天基信息网中飞行器集群分集接入技术*

闫朝星，王先朋，罗 翔，付林罡



天基信息网中飞行器集群分集接入技术*

闫朝星，王先朋，罗 翔，付林罡

（北京遥测技术研究所 北京 100076）

针对天基信息网中飞行器集群高效接入问题，首先介绍国内外卫星通信网络技术发展现状与典型飞行器自组网系统，然后在比较分析载波侦听与时隙ALOHA两类随机接入技术特性的基础上，提出一种基于多频时分多址体制的集群飞行器分集时隙接入方法，并考查该接入技术的系统吞吐量性能。结果表明，在网络集群节点发送2个复制包，中心站连续干扰消除的迭代次数为7次时，系统吞吐量性能可获大幅提升。

天基信息网；飞行器集群；随机接入；分集时隙接入；连续干扰消除

引 言

随着卫星通信技术向着宽带化和全IP化方向不断发展，卫星通信系统正试图与航空通信系统、地面通信系统融合，形成天地一体化的网络设计，提供高质量的通信服务[1]。天地一体化信息网络将是多种卫星信息系统的综合，包括高轨GEO与低轨LEO星座移动卫星通信系统、对地观测专用高分辨率遥感卫星系统以及卫星导航定位系统等[2]，为天基、空基、陆基和海基等各类用户提供信息保障。国外天地一体化信息网络项目主要包括NASA的空间通信与导航计划（SCaN）、美军的转型通信架构（TCA）、欧洲全球通信一体化空间架构（ISICOM）和国际海事卫星（INMARSAT）的BGAN SB-SAT等[3]。随着天基信息网络设施和技术的逐新发展成熟，地面5G移动通信技术进入商用阶段，可将天基与地面网络应用于天空地海物联网中，突破飞行器集群接入到天地一体化信息网的传输延迟与吞吐量技术瓶颈。

随着运载、导弹、临近空间飞行器和无人机测控通信任务的不断增多，测控通信基础设施的日益完善，以及空间互联网技术的逐渐成熟，把航天器导弹发射场测控监视、临近空间飞行器测控通信、无人机测控通信综合成一个空天地一体化组网测控通信系统，将能更充分地利用测控通信资源，全面掌握飞行器态势，解决空间组网的延迟和移动性管理问题，为最终实现空间物联网提供技术支持。它也将为我国航空航天、国家安全、应急救灾等多个领域的发展提供必要的保障，具有良好的应用前景，在军民领域都能产生巨大的经济效益。飞行自组网（FANET）是执行飞行器集群任务的使能技术，如DARPA小精灵项目、进攻性蜂群使能战术（OFFSET）项目、美国海军低成本无人机集群技术（LOCUST）项目等[4]。FANET具有高移动性、频繁拓扑变化、低延迟与高可靠性要求等特点。在复杂的战场电磁环境中，移动终端基于频谱感知的随遇/随机接入（Random Access）技术可有效解决战场环境中通信不可靠、网络频繁中断、拓扑变化剧烈、动态入网退网等问题[5,6]。

针对FANET路由协议[7]、网络架构[8]及网络安全等技术[9]国内外已有多篇研究文献，而涉及随机接入的关键技术与飞行器如何接入天基信息网络的文献较少。本文首先介绍天地一体化信息网络中典型的卫星通信网络系统与飞行自组网技术，然后在分析两类随机接入协议的基础上提出一种飞行器集群分集时隙接入方法，最后考查该随机接入方法的系统吞吐量性能。

1 天地一体化信息网络技术

1.1 卫星通信网络系统

欧美卫星通信公司已经取得了成功的市场运营经验，美国Hughes、Viasat、Comtech、Advantech、iDirect以及以色列Gilat等公司的产品都可实现对卫星通信设备的监视、控制和资源管理等功能，而低轨铱星NEXT星座于2019年1月完成75颗卫星的部署，提供机到机物联网、地面移动通信、航海与航空以及政府服务等几方面服务。代表国内先进水平的中星16号高通量点波束卫星采用了数字视频广播卫星回传信道（DVB-RCS）协议，天通通信卫星采用了混合频分多址/时分多址（FDMA/TDMA）体制，两者都采用了垂直一体化的封闭式运营模式。垂直一体化模式不同于传统Ku频段通信卫星开放模式的转发器租赁方式，卫星运营商通过运营卫星或租赁卫星容量、管理和运营地面网关基础设施，直接面向终端用户提供服务并收取费用。国内的“虹云”与“鸿雁”低轨星座也在2018年12月底发射首颗试验星，计划建成后提供移动通信、物联网、导航增强、航空服务等应用。

目前国内尚无统一的宽带卫星通信系统标准，高校与科研院所从网络资源管理与信号格式等方面展开了广泛的技术研究[10-13]，笔者研究了基于DVB-RCS的卫星通信系统的时频规划方案与终端网络信令流程[14]，以及身份认证与密钥交换等安全机制[15]。典型的卫星通信系统包含中心站和若干个固定站、便携站或车载/船载终端站，如由北京遥测技术研究所研制的SCPC/DAMA（Single Channel per Carrier/Demand Assigned Multiple Access）体制ASAT卫星通信网络系统，其架构如图1所示。中心站包含TDM（Time Division Multiplexing）信道机、ALOHA信道机和业务信道机，是整个网络发起者和维护者；外围站包含网管信道机和业务信道机。外围站要加入网络需先在中心站注册登记。在配置部署完毕后，该卫星通信网络系统工作流程如下：

①终端站开机首先进行网络搜索，搜索到中心站的TDM载波后，向中心站发送入网申请；

②中心站审核终端站的入网条件，并根据条件符合情况向终端站发送入网申请应答；

③终端站成功加入网络后，作为网络中的一个节点，接受卫星通信网络控制中心的统一监控，并可以申请和网内的任何一个节点进行业务通信。

该卫星通信网络系统支持星状网、网状网及混合组网，可变业务速率为64kb/s~8Mb/s。系统采用TCP/IP网络架构，对外提供标准网络接口，支持文件传输、VoIP（Voice over IP）语音、IP音视频等应用。终端采用L频段中频接口，仅需更改室外单元配置，就能够支持S、C、Ku、Ka等不同频段的通信需求。中心站通过VoIP语音网关接入PSTN（Public Switched Telephone Network）语音网络，即可实现与地面电话网的互联互通。中心站通过交换机接入地面IP网络，即可实现与地面IP网络的互联互通[16]。

由于卫星信道传输延时大，难以采用高效随机接入方式。传统的卫星网络随机接入只用于初始登陆或者低效报文传输，竞争信道的随机接入只是卫星通信系统业务中很少一部分。随着面向分组传输业务以及设备间物联网的发展，基于卫星的天基物联网随机接入技术需要高频率效率、能量效率和功率效率，同时还要求低信令与网络同步开销。

图1 ASAT卫星通信系统网状拓扑

1.2 飞行自组网FANET技术

国内无人机自组网技术研究尚处于起步阶段，正快速发展，大规模无人机组网通信主要还是以编队控制形式出现。北京遥测技术研究所在超近程无人机组网通信领域的核心技术已具有完全自主知识产权。基于抗多径衰落能力的COFDM（编码正交频分复用）技术与TDD-TDMA体制，实现了L频段空地低仰角链路下非对称宽带传输、多架飞行器机间超近程中继通信，如图2所示，数传速率在0.1Mb/s~10Mb/s。基于COFDM技术开发的FDD-TDMA体制移动终端分簇组网通信系统，簇内可承载10个1Mb/s速率节点且簇间可在线切换子网。联合COFDM与CDMA技术实现的L/U双频段临近空间飞行器短程宽带数据链如图3所示。

图2 超近程无人机飞行自组网系统

图3 中程飞行器组网测控系统

此外，采用单脉冲定向平板阵列天线，通过COFDM信号单脉冲测角技术与时频测距技术[17]实现了飞行器自动跟踪。在无人机自组网中，定向天线可以集中发射能量从而增大空间复用与作用距离，但定向MAC协议波束形成带来的挑战是聋问题和定向隐终端问题[18]。采用全向和定向天线的美军战术目标网络技术（TTNT）系统可基于统计优先多址（SPMA）技术将端到端时延控制在2ms内[19,20]。

2 自组网随机接入技术

移动自组网中的分布式TDMA协议的时隙分配策略可以分为两种，一种是固定分配类TDMA协议，另一种是动态分配类TDMA协议。固定分配TDMA协议根据网络中最大节点数量安排所有节点的传输时间，时延抖动小，性能比较稳定，扩展性比较差，适合实时性要求较高的业务。当负载较低时，空闲的信道难以被利用，固定分配TDMA协议的信道利用率比较低。动态分配TDMA协议与固定时隙分配相结合，对于混合业务流、突发业务流都有很好的适应性，同时也可以支持QoS的移动自组织网络。由于移动自组网拓扑结构动态变化、TDMA协议时隙复用等特点，移动自组网中的TDMA协议不可避免地存在时隙冲突的问题。

随机竞争MAC协议可以划分为ALOHA协议、CSMA协议和CSMA/CA协议等。ALOHA协议、时隙ALOHA[21]、分集时隙ALOHA（DSA）[22]不受传输延时影响，但是冲突概率较高，冲突解决分集时隙ALOHA（CRDSA）可降低冲突概率但复杂度相对较高[23-25]。载波侦听多址接入/冲突检测（CSMA/CD）、退避机制存在隐终端问题，更适用于有线传输；无线传输冲突避免方式CSMA/CA在信道空闲时退避后再竞争，应用在IEEE 802.11标准分布式协调功能（DCF），也存在隐终端问题。近距离通信系统中，这类协议在分组包传输所需时间大于传播时延时有较好的信道利用率、稳定性以及低延时特性[23]。

2.1 CSMA/CA协议

基于IEEE标准的CSMA/CA协议中默认的MAC帧在空中传播时间为1µs，即CSMA/CA协议默认的最大传输距离为300m。源站欲发送MAC帧时，先检测信道，若信道空闲，则等待一段分布式协调功能的帧间间隔（DIFS）时间，信道依旧空闲则发送MAC帧。目的站若正确收到此帧，经过短帧帧间间隔（SIFS）时间后，向源站发送一个确认帧ACK。若源站在超时时间ACKtimeout内没有收到确认帧ACK，则认为该MAC帧丢失，就必须经过若干次的重传，当重传到达重传限制后放弃发送[26]。

当传输距离增加至2km~3km时，数据包在空中传播的时间从默认的1µs增加到7µs~9µs。由于采用确认机制，源站的重传计时器依然按照1µs的空中传播时间计时，这样导致源站发送的MAC帧虽被目的站正确收到，但由于在ACKtimeout内源站没有收到来自目的站的ACK确认帧，源站认为该帧在传输过程中丢失，重传此帧。因此即便在信噪比和信号强度较好的情况下，依然不能完成通信。并且重传的数据包将会与正在路上的ACK发生碰撞，此时接入控制变为忙，进入协议的退避机制，吞吐量将降低。如果ACKtimeout时间设定的太长，源站发送在重传丢失的包之前会非必要地等待一段时间，也降低了吞吐量。合理地设定ACKtimeout是使用 CSMA/CA 协议进行飞行器间远距离通信时必须要考虑的问题。

2.2 ALOHA类技术

ALOHA算法又可分为纯ALOHA算法、时隙ALOHA算法（Slotted ALOHA）、帧时隙ALOHA算法（Framed Slotted ALOHA）[21]以及分集时隙ALOHA算法（Diversity Slotted ALOHA）[27]等。时隙ALOHA协议广泛应用于手机移动网、WiFi、船舶自动识别系统（AIS）以及卫星甚高频数据交换系统（VDES）中。

假设用户数据包到达时间为泊松过程，信道的平均负载为包/秒，如果每个数据包传输持续时间为秒，可以定义归一化的信道负载=。如果在一个数据包传输时间内没有其他数据包到达，则认为数据包发送成功。纯ALOHA算法系统吞吐量为=e–2G。当0.5时，0.5e-1»0.184，这是吞吐量可能达到的极大值。时隙ALOHA传输数据的平均吞吐量为=e。当=1时，达极大值max= (1-1/)-1，max值随站点数增大迅速下降，最后趋于e-1»0.368，当超过=20个站时，就可以利用无穷多站的模型得出结论。对于时隙ALOHA，不稳定区域位于>1的部分，如图4所示。时隙ALOHA算法的最大系统吞吐量是纯ALOHA算法的两倍[28]。分集时隙ALOHA机制是时隙ALOHA 协议的一种变型。用户每次发送分组时首先将待发送的分组复制多份，将这些分组在不同时隙发送，接收端则对同一个用户的分组加以区分[29]。

图4 时隙ALOHA与纯ALOHA的吞吐量曲线

3 飞行器集群随机接入技术

3.1 分集时隙随机接入

针对天基信息网络的集群自组网接入问题，设计MF-TDMA系统的分集接入ALOHA时隙，如图5所示。系统时隙由超帧、帧与时隙组成，TRF表示业务时隙，A与B表示互为复制包的接入时隙。超帧时长sf，由f个时长为f的帧组成，帧由个频点上的s个时长s的时隙组成，每个突发数据包的时隙长度相等，满足：

sf=ff，f=ss（1）

超帧与帧内的所有个频点之间频带保护间隔为G，个频点可不等宽，在不同频点的带宽为F，0≤≤1，可提供不同传输速率，系统总带宽为

超帧与帧内的所有等长时隙之间的时间保护间隔为g，有s=2g+p+d，其中p为前导长度，d为信令载荷长度。超帧内第=0频点及其带宽0为缺省初始入网载波，对应第帧的首时隙0,i为缺省初始入网时隙，0≤≤f–1，0,i时隙作为初始入网节点随机竞争接入的时隙；超帧内所有其他频点的首时隙T,i作为组网时随机控制信令时隙，不用于随机接入的入网过程。除随机接入时隙与信令时隙，其他时隙为业务时隙（TRF），由主节点按需分配给各集群节点。所有首时隙T,i的前导段为相同的独特字，系统接收端已知。

若飞行器在T,i时隙随机接入天基信息系统，则T,i时隙的信令段包含T,i复制包T,i'时隙在超帧中的位置'值，复制包的信令段包含T,i时隙在超帧中的位置信息。飞行器采用多个复制包作为随机接入时隙时，复制包个数记为N，每个复制包的信令段都包含其他时隙在超帧中的位置，一般限制为1≤N≤4。在中心站接收端针对组网节点信号采用连续干扰消除方法，解调出某个无冲突时隙的信息数据后，获得其复制包时隙位置并作为干扰信号进行消除，通过如此迭代来解调出所有随机接入节点的数据。下面分析该方法的性能。

3.2 随机接入性能分析

在MF-TDMA通信系统超帧内的个接入时隙中，某个时隙T上有数据包p的概率为

在同一时隙T上有个冲突数据包的概率为个数据包在同一时隙T且剩余–1–个数据包不在时隙T上，即

所以时隙T上只有数据包p没有冲突的概率为

其中，–1表示一个时隙内的最多冲突数据包个数。因此

下面举例分析飞行器集群组网中采用2复制包的分集随机接入时隙，如图6所示。设超帧内有10个入网时隙，期间有8个节点随机接入，中心站接收机在时隙1~时隙10分别接收到的接入信号为终端1与终端2叠加（记为U1+U2）、U4+U5、U1、U2+U8、U7+U8、U4、U6+U7、U3+U6、U3、U5。在迭代解调时，首先可直接解出U1、U3、U4、U5，第二次迭代可解出U2、U6，第三次迭代可解出U7、U8，至此所有8个用户可完全解出，一般设迭代次数最大为c=7。

图6 采用2复制包的分集时隙接入方法接收信号构成图

图7为飞行器集群组网中分集接入方法的迭代检测与系统吞吐量性能关系，在不同迭代次数下，系统吞吐量性能提升存在平台，在迭代次数为7次时一般达到性能平台。在不同业务负载范围内，= 0.6可达到系统最大吞吐量=0.53，该分集随机接入方法吞吐量比图4所示的传统纯ALOHA算法与时隙ALOHA算法大幅提升。

4 结束语

军民融合战略背景下的天基信息网络建设成为国家重大战略工程，飞行器集群需要高效地接入到卫星通信系统。在分析飞行器集群组网接入到天基卫星通信网络系统中的随机/随遇接入问题后，本文比较了基于CSMA/CA与ALOHA技术的两类自组网随机竞争接入技术，然后设计集群飞行器在采用MF-TDMA体制时的分集时隙接入方法，最后考查了系统吞吐量性能。结果表明，集群飞行器接入天基信息网时发送2个复制包可提升吞吐量性能。

图7 分集接入方法系统吞吐量性能

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Diversity slotted random access techniques for aircraft clusters in space-based information network

YAN Chaoxing, WANG Xianpeng, LUO Xiang, FU Lingang

（Beijing Research Institute of Telemetry, Beijing 100076, China）

For the aircraft clusters networking random access issues in the space-based information network, we firstly introduce the state-of-the-arts and development of satellite communication networking techniques and the typical airborne networking system. Then based on the characteristic comparison of the CSMA and slotted ALOHA random access techniques, we propose a diversity slotted ALOHA access scheme for the aircraft clusters using MF-TDMA. Finally we investigate the throughput of the proposed diversity random access method. Results show that it can achieve great improvement of system throughput in ad hoc networking clustered aircraft systems with 2 copies sent at transmitter and 7 iterations of successive interference cancellation at network controlling centers.

Space-based information network; Aircraft clusters; Random access; Diversity slotted access; Successive interference cancellation

TN929.5

A

CN11-1780(2019)02-0001-08

基金项目：科技部重点专项（2017YFC1405200，2018YFC1407201）

2019-01-29

2019-02-15

闫朝星 1985年生，博士，高级工程师，主要研究方向为数据链组网与卫星通信。

王先朋 1981年生，硕士，工程师，主要研究方向为嵌入式软件与通信网络。

罗 翔 1990年生，硕士，工程师，主要研究方向为测控通信与数据链组网。

付林罡 1982年生，硕士，高级工程师，主要研究方向为航天测控通信系统。