空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)研究進(jìn)展

王星宇，李勇軍，趙尚弘

空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077

空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)研究進(jìn)展

王星宇，李勇軍，趙尚弘

空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院，西安 710077

空間信息網(wǎng)絡(luò)具有高動態(tài)拓?fù)洌髸r空尺度、多樣化業(yè)務(wù)和星上資源受限等特點。隨著星間組網(wǎng)技術(shù)的日益成熟和航天活動的不斷增加，航天器用戶的動態(tài)多址接入問題已經(jīng)成為影響網(wǎng)絡(luò)性能的關(guān)鍵因素，得到了國內(nèi)外研究機構(gòu)的廣泛關(guān)注。首先分析了典型多址接入技術(shù)的主要特點；然后在空間信息網(wǎng)絡(luò)場景中，對基于競爭的分布式接入控制、基于無沖突的集中式接入控制以及多協(xié)議混合接入控制等三種多址接入技術(shù)進(jìn)行了性能分析，對比剖析了三種多址接入方法的優(yōu)勢與不足。最后，分別提出了典型多址接入技術(shù)在未來空間信息網(wǎng)絡(luò)中的典型應(yīng)用場景和適應(yīng)性改造方法。

空間信息網(wǎng)絡(luò)；多址接入技術(shù)；動態(tài)接入；星間組網(wǎng)

1 引言

我國正處于空間信息網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程的關(guān)鍵時期，通信衛(wèi)星、數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、高分辨率對地觀測衛(wèi)星、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、載人航天、探月工程等各類航天器系統(tǒng)，都呈現(xiàn)出全域覆蓋、網(wǎng)絡(luò)擴展和協(xié)同應(yīng)用的發(fā)展趨勢，需要提升空間信息的時空連續(xù)支撐能力，解決高動態(tài)條件下空間信息的全天候、全天時快速響應(yīng)和大范圍覆蓋問題[1]?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖1，包括：GEO（Geosynchronous orbit）衛(wèi)星為主的骨干網(wǎng)、其他用戶航天器組成的接入網(wǎng)以及各類用戶以及地面控制站等部分。不同于地面信息網(wǎng)絡(luò)，空間信息網(wǎng)絡(luò)具有四個最突出特征，即網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、業(yè)務(wù)異質(zhì)、大時空尺度和網(wǎng)絡(luò)資源有限[2]。如何在滿足空間信息網(wǎng)絡(luò)突出特征條件下，使空間移動用戶終端在高動態(tài)過程中實現(xiàn)自主、快速入網(wǎng)，異構(gòu)異質(zhì)用戶與空間信息骨干網(wǎng)間的多址接入成為空間信息網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)亟需解決的關(guān)鍵科學(xué)問題[2]?？臻g多址接入的特點在于網(wǎng)絡(luò)無需根據(jù)接入點參數(shù)規(guī)劃進(jìn)行配置更新，且用戶接入后也不會對整體網(wǎng)絡(luò)性能造成巨大影響，以此保證業(yè)務(wù)信息的連續(xù)性，實時性和可靠性，多址接入技術(shù)將成為未來空間信息網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的必然發(fā)展方向。

面向空中和地面用戶，現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)多址接入方式可分為以下兩類。一類為星間的多址接入方式，以美國TDRSS系統(tǒng)的按需多址接入為代表，采用了數(shù)字多波束結(jié)合相控陣天線的SMA（S-band Multiple Access）或KaMA（Kaband Multiple Access）方法，主要滿足天基測控通信和數(shù)據(jù)中繼需求[3]。該多址技術(shù)通常采用計劃驅(qū)動的方式，即在任務(wù)開始之前進(jìn)行衛(wèi)星資源的申請和使用。這種“申請—計劃—分配—執(zhí)行”的預(yù)分配資源模式主要適合于任務(wù)規(guī)模、持續(xù)時間、資源占用量等事先明確的大型任務(wù)，但很難應(yīng)用于實時性和帶寬需求高的任務(wù)[4]。另一類為星-地多址接入方式，以VSAT（Very Small Aperture Terminal）衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)為代表[5]。VSAT衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由同步衛(wèi)星、地面主站及分散的遠(yuǎn)端地面分站共同組成。VSAT衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)端分站通過衛(wèi)星中繼接入地面主站，這種“分站-衛(wèi)星-主站”中繼方式，可減少地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建設(shè)成本。在這種情況下，將同步衛(wèi)星作為星上中繼站，可以解決地面通信站之間因地面地形，距離等因素而造成的通信受限問題。然而，這種相對位置較固定的星地通信方式，不符合空間信息網(wǎng)絡(luò)中用戶航天器與接入終端存在的高動態(tài)性特點，不可直接借鑒。

上述兩類衛(wèi)星通信系統(tǒng)的多址接入方式在實時性、自主性、動態(tài)性方面無法滿足空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入的需求，很難支持空間信息的時空連續(xù)支撐和快速響應(yīng)能力。本文針對星間多址接入技術(shù)的研究現(xiàn)狀，在空間信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用背景下，闡述了用戶航天器和空間骨干網(wǎng)間多址接入技術(shù)的內(nèi)涵和特點，分析了基于競爭的分布式接入控制方式、基于無沖突的集中式分配方式以及混合型多址接入方式三種類型的多址方法，重點研究了各自的優(yōu)勢特點與不足之處。最后，提出了三種類型的多址接入方法在未來空間信息網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行適應(yīng)性改造的方法，并對下一步的發(fā)展給出了建議。

2 空間信息網(wǎng)絡(luò)特點對多址接入的影響

根據(jù)OSI（Open System Interconnection）協(xié)議模型的劃分，數(shù)據(jù)鏈路層承擔(dān)幀同步、差錯控制、物理尋址、接入控制等功能。

數(shù)據(jù)鏈路層的媒體介入控制MAC層（Media Access Control，MAC）主要負(fù)責(zé)接入控制，如何更有效地控制節(jié)點接入信道，提高共享衛(wèi)星信道資源能力，一直是MAC層多址接入?yún)f(xié)議設(shè)計所致力于的方向[6]?？臻g信息網(wǎng)絡(luò)與一般的地面網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境場景區(qū)別較大，其主要體現(xiàn)在：拓?fù)涓邉討B(tài)變化，時空尺度大、業(yè)務(wù)需求多樣化和星上資源受限四個方面。其主要特點對多址接入的影響總結(jié)如圖2所示。

（1）高動態(tài)變化：空間信息網(wǎng)絡(luò)中，接入終端通常由不同軌道、不同種類的飛行器構(gòu)成。它們之間沒有固定的連接關(guān)系，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟苍诳焖僮兓尸F(xiàn)出松耦合的狀態(tài)，導(dǎo)致通信鏈路間斷連通。以在靜止軌道的天基骨干網(wǎng)的GEO衛(wèi)星為參考點，軌道高度為300 km的LEO衛(wèi)星的相對運動速度可高達(dá)3 km/s。假設(shè)信號全向傳播且不考慮其他因素影響，在一個周期內(nèi)，兩者之間的通信持續(xù)時間也僅有120 min。對此，考慮在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母邉討B(tài)變化而導(dǎo)致不穩(wěn)定鏈路的情況下，則需要多址接入具有較強自適應(yīng)性和靈活性，在一定程度上增加了多址接入設(shè)計的復(fù)雜性。

（2）大時空尺度：從傳播時延來說，GEO衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星間的單跳傳輸往返時延可達(dá)0.25 s，長時延會降低實時性業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。因此，星間多址接入方案必須以較低計算復(fù)雜度來實現(xiàn)快速響應(yīng)，避免進(jìn)一步增加時延，惡化網(wǎng)絡(luò)性能；從用戶位置區(qū)域看，用戶分散的空間范圍廣，要實現(xiàn)對航天器用戶全天候、全天時的覆蓋，多址方案需要確保分散在各個軌道上的不同航天器用戶具有對等接入機會，保證多址接入的公平性。針對大時空尺度下的復(fù)雜信道情況，多址方案必須具備靈活性和穩(wěn)定性，保證網(wǎng)絡(luò)可動態(tài)接入和快速重構(gòu)[7]。

（3）業(yè)務(wù)需求多樣化：從服務(wù)角度看，空間信息網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類包括中繼業(yè)務(wù)、通信業(yè)務(wù)和測控業(yè)務(wù)；從應(yīng)用角度來看，業(yè)務(wù)種類包括話音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、圖像業(yè)務(wù)及視頻業(yè)務(wù)，不同業(yè)務(wù)類型的服務(wù)質(zhì)量要求迥異，對衛(wèi)星信道資源需求差異巨大。隨著在軌航天器數(shù)量不斷增加和日趨多樣化的業(yè)務(wù)需求，這不僅需要空間信息網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量需求提供相應(yīng)的接入策略，而且要求接入方式具有可擴展能力，大大增加了多址接入的實現(xiàn)難度。

（4）星上資源受限：受航天器體積重量等因素影響，致使星上能量資源受限。在多址接入網(wǎng)絡(luò)中，提高資源的利用率顯得尤為重要。同時，考慮到星上有限的計算處理能力在能量受限的條件下，空間信息網(wǎng)絡(luò)的多址接入還需考慮采用更加優(yōu)化的接入算法來實現(xiàn)較高的能量使用率。因此，優(yōu)化接入算法也成為多址接入設(shè)計過程中著重考慮的方面之一[8-9]。

圖2 空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入需求

3 空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)

目前，對小型衛(wèi)星通信系統(tǒng)中星間通信的各種多址接入方法研究較為廣泛，其主要分為基于競爭的分布式接入控制方式和基于無沖突的集中式分配方式以及混合多種協(xié)議的混合型多址接入技術(shù)的三種類型。

3.1 基于競爭的分布式接入控制多址方式

采用基于競爭的分布式接入控制多址方式情況下，航天器用戶通過接入控制協(xié)議實時獲得信道接入信息，并通過相關(guān)算法進(jìn)行競爭接入。該方式主要包括：ALOHA協(xié)議[10]、基于載波監(jiān)聽/沖突避免CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方式下以及為適用于衛(wèi)星的多址方式而改進(jìn)的IEEE802.11無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議[11-12]。

3.1.1 Aloha協(xié)議

Aloha協(xié)議主要利用的是“想發(fā)既發(fā)，碰撞后隨機退避重發(fā)”的簡單方式實現(xiàn)用戶多址接入。

20世紀(jì)70年代以來，有多種ALOHA多址協(xié)議運用于衛(wèi)星通信。包括：純ALOHA、時隙ALOHA、預(yù)約ALOHA以及擴頻ALOHA的SAMA（Spread Aloha Multiple Access）協(xié)議等[13]。ALOHA協(xié)議技術(shù)簡單，且對信道的傳播時延沒有限制，因而在短報文低、速率傳輸衛(wèi)星分組通信業(yè)務(wù)中得到了一定的應(yīng)用。雖然在強突發(fā)性業(yè)務(wù)情況下，ALOHA的信道效率較固定分配方式高，但是純ALOHA協(xié)議的理論最大吞吐率也只有0.184，即使增加全網(wǎng)同步后改進(jìn)的時隙-ALOHA協(xié)議理論吞吐率也僅僅增大到了0.368[14]，資源利用率仍然較低。

對此，時隙ALOHA基礎(chǔ)上又發(fā)展出來一種稱之為預(yù)約ALOHA（R-ALOHA）的協(xié)議，它改善了前兩者較低的吞吐量動態(tài)范圍和時延的穩(wěn)定性，較前兩者更實用。不過由于其申請預(yù)約需要系統(tǒng)資源和增加傳輸延時，如果數(shù)據(jù)報文與預(yù)約請求本身的數(shù)據(jù)相差不大時，將會造成資源的浪費并降低了系統(tǒng)的實時性。所以，R-ALOHA不適合短數(shù)據(jù)包傳輸?shù)那闆r[15]。另外，還有一種結(jié)合CDMA擴頻技術(shù)的SAMA協(xié)議。該協(xié)議實現(xiàn)了用戶發(fā)送時間與數(shù)據(jù)包碰撞概率的無關(guān)性，改善了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和時延性能。最大的特點是SAMA技術(shù)還兼具CDMA技術(shù)的抗干擾和加密能力。這種多址協(xié)議在最初的VSAT移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[16]。

在基于ALOHA競爭方式的多址協(xié)議中，數(shù)據(jù)包的碰撞概率會隨著同時請求接入的衛(wèi)星終端數(shù)量的增加而急劇增大，影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，極大限制了其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。另一方面，競爭接入的方式對衛(wèi)星的存儲容量提出了苛刻要求，額外消耗了有限的星載資源。

3.1.2 IEEE802.11改進(jìn)型星間多址協(xié)議

IEEE802.11改進(jìn)型星間多址協(xié)議基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）多址技術(shù)原理，將碰撞后用戶的再接入時間分別按照一定的退避算法進(jìn)行退避延后，從而降低系統(tǒng)碰撞概率和擁塞程度。傳統(tǒng)的IEEE802.11協(xié)議規(guī)定四種不同的幀間隙：SIFS（Short Inter-Frame Space）、DIFS（Distributed Inter-Frame Space）、EIFS（Extended Inter-Frame Space）來設(shè)置響應(yīng)時間和偵聽時長。但在衛(wèi)星場景下，衛(wèi)星間距離范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于協(xié)議設(shè)計之初的300 m通信范圍。因而，需要根據(jù)具體的通信距離來改變退避時隙（Slot time）大小支撐衛(wèi)星場景。

圖3 基于改進(jìn)型IEEE802.11協(xié)議的星間多址協(xié)議原理

文獻(xiàn)[11]通過OPNET結(jié)合STK仿真軟件模擬了距離300 km范圍內(nèi)的集群式衛(wèi)星結(jié)構(gòu)，并得出滿足穩(wěn)定的吞吐量情況下的最優(yōu)時隙（Slot time）大小，以減少端到端延時。同時，作者改變傳統(tǒng)基于二進(jìn)制的退避算法來設(shè)置的退避窗口大小的方法，采用根據(jù)碰撞情況來設(shè)置不同退避窗口最大值，以適應(yīng)長距離，高延時的通信情況。文獻(xiàn)[12]提出了僅在“RTS-CTS握手階段”及“幀接收成功確認(rèn)ACK階段”采用廣播的方式通知所有節(jié)點和傳輸時采用指向型的自適應(yīng)天線方式來提升能量的利用效率，原理如圖3所示。

常見的衛(wèi)星場景包括：簇群式星群（Cluster），鏈?zhǔn)叫侨海ˋ-train），星座式星群（Constellation）[6，8]。文獻(xiàn)[12]以該三種衛(wèi)星應(yīng)用場景為背景，分別從端到端時延，接入時延和吞吐量三個方面進(jìn)行了分析和對比，其結(jié)果如圖4。不同的星群結(jié)構(gòu)的傳輸距離將直接影響接入時延和退避偵聽等效果，使得該協(xié)議在不同結(jié)構(gòu)之間的性能存在差異?？偟膩砜?，該機制端到端時延較大，平均端到端時延和平均接入時延最大分別可達(dá)1 700 s和200 s，不適合實時業(yè)務(wù)而對于最大歸一化吞吐量（單位時間內(nèi)成功接收數(shù)據(jù)包個數(shù)與總生成包個數(shù)之比）最大也只有0.25，效率較低。

改進(jìn)型IEEE802.11無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議的主要特點如下：（1）接入控制方式簡單，可以根據(jù)業(yè)務(wù)類型對數(shù)據(jù)幀設(shè)置不同接入優(yōu)先級；（2）同步要求低，可應(yīng)用于變化較大的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)當(dāng)中；（3）用于減少系統(tǒng)碰撞率的隨機退避機制降低了系統(tǒng)的時延性能；（4）復(fù)雜的星間信道情況將直接影響信道偵聽的結(jié)果，增加了系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。

圖4 （a） IEEE802.11的平均端到端時延

圖4 （b） IEEE802.11的平均接入時延

圖4 （c） IEEE802.11的吞吐量

目前，改進(jìn)型IEEE802.11無線局域網(wǎng)MAC協(xié)議接入控制方式主要支持短數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)傳輸，還難以適用于大容量和實時性要求較高的業(yè)務(wù)。為降低系統(tǒng)計算復(fù)雜度，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速相應(yīng)，降低接入延時，該協(xié)議還需結(jié)合空間信息網(wǎng)絡(luò)的需求特點，從設(shè)計高效的沖突檢測和隨機退避機制，改進(jìn)面向于隨機接入用戶的CSMA多址算法等技術(shù)方面進(jìn)行進(jìn)一步的研究和擴展。

3.2 基于無沖突的集中式分配多址接入方式

在基于無沖突的集中式分配的多址方式情況下，接入控制衛(wèi)星通過集中式資源調(diào)度的方式為每個航天器用戶分配相應(yīng)的固定資源，實現(xiàn)多用戶的無沖突接入。包括：TDMA（Time Division Multiple Access）[17]、CDMA（Code Division Multiple Access）[18]、FDMA（Frequency Division Multiple Access）[19]等固定多址方式、文獻(xiàn)[17-22]分別介紹了TDMA、CDMA、FDMA方式在衛(wèi)星通信場景上的運用和相關(guān)特點與優(yōu)勢。

3.2.1 TDMA多址接入方式

TDMA方式需要在所有的收發(fā)端中進(jìn)行時間上的網(wǎng)絡(luò)同步，使每個接入用戶都能在指定的時間段內(nèi)發(fā)送數(shù)據(jù)[17]。采用TDMA方式時，系統(tǒng)的負(fù)載越小，反而由于存在較多空閑時隙，降低了信道利用率。并且，對于大時空尺度的星間通信來說，還需要設(shè)置一定的保護(hù)間隙，以解決因距離差異產(chǎn)生的同步時延差?？梢钥闯?，TDMA方式并不滿足需高效利用資源的衛(wèi)星通信。

為適應(yīng)于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，TDMA技術(shù)經(jīng)過一定的發(fā)展，現(xiàn)主要運用在星地相對運動較小的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如VSAT移動通信系統(tǒng)[20]。與此發(fā)展來的擴展時分多址（ETDMA）嘗試通過分配時間來提供多類型業(yè)務(wù)的支持，可在站點數(shù)較少情況下提供語音、視頻等多類型業(yè)務(wù)的傳輸，不過擴展的方式找到有效的時間表是不容易的。另外，作為未來TDMA運用在衛(wèi)星通信的主要形式之一的自適應(yīng)時隙分配TDMA方式，根據(jù)通信量的大小調(diào)整時隙的寬度并按需使用時隙的方法在一定程度提升了信道利用率。

總的來看，以TDMA協(xié)議為基礎(chǔ)發(fā)展而來的多種時分多址接入方式的靈活性和擴展性還需亟待提高。如何實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各終端嚴(yán)格同步，保證資源高效利用，是采用TDMA方式時亟待解決的關(guān)鍵問題。

3.2.2 CDMA多址接入方式

文獻(xiàn)[18]比較了CDMA多址技術(shù)下Walsh碼和Gold碼兩種偽隨機碼性能。對于Gold碼，其正交性較差，多址干擾嚴(yán)重（MAI），誤碼率較高。但其擴頻序列碼字長度較長，因而帶寬使用率較高，可以抵消因自相關(guān)性而產(chǎn)生多徑串?dāng)_（ISI）影響。從正交性來看，Walsh碼正交性強，但碼字較短，多徑串?dāng)_影響嚴(yán)重。不過由于實際衛(wèi)星的分布范圍較廣，信道完全分離，一定程度上降低了不同用戶間多址干擾（MAI）帶來的影響。因此，Walsh碼的性能較為優(yōu)越。

CDMA的主要優(yōu)點在于采用碼分多址時傳輸帶寬高，抗多徑衰落性能和抗干擾性能較好，具有良好的信號隱蔽性和保護(hù)性，且允許相鄰波束使用相同的頻率[21]。但運行的過程中碼同步時間較長且需要進(jìn)行功率控制來解決遠(yuǎn)近效應(yīng)，因而也限制了星間結(jié)構(gòu)的多樣性和衛(wèi)星的數(shù)量。此外，由于受到擴頻碼片速率的限制，CDMA主要應(yīng)用在低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中。在星地通信時，由于環(huán)境噪聲，MAI等因素，對其捕獲也較為困難。目前CDMA主要運用于對導(dǎo)航定位精度要求較高的動態(tài)拓?fù)滹w行編隊的多址接入。

3.2.3 FDMA多址接入方式

FDMA方式為每個用戶分配了一個固定頻段。為保證濾波過程中在既不損傷相應(yīng)終端本該接收的信號，又能夠準(zhǔn)確地排除相鄰信道干擾，通常在相鄰的信道載波之間設(shè)有保護(hù)頻帶，保護(hù)頻帶大小通常與終端載波頻率的準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和最大多普勒頻移之差有關(guān)。FDMA實現(xiàn)方式簡單，成本較低，不需要像TDMA方式或時隙Aloha方式進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)同步。由于非線性效應(yīng)產(chǎn)生的互調(diào)噪聲和設(shè)置保護(hù)帶寬的共同影響，F(xiàn)DMA方式的帶寬利用率較低[19]。文獻(xiàn)[22]基于衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)SCN（Satellite Control Network）的情況，從頻譜利用率，串?dāng)_影響，實現(xiàn)復(fù)雜度等方面對比了FDMA與CDMA技術(shù)，從總體來看，CDMA更適合于衛(wèi)星控制網(wǎng)絡(luò)。

以上三種固定多址方式實現(xiàn)較為簡單，運行成本較低。由于固定方式的靈活性較差，使其難以適應(yīng)大量的突發(fā)業(yè)務(wù)（數(shù)據(jù)，實時圖像傳輸，定位等等，并且QoS需求能力多樣）。并且基于傳統(tǒng)的固定分配多址接入技術(shù)會極大地降低網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率，浪費昂貴的衛(wèi)星信道資源。

3.3 混合型多址接入方式

混合式多址方式基于不同衛(wèi)星結(jié)構(gòu)場景，將多種經(jīng)典多址協(xié)議進(jìn)行結(jié)合，以彌補單一方式下缺點，實現(xiàn)靈活性接入和最大化資源利用率。文獻(xiàn)[23-30]分別介紹了混合FDMA和TDMA的MF-TDMA方式[23-24]、混合CDMA與TDMA的T-CDMA方式[23，25]和混合CSMA與TDMA的LDMA（Load Division Multiple Access）[26-27]的三種混合多址方式的原理和應(yīng)用。

3.3.1 MF-TDMA方式

結(jié)合FDMA和TDMA兩種方式，MF-TDMA允許用戶終端共享一系列不同速率的載波，并將每個載波進(jìn)行時隙劃分，通過綜合調(diào)度時頻二維資源，達(dá)到資源的靈活分配。

如今，MF-TDMA方式已成為寬帶多媒體衛(wèi)星系統(tǒng)的主流體制，包括德國諾達(dá)的SkyWAN系統(tǒng)，日本的WINDS和美國Spaceway3系統(tǒng)以及加拿大的VSATPlus3系統(tǒng)，這些系統(tǒng)也主要是運用星地之間通信[23]。

MF-TDMA方式在星間通信中的也有所運用。在文獻(xiàn)[24]中將星間（Inter-Satellite）衛(wèi)星通信距離范圍分為NR（Normal Range）和 ER（Extended Range）兩種情況，NR主要支持的是10～100 km范圍內(nèi)的高速率業(yè)務(wù)通信，而ER主要是指100 km以上的基本指控業(yè)務(wù)，其業(yè)務(wù)速率需求較小。

根據(jù)這兩種范圍情況，對MF-TDMA的時隙和帶寬進(jìn)行自適應(yīng)分配，以節(jié)約功率開銷和提升頻帶利用率。特殊情況下，通過改變幀結(jié)構(gòu)為Dual Mode形式，并設(shè)置遠(yuǎn)端接入節(jié)點（Designated Node）以及釋放其周圍節(jié)點的方式來接入ER距離范圍的高速率業(yè)務(wù)。這種自適應(yīng)的MF-TDMA方式可實現(xiàn)遠(yuǎn)端高速業(yè)務(wù)，但同時加重了系統(tǒng)的復(fù)雜性，多跳方式也將會帶來嚴(yán)重時延影響。

MF-TDMA作為良好的混合型協(xié)議，結(jié)合多波束星間通信方式，已成為運用較為廣泛的混合型星間多址協(xié)議之一。不過隨著技術(shù)的深入發(fā)展和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的日趨復(fù)雜，MF-TDMA的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計也愈加困難，這需要對其幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計找出新的解決思路。同時，為更好地優(yōu)化資源分配以及服務(wù)質(zhì)量，帶寬動態(tài)分配，用戶終端初始捕獲、同步保持、功率和頻率控制等問題也還需進(jìn)一步的研究和討論。

3.3.2 T-CDMA方式

T-CDMA結(jié)合TDMA和CDMA兩種方式，在集群式衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過綜合調(diào)度擴頻碼字和時隙二維資源，實現(xiàn)集群內(nèi)用戶之間通信與集群間主星通信的兩種場景分離，滿足通信需求。文獻(xiàn)[25]分析了兩種不同模式下T-CDMA多址方式的吞吐量和時延性，結(jié)果表明該方式較其他方式具有較高的吞吐性能和較小的時延性能。

（1）TDMA中心式（TDMA-centric）：如圖5所示，以M1主星、S7、S5、S10、S11為集群，M2、M3為主星（類似與M1的集群）共同構(gòu)成的三衛(wèi)星集群。該方式的幀結(jié)構(gòu)如圖6所示，TDMA中心式為集群內(nèi)每顆衛(wèi)星提供良好的控制信道并根據(jù)不同業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)分組大小來分配可變數(shù)量的時隙（自適應(yīng)TDMA）。同一集群采用相同的CDMA碼字，不同集群碼字不同，以達(dá)到群集間CDMA多址復(fù)用。不過，主星的發(fā)送需要明確群內(nèi)衛(wèi)星的發(fā)送時間，以免發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸碰撞[26]。其中，對于主星的選擇，作者考慮從優(yōu)化傳播功率損耗的角度并使用基于衛(wèi)星距離的接近中心算法（Closeness Centrality Algorithm）[24]來選取最優(yōu)的中心衛(wèi)星作為集群中的主星（Master Satellites）。然后，利用主星實現(xiàn)集群內(nèi)衛(wèi)星（Slave satellites in Clusters）的通信交互以及完成集群間的通信。該方法無需像無線傳感器網(wǎng)絡(luò)那樣定期修改主星，以減少通信開銷?？梢钥闯觯琓-CDMA協(xié)議適用于結(jié)構(gòu)較為固定的集群型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在惡劣環(huán)境和較高動態(tài)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)情況下，主星很可能無法持續(xù)運作，此時需要實時運行中心算法來實時更新主衛(wèi)星，這在一定程度上增加了系統(tǒng)的計算。

圖5 基于T-CDMA協(xié)議的集群式衛(wèi)星分布場景

圖6TDMA中心式幀結(jié)構(gòu)圖

（2）CDMA中心式（CDMA-centric）。針對TDMA中心式（TDMA-centric）的同步困難，主從衛(wèi)星的發(fā)射串?dāng)_等問題，文獻(xiàn)[28]提出了CDMA中心式方式（CDMA-centric），其幀結(jié)構(gòu)如圖7所示。CDMA中心式的集群內(nèi)衛(wèi)星均分配相應(yīng)的碼字，對于主星（Master Satellite）間通信，則采用自適應(yīng)的TDMA方式，可根據(jù)集群內(nèi)總業(yè)務(wù)量動態(tài)的調(diào)整時隙大小。

圖7CDMA中心式幀結(jié)構(gòu)圖

以CDMA為中心的混合協(xié)議，其主要用于廣播任務(wù)和分組大小相對固定的任務(wù)。

結(jié)果如圖8所示，在軌道高度為300 km的9組衛(wèi)星集群條件下，業(yè)務(wù)到達(dá)率為0.5時，CSMA/CA協(xié)議的時延高達(dá)1 000 s，而T-CDMA多址時延主要體現(xiàn)在傳播時延上，僅為10～20 s左右。

另一方面，CSMA/CA協(xié)議由于競爭碰撞等因素，其最大歸一化吞吐量只有0.18，而T-CDMA的吞吐量始終趨近于平穩(wěn)，隨著數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加，吞吐量可接近于1（由于存在誤碼和丟包等情況影響）。

圖8 （a） T-CDMA/CSMA的平均端到端時延

圖8 （b） T-CDMA/CSMA的平均接入時延

圖8 （c） T-CDMA/CSMA的吞吐量

T-CDMA協(xié)議的上述兩種模式可運用于不同的業(yè)務(wù)場景。TDMA中心式混合協(xié)議可以用于數(shù)據(jù)包長度變化大的任務(wù)。當(dāng)分組大小相對一致并且還需要向群集成員廣播一些重要信息的任務(wù)（例如：接近操作）時，則可以采用CDMA中心式混合協(xié)議。

不同方式的選擇主要取決于任務(wù)目標(biāo)和整個系統(tǒng)中的衛(wèi)星數(shù)量，但其幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計較為復(fù)雜，需要進(jìn)一步的改進(jìn)。

3.3.3 LDMA方式

文獻(xiàn)[29]中提出了結(jié)合CSMA和TDMA的LDMA（Load Division Multiple Access）多址接入方式。LDMA方式原理如圖9所示。在LDMA中，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的競爭情況可將用戶終端分為兩種接入模式：低爭用級別（LCL）和高爭用級別（HCL）。當(dāng)節(jié)點處于低爭用級別（LCL）時則采用CSMA多址接入方式。此外，CSMA方式下不采用RTS-CTS的握手方式傳輸數(shù)據(jù)包，而是根據(jù)碰撞數(shù)據(jù)包個數(shù)情況，適時發(fā)送廣播ECN通知，進(jìn)行LCL與HCL模式的切換；而當(dāng)節(jié)點從接入端接收到明確爭用通知（ECN）消息時，則從LCL模式切換至HCL模式。當(dāng)用戶節(jié)點處于HCL模式下時，則采用TDMA協(xié)議實現(xiàn)用戶的多址接入，接入端為各用分配不同的時隙，避免碰撞。文獻(xiàn)[29]基于高度為1 400 km的LEO極地軌道衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模型下比較了LDMA、CSMA、TDMA三種方式下的時延和信道利用率。研究結(jié)果表明LDMA協(xié)議的信道利用率可達(dá)0.73，相同情況下，CSMA與TDMA的利用率分別只有0.43和0.61[30]。與此同時，LDMA的時延性能較CSMA也有了較大改善。

LDMA協(xié)議一方面彌補了在單一TDMA協(xié)議模式下需預(yù)知全網(wǎng)拓?fù)湟约癈SMA協(xié)議模式下低吞吐量、長時延等缺點。不過這種LDMA方式并沒有考慮網(wǎng)絡(luò)的擴展性能，在網(wǎng)絡(luò)資源爭用激烈的情況下，請求接入用戶大大增加，切換至高爭用級別HCL后采用仍采用TDMA方式，實現(xiàn)多用戶的全網(wǎng)時鐘同步的難度大大增加。

圖9 LDMA原理實現(xiàn)流程

表1 不同的多址接入方式的策略

4 總結(jié)與展望

本文對現(xiàn)有的不同類型多址接入?yún)f(xié)議展開了詳細(xì)介紹，將其分為基于競爭的分布式接入控制方式和基于無沖突的集中式分配方式以及混合多種協(xié)議的混合型多址接入方式的三種類型，其優(yōu)缺點總結(jié)如表1所示。

考慮到衛(wèi)星競爭空間信息網(wǎng)絡(luò)的信道資源的隨機行為日趨頻繁，大規(guī)模衛(wèi)星自組織環(huán)境網(wǎng)絡(luò)日漸復(fù)雜，衛(wèi)星接入信道未來將存在接入關(guān)系復(fù)雜、信道資源有限、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時變，隨機碰撞情況下的不確定時延等諸多因素。綜上情況，空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入?yún)f(xié)議未來發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)分析展望如下：

（1）基于無沖突的集中式固定分配方式的接入實現(xiàn)簡單，運行成本較低，但其網(wǎng)絡(luò)擴展性較差，對網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模存在一定限制。此外，資源的預(yù)先分配方式會導(dǎo)致資源利用率降低，浪費昂貴的衛(wèi)星信道資源，難以適用于大量的突發(fā)業(yè)務(wù)。因此，基于無沖突的集中式固定分配方式主要用于業(yè)務(wù)較為單一、場景較為固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。TDMA方式以其較低的實現(xiàn)成本運用在商業(yè)VSAT星地移動通信系統(tǒng)，滿足地面用戶通信。而CDMA方式以其較高的帶寬和同步能力和保密性能運用在中高小編隊衛(wèi)星等高精度軍事導(dǎo)航定位測量之中。固定接入方法在衛(wèi)星數(shù)量較多、接入申請頻繁、頻譜資源不足時，會導(dǎo)致碰撞沖突概率增大、接入失敗比率提高、資源申請周期增加，從而使得空間信息網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力和整體性能迅速下降。

隨著空間信息網(wǎng)絡(luò)的建立，一些新型應(yīng)用場景和任務(wù)需求期望空間信息網(wǎng)絡(luò)能夠提供即時或長時段（連續(xù)多天且不間斷）的服務(wù)，這給已有的固定分配模式帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；跓o沖突的集中式固定分配方式將會進(jìn)一步根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)整，包括動態(tài)分配算法調(diào)整，資源復(fù)用方式，面向的業(yè)務(wù)類型擴展等等方面，未來，基于無沖突的集中式固定分配方式將以其低廉的建設(shè)成本優(yōu)勢占據(jù)一定的應(yīng)用市場。

（2）由于異構(gòu)衛(wèi)星的信道資源隨機競爭和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜環(huán)境的情況存在，為實現(xiàn)實時響應(yīng)和服務(wù)，基于競爭的分布式接入控制方式以其較低的計算復(fù)雜度等優(yōu)勢特點，實現(xiàn)在大時空尺度等因素影響下快速工作，提高了網(wǎng)絡(luò)擴展性。然而，隨著接入用戶數(shù)量的增加會在一定程度上加劇網(wǎng)絡(luò)時延，不能滿足業(yè)務(wù)的時效性，并且?guī)捓寐氏鄬^低。同時，競爭碰撞導(dǎo)致的重傳轉(zhuǎn)發(fā)，對衛(wèi)星的存儲容量提出了苛刻要求，額外消耗了有限的星載資源。

目前競爭的分布式接入控制方式主要運用在星間距離較近的集群式衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持的業(yè)務(wù)類型較為單一，數(shù)據(jù)包長度較短。未來，基于競爭的分布式接入控制方式可以對數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，改善競爭機制，簡化接入算法等多方面開展研究，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能最優(yōu)。

（3）基于混合多種協(xié)議的混合型多址接入方式，將多種多址協(xié)議進(jìn)行結(jié)合，彌補了單一技術(shù)方式下的限制和缺點，有助于針對衛(wèi)星系統(tǒng)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境進(jìn)行動態(tài)調(diào)整接入方式。對于衛(wèi)星通信的大尺度時空環(huán)境，需要根據(jù)形成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組合，業(yè)務(wù)需求類型以及設(shè)施成本等情況來決定一種或多址適合通信的接入?yún)f(xié)議來實現(xiàn)最佳的系統(tǒng)性能。

對于基于混合多種協(xié)議的混合型多址接入方式，找到最合適的融合程度，以縮短衛(wèi)星資源申請和調(diào)度周期、提高衛(wèi)星資源利用率、滿足衛(wèi)星系統(tǒng)的高時效性要求。

總而言之，今天在地球上的人工操作和調(diào)度方式將難以適用于未來繁重的空間任務(wù)，為了實現(xiàn)更高水平的自主權(quán)，還需重點研究空間信息網(wǎng)絡(luò)的傳輸理論、網(wǎng)絡(luò)資源接入的感知與優(yōu)化配置方法、高動態(tài)時變網(wǎng)絡(luò)資源智能協(xié)同方法，突破空間信息網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入、超高速通信與互聯(lián)[31]。未來，為實現(xiàn)空間信息網(wǎng)絡(luò)高度自主性，空間信息網(wǎng)絡(luò)多址接入技術(shù)將成為重點研究的方向。

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WANG Xingyu,LI Yongjun,ZHAO Shanghong

Institute of Information and Navigation,Air Force Engineering University,Xi’an 710077,China

Research on multiple access technologies for space information network.Computer Engineering and Applications,2017,53（21）：8-16.

Space information network is characterized by high dynamic topology,large spatial and temporal scale,diversified tasks and limited on-board computing resources.With the maturity of satellite networking and the increasing of space activities,the dynamic Multiple Access Control（MAC）has become a key technique that influences network performance.In this paper,the typical characteristics of MAC are addressed.The performances of three classical MAC protocols（contention based distributed access control,conflict-free centralized access control and hybrid multi-protocol access control）are investigated.And their strengths and weaknesses are analyzed as well and presents its typical application scenario and adaptive mechanism in the future.

space information network;multiple access technology;dynamic access;satellite networking

A

TN915

10.3778/j.issn.1002-8331.1708-0346

國家自然科學(xué)基金重點項目（No.61231012）；國家自然科學(xué)基金重大研究計劃（No.91638101）。

王星宇（1994—），男，碩士研究生，主要研究領(lǐng)域為星間多址接入技術(shù)，E-mail：279368760@qq.com；李勇軍（1979—），男，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為衛(wèi)星光通信與網(wǎng)絡(luò)，空間微波光子技術(shù)等；趙尚弘（1964—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為激光原理技術(shù)，衛(wèi)星光通信與網(wǎng)絡(luò)等。

2017-08-28

2017-09-29

1002-8331（2017）21-0008-09