性更加严重。激光危害人眼睛的主要特性是高功率密度和方向性好。正是由于方向性好，使得眼球的晶状体将射来的平行激光束在视网膜上聚焦成很小的光斑，造成视网膜损伤。人眼所能承受的最强激光照射取决于激光的波长，而与眼睛对激光的透射率无关。试验表明，对于波长400～1 400 nm波段的激光辐射，视网膜可能会受到伤害，其中在波长400～700 nm波段内造成的伤害最严重；因为眼睛前部的器官(角膜、水状液体和晶状体)对这些波段的激光透射率最高。如果波长大于700 nm，部分辐射在到达视网膜之前被吸收。对于波长大于1.4 μm的红外激光，角膜和水状液体会吸收入射辐射，对于波长大于1.9 μm的辐射，只有被角膜吸收，另外，波长小于315 nm的激光，将完全被角膜吸收，若采用目前地面光通信常用的波长1 550 nm激光，属于安全波段范围。另外，根据国际激光安全标准[35]确定的不产生伤害的激光束的安全距离和功率密度，偶尔直视(辐射时间50 s)对于大于1.4 μm的红外激光，辐射时间和功率密度阈值更高，就一般航空光通信而言，发射的初始功率最大2 W，经过100 km量级的传输后衰减至2 mW左右，光束扩散和功率衰减，导致功率密度在人眼安全阈值以下，可见对人眼是安全的。

对于机上装备的辐照影响主要是对光学探测设备的饱和效应，考虑到所用激光是通信量级的光功率，而不是激光武器量级的光功率，对机上光学探测装备不会形成影响。另外，在已有实际演示验证研究中，未见有任何对人眼和机上装备产生影响的明显实例。同时，在实际安装过程中会合理设计安装位置，进一步避免对机上人员和装备的影响。

3 航空信息网络典型项目进展

为了建立一个快速、高效、抗毁性强的空天地一体化信息系统，美国、欧洲等国家和组织针对航空通信领域进行了一系列研究，以移动Ad hoc网络为主要组网方式，使空中平台具有动态组网、动态路由和无线中继的能力，最终实现各航空平台互联互通。在2007年后，随着机间点对点光通信和路由技术的发展，美国开始考虑采用激光、射频混合链路与组网技术构建一个高鲁棒性、高吞吐量的航空信息网络，并提出了一系列激光与微波混合组网项目，航空信息网络典型系统如表2所示[36-46]。

表2 航空信息网络典型系统

续表

系统名称国别系统年份系统架构/特点AANET澳大利亚2006—2009在卫星、航班及地面Inter-net网关间建立MANETORCLE美国2008混合链路空中网络计划ORCA美国2008战术的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干网络航空骨干网络测试试验美国2012ESB及ORS无线系统机载IP骨干链路的通信性能测试DODfast德国2013首个战斗机激光通信实验ALCOS欧盟2016至今无人机大容量数据实时传输系统

3.1 TTNT

战术瞄准网络技术是美国国防先进研究署(DARPA)研究的新一代航空数据链系统，是网络中心战(Network Centric Warfare, NCW)概念网络化的实现基础，其网络示意见图10[31-38]。TTNT(Tactical Targeting Network Technology, TTNT)在网络战略环境中建立战术数据传输骨干网，其核心是通过建立分布式、动态的、可重构的移动自组网，为战术飞行器提供战术信息共享，以实现对突发事件快速应对，主要包括对于突发目标的火力控制和战斗损伤评估数据。TTNT具有基于IP协议实现各平台连接、高吞吐量、高传输速率、低时延、低截获、抗干扰以及实时按需带宽分配的特性，与通用数据链相比，其应用范围广，通用性更强。

图10 TTNT网络概念示意图

TTNT作为高速、宽带、基于IP的航空自组织网络系统，具有连接航空平台和全球信息栅格(Global Information Grid, GIG)节点的能力。区别于通用数据链的定向数据流传输，TTNT中节点能够快速、灵活地组网，实现用户信息共享[38]。网络支持200～1 000个服务用户的高速、安全、抗干扰传输，其吞吐量比Link16数据链高20倍。实验结果表明，TTNT支持语音、文本、视频流、图像等多类业务，数据传输速率比Link16高50倍，可实现540 km距离范围的信息传输，特别地，在185.2 km的传输范围内其信息传输速率达2 Mbps。TTNT建网时间仅需不到5 s，远远优于通用Link16网络；可包括200～2 000个用户，网络总容量达到10 Mb/s，新用户入网时间约为3 s，可实现航空平台的随时入网、退网。其应用范围包括态势感知、协同传输、图像、视频传输等，相比于通用数据链应用种类广泛。

3.2 光/射频通信链路试验

DARPA一直致力于下一代全球信息栅格通信技术的研究发展。2007年后，由于对机载光通信重要性的重新认识和先进路由技术的发展，使人们开始重新审视航空激光网络的潜力。要构建一个强鲁棒性、高吞吐量的空中网络，必须充分利用激光、射频混合链路与组网技术，而不是单独依靠其中之一[38-40]。为此美国MIT林肯实验室提出了基于激光与射频混合组网的国防军事网络[41]，如图11所示。该网络很大程度上依赖于大容量自由空间平台通信，同时美国空军一直在进行面向战术应用的机载高速率骨干网研究和发展，其中主要进行自由空间光通信链路技术FSO研究，并最终实现混合FSO/RF通信链路组网。

图11 军事中心结构FSO/RF混合网络概念图

光/射频通信链路实验(Optical RF Communi-cations Link Experiment, ORCLE)是DARPA组织的首个FSO和射频混合链路空中网络计划，该计划主要关注RF和FSO节点的组网及物理层技术的研究，旨在实现激光/射频通信混合链路的智能化应用[41]。ORCLE计划进行了包含空-空和空-地间FSO和射频链路在内的混合航空通信网络演示，其中，FSO的通信链路速率为2.5 Gbps，射频数据链的速率为45 Mbps。ORCLE计划的成功实施验证了利用现有通信技术研制FSOC/RF混合通信设备的可行性，为航空通信网络中的高速率通信提供了保障。

3.3 光/射频通信计划

ORCLE成功之后，美国空军研究实验室(AFRL)也开展了面向战术应用的机载混合FSO/RF通信效能研究。DARPA和AFRL组织了光/射频通信计划[42-44]。ORCA计划的目标是设计、建立并测试一个用以反馈和数据传播应用，战术的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干网络，并进行地面节点之间的混合FSO/RF网络技术验证。

ORCA项目是一个实际的战术网络模型，由机间部分和地面部分组成，如图12所示。

图12 ORCA网络结构

其中，机间部分通过多平台组网构成移动自组网(Mobile Ad-hoc Networks, MANET)，并利用与ORCA地面节点相连的战略网关路由为GIG提供高可靠双向骨干网；地面部分通过战术网关路由为IP地面网络提供可靠连接。ORCA系统的混合链路中，微波部分数据速率174 Mbps，FSO部分数据速率>5 Gbps。对于大容量的ORCA网络，战术网络是其终端子网，同时ORCA也作为GIG高速段的终端网络运行。因此，ORCA网络必须能够区分网络内和网络之间的通信流量并通过QoS通信优先次序进行补偿。

3.4 航空骨干网络测试试验

美国林肯实验室于2012年进行了航空骨干网络测试试验，作为美军C4ISR(Command, Control, Communications,Computers, Intelligence,Surveillance, and Reconnaissance, C4ISR)系统行动2010(On-the-Move 2010 Exercise)的一部分，该试验选择2个陆地基点和2个空中基点共同构建了网络性能验证实验环境，研究与评估了异构网络环境下的航空骨干网络吞吐量、端到端延迟等网络性能[45-46]。测试内容包括大容量机载射频系统性能、RFC4938无线路由器接口、动态路由及为军用数据提供稳定可靠机载IP骨干链路的能力等通信性能验证。图13(a)给出了试验中空中平台、链路、高度、速度、通信距离及无线通信系统的具体参数；图13(b)为试验中空中平台飞行轨迹及距离。该试验中采用2种不同的通信系统：电子开关波束(ESB)无线系统及全向无线系统(ORS)。其中，采用时分复用(TDMA)Ku-波段ESB系统的数据速率为2～5 Mbps，链路时延60～100 ms；ORS系统为L波段全向天线，采用调频随机接入MAC协议，其数据速率500 kbps～2 Mbps，链路时延3～3 000 ms。

图13 航空骨干网络测试试验

3.5 Minuteman项目

美国加州大学洛杉矶分校开展的Minuteman项目，针对未来海军作战需要有效地利用海上、岸上和空中的各种实时信息和传感器数据，将战场上的UGV和UAV等各自单元组成了一个空间、地面和海上一体化的战场MANET。其中采用分层分布式网络体系结构，由骨干节点组成移动骨干网和接入骨干节点的本地接入网所组成，如图14所示。图中粗线连接的为各群首组成的顶层网络，各群为任务编队，群内成员之间保持相对一致的运动，因而具有稳定的群组结构。

图14 Minuteman的网络体系结构

3.6 NCW网络架构

美军提出的网络中心战概念(NCW)[47-48]，NCW网络架构示意图如图15所示。力求通过强大的计算机信息网络，将分布在广阔区域内的各种传感器、指挥中心和各武器平台融合成为一个统一高效的空间信息系统。NCW由空、天、地、海四层网络组成，其中空间大型平台、海面大型舰艇和地面指挥所通过激光链路或者定向射频链路互联组建空间骨干信息网络。

图15 DARPA提出的NCW网络结构图

3.7 ATENAA的网络架构

2004—2007年，德国、希腊、意大利和法国四国的研究机构联合开展了ATENAA项目的研究。该项目主要为了验证宽带定向数据链路构建空间信息网络，其关键技术包括空间信息网络协议，Ka频段阵列天线，以及机间光通信技术等。图16所示为ATENAA的网络架构示意图，其中包括飞机、地面站、高空平台等通信节点。该网络针对不同的通信业务采用了3种链路：VHF数据链、Ka频段链路和外层光链路(Outer Optical Link, OOL)。

2013年，德国宇航局启动光数据链高速传输演示验证项目，DODfast，在“狂风”战斗机上挂载激光通信终端进行了空地通信试验，实现了1 Gbps的数据回传。此外，欧盟在2016年开展了无人机载无线光通信演示验证项目ALCOS。目前，该项目还在进行过程中，其验证目标是要实现无人机到卫星的上行传输速率达到1.8 Gbps，下行卫星对无人机的传输速率为100 Mbps，通信距离可达数千公里。

图16 ATENAA的网络架构示意图

3.8 激光微波通信链路(ORCLE)实验

该项目是美国DARPA组织的第一个混合链路空中网络计划，主要关注射频(RF)和自由空间激光(FSO)节点的组网及物理层技术的研究[49-52]。ORCLE项目依据传输信息的大小以及通信环境的不同，通过选择最合理的通信方式，实现激光和射频通信链路智能化的混合应用，达到能够为联合部队指挥官提供有保障的高数据率通信的能力。ORCLE搭建了空-空和空-地实验演示系统。在该系统中FSO数据链的通信数据率为2.5 Gbps，而射频战术通用数据链(TCDL)的数据率则为45 Mbps。

3.9 光射频通信优化(ORCA)项目

该项目基于ORCLE项目的相关研究成果，开发FSO/RF混合通信设备，并测试基于FSO/RF混合的IP骨干网络，目标是用其满足战场上回传后方的通信传输需求。ORCA项目是由机间部分和地面部分组成，其网络结构如图17所示。ORCA系统混合链路中微波部分数据速率为274 Mbps，FSO部分数据速率>5 Gbps。

图17 ORCA计划的网络结构

3.10 射频/激光综合组网战术瞄准网络技术(IRON-T2)研究计划

IRON-T2的研究目的是演示验证FSO/RF通信链路混用必需技术和设备的可行性。IRON-T2项目于2008年完结，演示了射频和激光混合通信系统应用的效率，测试数据表明，混合通信系统可以在白天和夜晚的多种环境下提供可靠的Gbps级链路。

3.11 自由空间实验性光网络试验

FOENEX项目由AOptix公司和约翰-霍普金斯大学应用物理实验室共同研发，其目标是在空-地(50 km)、空-空链路(200 km)中，利用射频与激光混合通信信道提供的端对端网络高可靠性传输。FOENEX的网络演示场景如图18所示。空中和地面节点配置有两条或多条射频与激光混合通信链路。FOENEX在2011年底和2012年初进行了飞行测试。试验表明，应用于射频与激光混合通信链路的FOENEX重传算法可以在5×10-2误包率的信道上实现100%数据送达。

图18 美国DARPA的FOENEX计划

目前国内机载激光/射频混合传输的相关研究工作刚刚起步。前期长春理工大学分别在2011年和2013年完成机载平台之间速率1.5 Gbps(17.5 km)和2.5 Gbps(144 km)的光通信实验，为下一步建立航空骨干网奠定了很好的基础。

4 新型航空信息网络架构

当前各种类型的数据链系统基本采用定制化的设计思路，不同数据链系统针对特定的需求设计，仅能完成其特定的战术功能，各自组建的网络形成不同的专用子网，工作于不同频段，采用不同的波形和组网技术，互操作能力非常有限。此外，这些数据链系统大都缺乏开放的系统访问接口，系统在运行前，往往需要基于专用工具进行人工化的参数配置与加载，且系统运行细节对外透明，灵活性、开放性很差。随着武器装备信息化水平的不断提升，面临着新的网络服务能力需求，面向航空信息网络时，灵活性、开放性、互操作性不足的问题显得愈发突出。

面对航空信息网络存在的问题，DRAPA于2014年和2015年分别开展了C2E项目和DyNAMO项目。C2E项目的目的在于为航空平台构建一个自适应的通信系统来融合不同航空平台上的异构通信需求。该通信系统基于模块化的硬件架构设计，能够在不进行大规模系统升级的情况下，灵活、按需地配置通信系统的通信功能。而DyNAMO项目则以C2E项目的前期研究成果为支撑，强调依据任务需求对网络设备的各种参数进行动态优化调整，并引入信息中心网络的相关技术，来桥接不同的异构网络，增强网络的灵活性和互操作性。麻省理工大学林肯实验室的航空信息网络组以TCP/IP协议栈模型为参考并结合航空信息网络特点，分别从物理层、链路层和网络层阐述了其对如何设计下一代航空信息网络的思考。指出在物理层要充分权衡SWaP与新物理层技术的应用，在链路层设计信道接入控制协议时充分考虑物理层技术的特点以及航空信息网络在传播时延、链路稳定性等方面的特殊性，在网络层以标准化、模块化设计的方式收敛网络层功能。国内也有部分学者提出了很有参考价值的机载网络的架构。

为了能够显著提升现有网络的易用性，赋予网络更强的可编程能力，进而实现自动化、智能化的网络管控，Nick McKeown教授在分析计算机产业创新模式的基础上，对传统网络系统的三部分功能模块进行了重新划分，在每层之间建立统一的开放接口，提出了一个新的网络体系结构：软件定义网络(Software-Defined Networking, SDN)[53-54]。SDN使网络控制平面与数据转发平面分离，采用逻辑上集中的控制器基于全局网络视图对可编程的数据转发设备进行统一管理，简化了网络管理和配置操作，为网络的研究与发展带来了更为灵活开放的环境，有利于创新应用的部署以及网络架构的演进。SDN一经提出便引起了学术界与工业界的广泛关注，并逐步从有线网络领域推广应用到无线网络领域，如5G网络[55]，车载网络，物联网等。这种新型网络架构对航空信息网络满足不同任务需求的特点极具启发性。有研究指出SDN应用于航空信息网络的构建具有较好的前景，SDN应用于无人机网络将对解决未来无人机网络发展所面临的问题提供全新的途径；针对现有战术数据链仍存在通用性差、封闭性高等明显的局限性，基于SDN技术的核心思想，在整个战场网络中实时构建虚拟数据转发路径，形成若干临时高速数据链路，提供点对点间的高速数据传输功能。通过定制类似可扩展虚拟局域网络(Virtual Extensible LAN, VXLAN)，使得数据链具备快速动态重构的特点，并实现多跳链路协同工作，进而实现战场网络差异化服务。

虽然国内在SDN地面网络已有了广泛应用，但目前基于SDN构建航空信息网络还处于概念描述和初步探索阶段，还未有完整的基于SDN的航空信息网络体系架构被提出。为了给构建符合未来航空集群作战应用需求的航空信息网络从根本上提供理论支撑，2017年本项目组分析了航空集群作战应用对航空集群机载战术网络的基本能力需求，总结了将SDN设计思想运用于航空集群机载战术网络构建的优势，在此基础上提出了一种面向集群空战的机载可定义网络架构[56]，如图19所示，并对其基本架构进行了阐述，对未来机载战术网络的演进方向提出了一些大胆思考。

图19 航空机载网络架构

5 航空光通信网络研究热点

根据国际上研究现状可知，目前航空光通信领域的研究正处于从理论研究逐步向工程实现转化、从航空平台点对点光通信向航空平台组网验证转化的阶段，对航空平台间灵活可靠的光通信及组网技术提出了迫切需求。目前关于航空平台间光通信方面的研究仍处于起步阶段，研究成果主要集中在空地光通信ATP技术、外界环境等方面，而航空激光平台组网的研究尚未全面开展。根据以上对国内外研究进展的分析可知，为实现航空平台间光通信的工程应用和组网验证，还存在以下问题亟待关注：

5.1 机载光通信中的捕获、跟踪和瞄准(Acquisition Tracking and Pointing, ATP)

捕获、跟踪和瞄准系统是开展机载光通信研究的理论基础。Yohan Shim等[57]通过运动全球定位系统和传感器系统，针对空间光通信及组网应用，提出了精密视轴指向对准方法。Amita Shrestha等[58]针对空-地光通信链路，提出了一种光学天线视轴误差校正方法，并实现了空-地间光通信演示试验。孟立新等[59]研究了机载ATP系统中的关键技术，考虑外界环境影响，对机载平台跟踪精度和光束发散角进行了优化设计，开展了机载激光转台系统和伺服结构设计，提出了基于全光捕获的机载光通信快速捕获方法，提出了ATP系统的高精度跟踪和稳定精度检测方法。赵馨等[60]针对飞机与地面之间光通信链路，提出了光学天线视轴初始对准方法及初始指向系统中的视轴标校方法。齐秋菊等[61]提出了机载激光终端信标光及反射光源信标光的跟踪精度检测方法，并通过跟踪精度检测系统进行了验证实验。徐春凤等[62]考虑航空平台间光通信全过程，研究了通信环节及大气信道对信标光功率的作用规律，获得了发射端信标光功率与接收端探测概率的变化关系。赵义武等[63]根据机载平台飞行运动和终端振动的测量数据，推导了空间激光系统的通信捕获动态补偿公式，并提出了相应的航空平台间光通信捕获算法。

5.2 机载光通信信道建模

由于机载平台的运动特性及大气环境条件变化，机载光通信传输信道会受到影响，引起接收端光信号衰落和光强起伏。机载平台自身的高频振动和低频抖动特性会造成传输光束的对准误差，造成接收端探测光功率降低。因此，建立准确的光通信信道模型是分析和改善机载光通信系统性能的基础。Paul R等[64]针对ORCA项目中机载光通信骨干链路，分布考虑弱湍流及中强湍流条件，建立大气效应影响下光通信链路模型。Meiwei Kong等[65]考虑低空无人飞行终端及光电二极管探测器，研究了机载无线光通信系统的可行性，通过链路误码率、光束发散角及偏转角等参数仿真验证了系统性能。陈纯毅等[66]考虑空间背景光、接收端效率、大气信道衰减作用及光强闪烁效应，建立了飞机与卫星间上行光通信链路的信道模型和误码率模型。王静等[67]研究了机载终端的运动特性，建立了航空平台与各空间节点间光通信的物理及数学运动模型，进行了机载激光链路方程推导和仿真计算。韩志钢等[68]从理论上研究了机载光通信中的大气湍流效应对通信链路的影响，分析了激光光束的光场二阶特性，并通过仿真评估了接收光斑尺寸、光束到达角起伏等光束参数随链路传输条件的变化关系。

5.3 气动光学效应

当航空平台在大气环境中高速运动时，会引起湍流流场起伏现象，即气动光学效应。气动光学效应会引起运动平台附近气流的折射率起伏强烈，造成光束扩展、波前漂移及远场峰值强度降低，严重影响光通信系统性能，是航空光通信研究中亟待解决的关键问题。美国气动光学实验室(Airborne Aero-Optics Laboratory, AAOL)[69]在2011年研究了机载平台高速飞行时，平面窗口的气动光学效应，并进行了超音速的机载平台外挂吊舱气动光学试验。高天元等[70]针对机载平台光通信试验中的观测获得气动光学效应现象，采用衍射光学理论和光学方法，研究了气动光学效应的原理分析和有效补偿方法。殷柯欣等[71]分析了航空平台飞行高度、速度、终端位置等参数对光学平台像差的影响作用。孙宁等[72]针对气动光学效应的产生原理、数值计算和仿真进行研究，分析了在不同机载光通信参数条件下，气动光学对通信链路性能的影响。张曦文等[73]虑飞机高速运动和高空大气信道，分析了大气附面层结构，理论研究了机间激光光束传输中的聚焦效应和气动光学效应。

5.4 航空光网络

当前文献研究主要集中于航空信息网络及自由空间光通信(Free-space Optical Communication, FSOC)网络的优化及设计问题。Vey Q等[74]提出了航空自组织网络(Aeronautical Ad-hoc Network)，考虑利用移动自组网技术来实现航空平台优化组网。谷文哲等[75]针对航空自组织网络中的QoS路由问题进行研究，提出了基于时延感知、拓扑感知和移动感知的路由算法。李晶等[76]考虑航空自组网的节点移动特点，建立了网络中节点移动模型和链路稳定性模型。Nestor D等[77]针对FSOC网络，考虑链路及发射功率有限条件，提出了基于随机网络优化及Lyapunov理论的任务优化调度方法。Y Tang等[78]针对混合RF/FSO并行网络，考虑大气湍流效应，提出了一种网络控制方法，研究了网络吞吐量性能。针对航空激光网络的网络优化技术研究较少，Zachary C. Bagley等[42]针对ORCA项目中的机载激光/射频混合网络，提出了链路层重传机制和基于混合链路的失效备缓策略来应对由于大气湍流及平台移动性导致的网络中断。

5.5 高空大气信道及气动光学效应下航空激光链路建模

航空平台间光通信链路处于高空大气信道环境中，由于大气环境不稳定性高空大气、温度、气压、平台振动等因素会导致航空平台间信道动态变化。大气吸收和散射效应会导致接收光功率的衰减，大气湍流导致的光强闪烁效应严重影响链路传输性能。航空平台在大气环境中高速动态运行特性会引起气动光学效应，造成光束扩展、波前漂移及远场峰值强度降低，严重影响光通信系统性能。激光终端的高频振动和低频抖动会造成光束传输指向误差，造成接收端探测光功率降低。高空大气信道条件及气动光学效应对航空平台间光通信链路的通信性能影响需要准确深入的研究。因此，系统研究大气信道特性，建立高空环境下航空平台间光通信模型，分析不同大气信道通信环境影响下光通信链路差错性能，可为链路性能改善和通信系统设计提供理论参考。

5.6 航空平台RF/FSO链路协同

考虑到激光和射频通信技术各自优势，航空光通信与传统机间射频数据链技术的混合应用，是建立高速稳定的航空通信链路，实现航空信息网络的重要途径。在未来航空信息网络中，传统射频通信网络与光通信网络之间的异构融合和无缝接入是需要解决的重点问题。因此，构建航空平台混合RF/FSO中继传输系统，分析不同中继方式下混合RF/FSO链路的信道特性，研究链路传输差错性能，可为实现FSO及RF通信技术优势互补，增强航空平台间链路传输可靠性提供理论基础。

5.7 航空信息网络中流量工程问题

考虑航空节点在业务特点、运行环境、技术体制及应用类型等方面的差异性，以及航空平台间激光及射频混合通信链路的传输特征，航空信息网络具有网络异构及业务多样化的特点，而不同航空业务具有不同的传输需求，包括端到端延迟、丢包率、QoS等级等网络需求指标。此外，随着信息技术的发展，空间信息传输需求不断增长，海量的重要信息需要通过航空平台进行传输。面对航空信息网络中业务流量的迅速增长及业务异质性的特点，如何对网络中流量进行灵活的调度控制，实现网络资源的有效利用和合理分配，是航空信息网络组网应用中亟待解决的问题。因此，利用逻辑集中的网络管控策略，建立航空信息网络流量负载均衡模型，并提出高效的流量调度优化算法进行求解，是实现航空信息网络中流量业务的调度规划，提高网络资源利用率的有效方案。

5.8 新型航空信息网络架构

将软件定义网络技术思想引入航空组网中，建立逻辑集中控制的网络管控策略，能够实现航空信息网络中流量业务的优化调度和网络的灵活配置，满足空间信息网络中多类用户传输需求。然而航空信息网络具有空间大尺度分布、业务流量大、传播时延长、传输链路时变等特点，需要控制器部署方案具有高可靠性、低传输时延和负载均衡的能力。因此，针对逻辑集中控制航空信息网络的特点，研究航空信息网络中控制器部署问题，建立控制器部署的整数规划模型并提出部署优化算法进行求解，获得控制器的最佳部署方案，是实现航空信息网络资源灵活调度和管理的重要研究内容。