空间信息网络多址接入技术研究进展

王星宇，李勇军，赵尚弘

空军工程大学 信息与导航学院，西安 710077

空间信息网络多址接入技术研究进展

王星宇，李勇军，赵尚弘

空军工程大学 信息与导航学院，西安 710077

空间信息网络具有高动态拓扑，大时空尺度、多样化业务和星上资源受限等特点。随着星间组网技术的日益成熟和航天活动的不断增加，航天器用户的动态多址接入问题已经成为影响网络性能的关键因素，得到了国内外研究机构的广泛关注。首先分析了典型多址接入技术的主要特点；然后在空间信息网络场景中，对基于竞争的分布式接入控制、基于无冲突的集中式接入控制以及多协议混合接入控制等三种多址接入技术进行了性能分析，对比剖析了三种多址接入方法的优势与不足。最后，分别提出了典型多址接入技术在未来空间信息网络中的典型应用场景和适应性改造方法。

空间信息网络；多址接入技术；动态接入；星间组网

1 引言

我国正处于空间信息网发展进程的关键时期，通信卫星、数据中继卫星、高分辨率对地观测卫星、北斗导航卫星、载人航天、探月工程等各类航天器系统，都呈现出全域覆盖、网络扩展和协同应用的发展趋势，需要提升空间信息的时空连续支撑能力，解决高动态条件下空间信息的全天候、全天时快速响应和大范围覆盖问题[1]。空间信息网络基本结构如图1，包括：GEO（Geosynchronous orbit）卫星为主的骨干网、其他用户航天器组成的接入网以及各类用户以及地面控制站等部分。不同于地面信息网络，空间信息网络具有四个最突出特征，即网络异构、业务异质、大时空尺度和网络资源有限[2]。如何在满足空间信息网络突出特征条件下，使空间移动用户终端在高动态过程中实现自主、快速入网，异构异质用户与空间信息骨干网间的多址接入成为空间信息网络组网亟需解决的关键科学问题[2]。空间多址接入的特点在于网络无需根据接入点参数规划进行配置更新，且用户接入后也不会对整体网络性能造成巨大影响，以此保证业务信息的连续性，实时性和可靠性，多址接入技术将成为未来空间信息网络接入技术的必然发展方向。

面向空中和地面用户，现有的卫星通信系统多址接入方式可分为以下两类。一类为星间的多址接入方式，以美国TDRSS系统的按需多址接入为代表，采用了数字多波束结合相控阵天线的SMA（S-band Multiple Access）或KaMA（Kaband Multiple Access）方法，主要满足天基测控通信和数据中继需求[3]。该多址技术通常采用计划驱动的方式，即在任务开始之前进行卫星资源的申请和使用。这种“申请—计划—分配—执行”的预分配资源模式主要适合于任务规模、持续时间、资源占用量等事先明确的大型任务，但很难应用于实时性和带宽需求高的任务[4]。另一类为星-地多址接入方式，以VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星移动通信系统为代表[5]。VSAT卫星移动通信系统由同步卫星、地面主站及分散的远端地面分站共同组成。VSAT卫星移动通信系统的远端分站通过卫星中继接入地面主站，这种“分站-卫星-主站”中继方式，可减少地面网络设备的建设成本。在这种情况下，将同步卫星作为星上中继站，可以解决地面通信站之间因地面地形，距离等因素而造成的通信受限问题。然而，这种相对位置较固定的星地通信方式，不符合空间信息网络中用户航天器与接入终端存在的高动态性特点，不可直接借鉴。

上述两类卫星通信系统的多址接入方式在实时性、自主性、动态性方面无法满足空间信息网络多址接入的需求，很难支持空间信息的时空连续支撑和快速响应能力。本文针对星间多址接入技术的研究现状，在空间信息网络应用背景下，阐述了用户航天器和空间骨干网间多址接入技术的内涵和特点，分析了基于竞争的分布式接入控制方式、基于无冲突的集中式分配方式以及混合型多址接入方式三种类型的多址方法，重点研究了各自的优势特点与不足之处。最后，提出了三种类型的多址接入方法在未来空间信息网络中进行适应性改造的方法，并对下一步的发展给出了建议。

2 空间信息网络特点对多址接入的影响

根据OSI（Open System Interconnection）协议模型的划分，数据链路层承担帧同步、差错控制、物理寻址、接入控制等功能。

数据链路层的媒体介入控制MAC层（Media Access Control，MAC）主要负责接入控制，如何更有效地控制节点接入信道，提高共享卫星信道资源能力，一直是MAC层多址接入协议设计所致力于的方向[6]。空间信息网络与一般的地面网络的环境场景区别较大，其主要体现在：拓扑高动态变化，时空尺度大、业务需求多样化和星上资源受限四个方面。其主要特点对多址接入的影响总结如图2所示。

（1）高动态变化：空间信息网络中，接入终端通常由不同轨道、不同种类的飞行器构成。它们之间没有固定的连接关系，其网络拓扑也在快速变化，呈现出松耦合的状态，导致通信链路间断连通。以在静止轨道的天基骨干网的GEO卫星为参考点，轨道高度为300 km的LEO卫星的相对运动速度可高达3 km/s。假设信号全向传播且不考虑其他因素影响，在一个周期内，两者之间的通信持续时间也仅有120 min。对此，考虑在网络拓扑的高动态变化而导致不稳定链路的情况下，则需要多址接入具有较强自适应性和灵活性，在一定程度上增加了多址接入设计的复杂性。

（2）大时空尺度：从传播时延来说，GEO卫星与LEO卫星间的单跳传输往返时延可达0.25 s，长时延会降低实时性业务的服务质量。因此，星间多址接入方案必须以较低计算复杂度来实现快速响应，避免进一步增加时延，恶化网络性能；从用户位置区域看，用户分散的空间范围广，要实现对航天器用户全天候、全天时的覆盖，多址方案需要确保分散在各个轨道上的不同航天器用户具有对等接入机会，保证多址接入的公平性。针对大时空尺度下的复杂信道情况，多址方案必须具备灵活性和稳定性，保证网络可动态接入和快速重构[7]。

（3）业务需求多样化：从服务角度看，空间信息网络业务种类包括中继业务、通信业务和测控业务；从应用角度来看，业务种类包括话音业务、数据业务、图像业务及视频业务，不同业务类型的服务质量要求迥异，对卫星信道资源需求差异巨大。随着在轨航天器数量不断增加和日趋多样化的业务需求，这不仅需要空间信息网络根据不同业务的服务质量需求提供相应的接入策略，而且要求接入方式具有可扩展能力，大大增加了多址接入的实现难度。

（4）星上资源受限：受航天器体积重量等因素影响，致使星上能量资源受限。在多址接入网络中，提高资源的利用率显得尤为重要。同时，考虑到星上有限的计算处理能力在能量受限的条件下，空间信息网络的多址接入还需考虑采用更加优化的接入算法来实现较高的能量使用率。因此，优化接入算法也成为多址接入设计过程中着重考虑的方面之一[8-9]。

图2 空间信息网络多址接入需求

3 空间信息网络多址接入技术

目前，对小型卫星通信系统中星间通信的各种多址接入方法研究较为广泛，其主要分为基于竞争的分布式接入控制方式和基于无冲突的集中式分配方式以及混合多种协议的混合型多址接入技术的三种类型。

3.1 基于竞争的分布式接入控制多址方式

采用基于竞争的分布式接入控制多址方式情况下，航天器用户通过接入控制协议实时获得信道接入信息，并通过相关算法进行竞争接入。该方式主要包括：ALOHA协议[10]、基于载波监听/冲突避免CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方式下以及为适用于卫星的多址方式而改进的IEEE802.11无线局域网MAC协议[11-12]。

3.1.1 Aloha协议

Aloha协议主要利用的是“想发既发，碰撞后随机退避重发”的简单方式实现用户多址接入。

20世纪70年代以来，有多种ALOHA多址协议运用于卫星通信。包括：纯ALOHA、时隙ALOHA、预约ALOHA以及扩频ALOHA的SAMA（Spread Aloha Multiple Access）协议等[13]。ALOHA协议技术简单，且对信道的传播时延没有限制，因而在短报文低、速率传输卫星分组通信业务中得到了一定的应用。虽然在强突发性业务情况下，ALOHA的信道效率较固定分配方式高，但是纯ALOHA协议的理论最大吞吐率也只有0.184，即使增加全网同步后改进的时隙-ALOHA协议理论吞吐率也仅仅增大到了0.368[14]，资源利用率仍然较低。

对此，时隙ALOHA基础上又发展出来一种称之为预约ALOHA（R-ALOHA）的协议，它改善了前两者较低的吞吐量动态范围和时延的稳定性，较前两者更实用。不过由于其申请预约需要系统资源和增加传输延时，如果数据报文与预约请求本身的数据相差不大时，将会造成资源的浪费并降低了系统的实时性。所以，R-ALOHA不适合短数据包传输的情况[15]。另外，还有一种结合CDMA扩频技术的SAMA协议。该协议实现了用户发送时间与数据包碰撞概率的无关性，改善了网络的吞吐量和时延性能。最大的特点是SAMA技术还兼具CDMA技术的抗干扰和加密能力。这种多址协议在最初的VSAT移动卫星通信系统中得到了广泛应用[16]。

在基于ALOHA竞争方式的多址协议中，数据包的碰撞概率会随着同时请求接入的卫星终端数量的增加而急剧增大，影响了系统的稳定性，极大限制了其在卫星通信系统中的应用。另一方面，竞争接入的方式对卫星的存储容量提出了苛刻要求，额外消耗了有限的星载资源。

3.1.2 IEEE802.11改进型星间多址协议

IEEE802.11改进型星间多址协议基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）多址技术原理，将碰撞后用户的再接入时间分别按照一定的退避算法进行退避延后，从而降低系统碰撞概率和拥塞程度。传统的IEEE802.11协议规定四种不同的帧间隙：SIFS（Short Inter-Frame Space）、DIFS（Distributed Inter-Frame Space）、EIFS（Extended Inter-Frame Space）来设置响应时间和侦听时长。但在卫星场景下，卫星间距离范围远远大于协议设计之初的300 m通信范围。因而，需要根据具体的通信距离来改变退避时隙（Slot time）大小支撑卫星场景。

图3 基于改进型IEEE802.11协议的星间多址协议原理

文献[11]通过OPNET结合STK仿真软件模拟了距离300 km范围内的集群式卫星结构，并得出满足稳定的吞吐量情况下的最优时隙（Slot time）大小，以减少端到端延时。同时，作者改变传统基于二进制的退避算法来设置的退避窗口大小的方法，采用根据碰撞情况来设置不同退避窗口最大值，以适应长距离，高延时的通信情况。文献[12]提出了仅在“RTS-CTS握手阶段”及“帧接收成功确认ACK阶段”采用广播的方式通知所有节点和传输时采用指向型的自适应天线方式来提升能量的利用效率，原理如图3所示。

常见的卫星场景包括：簇群式星群（Cluster），链式星群（A-train），星座式星群（Constellation）[6，8]。文献[12]以该三种卫星应用场景为背景，分别从端到端时延，接入时延和吞吐量三个方面进行了分析和对比，其结果如图4。不同的星群结构的传输距离将直接影响接入时延和退避侦听等效果，使得该协议在不同结构之间的性能存在差异。总的来看，该机制端到端时延较大，平均端到端时延和平均接入时延最大分别可达1 700 s和200 s，不适合实时业务而对于最大归一化吞吐量（单位时间内成功接收数据包个数与总生成包个数之比）最大也只有0.25，效率较低。

改进型IEEE802.11无线局域网MAC协议的主要特点如下：（1）接入控制方式简单，可以根据业务类型对数据帧设置不同接入优先级；（2）同步要求低，可应用于变化较大的拓扑网络当中；（3）用于减少系统碰撞率的随机退避机制降低了系统的时延性能；（4）复杂的星间信道情况将直接影响信道侦听的结果，增加了系统的不稳定性。

图4 （a） IEEE802.11的平均端到端时延

图4 （b） IEEE802.11的平均接入时延

图4 （c） IEEE802.11的吞吐量

目前，改进型IEEE802.11无线局域网MAC协议接入控制方式主要支持短数据包业务传输，还难以适用于大容量和实时性要求较高的业务。为降低系统计算复杂度，实现网络快速相应，降低接入延时，该协议还需结合空间信息网络的需求特点，从设计高效的冲突检测和随机退避机制，改进面向于随机接入用户的CSMA多址算法等技术方面进行进一步的研究和扩展。

3.2 基于无冲突的集中式分配多址接入方式

在基于无冲突的集中式分配的多址方式情况下，接入控制卫星通过集中式资源调度的方式为每个航天器用户分配相应的固定资源，实现多用户的无冲突接入。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、文献[17-22]分别介绍了TDMA、CDMA、FDMA方式在卫星通信场景上的运用和相关特点与优势。

3.2.1 TDMA多址接入方式

TDMA方式需要在所有的收发端中进行时间上的网络同步，使每个接入用户都能在指定的时间段内发送数据[17]。采用TDMA方式时，系统的负载越小，反而由于存在较多空闲时隙，降低了信道利用率。并且，对于大时空尺度的星间通信来说，还需要设置一定的保护间隙，以解决因距离差异产生的同步时延差。可以看出，TDMA方式并不满足需高效利用资源的卫星通信。

为适应于卫星通信系统，TDMA技术经过一定的发展，现主要运用在星地相对运动较小的卫星移动通信系统，如VSAT移动通信系统[20]。与此发展来的扩展时分多址（ETDMA）尝试通过分配时间来提供多类型业务的支持，可在站点数较少情况下提供语音、视频等多类型业务的传输，不过扩展的方式找到有效的时间表是不容易的。另外，作为未来TDMA运用在卫星通信的主要形式之一的自适应时隙分配TDMA方式，根据通信量的大小调整时隙的宽度并按需使用时隙的方法在一定程度提升了信道利用率。

总的来看，以TDMA协议为基础发展而来的多种时分多址接入方式的灵活性和扩展性还需亟待提高。如何实现网络中各终端严格同步，保证资源高效利用，是采用TDMA方式时亟待解决的关键问题。

3.2.2 CDMA多址接入方式

文献[18]比较了CDMA多址技术下Walsh码和Gold码两种伪随机码性能。对于Gold码，其正交性较差，多址干扰严重（MAI），误码率较高。但其扩频序列码字长度较长，因而带宽使用率较高，可以抵消因自相关性而产生多径串扰（ISI）影响。从正交性来看，Walsh码正交性强，但码字较短，多径串扰影响严重。不过由于实际卫星的分布范围较广，信道完全分离，一定程度上降低了不同用户间多址干扰（MAI）带来的影响。因此，Walsh码的性能较为优越。

CDMA的主要优点在于采用码分多址时传输带宽高，抗多径衰落性能和抗干扰性能较好，具有良好的信号隐蔽性和保护性，且允许相邻波束使用相同的频率[21]。但运行的过程中码同步时间较长且需要进行功率控制来解决远近效应，因而也限制了星间结构的多样性和卫星的数量。此外，由于受到扩频码片速率的限制，CDMA主要应用在低速数据业务中。在星地通信时，由于环境噪声，MAI等因素，对其捕获也较为困难。目前CDMA主要运用于对导航定位精度要求较高的动态拓扑飞行编队的多址接入。

3.2.3 FDMA多址接入方式

FDMA方式为每个用户分配了一个固定频段。为保证滤波过程中在既不损伤相应终端本该接收的信号，又能够准确地排除相邻信道干扰，通常在相邻的信道载波之间设有保护频带，保护频带大小通常与终端载波频率的准确度、稳定度和最大多普勒频移之差有关。FDMA实现方式简单，成本较低，不需要像TDMA方式或时隙Aloha方式进行全网络同步。由于非线性效应产生的互调噪声和设置保护带宽的共同影响，FDMA方式的带宽利用率较低[19]。文献[22]基于卫星控制网络SCN（Satellite Control Network）的情况，从频谱利用率，串扰影响，实现复杂度等方面对比了FDMA与CDMA技术，从总体来看，CDMA更适合于卫星控制网络。

以上三种固定多址方式实现较为简单，运行成本较低。由于固定方式的灵活性较差，使其难以适应大量的突发业务（数据，实时图像传输，定位等等，并且QoS需求能力多样）。并且基于传统的固定分配多址接入技术会极大地降低网络的带宽利用率，浪费昂贵的卫星信道资源。

3.3 混合型多址接入方式

混合式多址方式基于不同卫星结构场景，将多种经典多址协议进行结合，以弥补单一方式下缺点，实现灵活性接入和最大化资源利用率。文献[23-30]分别介绍了混合FDMA和TDMA的MF-TDMA方式[23-24]、混合CDMA与TDMA的T-CDMA方式[23，25]和混合CSMA与TDMA的LDMA（Load Division Multiple Access）[26-27]的三种混合多址方式的原理和应用。

3.3.1 MF-TDMA方式

结合FDMA和TDMA两种方式，MF-TDMA允许用户终端共享一系列不同速率的载波，并将每个载波进行时隙划分，通过综合调度时频二维资源，达到资源的灵活分配。

如今，MF-TDMA方式已成为宽带多媒体卫星系统的主流体制，包括德国诺达的SkyWAN系统，日本的WINDS和美国Spaceway3系统以及加拿大的VSATPlus3系统，这些系统也主要是运用星地之间通信[23]。

MF-TDMA方式在星间通信中的也有所运用。在文献[24]中将星间（Inter-Satellite）卫星通信距离范围分为NR（Normal Range）和 ER（Extended Range）两种情况，NR主要支持的是10～100 km范围内的高速率业务通信，而ER主要是指100 km以上的基本指控业务，其业务速率需求较小。

根据这两种范围情况，对MF-TDMA的时隙和带宽进行自适应分配，以节约功率开销和提升频带利用率。特殊情况下，通过改变帧结构为Dual Mode形式，并设置远端接入节点（Designated Node）以及释放其周围节点的方式来接入ER距离范围的高速率业务。这种自适应的MF-TDMA方式可实现远端高速业务，但同时加重了系统的复杂性，多跳方式也将会带来严重时延影响。

MF-TDMA作为良好的混合型协议，结合多波束星间通信方式，已成为运用较为广泛的混合型星间多址协议之一。不过随着技术的深入发展和卫星网络环境的日趋复杂，MF-TDMA的帧结构设计也愈加困难，这需要对其帧结构的设计找出新的解决思路。同时，为更好地优化资源分配以及服务质量，带宽动态分配，用户终端初始捕获、同步保持、功率和频率控制等问题也还需进一步的研究和讨论。

3.3.2 T-CDMA方式

T-CDMA结合TDMA和CDMA两种方式，在集群式卫星拓扑结构基础上，通过综合调度扩频码字和时隙二维资源，实现集群内用户之间通信与集群间主星通信的两种场景分离，满足通信需求。文献[25]分析了两种不同模式下T-CDMA多址方式的吞吐量和时延性，结果表明该方式较其他方式具有较高的吞吐性能和较小的时延性能。

（1）TDMA中心式（TDMA-centric）：如图5所示，以M1主星、S7、S5、S10、S11为集群，M2、M3为主星（类似与M1的集群）共同构成的三卫星集群。该方式的帧结构如图6所示，TDMA中心式为集群内每颗卫星提供良好的控制信道并根据不同业务的数据分组大小来分配可变数量的时隙（自适应TDMA）。同一集群采用相同的CDMA码字，不同集群码字不同，以达到群集间CDMA多址复用。不过，主星的发送需要明确群内卫星的发送时间，以免发生数据传输碰撞[26]。其中，对于主星的选择，作者考虑从优化传播功率损耗的角度并使用基于卫星距离的接近中心算法（Closeness Centrality Algorithm）[24]来选取最优的中心卫星作为集群中的主星（Master Satellites）。然后，利用主星实现集群内卫星（Slave satellites in Clusters）的通信交互以及完成集群间的通信。该方法无需像无线传感器网络那样定期修改主星，以减少通信开销。可以看出，T-CDMA协议适用于结构较为固定的集群型拓扑结构。在恶劣环境和较高动态的拓扑结构情况下，主星很可能无法持续运作，此时需要实时运行中心算法来实时更新主卫星，这在一定程度上增加了系统的计算。

图5 基于T-CDMA协议的集群式卫星分布场景

图6TDMA中心式帧结构图

（2）CDMA中心式（CDMA-centric）。针对TDMA中心式（TDMA-centric）的同步困难，主从卫星的发射串扰等问题，文献[28]提出了CDMA中心式方式（CDMA-centric），其帧结构如图7所示。CDMA中心式的集群内卫星均分配相应的码字，对于主星（Master Satellite）间通信，则采用自适应的TDMA方式，可根据集群内总业务量动态的调整时隙大小。

图7CDMA中心式帧结构图

以CDMA为中心的混合协议，其主要用于广播任务和分组大小相对固定的任务。

结果如图8所示，在轨道高度为300 km的9组卫星集群条件下，业务到达率为0.5时，CSMA/CA协议的时延高达1 000 s，而T-CDMA多址时延主要体现在传播时延上，仅为10～20 s左右。

另一方面，CSMA/CA协议由于竞争碰撞等因素，其最大归一化吞吐量只有0.18，而T-CDMA的吞吐量始终趋近于平稳，随着数据包数量的增加，吞吐量可接近于1（由于存在误码和丢包等情况影响）。

图8 （a） T-CDMA/CSMA的平均端到端时延

图8 （b） T-CDMA/CSMA的平均接入时延

图8 （c） T-CDMA/CSMA的吞吐量

T-CDMA协议的上述两种模式可运用于不同的业务场景。TDMA中心式混合协议可以用于数据包长度变化大的任务。当分组大小相对一致并且还需要向群集成员广播一些重要信息的任务（例如：接近操作）时，则可以采用CDMA中心式混合协议。

不同方式的选择主要取决于任务目标和整个系统中的卫星数量，但其帧结构的设计较为复杂，需要进一步的改进。

3.3.3 LDMA方式

文献[29]中提出了结合CSMA和TDMA的LDMA（Load Division Multiple Access）多址接入方式。LDMA方式原理如图9所示。在LDMA中，根据网络节点中的竞争情况可将用户终端分为两种接入模式：低争用级别（LCL）和高争用级别（HCL）。当节点处于低争用级别（LCL）时则采用CSMA多址接入方式。此外，CSMA方式下不采用RTS-CTS的握手方式传输数据包，而是根据碰撞数据包个数情况，适时发送广播ECN通知，进行LCL与HCL模式的切换；而当节点从接入端接收到明确争用通知（ECN）消息时，则从LCL模式切换至HCL模式。当用户节点处于HCL模式下时，则采用TDMA协议实现用户的多址接入，接入端为各用分配不同的时隙，避免碰撞。文献[29]基于高度为1 400 km的LEO极地轨道卫星拓扑结构模型下比较了LDMA、CSMA、TDMA三种方式下的时延和信道利用率。研究结果表明LDMA协议的信道利用率可达0.73，相同情况下，CSMA与TDMA的利用率分别只有0.43和0.61[30]。与此同时，LDMA的时延性能较CSMA也有了较大改善。

LDMA协议一方面弥补了在单一TDMA协议模式下需预知全网拓扑以及CSMA协议模式下低吞吐量、长时延等缺点。不过这种LDMA方式并没有考虑网络的扩展性能，在网络资源争用激烈的情况下，请求接入用户大大增加，切换至高争用级别HCL后采用仍采用TDMA方式，实现多用户的全网时钟同步的难度大大增加。

图9 LDMA原理实现流程

表1 不同的多址接入方式的策略

4 总结与展望

本文对现有的不同类型多址接入协议展开了详细介绍，将其分为基于竞争的分布式接入控制方式和基于无冲突的集中式分配方式以及混合多种协议的混合型多址接入方式的三种类型，其优缺点总结如表1所示。

考虑到卫星竞争空间信息网络的信道资源的随机行为日趋频繁，大规模卫星自组织环境网络日渐复杂，卫星接入信道未来将存在接入关系复杂、信道资源有限、拓扑结构时变，随机碰撞情况下的不确定时延等诸多因素。综上情况，空间信息网络多址接入协议未来发展方向及关键技术分析展望如下：

（1）基于无冲突的集中式固定分配方式的接入实现简单，运行成本较低，但其网络扩展性较差，对网络的规模存在一定限制。此外，资源的预先分配方式会导致资源利用率降低，浪费昂贵的卫星信道资源，难以适用于大量的突发业务。因此，基于无冲突的集中式固定分配方式主要用于业务较为单一、场景较为固定的拓扑结构。TDMA方式以其较低的实现成本运用在商业VSAT星地移动通信系统，满足地面用户通信。而CDMA方式以其较高的带宽和同步能力和保密性能运用在中高小编队卫星等高精度军事导航定位测量之中。固定接入方法在卫星数量较多、接入申请频繁、频谱资源不足时，会导致碰撞冲突概率增大、接入失败比率提高、资源申请周期增加，从而使得空间信息网络的服务能力和整体性能迅速下降。

随着空间信息网络的建立，一些新型应用场景和任务需求期望空间信息网络能够提供即时或长时段（连续多天且不间断）的服务，这给已有的固定分配模式带来了严峻的挑战。基于无冲突的集中式固定分配方式将会进一步根据需求进行调整，包括动态分配算法调整，资源复用方式，面向的业务类型扩展等等方面，未来，基于无冲突的集中式固定分配方式将以其低廉的建设成本优势占据一定的应用市场。

（2）由于异构卫星的信道资源随机竞争和卫星网络的复杂环境的情况存在，为实现实时响应和服务，基于竞争的分布式接入控制方式以其较低的计算复杂度等优势特点，实现在大时空尺度等因素影响下快速工作，提高了网络扩展性。然而，随着接入用户数量的增加会在一定程度上加剧网络时延，不能满足业务的时效性，并且带宽利用率相对较低。同时，竞争碰撞导致的重传转发，对卫星的存储容量提出了苛刻要求，额外消耗了有限的星载资源。

目前竞争的分布式接入控制方式主要运用在星间距离较近的集群式卫星拓扑结构，支持的业务类型较为单一，数据包长度较短。未来，基于竞争的分布式接入控制方式可以对数据帧结构进行进一步优化，改善竞争机制，简化接入算法等多方面开展研究，实现网络性能最优。

（3）基于混合多种协议的混合型多址接入方式，将多种多址协议进行结合，弥补了单一技术方式下的限制和缺点，有助于针对卫星系统复杂的网络环境进行动态调整接入方式。对于卫星通信的大尺度时空环境，需要根据形成的网络拓扑结构组合，业务需求类型以及设施成本等情况来决定一种或多址适合通信的接入协议来实现最佳的系统性能。

对于基于混合多种协议的混合型多址接入方式，找到最合适的融合程度，以缩短卫星资源申请和调度周期、提高卫星资源利用率、满足卫星系统的高时效性要求。

总而言之，今天在地球上的人工操作和调度方式将难以适用于未来繁重的空间任务，为了实现更高水平的自主权，还需重点研究空间信息网络的传输理论、网络资源接入的感知与优化配置方法、高动态时变网络资源智能协同方法，突破空间信息网络动态接入、超高速通信与互联[31]。未来，为实现空间信息网络高度自主性，空间信息网络多址接入技术将成为重点研究的方向。

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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

国家自然科学基金重点项目（No.61231012）；国家自然科学基金重大研究计划（No.91638101）。

王星宇（1994—），男，硕士研究生，主要研究领域为星间多址接入技术，E-mail：279368760@qq.com；李勇军（1979—），男，博士，副教授，硕士生导师，主要研究领域为卫星光通信与网络，空间微波光子技术等；赵尚弘（1964—），男，教授，博士生导师，主要研究领域为激光原理技术，卫星光通信与网络等。

2017-08-28

2017-09-29

1002-8331（2017）21-0008-09