空天地一体化无线光通信网络关键技术及其发展趋势

doi:10.12263/DZXB.20210690

电子学报 ›› 2022, Vol. 50 ›› Issue (1): 1-17.DOI: 10.12263/DZXB.20210690

所属专题：长摘要论文

• 无线光通信及其组网技术 • 下一篇

空天地一体化无线光通信网络关键技术及其发展趋势

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

^1.华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京 102206
^2.华北电力大学河北省电力物联网技术重点实验室，河北保定 071003

收稿日期:2021-05-29 修回日期:2021-08-05 出版日期:2022-01-25
- 作者简介:
- 赵雄文男，1964年生，陕西清涧人.中国电子学会会士，华北电力大学教授，博士生导师，通信工程国家一流专业负责人，信息与通信工程学科责任教授.主要研究方向为无线通信与电力系统通信等.
  张钰（通信作者）女，1995年生，安徽六安人.华北电力大学电气与电子工程学院博士研究生.主要研究方向为5G，B5G无线通信技术.
- 基金资助:
- 国家自然科学基金重点项目 (61931001); 国家自然科学基金 (61771194); 新能源电力系统国家重点实验室开放课题 (LAPS21018); 中央高校科研基金 (2021MS002)

Key Technologies and Development Trends for a Space-Air-Ground Integrated Wireless Optical Communication Network

ZHAO Xiong-wen¹^,², ZHANG Yu¹^,², QIN Peng¹^,², WANG Xiao-qing¹^,², GENG Sui-yan¹^,², SONG Jun-yuan¹^,², LIU Yao¹^,², LI Si-feng¹^,²

^1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electric Power University, Beijing 102206, China
^2.Hebei Key Laboratory of Power Internet of Things Technology, North China Electric Power University, Baoding, Hebei 071003, China

Received:2021-05-29 Revised:2021-08-05 Online:2022-01-25 Published:2022-01-25
- Supported by:
- Key Program of National Natural Science Foundation of China (61931001); National Natural Science Foundation of China (61771194); Open Project of State Key Laboratory of Alternate Electric Power System with Renewable Energy Sources (NCEPU) (LAPS21018); Research Fund for Central University (2021MS002)

摘要/Abstract

摘要：

构建空天地一体化信息网络是第六代通信系统（the Sixth Generation，6G）的重要目标，无线光通信相较于射频（Radio Frequency，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（Free Space Optical Communication，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”（Acquisition Pointing and Tracking，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.

长摘要
构建空天地一体化信息网络是6G的重要目标，无线光通信相较于射频通信技术具有容量大、速率高、抗干扰能力强等优势，成为建立全球无缝覆盖空间网络的重要技术. 目前，大量研究工作集中于从物理层提升自由空间光通信（Free Space Optical Communication，FSOC）的性能，FSOC网络上层关键技术的研究多数着眼于地面光网络或卫星光网络，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网络的建设和标准化现状、设计因素及关键技术，着重从物理层之上审视一体化 FSOC 网络建设面临的主要挑战.本文主要观点总结如下：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，并提出了铱星系统、OneWeb、鸿雁等多项空间网络建设项目，为一体化 FSOC 网络建设奠定了坚实的基础. 然而 FSOC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; 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；捕获、瞄准和跟踪技术是确保 FSOC 链路稳定性的重要前提，需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投入大量研究，以匹配一体化 FSOC 网络特性，优化网络性能；传统传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）不能适应高速、长时延、高丢包率的网络，必须针对一体化 FSOC 网络研发专门的传输协议或改进现有TCP协议；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.

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

Abstract:

Space-air-ground integrated information network has become a key target of building the six generation(6G) communication system. Compared to radio frequency(RF) technology, wireless optical communication has the advantages of large capacity, high data rate and strong anti-interference ability, which makes it becomes an indispensable technology to establish a global seamless coverage network. In this paper, the research progress and standardization for free space optical communication(FSOC) based space-air-ground integrated information networks were presented, which cover more recent research work compared with the existing literature reviews. The critical factors of physical and upper layer in designing integrated FSOC networks were also discussed. Several important communication technologies such as atmospheric channel modeling, APT(Acquisition, Pointing and Tracking), topology control, routing, resource allocation, reliable transmission protocol, and microwave cooperative transmission were summarized and analyzed, and their future development trends and challenges were pointed out.

Extended Abstract
Space-air-ground integrated information network has become a key target of building the six generation (6G) communication system. Compared to radio frequency technology, wireless optical communication has the advantages of large capacity, high data rate and strong anti-interference ability, which makes it becomes an indispensable technology to establish a global seamless coverage network. At present, large amounts of studies focus on improving the performance of Free Space Optical Communication (FSOC) from the physical layer. Research on upper layer key technologies of FSOC networks has focuses on terrestrial or satellite optical networks, while no solutions have been developed for space-air-ground integrated FSOC networks. This paper reviews the construction and standardization status, design factors and key technologies of space-air-ground integrated FSOC networks, and highlights the important challenges for the upper layers. The main points of this paper are summarized as follows: a large number of laser communication experiments have been conducted for intra- and inter-layer links in satellite, stratospheric and terrestrial networks, and many projects such as Iridium system, OneWeb and Hongyan have been built at home and abroad, laying a solid foundation for the construction of the integrated FSOC networks. However, the current standardization documents of FSOC only aim at the physical and data link layers, but remain a gap for the upper layers; in order to provide an accurate underlying model for network algorithm design and protocol optimization, it is necessary to fully understand the characteristics of optical signal transmission by improving the accuracy of atmospheric channel modeling; as an important prerequisite to ensure FSOC link stability, acquisition, pointing and tracking technique requires further reduction in hardware size and complexity, as well as improved performance when the terminal is moving at high speed; topology control, routing, and resource allocation technologies still require significant research investment to match the characteristics of the integrated FSOC networks and to obtain better network performance; since the traditional Transmission Control Protocol (TCP) cannot adapt to high-speed, long-latency, and high packet loss networks, it is necessary to develop specialized transmission protocols or improve existing TCP protocols; FSOC network transmission performance is hampered by FSOC link characteristics, and hybrid transmission methods of FSOC/X should be considered to adapt to diverse application scenarios.

Key words: space-air-ground integrated free space optical communication network, channel modeling, acquisition，pointing and tracking(APT), topology control, routing, resource allocation, reliable transmission protocol, microwave cooperative transmission

中图分类号:

TN929.12

赵雄文, 张钰, 秦鹏, 等. 空天地一体化无线光通信网络关键技术及其发展趋势[J]. 电子学报, 2022, 50(1): 1-17.

Xiong-wen ZHAO, Yu ZHANG, Peng QIN, et al. Key Technologies and Development Trends for a Space-Air-Ground Integrated Wireless Optical Communication Network[J]. Acta Electronica Sinica, 2022, 50(1): 1-17.

图/表 10

图1 空天地一体化FSOC网络架构

表1 国外自由空间激光通信典型代表试验及参数指标统计

链路类型	项目	搭载终端	国家或地区	时间	通信速率	通信距离
星地	LCE^［11］	ETS-VI 卫星-地面站	日本	1995年	1.024 Mbps	/
	LCTSX^［10］	TerraSAR-X 卫星-夏威夷地面站	德国	2009年	5.65 Gbps	>500 km
	SLS^［10］	ISS 空间站-北高加索地面站	俄罗斯	2012年	125~622 Mbps	1000 km
	OPALS^［10］	ISS 空间站-怀特伍德地面站	美国	2014年	50 Mbps	>400 km
	OCSD^［12］	OCSD-2（1.5U）卫星-地面站	美国	2017年	上行10 kbps，下行5~200 Mbps	/
星间	SILEX^{［10，11］}	Artemis 卫星-SPOT4 卫星	欧洲	2001年	50 Mbps	40000 km
	LCTSX^［10］	TerraSAR-X 卫星-NFIRE 卫星	德国、美国	2008年	5.65 Gbps	5000 km
	EDRS^［12］	EDRS-A卫星-LEO卫星	欧洲	2016年	1.8 Gbps	45000 km
星空	LOLA^{［10］，［13］}	Artemis 卫星-神秘 20飞机	法国	2006年	50 Mbps	38000 km
星空	ALCOS^{［13，14］}	GEO卫星-MQ-9 Reaper“死神”无人机	美国	2017年	1.8 Gbps	36000 km
空空	HAVE LACE^［13］	T39 飞机-飞机	美国	1998年	1 Gbps	50~500 km
空空	FALCON^{［10，13］}	DC-3 飞机-飞机	美国	2010年	2.5 Gbps	132 km
空地	HAVE LACE^［13］	T39 飞机-地面站	美国	1996年	1 Gbps	20~30 km
	FOCAL^［13］	Twin Otter飞机-地面端机	美国	2009年	2.5 Gbps	25 km
	ARGOS^{［10，13］}	Do-228 飞机-地面站	德国	2010年	1.25 Gbps	10~100 km
地地	LLCD^［15］	山顶-山顶	美国	2000年	400 Mbps	45 km
地地	/^［10］	La Palma 岛-Tenerife岛	德国	2005年	5.6 Gbps	/

表2 国内自由空间激光通信典型代表试验及参数指标统计

链路类型	搭载平台	单位	时间	速率	通信距离
星地	空间站-地面	武汉大学	2016年	1.6 Gbps	400 km
	墨子号-地面	中国科学院上海光学精密机械研究所	2016年	5.12 Gbps	2000 km
	实践13-地面	哈尔滨工业大学	2017年	4.8 Gbps	40000 km
	实践20-地面	中国航天科技集团有限公司五院	2020年	10 Gbps	/
空潜	船-水下	中国科学院上海光学精密机械研究所	2010年	10 kbps	125 m
空潜	飞机-水下	中国科学院上海光学精密机械研究所	2016年	/	3110 m
空地	飞艇-船	长春理工大学	2011年	1.5 Gbps	20.8 km
空地	无人机-地面	中国电子科技集团第三十四研究所	2017年	1.25 Gbps	6.7 km
空空	直升机-直升机	长春理工大学	2011年	1.5 Gbps	17.5 km
空空	两运12飞机之间	长春理工大学	2013年	2.5 Gbps	144 km
地地	地-地	中国电子科技集团第三十四研究所	2000年	155 Mbps	26 km
	船-地	长春理工大学	2007年	300 Mbps	20.4 km
	地-地	武汉大学	2010年	7.5 Gbps（三路波分复用）	40 km
	地-地	中国电子科技集团第三十四研究所	2014年	2.5 Gbps	5 km
	地-地	西安理工大学	2017年	/	5.2 km

表3 FSOC相关标准化文件建议情况

文件	链路类型	波长/频率	信道	系统共存	最大功率	调制	编码	同步
ITU-T G.640	/	√	√	√
ITU-R P.1814&P.1817	地面		√
ITU-R F.2106	/		√
ITU-R P.1621&P.1622	星地		√
IOAG.T.OLSG.2012.V1& V1A	星间/星地	√	√	√	√	√	√
CCSDS 141.0-B-1	星间/星地	√				√
CCSDS 142.0-B-1	星间/星地						√	√

图2 空天地一体化FSOC网络设计因素与关键技术联系图

表4 空天地一体化FSOC网络发展趋势与挑战

关键技术	现存问题	发展趋势与挑战
大气信道模型	现有模型未能涵盖空天地一体化架构中多种链路类型	信道测量与建模工作应向更多链路类型延申
大气信道模型	仅考虑大气湍流影响因素	综合考虑指向误差、障碍物移动性等多种因素，提升模型精准性
捕获、瞄准和跟踪	硬件体积过大、复杂度高	开发小型、低硬件复杂度的APT方案
	收发端高速移动情况下很难保证光束即时对准	带有预测机制的APT方案，能够对收发端运动轨迹和速度进行高精度预测
	缺乏适配软件	引入机器学习的思想，实现收发端的自动同步与跟踪
拓扑控制	拓扑频繁重新配置导致成本、时延、误码率增加	按需自适应的拓扑控制机制
	基于单一FSOC链路的系统可靠性不高	基于FSOC/X设计拓扑控制方案
	拓扑变化的实时处理较复杂，拓扑控制不灵活	利用SDN和深度强化学习制定拓扑策略
路由策略	缺乏空间多层网络架构路由算法研究	基于FSOC/X设计适用于多层网络架构的高可靠路由算法
路由策略	缺乏路由协议研究	基于FSOC/X合理修改现有协议或开发新协议
资源分配	现有资源分配方案难以实现多类资源的统一调整	引入深度神经网络实现资源统一调度
资源分配	网络资源按需分配实时性差	结合软件定义网络/网络功能虚拟化实现动态资源分配
可靠传输协议	没有适用于空天地一体化FSOC网络的TCP协议	修改现有协议或开发新的TCP传输协议
微波协作传输	链路切换判断机制不精准导致资源浪费或链路中断	研究高效的判断机制确定切换时机以降低时延
微波协作传输	RF通信数据承载能力有限，安全性低，单一的FSOC/RF协作方式不能适应所有场景	引入FSOC/光纤、FSOC/可见光通信等协作传输方式以适应多样化场景

表4 空天地一体化FSOC网络发展趋势与挑战

关键技术	现存问题	发展趋势与挑战
大气信道模型	现有模型未能涵盖空天地一体化架构中多种链路类型	信道测量与建模工作应向更多链路类型延申
大气信道模型	仅考虑大气湍流影响因素	综合考虑指向误差、障碍物移动性等多种因素，提升模型精准性
捕获、瞄准和跟踪	硬件体积过大、复杂度高	开发小型、低硬件复杂度的APT方案
	收发端高速移动情况下很难保证光束即时对准	带有预测机制的APT方案，能够对收发端运动轨迹和速度进行高精度预测
	缺乏适配软件	引入机器学习的思想，实现收发端的自动同步与跟踪
拓扑控制	拓扑频繁重新配置导致成本、时延、误码率增加	按需自适应的拓扑控制机制
	基于单一FSOC链路的系统可靠性不高	基于FSOC/X设计拓扑控制方案
	拓扑变化的实时处理较复杂，拓扑控制不灵活	利用SDN和深度强化学习制定拓扑策略
路由策略	缺乏空间多层网络架构路由算法研究	基于FSOC/X设计适用于多层网络架构的高可靠路由算法
路由策略	缺乏路由协议研究	基于FSOC/X合理修改现有协议或开发新协议
资源分配	现有资源分配方案难以实现多类资源的统一调整	引入深度神经网络实现资源统一调度
资源分配	网络资源按需分配实时性差	结合软件定义网络/网络功能虚拟化实现动态资源分配
可靠传输协议	没有适用于空天地一体化FSOC网络的TCP协议	修改现有协议或开发新的TCP传输协议
微波协作传输	链路切换判断机制不精准导致资源浪费或链路中断	研究高效的判断机制确定切换时机以降低时延
微波协作传输	RF通信数据承载能力有限，安全性低，单一的FSOC/RF协作方式不能适应所有场景	引入FSOC/光纤、FSOC/可见光通信等协作传输方式以适应多样化场景

表5 大气信道模型及其适用范围

大气信道模型	适用湍流强度
负指数分布	强
$K$ 分布	强
$I - K$ 分布	弱/中强/强
Log-normal	弱
Lognormal-Rician	弱/中强
Gamma-Gamma	弱/中强/强
$M$ 分布	弱/中强/强
Double Weibull	中强/强
Double Generalized Gamma	弱/中强/强
Exponentiated Weibull	弱/中强/强

表5 大气信道模型及其适用范围

大气信道模型	适用湍流强度
负指数分布	强
$K$ 分布	强
$I - K$ 分布	弱/中强/强
Log-normal	弱
Lognormal-Rician	弱/中强
Gamma-Gamma	弱/中强/强
$M$ 分布	弱/中强/强
Double Weibull	中强/强
Double Generalized Gamma	弱/中强/强
Exponentiated Weibull	弱/中强/强

表6 不同APT方案特点和适用终端类型

APT方案	角度分辨率	跟踪视场	角旋转速度	适用终端类型
基于跟踪架的APT方案	$μ r a d$	宽	缓慢	无重量限制、大运动角度范围
基于反射镜的APT方案	$s u b - μ r a d$	窄	快速	相对静止、运动角度范围很小
复合轴APT方案	$s u b - μ r a d$	宽	快速	任意
基于AO的APT方案	$n r a d$	窄	快速	运动角度范围较小
基于液晶的APT方案	$s u b - μ r a d$	窄	快速	运动角度范围较小
基于混合FSOC/RF的APT方案	$s u b - μ r a d$	宽	缓慢	通信链路易受障碍物遮挡或移动性终端

表6 不同APT方案特点和适用终端类型

APT方案	角度分辨率	跟踪视场	角旋转速度	适用终端类型
基于跟踪架的APT方案	$μ r a d$	宽	缓慢	无重量限制、大运动角度范围
基于反射镜的APT方案	$s u b - μ r a d$	窄	快速	相对静止、运动角度范围很小
复合轴APT方案	$s u b - μ r a d$	宽	快速	任意
基于AO的APT方案	$n r a d$	窄	快速	运动角度范围较小
基于液晶的APT方案	$s u b - μ r a d$	窄	快速	运动角度范围较小
基于混合FSOC/RF的APT方案	$s u b - μ r a d$	宽	缓慢	通信链路易受障碍物遮挡或移动性终端

表7 不同网络拓扑控制方案及特点

参考文献	网络架构	优化目标	主要贡献
文献［72］	地面网络	可靠性	实现收发机最优布局；提高网络容量与公平性
文献［73］	地面网络	网络拥塞	有效降低网络拥塞度；实现动态拓扑重构
文献［74］	平流层网络	功耗、吞吐量	根据给定流量需求生成最优拓扑；生成拓扑可以同时降低功耗、提升吞吐量
文献［75］	平流层网络	可靠性	适用于不同规模的网络；有效提升网络拓扑抵御故障的能力
文献［76］	卫星网络	网络时延、位置精度因子	同时兼顾高速通信与高精度测量；大幅改善拓扑切换时的链路利用率
文献［77］	空地	代数连通度	拓扑结构连通性高；实现动态多点接入
文献［39］	空地	节点接入度	有效避免节点过载问题；拓扑可自动重构
文献［78］	空地	功耗、吞吐量	适用于不同规模的网络；在链路故障或紧急流量需求时适应性强
文献［79］	星空	能量、流量	动态调节节点功率；在雾天的链路稳定性高

表8 跨层一体化网络混合传输方式及特点

网络架构	文献	混合传输方式	主要贡献
空地	文献［107］	高空平台（气球、飞艇、飞机）-低空平台-FSOC 低空平台-地面-FSOC/RF混合	在恶劣天气条件下，RF通信作为 FSOC的备份，可根据天气条件切换
空地	文献［108］	低空平台-低空平台-FSOC 低空平台-地面-RF	低空平台的最佳高度对系统性能有显著影响；指向误差对性能的影响大于RF路径损失
星空	文献［79］	卫星-平流层飞艇、悬停无人机-FSOC/RF切换	基于大气条件感知的 RF/FSOC切换机制，保证射频RF和FSOC传输的优势互补
天空地	文献［102］	卫星-高空平台-FSOC，高空平台-地面-RF	具有更强的连续通信能力
	文献［103］	卫星-航空- FSOC链路-经历Gamma-Gamma衰落，航空-地面- RF链路-服从瑞利衰落	考虑到 FSOC 链路中指向误差以及不完美信道状态信息的影响
	文献［104］	卫星-无人机- FSOC链路-经历Gamma-Gamma衰落，无人机-地面- RF链路-服从瑞利衰落	实现系统容量和服务公平性之间的折中；解决无人机难以获得完美信道状态信息的问题
	文献［105］	卫星-高空平台-FSOC，高空平台-地面-RF/FSOC混合	与现有的基于FSOC的卫星通信架构相比，具有更高的可靠性和数据速率

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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

Key Technologies and Development Trends for a Space-Air-Ground Integrated Wireless Optical Communication Network

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图/表 10

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