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发布时间：2022-03-01 11:21所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要：构建空天地一体化信息网络是第六代通信系统(theSixthGeneration，6G)的重要目标，无线光通信相较于射频(RadioFrequency，RF)通信技术具有容量大、速率高、抗干扰能力强等优势，已成为建立全球无缝覆盖空间网络的重要技术.本文综述了基于自由空间光通信(FreeSpace
摘要：构建空天地一体化信息网络是第六代通信系统(theSixthGeneration，6G)的重要目标，无线光通信相较于射频(RadioFrequency，RF)通信技术具有容量大、速率高、抗干扰能力强等优势，已成为建立全球无缝覆盖空间网络的重要技术.本文综述了基于自由空间光通信(FreeSpaceOpticalCommunication，FSOC)的空天地一体化网络国内外建设及相关标准化现状，相较于现有综述文献，涵盖了更多最新研究工作，并针对物理层和上层指出一体化FSOC网络设计需要关注的重要因素，对大气信道建模、“捕获、瞄准和跟踪”(AcquisitionPointingandTracking，APT)、拓扑控制、路由、资源分配、可靠传输协议、微波协作传输几种重要通信技术进行总结和分析，并指出其未来发展趋势和面临的挑战.
关键词：空天地一体化自由空间光通信网络;信道建模;APT;拓扑控制;路由;资源分配;可靠传输协议;微波协作传输
1引言
空天地一体化信息网络是实现信息全球覆盖、高速传输、自由互联的必由之路[1]，是未来6G网络架构研究的核心方向之一[2].一体化网络需承担骨干网、接入网等宽带信息的传输，最高传输宽带需求达到40~100Gbps[3].在此背景下，传统射频(RadioFrequency，RF)通信技术难以满足空天地一体化信息网络对更大传输容量、更高传输速率、更远传输距离及更高等级信息安全等的要求，而无线光通信具有信息容量大、传输速率高、无需频谱执照、抗干扰能力强、安全性高、光学元件体积小功耗低、施工简单等优势，已逐渐成为建设空天地一体化信息网络的重要技术手段，引起了世界范围内的广泛关注[4].
构建空天地一体化全光信息网是无线光通信技术的发展趋势.由卫星组成的基于激光链路的骨干网络使得地球上的用户可以随时随地享受高速宽带无线接入服务.卫星光链路通常具有10Gbps以上的传输速率，可以克服距离障碍，实现包括地面、高空平台在内的任意两点之间的高速通信，达到全球无缝覆盖，并可与成熟的地面有线光纤网络互连互通，构成空天地一体化全光通信系统.
此外，天基和陆基光网络可互为备份，当二者之一因外部攻击或自然灾害等损毁时，可由另一方提供连接通路进行数据传输，增强了网络的鲁棒性与抗毁性.当无人机、飞艇等远离地面独立执行任务时，通过天基光网络的中继，可以克服传统射频通信不稳定和易受干扰的问题，实现移动节点之间以及节点和地面网络之间的稳定可靠通信.无线光通信可分为室内和室外两类，其中室外无线光通信又被称作自由空间光通信(FreeSpaceOpticalCommunication，FSOC)[5]，包括建筑物到建筑物、卫星到地面、卫星到卫星、卫星到机载平台(无人机(Un⁃mannedAerialVehicle，UAV)或气球)等链路.
由于空天地一体化网络中的链路多暴露于室外环境，因此本文重点研究基于FSOC的空天地一体化网络(以下简称“空天地一体化FSOC网络”).部署空天地一体化FSOC网络，首先要确保物理层单跳链路的性能.大气湍流和波束对准是影响无线光链路可靠性的两个重要因素.
文献[6]研究发现天气湍流强烈影响FSOC通信链路的质量.收发机之间光束同步对准采用捕获、瞄准和跟踪(Acquisition，PointingandTracking，APT)技术实现，而无线光信号的窄波束特性以及卫星、机载平台等节点的高速移动都对APT技术提出了很大的挑战.其次需重点关注上层关键技术.空天地一体化FSOC网络结构组成复杂、拓扑动态变化、跨越空间尺度大，无法直接沿用传统无线RF网络中的上层通信技术，需重新设计，提出拓扑控制、路由选择等技术方案，最大限度弥补FSOC链路特性的不足，适应空天地一体化组网架构.
目前，大量研究工作集中于提升FSOC单跳链路性能，FSOC网络上层关键技术的研究工作多数着眼于地面光网络或者卫星光网络，尚未形成针对空天地一体化FSOC网络的解决方案.本文综述了空天地一体化FSOC网络的研究现状、标准化情况、设计因素以及关键挑战，讨论了物理层和上层的关键通信技术及其未来的发展趋势与挑战.在已发表的FSOC综述性论文中，文献[7]分析了FSOC信道在时间和空间上的局限性，总结了相关缓解方案;文献[8]讨论了FSOC系统视距与非视距场景中各类APT技术。
文献[9]对FSOC室内、室外、深空、水下等链路进行了细致的分类，提出了一套分类架构，为FSOC系统标准化工作提供参考.以上工作均集中于物理层，本文相较于现有综述文献涵盖了最新的研究工作，且着重从物理层之上审视空天地一体化FSOC网络建设面临的主要挑战，将有助于研究人员发现新的网络问题，为空天地一体化FSOC网络开发有效的解决方案.本文其余部分组织如下.
第2节给出了空天地一体化FSOC网络整体架构，梳理了国内外研究现状和自由空间激光通信典型代表试验及参数，分析了通信及宇航届对FSOC网络的标准化现状，并讨论了一体化FSOC网络应用场景.第3节研究了空天地一体化FSOC网络中的关键设计因素.第4节讨论了空天地一体化FSOC网络的物理层及上层关键技术，指出了各项技术面临的挑战及其发展趋势.第5节对全文进行了总结.
2空天地一体化FSOC网络发展现状
空天地一体化FSOC网络系统架构、包括卫星骨干网络、平流层通信网、地面网络以及各层网络之间的信息传输链路.其中地面用户终端可以通过平流层网络或卫星骨干网接入空天地一体化网络，获取信息服务.平流层网络由UAV、飞机、飞艇等各种飞行器构成，可在地面网络出现故障或网络繁忙时，自行组网编队进行应急通信，也可在战时对飞行器、导弹等进行精准监控.卫星骨干网由多颗分布在不同轨道的卫星节点和星间链路组成，集数据网、管理网、通信网功能于一体，能够对各类数据进行处理、储存、交换、传输，并管理空天地一体化网络中的各个子网，实现子网之间的通信.
本节针对空天地一体化FSOC网络的国内外发展现状和相关标准化情况进行了总结与分析.
2.1国内外研究现状
美国、欧洲、俄罗斯、日本等国家对于空天地一体化FSOC技术的研究起步较早.其中美国是最早启动该领域研究的国家，主要研究机构包括美国宇航局美国空军研究实验室(AirForceResearchLaboratory，AFRL)和战略导弹防御组织(BallisticMissileDefenseOrganization，BMDO)等，提出了Iridium铱星系统、Glo⁃balstar、WGS(WorldGeodeticSystem)、AEHF(AdvancedExtremelyHighFrequency)、OneWeb、Kuiper等主要空间信息网络建设项目[10].
欧洲主要研究机构包括欧洲航天局(EuropeanSpaceAgency，ESA)、德国航空航天中心(DeutscheszentrumfürLuftundRaumfahrt，DLR)、法国国防部采办局(DirectionGénéraledel'Armement，DGA)等，在空天地一体化的仿真和测试方面取得了一系列突破性成果.日本在该领域起步稍晚，但研究速度快，投入力度大，在星地、星间通信方面取得了令人瞩目的成果，主要研究机构包括日本宇宙航空研究开发机构(JapanAerospaceExplorationAgency，JAXA)、通信综合研究所(CommunicationsResearchLaboratory，CRL)等[11].自20世纪70年代以来，国外相继对空间中各种通信链路展开了激光通信试验，涵盖空天地一体化架构中各层网络及层间的通信链路。
我国空天地一体化FSOC技术的研究起步于21世纪初，主要研究机构包括武汉大学、长春理工大学、西安理工大学、中科院等[16].2002年，中科院成都光电所率先推出了一款无线激光通信系统样机，可实现10Mbps的传输速率[17].
2008年，以文献[18]为代表的高速大气激光通信课题组开发出一款FSOC试验原型机，实现了16km传输距离与2.5Gbps速率的高速地面激光通信.2011年，“海洋二号”成功开展星地之间高速激光通信试验，并实现了504Mbps的传输速率，标志着我国FSOC取得了实质性进展[19].2017年，“实践十三号”卫星成功发射，其通信总容量高达20Gbps，标志着我国卫星通信进入高通量时代[20].中国航天科技集团和科工集团分别提出“鸿雁”和“虹云”未来星座规划.其中“鸿雁”由300颗低轨道小卫星组成，计划实现“沟通 连接万物、全球永不失联”，并于2018年成功将首颗试验星送入预定轨道;“虹云”星座计划发射156颗卫星，并于2018年在酒泉卫星发射中心成功发射首星进入预定轨道.表2总结了国内主要自由空间光通信试验及相关参数[10，21，22].
综上所述，国内外对星地、星间、空地、地地等链路开展了一系列激光通信实验，积累了大量的理论技术方法和工程实现手段，为未来空天地一体化FSOC链路组网提供了支持.但目前国内外的空天地一体化FSOC网络仍处于发展阶段，整体架构尚未成型，一体化组网涉及的物理层和上层关键通信技术有待研究.
2.2标准化现状
国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion，ITU)以及宇航机构联盟空间数据系统咨询委员会(ConsultativeCommitteeforSpaceDataSystems，CCS⁃DS)等组织针对FSOC制定了相关标准，但主要面向空、天、地各层网络中的点到点链路，很少涉及跨层组网.
ITU对地地、星地链路给出了设计建议，其中，ITU-TG.640[23]提供了FSOC系统并置纵向兼容接口串音防卫度的计算方法;ITU-RP.1814[24]和ITU-RP.1817[25]提供了大气吸收、散射等衰减因素及FSOC功率的计算方法;ITU-RF.2106[26]针对固定业务的FSOC系统，从系统参数、链路参数、链路余量等角度给出了设计方案;ITU-RP.1621[27]和ITU-RP.1622[28]提供了工作在20~375THz空地链路大气相干长度的计算方法.2012年，NASA、ESA等宇航局组织的机构间业务咨询小组(InteragencyOperationsAdvisoryGroup，IO⁃AG)旗下光链路研究小组(OpticalLinkStudyGroup，OLSG)发布了IOAG.
T.OLSG.2012.V1[29]报告书，主要涵盖了FSOC链路的人体安全、运营商共享、天气预测、航天器干扰与躲避、重传控制、链路设计、调制编码以及捕获、APT等技术，并向CCSDS提出了制定标准化文件的建议.基于OLSG的系列报告，CCSDS发布了CCS⁃DS141.0-B-1[30]以及CCSDS142.0-B-1[31]，分别对物理层及数据链路层中的同步及编码问题进行规范.此外，OLSG的报告[32]指出，必须为物理层建立新的标准，而网络层、传输层、应用层等以重用现存标准为主.
2.3应用场景
空天地一体化FSOC网络具有广泛的应用场景，主要包含以下几种情况.
(1)应急通信.自然灾害中，地面网络极易损毁，导致通信中断无法及时救援.空天地一体化组网架构是保障应急通信的有效手段.卫星通信覆盖面广，UAV、气球等空中平台组网灵活，受地理环境影响小，可在地面网络中断时为抢险救灾提供快速调度通道，及时恢复灾区通信.
(2)军事通信.应对未来信息化战争，必须将海、陆、空、天连为一体，FSOC固有的窄波束、高定向性以及抗电磁干扰能力使其非常适用于高保密性要求的军事通信系统.中电34所采用FSOC系统为我国首次海上发射火箭提供了通信保障[33].广州军区试装适用于野战机动通信的大气激光通信机，揭开了野战激光通信的序幕[34].文献[4]搭建了天地一体化光网络的分析验证仿真平台，实现了在战时子系统下卫星与地面的快速组网及业务低阻塞率传输.
(3)行业生产管控.利用空天地一体化FSOC网络，可以实现诸如海上钻井平台、远洋货船和偏远地区的矿区等光纤不可到达地区的生产管控，为跨国生产基地提供低时延境外数据通信服务，将境外生产基地的数据回传到国内集团统一管理，并为生产企业提供整体化网络解决方案.3空天地一体化FSOC网络设计关键因素本节探讨构建空天地一体化FSOC网络需考虑的关键因素，分析这些因素对网络性能的影响，并指出相应的技术研发、算法和协议设计需求.
3.1大气信道特性
星地、空地、空空、地地链路中，激光信号经过大气信道会产生吸收、散射损耗和湍流效应.吸收、散射由光子与气体分子或气溶胶相互作用导致，大气的温度、气溶胶浓度、随高度变化的压强都会影响光信号衰减程度.吸收和散射损耗与光波长有关，当波长低于1µm时，散射损耗更加明显，可通过合理选择传输窗口减少光信号在大气中传播的损耗.大气湍流是指大气温度和压强的微小变化引起的折射率的随机变化，产生大小和折射率不同的涡流.当光束通过这些涡流时会产生光强起伏(闪烁)、光束随机漂移、光束扩展、到达角起伏等大气湍流效应[35]，严重影响通信性能.大气湍流是限制FSOC链路性能最主要的因素[36].因此，准确认知大气湍流规律，建立大气信道模型，对充分了解光信号在大气中的传播特性十分重要.
3.2链路可靠性
窄光束、收发端快速移动、收发设备精度、障碍物、天空辐射和背景噪声等都会降低FSOC链路可靠性.窄光束增大了收发机对准难度，加之光束本身具有发散特性，接收机的视场又有限，会引起链路损耗甚至中断.收发端的移动性增大了FSOC链路的预测难度.星间链路不受大气和天气的影响，但也面临着卫星站稳定性、多普勒频移等关键挑战.此外，光束在传输过程中易受固定或移动障碍物阻挡而导致链路中断.上述FSOC链路特点对相干检测、信道编码、APT、大孔径接收等物理层技术提出了很高要求.
3.3网络生存性
根据美国卡纳基梅隆大学软件工程研究所提出的定义，网络生存性指遭受攻击、故障或意外事故时，系统能够及时完成其关键服务的能力[37].空天地一体化FSOC网络环境复杂易变，潜在威胁多，而网络节点(如卫星、UAV、飞艇等)有限的能量、计算和存储能力使其检测威胁和故障恢复能力受限，亟须通过拓扑控制、生存性路由等技术[38]提高网络生存性.拓扑控制包括拓扑构建与拓扑重构两部分[39]，前者在网络初始阶段形成满足优化目标的拓扑结构，后者在网络传输出现故障或节点间的连接发生中断时，对网络进行重构，保障通信服务.生存性路由技术能在节点状态变化或者失效时，对数据传输路径进行重构.考虑到大量高速移动节点，路由策略应支持路由频繁更新，并具备开销低、抗毁性强、灵活性高的特点.
3.4网络QoS保证
空天地一体化FSOC网络规模大、拓扑结构变化频繁，网络节点间需要快速交换信息以维持网络连通性、保障数据有效传输，对传输带宽提出了很高要求;业务负载的不平衡易导致较高的丢包率;长距离传输使网络对端到端传输延迟和时延抖动敏感性变高[40];多样化用户应用场景对用户公平性也提出了较高要求.
针对上述问题，可通过合理设计路由、资源分配策略及可靠传输协议以满足用户QoS需求.路由策略应实现最优路径传输与流量均衡分布，降低端到端传输延迟、时延抖动与丢包率.资源分配方案需重点关注用户公平性.传输控制协议(TransmissionControlProtocol，TCP)中的拥塞控制机制与FSOC网络不兼容，甚至会恶化吞吐量性能，因此需要为一体化FSOC网络开发新的协议.
3.5FSOC/X混合传输
FSOC与RF、光纤技术混合组网是提高通信系统可靠性及弥补FSOC链路不足的有效方案.FSOC/X混合传输，一是要考虑终端协议栈[41]，构建适用于FSOC等多种技术的通用数据链路层统一表达，使混合系统能够结合FSOC与RF、光纤等技术的优势，提供大带宽、能有效抵御大气影响及指向误差的高效网络;二 是要设计适用的网络层路由协议，标准化路由学习、路由更新、路由管理方法.根据当前信道情况以及网络设备情况动态分配系统资源、选择传输链路，构建空天地三层FSOC/X网络的动态拓扑和路由，完成数据的有序转发，最终实现兼容并包的空天地一体化网络.
3.6激光安全
长时间暴露于高功率激光束会造成严重的眼部组织损伤[42].国际电工委员会(InternationalElectrotechni⁃calCommission，IEC)60825-1根据激光器的功率、波束宽度等将其分为四等，其中class1和class2一般情况下可认为无害，class3和class4则较为危险[43].美国标准学会(AmericanNationalStandardsInstitute，ANSI)也限制850nm波长的激光功率为160mW，1550nm则为8W[44].因此，建立空天地一体化FSOC网络需要根据空间各层的通信环境特性与通信设备特点，合理地选用激光波长并调整激光器发射功率.
4空天地一体化FSOC网络关键技术及发展趋势
基于上一节提出的关键设计因素，本节首先对物理层及上层关键通信技术发展现状进行分析与总结，并将设计因素与关键技术的联系总结;其次，提出各项技术未来发展的趋势以及面临的挑战。
目前，FSOC与微波协作传输的研究还停留在架构设计阶段，缺乏拓扑、路由、资源分配、协议制定等解决方案.在未来以下两方面值得进一步研究.(1)链路高效切换.由于探测值和切换门限值的相对偏差，目前广泛采用的阈值比较法会造成FSOC链路信道容量的浪费或短暂链路中断.未来需研究更高效、准确的判断机制以保证链路的可用性，降低切换时延.(2)多元FSOC/X混合传输.RF通信频谱资源拥挤，数据承载能力有限，且对环境非常敏感，安全性低.除FSO/RF混合传输方式外，还可以将FSOC与其他通信方式结合，如FSOC/光纤、FSOC/可见光通信[109]，以适应多样化的应用场景.
5结论
FSOC作为一种室外无线光通信技术，是构建空天地一体化信息网络的重要手段.国内外针对卫星、平流层及地面网络各层内链路及层间链路进行了大量激光通信实验，并提出了Iridium铱星系统、OneWeb、Kuiper、鸿雁、虹云等多项空间网络建设项目，为空天地一体化FSOC网络建设奠定了坚实的基础.
然而FSOC相关标准化文件仅限于物理层及数据链路层，缺乏上层的标准化工作，FSOC特殊的链路特性和一体化网络架构对物理层及上层关键通信技术也提出了很大的挑战.为充分了解光信号在大气中的传输特性，需要提高大气信道建模精度，为网络算法设计和协议优化提供准确的底层模型;APT是确保FSOC链路稳定性的重要前提，需要进一步减小体积和硬件复杂度，提高在终端高速移动时的性能。
拓扑控制、路由和资源分配等技术还需要投入大量研究工作，以匹配一体化FSOC网络特性，优化网络性能;传统TCP协议不能适应高速、长时延、高丢包率的网络，必须针对空天地一体化FSOC网络研发专门的传输协议或改进现有TCP协议;单一的FSOC传输性能受到链路特性的制约，应考虑FSOC/X的混合传输方式以适应多样化的应用场景.基于FSOC的空天地一体化网络仍处于建设阶段，急须突破和改进物理层及上层通信关键技术，充分利用其高带宽、高速率、高保密性的优势，加快我国一体化空间信息网络建设的步伐.
参考文献
[1]张平,秦智超,陆洲.天地一体化信息网络天基宽带骨干互联系统初步考虑[J].中兴通讯技术,2016,22(4):24-28.ZHANGP,QINZC,LUZ.Thespacewidebandback⁃ boneinterconnectedsystemintheintegratedspaceandter⁃restrialinformationnetwork[J].ZTETechnologyJournal,2016,22(4):24-28.(inChinese)
[2]ITU-T.ITU-TY.3000-series-RepresentativeUseCasesandKeyNetworkRequirementsforNetwork2030:ITU-TYSuppl.67[S].2020.
[3]王天枢,林鹏,董芳,等.空间激光通信技术发展现状及展望[J].中国工程科学,2020,22(3):92-99.WANGTS,LINP,DONGF,etal.Progressandprospectofspacelasercommunicationtechnology[J].StrategicStudyofCAE,2020,22(3):92-99.(inChinese)
[4]邓晓磊.一体化光网络分布式仿真平台研究及实现[D].成都:电子科技大学,2013.DENGXL.ResearchandImplementationofaDistributedSimulationPlatformforIntegratedOpticalNetworks[D].Chengdu,China:UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,2013.(inChinese)
[5]KAUSHALH,KADDOUMG.Opticalcommunicationinspace:Challengesandmitigationtechniques[J].IEEECom⁃municationsSurveys&Tutorials,2017,19(1):57-96.
作者：赵雄文1，2，张钰1，2，秦鹏1，2，王晓晴1，2，耿绥燕1，2，宋俊元1，2，刘瑶1，2，李思峰1，2
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《空天地一体化无线光通信网络关键技术及其发展趋势》