空天地关键技术的应用与分析

无锡科技职业学院 周燕萍

空-天-地一体化网络(SAGIN)仍处于设计的初级阶段。尽管对地面、空中和卫星系统的增强有一些关键的见解，但生态系统还不够成熟，不足以在现实中生存。在本文中，我们对如何改善SAGIN 基础设施的当前场景以及一些增值服务提出了清晰的愿景。

SAGIN 对6G 的愿景是一个纯粹的概念性方法，并列出了一系列合理的论据[1-3]。然而，这样一个整体的综合网络已经成为即将到来的先进调查中非常需要的因素，到目前为止，我们发现SAGIN 背后有几个关键方面。总的来说，SAGIN 是一个综合网络框架，包括空间、空中和地面网络元素。

我们预计6G 将赋予许多关键性能指标（KPI），如速度、可靠性、低成本、容量、连接性、低延迟、可用性、覆盖率、认知、感应、信任和安全性。因此，6G 将允许用户和网络服务提供商紧密合作，以实现可部署应用的共同利益。我们还预计，在6G 时代，可能会出现各种不确定的用例。特别是在SAGIN 的应用领域。因此，我们可以期待6G-SAGIN 的合并将超越目前面临的所有障碍。牵涉到触觉、认知、人工智能和战术信息处理，6G将改善SAGIN 的基础设施，使其达到更高的经验水平。

然而，要实现这样的6G-SAGIN 方向，我们必须包括一些关键的要求，如现有机器类型通信的升级，超可靠的通信，低延迟的连接，以及增强的移动宽带。保证具有99.999999%可靠性的服务质量将是一个必要条件。必须利用新的频谱带，同时使用大于100Gbps 的峰值数据率。空中、太空和海底的频谱的极端覆盖。能源消耗必须降到最低水平，以便能够负担得起毫米波/太赫兹的纳瓦级费用。应尽量减少对电池充电方案的干预。应实现超大规模的设备连接（＞100M/km2）范围。需要增强具有丰富传感能力的高精度定位（毫米/厘米级）。如图1所示展示了6G-SAGIN 架构。

图1 6G-SAGIN 架构Fig.1 6G-SAGIN architecture

6G-SAGIN：第六代移动通信技术——空天地一体化网络。

SAGIN 元素需要以严格的方式设计，以允许它们以无缝的方式建立和通信。因此，我们可以将以下关键要素作为6G-SAGIN 方案中最重要的设计方面，这包括光学地面控制单元的激光终端元件设计、空间链路的空间终端设计以及星上卫星通信的数据处理方案设计(Malik et al.)。我们还讨论了整个地面操作中心和空中操作中心在控制动态方面的设计考虑。

1 终端设计方面

1.1 激光终端

通过设计像激光终端和机载数据终端设计这样的关键元素，可以提供地面到卫星站之间的可靠数据传输。在激光终端设计中，可以考虑两种方法，地面站和空间站设计。在框定两个元件时应该仔细考虑，以便光传输和接收完全符合需要。地面站单元由一个光学孔径组成，该孔径主要由一个直径为40 ～80cm 的反射式望远镜制成。光学系统由滤光片、中继组件和光学分束器组成。接收器前端用于将光信号转换成等效的电信号。接收的数据在数字处理单元被解码。而且链路状态更新和信息共享也是由这个单元来铺设的。在传输侧，可以使用低功率种子形状因子激光器，其辐射需要被生产线中的后续光学系统放大。输出光信号随后由光学孔径传输。另一方面，光学孔径用于随时分离接收和发射信号。光学系统还通过改变上行链路或下行链路的波长来执行滤光器的工作。接收器前端将光信号转换为电信号，供数字单元进一步处理。该元件中的激光源用于传输数字信号。

1.2 车载数据终端设计

卫星应该能够评估基于射频的子系统，该子系统能够使用分组利用站(PU)作为星上数据处理单元的关键子单元。射频收发器充当空中和卫星之间的接口，包括天线、信号放大器、上变频器、下变频器和调制器/解调器(调制解调器)。当空间数据系统咨询委员会(CCSDS)类型的有效信号到达时，它被转换成等效的比特流。转换后的比特流随后被传送到命令解码单元(CDU)。CCSDS 信号的报头在CDU 内被解包，随后是可能的错误检测以及纠正。远程命令(TC)帧然后被发送到车载计算机(OBC)。然后，OBC 将命令包分发给指定的PUS 终端，以供可能的执行。TCs 必须以适当的预定义方式执行。

因此，这种信息可以与遥测数据和有效载荷数据一起下行传输，以馈送给传输侧。在这种情况下，可以考虑两种情况，(1)根据PUS 指南包装遥测帧，并添加报头；(2)将命令链路控制字(CLCW)与即将到来的遥测帧相结合，以允许其下行，从而形成更快的远程命令包反馈系统。如果在上行/下行链接阶段出现任何问题，可以设置自动化。因此，可以提供更可靠的元件，然而，可以将下列规则赋予其中，例如，(1)当TC-cable 肯定用于从地面到卫星终端的上载时，将FSO 信道上行链路与OBC 和TM/TC 结合；(2)当自动重复请求(ARQ)方案失败时，将遥控命令路由到命令解码器；(3)在包含命令时，可以将命令列表上载到OBC，以避免可能的命令排队冲突。

2 运营中心设计

2.1 地面中心设计

综合地面操作中心的设计依赖于FSO 和射频站。激光终端设备应与网络和应用监控元素保持一致，以跟踪中心的运行状态。光收发器和RF 收发器单元通过局域网(LAN)、城域网(MAN)或广域网(WAN)连接。包括用户数据报协议(UDP)和传输控制协议(TCP)的标准通信协议可以被积极地用于信息共享。上行链路和下行链路数据流共享和联合功能需要由RF 终端在网络交换机的帮助下铺设。高级5G 通信技术可能涉及连接有网络存储设备的监控服务器。这种存储设施使地面站能够进行更快的缓存，从而最大限度地减少信息处理的延迟。否则，联网的云平台和数据中心可以服务于空间链路扩展(SLE)服务提供商，以获得和发送与卫星中心的操作控制信息。

2.2 空中中心设计

无人机预计将在6G-SAGIN 生态系统中发挥最重要的作用，因此设想空中操作中心设计可以将整体网络可用性提高到更高的水平。我们预计，基于5G 的无人机无线网络将为在各种类型的无人机之间建立无缝连接做出重大贡献。在这种情况下，RF 收发器可以单独用于上行链路和下行链路信令任务。与地面中心一样，空中中心也在设计范围内集成了云和数据中心。除了使用SLEs、天线中心设计主要重视射频终端装置，允许地面服务请求相应地行动。连接的网络存储设备可即时改进数据缓存和服务工作。

2.3 卫星中心设计

与前面提到的方案相比，卫星中心将涉及更大规模的设计指标。我们设想用射频和光收发器来负责信号事件。航天中心的地面部分处理两种关键类型的数据，操作数据和管理数据。运营数据处理分为两种模式，即车载实时模式和离线模式。在实时操作中，执行有效载荷遥测和航天中心内务管理相关命令。在离线模式期间测量空间测距、多普勒效应和角度细节。记录进一步的历史以供将来处理。管理数据类型用于在实时模式下帮助支持车站TM 和TC 活动。否则，服务管理、任务调度、轨道跟踪和空间站配置工作都是离线完成的。

2.4 指挥控制中心设计

关键任务应用由航天中心规划和监控。因此，它应该以带时间戳的方式维护命令就绪的文件系统。此类文件需要根据OBC 境内给定的TC 执行。同时，应密切监控事件顺序(SOE)，以便为有效的任务调度铺平道路，从而产生适当的结果。此外，还集成了飞行动态、离线工作设施和数据存档技术。地面航段服务请求被认为与空中和地面中心一起工作。该中心的主要目的是控制所有前面提到的中心中与有效载荷相关的操作。创新的空间-地面遥测元件因此被增强以提供三个关键特征，即地面服务管理，SLE 分配和SLE 定向。此外，机载模拟工具可用于在选定的SLE 用户分布TM/TC 范例中可视化实时命令控制功能。

3 设计中的链路干扰缓解

由于6G-SAGIN 预计将承载空间频谱各层中所有可能类型的设计元素，因此它必须能够在完全防故障模式下做到这一点。为了满足这一需求，6G-SAGIN 将依赖于两个重要的控制回路，即直接反馈和间接反馈。在直接反馈方法中，通过光学终端。而间接反馈方案允许个人OBCs 的空间、地面和空中中心触发遥测命令，以保护单点故障。可以对AQR 进行研究，以寻求地面、空中、太空和指挥控制中心之间的无故障通信。应该在被请求时触发有效载荷数据流的重传。光学卫星数据链路(OSDL)可以在上行链路过程中充当返回信道。此外，6G-SAGIN 可以使用分组计数器模块来唯一地识别传输期间丢失的数据分组。因此，光通道将有助于完整性感知系统的设计。在这种情况下，整个SAGIN 基础设施可以独立于运营商工作。

4 设计中的数据流标准化

6G-SAGIN 必须包括标准化政策，以发展现有的协议，使其适用于未来的设计。例如，应重新审视SLE 协议，以改善空间内的通信，互联网协议(IP)可用作SLE的基础，同时允许按照空间链路协议(SLP)封装遥测命令。此外，应在TM/TC 的现有帧中进行改进，以便命令链路传输单元提供最佳服务。因此，可以增强三种主要服务，(1)转发来自通信链路传输单元的数据帧；(2)返回信道帧；(3)更新所有帧。SLP 和系统性红斑狼疮都允许其他现有中心之间的数据传输的准确性。6G-SASIN将需要交叉支持转移服务(CSTS)，以增强所有运营中心的能力。必须包括控制服务增强，以涵盖运行中心之间的实时TM/TC。应进行进一步研究，以改进通用空间链路协议(USLP)，促进对称链路、遥测格式并实现非常高的数据速率。需要使用消息抽象层(MAL)来封装操作中心到卫星中心之间的文件头传输。应进行新的研究，以利用CCSDS 与延迟容忍网络(DTN)和文件传送协议(FDP)的集成，在卫星操作中心和地球上的其他SAGIN中心之间建立大容量数据。

5 设计的布线技术

5.1 多路径QoS 路由

使用单一传输性能指标，多路径服务质量(QoS)感知路由改善了SAGIN 生态系统中的信息共享。卫星间链路(ISL)用于利用有关ISL 的近实时和历史数据。这种路线可以在地面或空中操作中心计算。随后重新考虑预先计算的路由策略，以根据SAGIN 的需要调整QoS要求。6G-SAGIN 必须允许两个运营中心之间的多路径路由，以提高到达率和极低延迟感知数据传输。通过利用多链路资源来实现各运营中心之间的负载均衡。在6G-SAGIN 中，多路径QoS 路由应分为两个阶段，即位于地面、空中或卫星中心的预计算星上系统和星上实时计算。预计算包括三个关键步骤，(1)根据可用的位置信息和ISL日志建立位置和ISL 信息知识库(PISLIK)；(2)预测下一个时隙中的卫星位置(例如，带宽可用性、延迟等)；(3)接近实时的反馈ISL 与可能的QoS 需求和业务持续性的组合。之后，预加载的近实时多路径路由方案与面向流量的并行路由和实时ISL 信息相集成，以利用优化的多路径并行路由策略。

5.2 联合服务放置路由

仔细确定路由服务的路径提高了SAGIN 中的QoS。因此，6G-SAGIN 旨在解决这些挑战。其中存在空对地(A2G)和直接A2G(DA2G)链路。成本、带宽和延迟是A2G 或DA2G 链路中变化的三个主要因素。随着空中和卫星操作中心移动性的提高，这个问题变得更加严重。我们讨论了一种新引入的方法，称为混合整数线性规划(MILP)，其目标是从联合服务放置和路由(JSPR)方案中推断出更好的质量。6G-SAGIN 应根据地面、空中和卫星网络之间的DA2G 链路组合进行调整。静态JSPR 的工作方式如下：首先，一组基于SAGIN 的服务在不同的时隙浮动；然后，根据给定数据中心中目标服务实例的要求来放置它们；最后，寻找最佳路由，使得由于网络服务缓解和服务实例导致的总成本最小化。动态JSPR 在早期的方案中增加了一个新的参数，即移动单元的时间。它旨在利用三个关键考虑因素，(1)将来要使用的服务实例的数量，即，放置；(2)路由路径确定；(3)服务迁移控制。对一个基于欧洲的SAGIN 基础设施进行测试，以调查成本降低情况，从而有效地确定路由和服务迁移之间的权衡。

5.3 统一路由

6G-SAGIN 将受益于分层路由(HR)算法。在这种情况下，最近的工作已经提出了混合时空图中心HR(HGHR)来解决与移动性和时变拓扑管理(Heese et al，2017)。HGHR 工作在混合时空搜索技术之上，同时缓解确定性和半确定性网络。早期的一个应用于卫星网络，而后者意味着具有附加的半马尔可夫模块方法的空中网络。然后，基于规则的消息转发引擎在存储-结转方案的规定下迎合混合时间-空间。HGHR 背后的目标是在整体功耗方面采用改进的结果。此外，以更高的成功率实现了端到端延迟缓解和消息传递率。发现HGHR 优于传统的DTN、拓扑描述和预测节点移动机制。HGHR 能够预测无人机的位置、接触时间、接触概率、逗留时间概率和状态转移概率。