天地一体化信息网络

专题导读

江涛

2022, 3(1): 1-1. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022001-1

摘要 ( 123 )

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基于大规模MIMO的低轨卫星通信系统

李科新, 尤力, 高西奇

2022, 3(1): 2-8. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022001

摘要 ( 690 )

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将大规模多输入多输出（MIMO）技术拓展应用于低地球轨道（低轨）卫星通信系统，使得卫星具备实施灵活波束成形的能力，这样能够充分利用大规模MIMO的空间自由度，显著提高LEO卫星通信系统的频谱效率和功率效率。对基于大规模MIMO的LEO卫星通信系统中的若干相关问题进行研究，分析大规模MIMO LEO卫星信道的特性，并揭示其与地面无线信道的重要区别。针对大规模MIMO LEO卫星通信中的信道信息获取、多用户传输和用户调度等问题，讨论当前工作面临的主要困难，并探讨如何利用大规模MIMO LEO卫星信道特性针对性地设计具有较低实现复杂度的解决方案。

基于捷变波束的卫星通信网络用户随机接入技术

黄子轩, 周家喜, 张靖, 张正宇

2022, 3(1): 9-17. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022002

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基于高轨多波束卫星通信网络，设计捷变波束机制下用户终端随机接入网络的流程以及具体的信令交互，提出捷变信令波束的调度策略及分配方案。该方案在保证所有用户终端都能接入网络的前提下，提高接入资源分配的灵活性，有效地提升卫星网络资源的利用率。由于用户接入卫星通信网络的请求属于突发类型，更适合通过随机竞争的方式接入网络，因此在通用随机竞争接入策略基础上，提出一种基于热力值的自适应随机竞争接入算法，基于网络侧预测的热力值，用户选择不同的随机接入策略进行接入。通过对该优化算法的仿真分析，证明该算法可以有效地在各种网络负载下降低接入冲突概率，达到用户可以快速接入网络的目的。

基于相控阵的跳波束波位优化及资源分配算法

镐梦婷, 张晨, 张更新

2022, 3(1): 18-26. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022003

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跳波束技术能够为卫星通信系统提供足够的灵活性和较高的资源利用率，在宽带卫星通信系统中展现良好的性能，但现有的跳波束技术波位规划方案相对固定，不能随业务需求特点的变化而变化，对于用户需求分布不均且位置分散的情况，跳波束技术的优势很难发挥。针对上述问题，提出一种波位优化的方法，利用相控阵天线的捷变特性，根据业务分布特点调整波束的大小，使得各个波束内的业务需求更加均衡。在此基础上，从需求量与实际传输容量相匹配的角度，建立最小化n阶差分目标函数，利用凸优化算法求解各个波束内分配的时隙资源，并对比波位优化前后系统的整体满意度及系统时延等性能参数。仿真分析结果表明，相比传统的波位规划方案，该算法能在提高系统整体满意度的同时降低系统时延，提升用户的接入成功率。

基于负载均衡的大规模低轨卫星互联网路由算法

汪伊婕, 赵伟, 成飞, 陈文, 曹岸杰

2022, 3(1): 27-34. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022004

摘要 ( 557 )

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不断扩大的市场需求掀起大规模低轨星座部署的热潮，低轨星座凭借大带宽、低时延、连续覆盖的特点为全球用户提供宽带互联网服务。针对网络负载不均的情况下产生的拥塞丢包问题，提出一种基于负载均衡的自适应大规模低轨星间路由算法，该算法根据小区域探测获得的信息对候选卫星进行方向、等级划分，按照不同划分结果进行权重值计算，最终选取等级最高且权重值最小的下一跳节点，逐跳进行相同步骤直到数据到达目的卫星节点，最终形成低时延路径，全网实现低丢包率数据传输。通过仿真实验与经典算法以及现有大规模低轨卫星路由算法进行比较，发现该路由算法可有效提高低轨大规模卫星通信网络的路由性能，为用户提供高质量服务。

多层卫星网络动态接入技术

李昀翰, 马建鹏, 何熊文, 张顺, 李红艳

2022, 3(1): 35-43. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022005

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利用不同轨道卫星的特点组建更高效的多层卫星网络，近年来成为卫星网络研究的热点。传统卫星网络接入方法己经难以满足多层卫星网络低时延、灵活随遇接入的需求，设计高效的多层卫星网络随机动态接入协议迫在眉睫。首先对传统卫星网络接入技术进行总结，梳理卫星网络随机接入协议的发展脉络；然后针对地面站接入卫星以及多层卫星网络星间接入两种不同场景分别提出不同的低时延接入方法，为未来多层卫星网络动态接入技术的发展提供参考。

基于SDN/NFV的卫星互联网服务功能资源分配研究

徐媚琳, 贾敏, 郭庆

2022, 3(1): 44-49. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022006

摘要 ( 348 )

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软件定义网络和网络功能虚拟化能够有效解决大型网络难以管控、资源调度困难等问题。随着大规模卫星网络广泛应用，用户数量激增，对服务性能要求逐渐增加，这给网络管控和资源调度带来极大的负担，将软件定义网络的架构模型以及网络功能虚拟化等技术应用在大规模卫星互联网，可以有效解决目前存在的一些问题。提出基于SDN/NFV的新型卫星互联网架构，不同的卫星域可负责不同的功能，星间和域间可利用SDN和NVF进行有效协作，高效地利用网络资源，同时对其服务功能资源分配技术进行研究，优化VNF部署；提出基于资源感知的模拟退火算法，仿真结果表明此算法可以有效地降低服务功能链（SFC）数据流在传输时的端到端时延和带宽消耗，可以为用户提供更好的服务。

卫星互联网抗干扰策略研究展望

韩晨, 刘爱军, 安康

2022, 3(1): 50-55. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022007

摘要 ( 381 )

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卫星互联网作为国家信息化建设的重要基础设施，对维护国家安全具有重要意义。在干扰环境中，卫星互联网仍需保证其数据传输的有效性和可靠性。智能化新型干扰的威胁以及经典链路级抗干扰手段的局限性催生了智能化、网络化抗干扰的新需求。针对卫星互联网的结构特点和现代通信干扰技术的发展趋势，探析智能化、网络化抗干扰的基本架构。智能化抗干扰基于“感知—学习—预测—决策—反馈”的逻辑闭环，进行主动抗干扰决策，以实现自配置和自优化。网络化抗干扰通过各节点之间的协作通信，以拓扑控制重建链路、邻近节点资源重配置、业务流量负载均衡等方式提高网络化抗干扰水平，为构建跨层联合、多域结合、自主智能的抗干扰策略体系提供一定技术支撑。

面向卫星互联网的层级化智能部署架构

纪哲, 吴胜, 王文博

2022, 3(1): 56-61. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022008

摘要 ( 267 )

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为了满足立体化通信服务接入需求，卫星网络逐渐由各系统孤立、专网服务部署向通信网络基础设施方向发展，而万物互联下爆炸式流量增长、低时延业务传输给空间大尺度下的卫星互联网带来挑战。面向快速响应、协同处理等要求，在分析卫星互联网网络架构设计需求基础上，提出层级化智能部署架构，探索在该架构中可部署的智能技术，并讨论面临的技术挑战。

数字孪生卫星互联网：架构与关键技术

刘垚圻, 李红光, 周一青, 石晶林, 苏泳涛, 钱晋希

2022, 3(1): 62-71. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022009

摘要 ( 670 )

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提出一种数字孪生卫星互联网系统架构，通过平行孪生、安全内生、智能衍生的立体式闭环机制，为卫星互联网全生命周期过程稳定发展提供支撑；然后对数字孪生卫星互联网关键问题与关键技术进行探讨。针对复杂多变的卫星互联网系统，提出基于机理与数据双驱动的标准化模型处理和生成方法；面对海量信息和不均匀分布形成的数据洪流，提出三级分流的池化存算架构；为了实际系统的特征孪生高保真，设计智能编排与分布式异构的处理平台，对不同模型和事件进行分类快速计算；利用通感算控一体化技术，形成感知-判断-决策-执行的卫星互联网孪生循环演进系统，从而实现卫星互联网全生命周期的稳定运行。

低轨通信星座与地球站连通规划方法

赵书阁, 李小玉, 刘奇, 武爱景, 魏璟

2022, 3(1): 72-78. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022010

摘要 ( 223 )

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提出一种低轨通信星座与地球站连通规划方法。考虑低轨通信星座卫星数量较多，直接建立低轨通信星座与多个地球站的连通规划方法难度较大，依次建立单颗卫星与单个地球站连通规划方法、星座与单个地球站连通规划方法、卫星星座与多个地球站连通规划方法，前一规划方法是后一规划方法的基础，后一规划方法是前一规划方法的拓展，最终形成一种低轨通信星座与多个地球站的连通规划方法。典型的仿真算例表明，地球站与卫星星座连通的过程中，地球站到卫星的仰角不低于通信仰角下限；在地球站与卫星的单个连通段内，离轴角的变化趋势都是先变小后变大；地球站选择的连通卫星分别展现轨道面切换和一个轨道面内的卫星依次切换，都间接验证了连通规划策略的正确性。

基于区块链的多层卫星互联网络安全管理技术

朱睿杰, 张玉东, 魏雅婷, 席超

2022, 3(1): 79-86. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022011

摘要 ( 663 )

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卫星互联网具有覆盖范围广、通信时延低、传输容量大、地域影响小等优势，能为全球用户提供无处不在的互联网接入服务。但是卫星网络与地面网络的异构性，卫星网络的信道开放、节点暴露等特点会对网络接入和资源管理造成安全威胁。针对卫星互联网的安全问题，提出基于区块链的多层卫星互联网安全管理架构。区块链作为一种分布式账本技术，以块链式数据结构来验证和存储数据，通过密码学方法保证数据块的不可篡改，能实现网络安全接入和资源可信管理，为卫星互联网提供信息安全防护。通过将区块链技术与卫星互联网融合，提高卫星互联网的安全性。

非静止卫星轨道星座系统固定波束到地功率通量密度研究

黄颖, 简晨, 李伟, 严康

2022, 3(1): 87-93. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022012

摘要 ( 237 )

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功率通量密度是评估非静止卫星轨道星座系统保护地面业务系统的一项干扰评价指标。基于功率通量密度的定义，给出非静止卫星轨道星座系统固定波束功率通量密度的计算方法，在分析ITU关于非静止卫星轨道卫星固定业务系统的功率通量密度约束条件的基础上，给出确定非静止卫星轨道星座系统功率通量密度限值的方法。以Starlink系统为分析场景，计算分析Starlink测控波束的功率通量密度。结果表明，给出的功率通量密度计算方法与Starlink系统使用方法的分析结果完全一致， 18.55～18.6 GHz频段测控波束功率通量密度不满足限值要求。在当前国际规则框架下，卫星星座规模大小是非静止卫星轨道星座系统合法使用Ka频段的决定性因素。

基于SDN/NFV的航空信息网络架构

宋鑫康, 王翔, 付皓通, 赵尚弘

2022, 3(1): 94-100. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022013

摘要 ( 181 )

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航空信息网络作为集群作战效能涌现的关键支撑，其设计架构将影响航空领域作战模式。基于航空集群未来作战需求，介绍传统航空信息网络存在的不足，分析SDN/NFV的技术特点，在此基础上将SDN/NFV技术与航空信息网络相结合，提出基于SDN/NFV的航空信息网络架构，并简要阐述其组成部分；总结基于SDN/NFV的航空信息网络架构的未来研究方向和挑战。对建立航空信息网络高效信息交互和资源的细粒度聚合能力进行探索，为未来航空信息网络的发展提供参考。

天基信息光网络波长路由关键技术

李信, 李勇军, 彭聪, 赵尚弘

2022, 3(1): 101-107. doi:10.11959/j.issn.2096-8930.2022014

摘要 ( 142 )

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随着空间探索范围的拓展和探索手段的丰富，天基信息网络承载的用户数量急剧增加、业务类型不断更新，对其传输容量和服务质量提出了更高要求，全光化的天基信息网络成为必然的发展趋势。波长路由技术作为光网络的一项关键技术，对于提高天基信息网络波长利用率，保证网络服务质量具有十分重要的意义。介绍基于多业务、基于动态特性以及基于软件定义的3种典型天基信息网络光波长路由方法原理，研究天基信息光网络中智能化波长路由技术、分层化波长路由技术以及多径化波长路由技术，对天基信息网络中波长路由关键技术进行展望。

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