载人月球探测月面通信网总体架构及关键技术研究

朱 珂，李彦欣，王 丹，黄克武，王小琰，张 伟，田 嘉，董 超

(1. 北京空间飞行器总体设计部，北京 100094；2. 中国空间技术研究院通信与导航卫星总体部，北京 100094；3. 西安空间无线电技术研究所，西安 710100)

0 引 言

地外天体居住与活动一直以来都是全人类的梦想。20世纪60年代,美国阿波罗计划实现了人类登陆月球的第一步,但随着“阿波罗”工程的结束,人类登陆地外天体的活动戛然而止。近年来,中国月球探测活动取得了举世瞩目的成绩,嫦娥工程完成了“绕、落、回”的壮举。与此同时,国际上“重返月球”的呼声也持续高涨。“载人地外天体探测”越来越吸引世界各航天国家的目光,已经成为未来载人航天活动的重要内容和竞争焦点。

从“阿波罗”到“嫦娥”,未来月面探测活动的数量和种类将会持续增加。未来的载人月球探测活动场景下,月面节点增多,为保证月面着陆器、航天员、月球车、巡视机器人等任意月面设施节点之间的相互通信,需要在月面节点之间建立网络,保障信息被可靠转发。同时,地球与月面之间的信息需要被转发至指定的月面目标,月面的信息需要被收集并发回地球,月面通信网同时需要与地面组网,形成地月一体化通信网。

载人月球探测也是一个持续的过程,其目的就是通过对月球的探测和驻留,合理开发和利用空间资源、探索未知科学领域。因此在月面通信系统建设之初,就应当按照“规划全面,任务可靠,统筹兼顾,开放灵活”的原则开展规划和设计,着眼于满足未来一定时期内的载人月球探测活动需求。

1 月面通信需求分析

1.1 国际月面通信网技术

1.1.1阿尔忒弥斯计划

近年,美国提出了阿尔忒弥斯载人重返月球计划,其最终目标是实现人类在月球上的长期驻留[1],并在环月轨道设计建造“门户”空间站,作为航天员登月和返回的中转站和通信中继[2]。在NASA给出的地月空间通信架构中,根据用途和链路性质,以地月空间平台(CSP)为中心划分出了5种链路。对于整个地月空间通信网络而言,以地月空间平台,经访航天器(中继星、载人飞船等),月球低轨轨道器,月面通信网络,舱外无线网络,地球深空网等作为节点,构成时延容忍网络(DTN)[3]。

在舱外活动的场景中,阿尔忒弥斯计划也规划了由月表通信终端构成的月面通信网络,网络架构如图1所示。月面通信塔可以直接服务6 km范围内的用户;而对于6 km到30 km范围内的运动终端,如巡视器,则需要借助中继星,通过邻近链路与月面终端通信,实现月面网络接入。此外,中继星通过邻近链路提供2路信号,通过多普勒测量和测距,计算运动终端的位置并将相应的信息传输给它。从NASA的月面通信总体架构设计上不难看出,对于近距离的月面通信网,其均由月面设施构成;对于远距离通信,则必须借助月轨中继卫星网。

图1 借助中继星的月面远距离通信场景示意图Fig.1 Schematic diagram of lunar remote communication scenario assisted by relay satellites

1.1.2NASA LunaNet架构

在月球通信网的建设上,NASA提出LunaNet地月空间通信系统架构[4-6],如图2所示。其目的在于建立一套为月表和月轨航天器提供通信导航及其他服务的月球通信网络,其服务类型包括通信、数传、定位、导航和授时,以及态势感知等。NASA希望能够通过LunaNet建立一系列通用化标准、协议和接口,来实现月球通信网的国际化,并允许众多能够为LunaNet建设提供帮助的国家、机构和私人公司参与其中。LunaNet以极高的开放性、扩展性、健壮性和安全性为关键设计理念,并在总体架构设计上以具备直接用于其他行星探索任务的能力为目标,如直接移植为火星通信网。

图2 NASA构想的LunaNet架构示意图Fig.2 NASA’s conceptual LunaNet architecture

在月面通信网设计上,NASA委托诺基亚公司开展了LTE/4G月面无线网络系统的相关研究[7],作为LunaNet的一部分,支持阿尔忒弥斯计划中航天员的月面活动,包括发送视频语音通信、遥测数据、生理数据、远程控制机器人等。诺基亚的月球LTE/4G系统在IM公司的Nova-C月球着陆器配置了约4 m高的通信基站(BTS),在月面漫游车(Lunar outpost rover)上约1 m高处配置了用户设备(UE),计划在月球南极开展以着陆器为中心,距离数百米至2～3 km范围内的通信试验,验证利用地面通信网络技术满足未来空间任务通信需求的可行性以及设备对空间环境的适应能力。显然NASA希望通过相关研究来验证将地面移动通信系统用于月球的可行性,以减少月球通信网的研发成本,同时获得强大的扩展性和通用性。

考虑到月球探索的阶段性和持续性,NASA也计划在月球探索的早期任务阶段,将LunaNet以简单的架构开始建设,满足少数月球节点的任务需求,并逐步改进以适应不断扩展的月球探索规模和不断增长的通信需求。同时NASA明确提出不会因为早期个别飞船或月面节点的需要而开展月球中继卫星建设。NASA预期的LunaNet的不断扩展需要在众多商业和政府的支持下来开展,其实现的技术途径最重要的是基于参与各方共同协商制定的一系列具备极强互操作性的标准和规范[8-10]。

1.2 月面活动场景

美国在20世纪60至70年代实施了阿波罗计划,月面活动主要包括月面人体生命科学测试、天地互动、国旗展示、月面驾驶、科学探测、月壤采样返回等。其中,阿波罗11～14号只有航天员活动,主要以政治展示、系统测试、探索性任务为主。阿波罗15～17号任务中增加了双人月球车配置,开展人车联合的大范围月面活动,其中,阿波罗17号月面活动最远行驶距离7.63 km,累计行驶35.7 km,出舱活动22小时05分,返回样品110.52 kg[11]。

阿波罗计划以成功登月为核心驱动。在目前的阿尔忒弥斯计划中,NASA提出在成功实施登月后,分步部署月面设施并建立月面前哨站的长期可持续的登月计划,配置上包括全地形月球漫游车(无加压)、可移动的居住平台(加压)、月面居住舱,以及通讯网络、电力系统等配套设施。月面前哨站可延长航天员在月面执行探测任务的持续生存能力,月面驻留时间预计可从阿波罗时期的最长72小时延长至30天以上[12-13]。

随着嫦娥无人探月活动的成功,未来的月球探测活动无论是在规模、时间、科学性和复杂性上,都会越来越精细化、深入化和长期化。考虑到科学实验复杂性和操作性需求,更需要发挥“人”的能动性优势,由航天员参与开展更加复杂的月球科学实验和探索活动,利用航天员复杂操作能力、全局观察能力、决策判断力、发现未知等无人系统难以具备的能力,提升月面科学效益,取得成果突破。未来有人参与的月面活动模式,必然将从单点的小范围活动扩展到更大范围、更长时间和内容更丰富的活动,需要逐渐部署能力越来越强的基础设施来予以支持。按照中国目前的载人月球探测计划,2030年前将实现把2名航天员送上月球,并携带月球车,开展月球表面的人机联合探测活动。后续将逐渐拓展航天员在月球表面的停留时间、活动范围和探测的深入程度。

1.3 月面活动对通信需求

1.3.1初期活动对通信需求

初期载人月面活动的重点必然是政治展示和初步的科学探索。航天员首次的月面活动主要以政治展示、人机联合操作、科学探测取样这3类活动为主,但相比阿波罗计划活动内容更加丰富,参加的装置更多,网络化的通信需求初见端倪。

初期活动对通信的需求分析如下:

1)航天员的音频和生理数据传输,确保航天员生命和身体状态能够被实时监测,并向航天员下达任务命令;

2)航天员月面活动图像的传输,获取任务的展示性和政治意义;

3)对航天服、月球车、科学仪器等月面活动支持设施进行遥控,传达任务计划,并获取其状态数据,以确保设施的正确运行;

4)通信应具有一定的可靠性,如误码率10-5或10-6,根据业务类型的重要程度不同具体确定;

5)能源的受限,通信过程应简单可靠,尽可能降低设备功耗;

6)考虑到月球曲率的影响,通信距离与天线的布设高度相关,综合考虑基础设施、航天员和月球车的活动能力、生命保障资源,初期月面直接通信链路的最远通信距离在5 km左右较为合适(天线高度3 m),进一步扩展通信距离将带来各方面实施代价的成倍增长。

初期载人月面活动各节点详细需求及约束条件的分析结果如表1所示。

表1 初期各节点需求及限制条件Table 1 Requirements and limitations of various lunar nodes in the early stage

1.3.2远期活动对通信需求

随着人类在月面活动的深入,将逐步由短期活动过渡到中长期驻留与科考开发,探索建造月球科研试验站,开展连续的月球探测和相关技术试验验证,逐步实现月面原位资源利用和月球资源开发,实现人类长期地外生存,开展地外科学试验与探索。通信节点和终端数量、类型和能力都会进一步提升。在此过程中,以人为中心的活动,宏观的通信需求就是实现人与人,人与物之间的通信,以及物与上下游之间的通信需求,总体上是多点到多点的通信需求,即网络化的通信需求。NASA目前的地月空间通信规划都是基于网络化,月面通信网作为地月空间的重要组成部分,也需要纳入网络化的范围。

远期活动对通信的需求总体上是在初期具体需求的基础上进一步的拓展,包括以下几方面:

1)网络化需求。随着月面活动人员和设施的扩大,未来将会形成以月球科研试验站、月球移动实验室、着陆器为中心的多基站组网通信,航天员、月球车、机器人、飞跃器等小型移动设施作为用户终端接入该通信网络,从而将涉及地、月、人、机的全部节点进行连通,形成地月一体的通信网络。

2)远距离需求:受月球曲率的限制,月球表面的视距通信难以突破5～10 km量级,随着月面科考活动范围的扩展,月面通信网直接通信链路的作用范围在5～6 km范围内较为适宜。当活动范围超出该范围时,则需要通过月轨或者地球转发实现月面漫游车与居住舱之间的中继通信。

3)一体化需求。月面活动航天员、车、机器人等设施不应当成为孤岛,而势必与地面之间存在强烈的通信需求,这一点毋容置疑。因此,地球通信网和月球通信网在未来必然需要一体化设计。

4)开放性需求。月球探测理应汇聚全人类的力量,争取更多的合作伙伴,利用一切可以利用的资源,降低月球开发的成本,月面通信网必然需要与国际上开展月球探测活动的国家与机构进行开放性合作。

5)扩展性需求。载人月球探测活动是一个持续开展的过程,初期活动规模较小,后期逐渐扩大,尤其是月面基础设施的组装建造阶段是一个长期持续建造的过程。这要求月面通信系统架构需要具备较高的灵活性,既能够适应初期载人登月任务小规模场景的需求,又要具备较强的扩展性,能够覆盖建造阶段一定时间跨度的规模需求,支持有人与无人探测的融合,并需要具备持续演进的能力。

远期载人月面活动各节点详细需求及限制条件的分析结果详见表2。

表2 远期活动对通信的需求Table 2 Communication requirements for long-term lunar activities

2 载人月球探测月面通信网的总体架构

2.1 地月人机一体化通信网

为满足未来月球有人长期驻留和科考开发的需求,未来月面通信系统的应用场景,应与地面互联网、物联网类似,是以网络化为基础的万物互联,以实现人与物、物与物、人与人的全方位互联互通。在月球探测任务中,地球指挥中心、月球科考站、移动实验室、着陆器、航天员、飞跃器、巡视器、机器人等有机结合,组成地月人机一体化通信网是载人月球探测的必然选择,如图3所示。

图3 地月人机一体化通信网总体架构Fig.3 Overall architecture of Earth-Moon-human-robot integration network

在地月人机一体化通信网总体架构上,按照空间位置分布不同,可以划分为地球网、月轨网和月面网3大通信主网,3大主网的任意二者间都存在直接链路,3大主网可以实现直接连通,也可以借助其他主网转发实现间接连通。

3大主网的主要特征如下:

1)月面通信网:月面活动的各节点,如月面着陆器、月球科研试验站、移动实验室、航天员、机器人之间,通过月面通信网实现信息传输;

2)地球通信网:月面活动节点可通过直接对地链路,与地球通信网连接;

3)月轨中继网:月面活动的各节点借助月轨中继星,实现与地球通信网间的信息传输。

对于处于月面活动中的各节点,如月球科考站、移动实验室、航天员、机器人之间,需要组成月面通信网。但从地月人机一体化测控通信网总体架构的3大主网角度上来看,月面通信网的各节点间的信息传输途径并不需要仅仅拘泥于月面通信网的直接连通,可用于通信的信息流途径包括:

1)月面通信网的直接通信链路,月面活动的各节点通过月面直接通信网实现信息传输;

2)借助月轨中继网的转发链路,月面活动的各节点借助月轨中继网实现信息传输;

3)借助地球通信网的转发链路,月面活动的各节点借助地球通信网实现信息传输。

3条信息流具有不同特点,适应不同场景,是同时存在、相辅相成的关系。其中月面通信网具有时延低、速率高,能够满足月面应急通信需求的特点,在使用优先级上属于月面通信支持的最高优先级。

目前月轨和月面通信网的研制工作已经在逐步开展。基于载人月球探测和嫦娥探月工程,月面着陆器、科学载荷、月球车、月面探测器、机器人等月面节点将陆续研制并发射,逐渐形成月面通信网的先导型。

2.2 月面通信网

2.2.1月面通信网的功能

在地月人机一体化通信网的总体框架下,月面通信网是实现月面活动节点组网通信的首选链路,肩负着支持月面活动的重要任务,月面通信网主要承担的功能任务应包括:

1)完成月面视距范围内的可靠通信。保证月面节点活动范围内的全时通信覆盖,满足月面的应急通信需求。

2)完成月面近距离的高速通信。在100 m左右的近距离范围内,具备完成近距离高速通信任务的能力。

3)航天员舱内和舱外通信的桥接。月面通信网应能够由舱外扩展至舱内,承担起航天员舱内和舱外通信的桥接任务。

4)“无线”移动通信网需求。月球上以千米为单位大范围布置光纤、光缆显然是不现实的,月面通信网应能够支持月面各节点的远距离无线通信。

5)具备灵活可扩展性的架构。月面通信网能够适应初期载人登月任务小规模场景的需求,又要具备较强的扩展性和支持持续演进过程的能力。

6)信息安全能力。载人月球探测活动开展的主体包括国内和国外,需要具备一定的信息安全能力,防止指定范围外的其他月面活动主体对信息的窃取、仿冒和攻击。

7)地面商用标准化无线设备的接入:月面着陆器/移动科研站等舱内的良好环境能够为地面商用标准化无线设备的应用创造有利条件,因此,可以充分利用月面通信网,实现地-月无线设备的统一与标准化。

2.2.2月面通信网的性能

月面通信网的性能需求主要包括以下几方面:

1)高可靠低延时网络需求。与地面工业自动化场景类似,月面通信网存在对月面机器实施控制的任务,“高可靠”与“低时延”是2项重要指标。

2)高效率网络数据处理需求。由于月球存在较强的空间辐射影响,地球所采用的高速计算芯片难以在月球应用,而宇航级器件存在着运算速率低等难题,月面活动将面临计算资源受限的问题。因此,需要对月面网络计算进行简化,提高月面计算资源利用效率。

3)丰富的多址接入能力需求。随着月面活动参与对象数量的增加,有人探测和无人探测的综合,地球向月球资源转移数量的增加,月球原位资源利用规模的提升,月球上各项活动目标和物资资源,都具有向月面通信网接入的需求。月面通信网应具备物联网级的多址接入能力,这是月面通信网络发展的一项重要需求。

4)能源、重量受限下的组网需求。地面上的5G基站,正常工作情况下通常需要3 500～4 000 W是功率(中兴基站3 674 W,华为基站3 852 W),即便空载状态,也需要约2 200 W功耗[15-16]。在月面活动中,这种功耗代价对于依赖太阳能发电的航天器而言,显然是无法接受的。因此,需要一种低重量、低功耗的无线网络设计,按照目前航天器可以搭载的月面准基站的装置估计,其质量代价≤20 kg,功耗代价≤200 W。

5)航天员的高速率上行通信需求。在月面通信系统中,终端用户如航天员在舱外活动时的能源是极为有限的,但航天员需要向月面移动实验室或着陆器等基站节点发送较大数据量的高清图像等,而月面着陆器等月面基站节点只需要向航天员等终端用户下发遥控、话音等低速率的数据,这是月面通信网与地面移动通信系统完全相反的需求。

6)月面环境的抗多径需求。月面环境存在月尘、岩石和地形起伏,与地面多径环境类似,因此月面通信系统在设计上需要考虑抗多径的需求,采用循环前缀、分集接收等抗多径技术。

3 月面通信网建设的总体技术途径

3.1 地面移动通信技术在月面应用的可行性研究

目前地面可以实现多节点无线高速组网通信的标准主要有2类:一类是由3GPP主导,从最早的GSM经WCDMA、LTE、5G NR一路发展而来。另一类是由IEEE主导,主要包括802.11协议族、802.15协议族、802.16协议族,分别指无线局域网WLAN(如WiFi)、无线个域网WPAN(蓝牙)、无线城域网WMAN(WIMAX)。

1)802.15协议

802.15协议族主要用于在较短的距离内传输信息,被广泛应用的协议有802.15.1(Bluetooth)、802.15.4(Zigbee)[17],具有低功耗、低成本的特点,但传输距离短、易被干扰。

2)802.11协议[18]

WiFi(Wireless Fidelity)是IEEE为无线局域网(WLAN)定义的一系列无线网络通信工业标准,即IEEE 802.11协议族,主要工作在2.4 GHz频段或5 GHz频段。主要应用于室内场所,如小区、家庭等生活场景,或车站、机场等交通枢纽场景。

3)LTE、5G、802.16协议

国际电信联盟ITU将3GPP组织提出的LTE协议和IEEE 802.16 m均定义为4G移动通信技术,而5G协议[19-22]则是在LTE的基础上演进而来,具有超高的频谱利用率和能效,在传输速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高了一个量级。目前LTE/5G被广泛应用于办公、自动驾驶、工业自动化、智慧城市等多种场景。

以上无线通信标准是面向不同场景、不同需求制订的,具有不同的特性,对月面通信网的功能、性能需求的满足情况梳理如表3所示。

表3 基于LTE/5G移动通信、WiFi的技术途径需求满足情况表Table 3 Technical requirement satisfaction based on LTE/5G mobile communication and WiFi

综上,无论是LTE、5G还是WiFi等地面移动通信网络都无法完全满足月面通信网的功能、性能需求,且地面LTE、5G移动通信协议体系复杂,月面通信网应利用经过地面充分验证的移动通信关键技术,对其进行简化、修改,得出一套适应月面通信需求的总体设计方案。

3.2 月面通信网拓扑结构

当前国际航天领域对临近空间通信的标准都是点对点的通信标准。NASA在阿尔忒弥斯计划中委托诺基亚开展基于4G移动通信技术的月面组网通信研究,但并未公布最终详细方案。可以预料的是,无论是照搬4G还是5G的通信方案都需要较多的基础设施,这显然并不适用于月面这一资源极度缺乏的场景。

月面通信系统在总体技术途径上应当选择基于5G技术并适当修改的简化协议作为总体架构的设计方案,从而既能利用5G在无线通信方面的关键技术,又能满足月面重量、功耗资源受限的条件,同时利用地面5G与互联网融合的成熟技术,能够更方便地建立与月轨中继卫星系统、地球通信系统一体化的通信体制。另一方面,考虑到月面通信系统对商用设备的标准化直接接入的需求,采用WiFi技术作为补充,实现商用设备的近距离高速无线通信接入,而远距离则通过中继节点的转换接入月面通信网。

基于简化5G体制和WiFi体制融合的技术途径的总体架构见图4。

图4 基于5G的简化和WiFi融合的技术途径架构Fig.4 System architecture of lunar communication network based on simplify 5G and WiFi technologies

整个月面通信网由骨干网和接入网组成,骨干网由主节点、副节点组成,接入网由主/副节点与终端组成。主节点是月面着陆器、大型移动实验室或固定的基础设施,具有较强的能源和通信能力,也是月面通信网与地面通信网的直接桥梁。主节点搭载功率较大的月面无线通信基站设备,可与航天员等活动终端设备实现近距离的高速通信和数公里内的低速通信。副节点是月球车或其他移动设备,具备在月面数公里距离内探测的能力,可以作为航天员与月面无线骨干网的中继节点。副节点对主节点组成骨干网,对终端设备组成接入网。航天员在主节点附近活动时,与主节点直接组成接入网;当驾驶月球车或加压漫游车执行月面远距离活动任务时,与车组成接入网,由车实现中继转发,转发链路可以选择月面通信网、月轨通信网或地月通信网。

4 月面通信网协议总体设计方案

4.1 月面通信网协议栈架构

月面通信网采用基于分层的协议架构,对传输数据进行5层数据处理,分别是应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层。月面通信应用层、网络层和传输层可采用标准的TCP/IP协议簇,有利于建立地月一体化通信网;数据链路层(L2)和物理层(L1)采用适应月面通信的自定义协议,从而满足月面组网通信的需求。以月面着陆器为核心的组网模式,可以看作月面通信网的基本型,其协议栈架构如图5所示。

图5 月面通信网协议栈架构图Fig.5 Architecture diagram of lunar communication network protocol stack

月面着陆器配置2个网关设备,对地通信处理器承担对地网关,月面通信处理器承担对月网关,通过双网关实现地-器-月端到端的双向数据通信,其中月面着陆器需要完成2次协议转换,以适配地月链路和月面链路的不同信道特性、传输速率和协议。

4.2 月地路由通道

将地-器-月作为一体化网络来考虑,划分为地面子网、航天器子网和月面子网。不同子网内部存在不同协议的可能,子网间也通过不同链路连接。子网与子网之间配置网关,完成网间协议转换。当月面的终端a需要与地面终端b通信时,终端a将目的IP地址(地面终端b的IP地址)与子网掩码进行“与”操作,如果目的地址不在同一子网,则将该数据包的目的地址设置为网关(月面终端网关),通过内部网络或总线将数据包传输至网关设备。网关将该数据包按照月面通信网的相关协议发送至航天器子网,航天器子网的月面网关设备判断数据包的目的地址属于哪一个子网,如果属于航天器内网,则将该数据包MAC地址装订为对应内网终端的地址,并通过内网网络交换机向目的终端转发;如果属于月面子网的其他终端,则匹配相应的月面通信网的MAC地址,并向月面通信网转发;如果属于地面子网,则匹配天地网关的MAC地址,通过天地网关按照天地数据传输协议发送至地面站,地面站再发送至地面网关,实现地面子网内的数据转发,最终送至地面终端b,整个转发流程如图6所示。地面终端b需要发送数据至月面终端a数据包时,采用相反的过程。

使用天地网关和月面网关后,月面终端子网、航天器子网和地面子网可以采用不同数据链路层和物理层协议,只需要子网间链路在数据链路层和物理层采用相同的协议即可。在路由算法的选择上,对于基本的IP包,可以直接利用地面成熟的IP路由协议,对于空间包,如CCSDS定义的SPP包,则需要配置专门的空间包路由算法,通过建立基于SPP包地址的路由表实现。

4.3 用户面和控制面的分离

月面通信网的核心是月面通信处理器,它的作用类似5G基站和部分核心网将航天器内的有线网络数据,转换为射频信号,发送到月面活动节点,如航天员/载荷接收终端,同时对用户的接入、退出和资源分配进行管理。月面通信协议栈包含用户面和控制面,借鉴5G移动通信的思想,将控制信令和用户数据的解耦,从而简化管理路径。用户面、控制面协议的区别主要为:控制面协议不包括传输层、网络层,控制面应用层负责信令传输;用户面协议包括网络层(IP)、传输层(UDP)、应用层。月面通信处理器负责航天员数据链路层帧的转换重组,将内网帧转为月面链路帧。

如图7所示,左侧为月面通信网的接入网协议栈,可见控制面协议栈跨越了传输层和网络层,控制面协议只在月面无线通信网的内部使用,通过数据链路层完成寻址和传递。通信介质的改变也引起了协议栈结构的重建,信令的管理通过L3层负责,本质上属于应用层协议。

图7 月面通信网控制面、用户面协议栈Fig.7 Protocol stack for lunar communication network control surface and user surface

对用户数据的管理、调度主要通过控制面的信令实现。在5G中,控制面数据通过专用的控制信道承载,数据量和种类非常庞大,调度机制非常复杂,显然不适用于月面通信网的控制面设计。

5 月面通信网的关键技术

5.1 物理层关键技术

1)高效带宽利用

月面通信的频率、重量和功率资源都非常紧张,同时扩展性的需求也十分强烈。随着月面活动节点的增加,必须选择高效率的带宽利用技术,提高月面网络容量和传输效率。

在通信体制上,综合考虑频率、重量和功耗等因素,月面通信网物理层在用户多址接入方式上,采用TDD及TDMA技术,显然更具优势。采用上下行和多用户全时分的方式,一方面减少了频率分配导致的滤波器开销,同时为也为多用户同时使用全频段资源提供了基础,实现各方资源的均衡。

在信号波形产生方式上,采用OFDM技术,这一技术适用于多径环境和衰落信道中的高速数据传输,且可以提高系统的频谱利用率。当子载波数量较多时,频带利用率近似为lbM(M为调制阶数),是传统频分复用(FDM)系统的2倍,非常适用于月面频谱资源极度有限的特点。

2)自适应功率控制

提高发射功率有助于应用更高阶的调制方式,增加传输比特率,降低误码率和丢包率,但是月面能源紧张,提高功率不利于节能,尤其不利于月面设备的电池寿命。因此,月面通信网采用功率控制技术,根据终端和节点的通信距离不同,在通信过程中使用适宜的发射功率,在提高信道容量的同时,降低终端间的干扰,提高整个网络的能源效率和兼容性。

功率控制功能通过信道估计和信令实现。在OFMA多载波设计中,采用部分的子载波频率发送导频信号,通过预先约定的先验信息实现对当前信道状态的估计,从而评估功率的合理程度。发现当前的功率设置过大或者过小时,通过传递信令实现对功率的适应性调整。

3)自适应调制编码控制

月面通信网主节点可根据信道状态,对信道的调制编码方式进行自适应调整,实现上下行速率控制。用户终端将解调参考信号的测量值反馈给主节点,由主节点来推测信道的质量,评估并选取适应的调制方式和编码率以及编码效率,实时选择适应的调制编码方式。

4)灵活扩展能力

在月面通信网物理层的设计上,通过子载波的调配、调制编码的自适应实现用户规模的扩展。月面通信系统的容量受限于发射功率和带宽。单纯通过提高频率利用率的技术,在扩展能力上存在上限。提高功率需要部署大型月面通信塔、阵列天线等,需要月面基础设施能力的不断扩展。未来随着航天光伏能源技术、月面核反应发电技术的突破,月面基站将有能力具备更高的发射功率,进而支持月面通信系统逐步由低频向S、Ku、Ka等高频段高带宽扩展,以满足超高速、超低延迟和超大传输容量等需求。月面通信网基于TDMA的体制设计,实现了通信协议与频率的剥离,频率作为整个系统的一项配置参数,可以实现灵活配置,在体制上为后续规模扩展留下空间。

5.2 数据链路层关键技术

1)通信资源动态分配

月面通信网各节点在不同时间对通信资源的需求不同,如业务需求变化和通信距离变化,从而需要动态调整时隙配比来适配即时的通信需求。月面通信网为适应实时的业务调整,在数据链路层采用资源动态分配技术,通过时隙动态调整解决月面通信上下行数据量差异性大、月面节点通信能力不平衡的问题,满足不同场景下的通信需求。

如图8所示,某月面载荷节点由于需要向网络传输高速遥测信息,则数据链路层根据需求调整信道分布由超帧0变为超帧1,载荷上下行数据传输速率变为之前的2倍。

图8 月面节点资源动态分配示意图Fig.8 Schematic diagram of dynamic resource allocation for lunar nodes

2)可自由扩展的超帧设计

月面通信网的数据链路层帧长可变,当系统节点个数N扩展时,链路层超帧长度可进行自适应拓展。月面网的无线超帧需要具备扩展性,既能够适应初期载人登月任务小规模场景的需求,又要支持远期用户数量不断增长的需求。因此在超帧的设计上必须覆盖月球探测建造过程在一定时间跨度内的规模需求,且具备支持持续演进过程的能力。

3)高效的控制面管理技术

月面通信网控制信道和共享信道的定位,与5G移动通信的控制面模式不同,5G的控制面基于核心网的架构,需要大量的服务器和资源,显然不适用于月面通信的资源受限场景。月面通信网采用低速信道用于接入、申请和退出业务,而其他高动态调度的信令则通过高速信道实现,一方面能降低控制面实现的算法复杂度,同时也能为终端高优先级需求提供专用的信道服务,实现功能和性能的均衡。

6 结 论

本文对照载人月球探测的规划,分析了载人月球探测的主要任务和活动模式,结合国际地月空间通信网的发展趋势,提出了一种能够支持当前乃至未来一定时期的月球探测的地月人机一体化通信网的总体架构,并在此基础上细化提出了基于月面通信网的总体架构和关键技术。

月面通信网与地球移动通信网在对活动目标支持的基础无线通信技术上有很大的相似之处。通过对地面移动通信技术在月面应用进行可行性分析得到,月面通信网构建的总体架构可以参考地面移动通信网技术架构。但月面活动有其独特的特点和约束,直接照搬地面移动通信系统在月球通信基础设施薄弱的条件下是不可行的,月面通信网必须在充分利用地面已有经验的基础上,对地面移动通信技术进行简化和适配,并具备一定的支持标准商用设备接入的能力。本文提出了一种适用于载人月球探测计划的基于简化5G体制和WiFi体制相融合的月面通信网总体技术途径。

在上述基础上,本文提出了月面通信网的通信协议栈、路由通道和用户管理方案,并对协议栈中物理层、数据链路层采用的功率控制、自适应调制编码控制、月面节点资源动态分配等关键技术进行剖析和可行性分析。以此协议栈为基础,逐步分阶段开展月面通信网的研究和建设,逐步提高月面通信网的规模和能力。

月球探测是一项长期工程,每个阶段的需求、考量的问题及关键技术都不尽相同。月面的组网通信系统要构建一个开放、兼容的架构,并应当跳出月球表面通信本身,从地月测控通信网建设的更高维度去审视月面通信的总体架构。月面通信网在初期设计上就应具备持续演进、更新的能力,既需要保护前期的网络建设投资不被浪费,也要为未来网络的创新留下空间。

月面通信体制研究目前还处于起步阶段,是中国可参与和主导制定国际标准或者提出建议的重点方向。未来中国应主动掌握国际上主流技术体制及其技术标准的发展动向,积极开展国际合作,建设以中国为主导的国际月面通信标准体系,提升中国月球探测领域的话语权和竞争力,进而以标准带动产品研制、数据共享、基础设施建设等多维度的国际合作。