【摘要】:图7-1空间信息网络多址接入需求高动态变化。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。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。
根据开放式互联(OSI)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层(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努力的方向。空间信息网络与一般的地面网络的环境场景区别较大,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4个方面。其主要特点对多址接入的影响如图7-1所示。
图7-1 空间信息网络多址接入需求
(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。他们之间没有固定的连接关系,其网络拓扑不停地快速变化,呈现出松耦合的状态,导致通信链路间断连通。以处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卫星为例,其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的自适应性和灵活性,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。从传播延时看,GEO卫星与LEO卫星间的单跳传输往返时延达0.25 s,长时延会降低对时间敏感度高业务的服务质量。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。
(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。随着在轨航天器数量的不断增加、业务需求的日趋多样化,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,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、重量等因素的影响,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。
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