空間信息網絡多址接入技術研究進展

王星宇，李勇軍，趙尚弘

空軍工程大學 信息與導航學院，西安 710077

空間信息網絡多址接入技術研究進展

王星宇，李勇軍，趙尚弘

空軍工程大學 信息與導航學院，西安 710077

空間信息網絡具有高動態拓撲，大時空尺度、多樣化業務和星上資源受限等特點。隨著星間組網技術的日益成熟和航天活動的不斷增加，航天器用戶的動態多址接入問題已經成為影響網絡性能的關鍵因素，得到了國內外研究機構的廣泛關注。首先分析了典型多址接入技術的主要特點；然后在空間信息網絡場景中，對基于競爭的分布式接入控制、基于無沖突的集中式接入控制以及多協議混合接入控制等三種多址接入技術進行了性能分析，對比剖析了三種多址接入方法的優勢與不足。最后，分別提出了典型多址接入技術在未來空間信息網絡中的典型應用場景和適應性改造方法。

空間信息網絡；多址接入技術；動態接入；星間組網

1 引言

我國正處于空間信息網發展進程的關鍵時期，通信衛星、數據中繼衛星、高分辨率對地觀測衛星、北斗導航衛星、載人航天、探月工程等各類航天器系統，都呈現出全域覆蓋、網絡擴展和協同應用的發展趨勢，需要提升空間信息的時空連續支撐能力，解決高動態條件下空間信息的全天候、全天時快速響應和大范圍覆蓋問題[1]?？臻g信息網絡基本結構如圖1，包括：GEO（Geosynchronous orbit）衛星為主的骨干網、其他用戶航天器組成的接入網以及各類用戶以及地面控制站等部分。不同于地面信息網絡，空間信息網絡具有四個最突出特征，即網絡異構、業務異質、大時空尺度和網絡資源有限[2]。如何在滿足空間信息網絡突出特征條件下，使空間移動用戶終端在高動態過程中實現自主、快速入網，異構異質用戶與空間信息骨干網間的多址接入成為空間信息網絡組網亟需解決的關鍵科學問題[2]?？臻g多址接入的特點在于網絡無需根據接入點參數規劃進行配置更新，且用戶接入后也不會對整體網絡性能造成巨大影響，以此保證業務信息的連續性，實時性和可靠性，多址接入技術將成為未來空間信息網絡接入技術的必然發展方向。

面向空中和地面用戶，現有的衛星通信系統多址接入方式可分為以下兩類。一類為星間的多址接入方式，以美國TDRSS系統的按需多址接入為代表，采用了數字多波束結合相控陣天線的SMA（S-band Multiple Access）或KaMA（Kaband Multiple Access）方法，主要滿足天基測控通信和數據中繼需求[3]。該多址技術通常采用計劃驅動的方式，即在任務開始之前進行衛星資源的申請和使用。這種“申請—計劃—分配—執行”的預分配資源模式主要適合于任務規模、持續時間、資源占用量等事先明確的大型任務，但很難應用于實時性和帶寬需求高的任務[4]。另一類為星-地多址接入方式，以VSAT（Very Small Aperture Terminal）衛星移動通信系統為代表[5]。VSAT衛星移動通信系統由同步衛星、地面主站及分散的遠端地面分站共同組成。VSAT衛星移動通信系統的遠端分站通過衛星中繼接入地面主站，這種“分站-衛星-主站”中繼方式，可減少地面網絡設備的建設成本。在這種情況下，將同步衛星作為星上中繼站，可以解決地面通信站之間因地面地形，距離等因素而造成的通信受限問題。然而，這種相對位置較固定的星地通信方式，不符合空間信息網絡中用戶航天器與接入終端存在的高動態性特點，不可直接借鑒。

上述兩類衛星通信系統的多址接入方式在實時性、自主性、動態性方面無法滿足空間信息網絡多址接入的需求，很難支持空間信息的時空連續支撐和快速響應能力。本文針對星間多址接入技術的研究現狀，在空間信息網絡應用背景下，闡述了用戶航天器和空間骨干網間多址接入技術的內涵和特點，分析了基于競爭的分布式接入控制方式、基于無沖突的集中式分配方式以及混合型多址接入方式三種類型的多址方法，重點研究了各自的優勢特點與不足之處。最后，提出了三種類型的多址接入方法在未來空間信息網絡中進行適應性改造的方法，并對下一步的發展給出了建議。

2 空間信息網絡特點對多址接入的影響

根據OSI（Open System Interconnection）協議模型的劃分，數據鏈路層承擔幀同步、差錯控制、物理尋址、接入控制等功能。

數據鏈路層的媒體介入控制MAC層（Media Access Control，MAC）主要負責接入控制，如何更有效地控制節點接入信道，提高共享衛星信道資源能力，一直是MAC層多址接入協議設計所致力于的方向[6]?？臻g信息網絡與一般的地面網絡的環境場景區別較大，其主要體現在：拓撲高動態變化，時空尺度大、業務需求多樣化和星上資源受限四個方面。其主要特點對多址接入的影響總結如圖2所示。

（1）高動態變化：空間信息網絡中，接入終端通常由不同軌道、不同種類的飛行器構成。它們之間沒有固定的連接關系，其網絡拓撲也在快速變化，呈現出松耦合的狀態，導致通信鏈路間斷連通。以在靜止軌道的天基骨干網的GEO衛星為參考點，軌道高度為300 km的LEO衛星的相對運動速度可高達3 km/s。假設信號全向傳播且不考慮其他因素影響，在一個周期內，兩者之間的通信持續時間也僅有120 min。對此，考慮在網絡拓撲的高動態變化而導致不穩定鏈路的情況下，則需要多址接入具有較強自適應性和靈活性，在一定程度上增加了多址接入設計的復雜性。

（2）大時空尺度：從傳播時延來說，GEO衛星與LEO衛星間的單跳傳輸往返時延可達0.25 s，長時延會降低實時性業務的服務質量。因此，星間多址接入方案必須以較低計算復雜度來實現快速響應，避免進一步增加時延，惡化網絡性能；從用戶位置區域看，用戶分散的空間范圍廣，要實現對航天器用戶全天候、全天時的覆蓋，多址方案需要確保分散在各個軌道上的不同航天器用戶具有對等接入機會，保證多址接入的公平性。針對大時空尺度下的復雜信道情況，多址方案必須具備靈活性和穩定性，保證網絡可動態接入和快速重構[7]。

（3）業務需求多樣化：從服務角度看，空間信息網絡業務種類包括中繼業務、通信業務和測控業務；從應用角度來看，業務種類包括話音業務、數據業務、圖像業務及視頻業務，不同業務類型的服務質量要求迥異，對衛星信道資源需求差異巨大。隨著在軌航天器數量不斷增加和日趨多樣化的業務需求，這不僅需要空間信息網絡根據不同業務的服務質量需求提供相應的接入策略，而且要求接入方式具有可擴展能力，大大增加了多址接入的實現難度。

（4）星上資源受限：受航天器體積重量等因素影響，致使星上能量資源受限。在多址接入網絡中，提高資源的利用率顯得尤為重要。同時，考慮到星上有限的計算處理能力在能量受限的條件下，空間信息網絡的多址接入還需考慮采用更加優化的接入算法來實現較高的能量使用率。因此，優化接入算法也成為多址接入設計過程中著重考慮的方面之一[8-9]。

圖2 空間信息網絡多址接入需求

3 空間信息網絡多址接入技術

目前，對小型衛星通信系統中星間通信的各種多址接入方法研究較為廣泛，其主要分為基于競爭的分布式接入控制方式和基于無沖突的集中式分配方式以及混合多種協議的混合型多址接入技術的三種類型。

3.1 基于競爭的分布式接入控制多址方式

采用基于競爭的分布式接入控制多址方式情況下，航天器用戶通過接入控制協議實時獲得信道接入信息，并通過相關算法進行競爭接入。該方式主要包括：ALOHA協議[10]、基于載波監聽/沖突避免CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）方式下以及為適用于衛星的多址方式而改進的IEEE802.11無線局域網MAC協議[11-12]。

3.1.1 Aloha協議

Aloha協議主要利用的是“想發既發，碰撞后隨機退避重發”的簡單方式實現用戶多址接入。

20世紀70年代以來，有多種ALOHA多址協議運用于衛星通信。包括：純ALOHA、時隙ALOHA、預約ALOHA以及擴頻ALOHA的SAMA（Spread Aloha Multiple Access）協議等[13]。ALOHA協議技術簡單，且對信道的傳播時延沒有限制，因而在短報文低、速率傳輸衛星分組通信業務中得到了一定的應用。雖然在強突發性業務情況下，ALOHA的信道效率較固定分配方式高，但是純ALOHA協議的理論最大吞吐率也只有0.184，即使增加全網同步后改進的時隙-ALOHA協議理論吞吐率也僅僅增大到了0.368[14]，資源利用率仍然較低。

對此，時隙ALOHA基礎上又發展出來一種稱之為預約ALOHA（R-ALOHA）的協議，它改善了前兩者較低的吞吐量動態范圍和時延的穩定性，較前兩者更實用。不過由于其申請預約需要系統資源和增加傳輸延時，如果數據報文與預約請求本身的數據相差不大時，將會造成資源的浪費并降低了系統的實時性。所以，R-ALOHA不適合短數據包傳輸的情況[15]。另外，還有一種結合CDMA擴頻技術的SAMA協議。該協議實現了用戶發送時間與數據包碰撞概率的無關性，改善了網絡的吞吐量和時延性能。最大的特點是SAMA技術還兼具CDMA技術的抗干擾和加密能力。這種多址協議在最初的VSAT移動衛星通信系統中得到了廣泛應用[16]。

在基于ALOHA競爭方式的多址協議中，數據包的碰撞概率會隨著同時請求接入的衛星終端數量的增加而急劇增大，影響了系統的穩定性，極大限制了其在衛星通信系統中的應用。另一方面，競爭接入的方式對衛星的存儲容量提出了苛刻要求，額外消耗了有限的星載資源。

3.1.2 IEEE802.11改進型星間多址協議

IEEE802.11改進型星間多址協議基于CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance）多址技術原理，將碰撞后用戶的再接入時間分別按照一定的退避算法進行退避延后，從而降低系統碰撞概率和擁塞程度。傳統的IEEE802.11協議規定四種不同的幀間隙：SIFS（Short Inter-Frame Space）、DIFS（Distributed Inter-Frame Space）、EIFS（Extended Inter-Frame Space）來設置響應時間和偵聽時長。但在衛星場景下，衛星間距離范圍遠遠大于協議設計之初的300 m通信范圍。因而，需要根據具體的通信距離來改變退避時隙（Slot time）大小支撐衛星場景。

圖3 基于改進型IEEE802.11協議的星間多址協議原理

文獻[11]通過OPNET結合STK仿真軟件模擬了距離300 km范圍內的集群式衛星結構，并得出滿足穩定的吞吐量情況下的最優時隙（Slot time）大小，以減少端到端延時。同時，作者改變傳統基于二進制的退避算法來設置的退避窗口大小的方法，采用根據碰撞情況來設置不同退避窗口最大值，以適應長距離，高延時的通信情況。文獻[12]提出了僅在“RTS-CTS握手階段”及“幀接收成功確認ACK階段”采用廣播的方式通知所有節點和傳輸時采用指向型的自適應天線方式來提升能量的利用效率，原理如圖3所示。

常見的衛星場景包括：簇群式星群（Cluster），鏈式星群（A-train），星座式星群（Constellation）[6，8]。文獻[12]以該三種衛星應用場景為背景，分別從端到端時延，接入時延和吞吐量三個方面進行了分析和對比，其結果如圖4。不同的星群結構的傳輸距離將直接影響接入時延和退避偵聽等效果，使得該協議在不同結構之間的性能存在差異?？偟膩砜?，該機制端到端時延較大，平均端到端時延和平均接入時延最大分別可達1 700 s和200 s，不適合實時業務而對于最大歸一化吞吐量（單位時間內成功接收數據包個數與總生成包個數之比）最大也只有0.25，效率較低。

改進型IEEE802.11無線局域網MAC協議的主要特點如下：（1）接入控制方式簡單，可以根據業務類型對數據幀設置不同接入優先級；（2）同步要求低，可應用于變化較大的拓撲網絡當中；（3）用于減少系統碰撞率的隨機退避機制降低了系統的時延性能；（4）復雜的星間信道情況將直接影響信道偵聽的結果，增加了系統的不穩定性。

圖4 （a） IEEE802.11的平均端到端時延

圖4 （b） IEEE802.11的平均接入時延

圖4 （c） IEEE802.11的吞吐量

目前，改進型IEEE802.11無線局域網MAC協議接入控制方式主要支持短數據包業務傳輸，還難以適用于大容量和實時性要求較高的業務。為降低系統計算復雜度，實現網絡快速相應，降低接入延時，該協議還需結合空間信息網絡的需求特點，從設計高效的沖突檢測和隨機退避機制，改進面向于隨機接入用戶的CSMA多址算法等技術方面進行進一步的研究和擴展。

3.2 基于無沖突的集中式分配多址接入方式

在基于無沖突的集中式分配的多址方式情況下，接入控制衛星通過集中式資源調度的方式為每個航天器用戶分配相應的固定資源，實現多用戶的無沖突接入。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、文獻[17-22]分別介紹了TDMA、CDMA、FDMA方式在衛星通信場景上的運用和相關特點與優勢。

3.2.1 TDMA多址接入方式

TDMA方式需要在所有的收發端中進行時間上的網絡同步，使每個接入用戶都能在指定的時間段內發送數據[17]。采用TDMA方式時，系統的負載越小，反而由于存在較多空閑時隙，降低了信道利用率。并且，對于大時空尺度的星間通信來說，還需要設置一定的保護間隙，以解決因距離差異產生的同步時延差?？梢钥闯?，TDMA方式并不滿足需高效利用資源的衛星通信。

為適應于衛星通信系統，TDMA技術經過一定的發展，現主要運用在星地相對運動較小的衛星移動通信系統，如VSAT移動通信系統[20]。與此發展來的擴展時分多址（ETDMA）嘗試通過分配時間來提供多類型業務的支持，可在站點數較少情況下提供語音、視頻等多類型業務的傳輸，不過擴展的方式找到有效的時間表是不容易的。另外，作為未來TDMA運用在衛星通信的主要形式之一的自適應時隙分配TDMA方式，根據通信量的大小調整時隙的寬度并按需使用時隙的方法在一定程度提升了信道利用率。

總的來看，以TDMA協議為基礎發展而來的多種時分多址接入方式的靈活性和擴展性還需亟待提高。如何實現網絡中各終端嚴格同步，保證資源高效利用，是采用TDMA方式時亟待解決的關鍵問題。

3.2.2 CDMA多址接入方式

文獻[18]比較了CDMA多址技術下Walsh碼和Gold碼兩種偽隨機碼性能。對于Gold碼，其正交性較差，多址干擾嚴重（MAI），誤碼率較高。但其擴頻序列碼字長度較長，因而帶寬使用率較高，可以抵消因自相關性而產生多徑串擾（ISI）影響。從正交性來看，Walsh碼正交性強，但碼字較短，多徑串擾影響嚴重。不過由于實際衛星的分布范圍較廣，信道完全分離，一定程度上降低了不同用戶間多址干擾（MAI）帶來的影響。因此，Walsh碼的性能較為優越。

CDMA的主要優點在于采用碼分多址時傳輸帶寬高，抗多徑衰落性能和抗干擾性能較好，具有良好的信號隱蔽性和保護性，且允許相鄰波束使用相同的頻率[21]。但運行的過程中碼同步時間較長且需要進行功率控制來解決遠近效應，因而也限制了星間結構的多樣性和衛星的數量。此外，由于受到擴頻碼片速率的限制，CDMA主要應用在低速數據業務中。在星地通信時，由于環境噪聲，MAI等因素，對其捕獲也較為困難。目前CDMA主要運用于對導航定位精度要求較高的動態拓撲飛行編隊的多址接入。

3.2.3 FDMA多址接入方式

FDMA方式為每個用戶分配了一個固定頻段。為保證濾波過程中在既不損傷相應終端本該接收的信號，又能夠準確地排除相鄰信道干擾，通常在相鄰的信道載波之間設有保護頻帶，保護頻帶大小通常與終端載波頻率的準確度、穩定度和最大多普勒頻移之差有關。FDMA實現方式簡單，成本較低，不需要像TDMA方式或時隙Aloha方式進行全網絡同步。由于非線性效應產生的互調噪聲和設置保護帶寬的共同影響，FDMA方式的帶寬利用率較低[19]。文獻[22]基于衛星控制網絡SCN（Satellite Control Network）的情況，從頻譜利用率，串擾影響，實現復雜度等方面對比了FDMA與CDMA技術，從總體來看，CDMA更適合于衛星控制網絡。

以上三種固定多址方式實現較為簡單，運行成本較低。由于固定方式的靈活性較差，使其難以適應大量的突發業務（數據，實時圖像傳輸，定位等等，并且QoS需求能力多樣）。并且基于傳統的固定分配多址接入技術會極大地降低網絡的帶寬利用率，浪費昂貴的衛星信道資源。

3.3 混合型多址接入方式

混合式多址方式基于不同衛星結構場景，將多種經典多址協議進行結合，以彌補單一方式下缺點，實現靈活性接入和最大化資源利用率。文獻[23-30]分別介紹了混合FDMA和TDMA的MF-TDMA方式[23-24]、混合CDMA與TDMA的T-CDMA方式[23，25]和混合CSMA與TDMA的LDMA（Load Division Multiple Access）[26-27]的三種混合多址方式的原理和應用。

3.3.1 MF-TDMA方式

結合FDMA和TDMA兩種方式，MF-TDMA允許用戶終端共享一系列不同速率的載波，并將每個載波進行時隙劃分，通過綜合調度時頻二維資源，達到資源的靈活分配。

如今，MF-TDMA方式已成為寬帶多媒體衛星系統的主流體制，包括德國諾達的SkyWAN系統，日本的WINDS和美國Spaceway3系統以及加拿大的VSATPlus3系統，這些系統也主要是運用星地之間通信[23]。

MF-TDMA方式在星間通信中的也有所運用。在文獻[24]中將星間（Inter-Satellite）衛星通信距離范圍分為NR（Normal Range）和 ER（Extended Range）兩種情況，NR主要支持的是10～100 km范圍內的高速率業務通信，而ER主要是指100 km以上的基本指控業務，其業務速率需求較小。

根據這兩種范圍情況，對MF-TDMA的時隙和帶寬進行自適應分配，以節約功率開銷和提升頻帶利用率。特殊情況下，通過改變幀結構為Dual Mode形式，并設置遠端接入節點（Designated Node）以及釋放其周圍節點的方式來接入ER距離范圍的高速率業務。這種自適應的MF-TDMA方式可實現遠端高速業務，但同時加重了系統的復雜性，多跳方式也將會帶來嚴重時延影響。

MF-TDMA作為良好的混合型協議，結合多波束星間通信方式，已成為運用較為廣泛的混合型星間多址協議之一。不過隨著技術的深入發展和衛星網絡環境的日趨復雜，MF-TDMA的幀結構設計也愈加困難，這需要對其幀結構的設計找出新的解決思路。同時，為更好地優化資源分配以及服務質量，帶寬動態分配，用戶終端初始捕獲、同步保持、功率和頻率控制等問題也還需進一步的研究和討論。

3.3.2 T-CDMA方式

T-CDMA結合TDMA和CDMA兩種方式，在集群式衛星拓撲結構基礎上，通過綜合調度擴頻碼字和時隙二維資源，實現集群內用戶之間通信與集群間主星通信的兩種場景分離，滿足通信需求。文獻[25]分析了兩種不同模式下T-CDMA多址方式的吞吐量和時延性，結果表明該方式較其他方式具有較高的吞吐性能和較小的時延性能。

（1）TDMA中心式（TDMA-centric）：如圖5所示，以M1主星、S7、S5、S10、S11為集群，M2、M3為主星（類似與M1的集群）共同構成的三衛星集群。該方式的幀結構如圖6所示，TDMA中心式為集群內每顆衛星提供良好的控制信道并根據不同業務的數據分組大小來分配可變數量的時隙（自適應TDMA）。同一集群采用相同的CDMA碼字，不同集群碼字不同，以達到群集間CDMA多址復用。不過，主星的發送需要明確群內衛星的發送時間，以免發生數據傳輸碰撞[26]。其中，對于主星的選擇，作者考慮從優化傳播功率損耗的角度并使用基于衛星距離的接近中心算法（Closeness Centrality Algorithm）[24]來選取最優的中心衛星作為集群中的主星（Master Satellites）。然后，利用主星實現集群內衛星（Slave satellites in Clusters）的通信交互以及完成集群間的通信。該方法無需像無線傳感器網絡那樣定期修改主星，以減少通信開銷?？梢钥闯?，T-CDMA協議適用于結構較為固定的集群型拓撲結構。在惡劣環境和較高動態的拓撲結構情況下，主星很可能無法持續運作，此時需要實時運行中心算法來實時更新主衛星，這在一定程度上增加了系統的計算。

圖5 基于T-CDMA協議的集群式衛星分布場景

圖6TDMA中心式幀結構圖

（2）CDMA中心式（CDMA-centric）。針對TDMA中心式（TDMA-centric）的同步困難，主從衛星的發射串擾等問題，文獻[28]提出了CDMA中心式方式（CDMA-centric），其幀結構如圖7所示。CDMA中心式的集群內衛星均分配相應的碼字，對于主星（Master Satellite）間通信，則采用自適應的TDMA方式，可根據集群內總業務量動態的調整時隙大小。

圖7CDMA中心式幀結構圖

以CDMA為中心的混合協議，其主要用于廣播任務和分組大小相對固定的任務。

結果如圖8所示，在軌道高度為300 km的9組衛星集群條件下，業務到達率為0.5時，CSMA/CA協議的時延高達1 000 s，而T-CDMA多址時延主要體現在傳播時延上，僅為10～20 s左右。

另一方面，CSMA/CA協議由于競爭碰撞等因素，其最大歸一化吞吐量只有0.18，而T-CDMA的吞吐量始終趨近于平穩，隨著數據包數量的增加，吞吐量可接近于1（由于存在誤碼和丟包等情況影響）。

圖8 （a） T-CDMA/CSMA的平均端到端時延

圖8 （b） T-CDMA/CSMA的平均接入時延

圖8 （c） T-CDMA/CSMA的吞吐量

T-CDMA協議的上述兩種模式可運用于不同的業務場景。TDMA中心式混合協議可以用于數據包長度變化大的任務。當分組大小相對一致并且還需要向群集成員廣播一些重要信息的任務（例如：接近操作）時，則可以采用CDMA中心式混合協議。

不同方式的選擇主要取決于任務目標和整個系統中的衛星數量，但其幀結構的設計較為復雜，需要進一步的改進。

3.3.3 LDMA方式

文獻[29]中提出了結合CSMA和TDMA的LDMA（Load Division Multiple Access）多址接入方式。LDMA方式原理如圖9所示。在LDMA中，根據網絡節點中的競爭情況可將用戶終端分為兩種接入模式：低爭用級別（LCL）和高爭用級別（HCL）。當節點處于低爭用級別（LCL）時則采用CSMA多址接入方式。此外，CSMA方式下不采用RTS-CTS的握手方式傳輸數據包，而是根據碰撞數據包個數情況，適時發送廣播ECN通知，進行LCL與HCL模式的切換；而當節點從接入端接收到明確爭用通知（ECN）消息時，則從LCL模式切換至HCL模式。當用戶節點處于HCL模式下時，則采用TDMA協議實現用戶的多址接入，接入端為各用分配不同的時隙，避免碰撞。文獻[29]基于高度為1 400 km的LEO極地軌道衛星拓撲結構模型下比較了LDMA、CSMA、TDMA三種方式下的時延和信道利用率。研究結果表明LDMA協議的信道利用率可達0.73，相同情況下，CSMA與TDMA的利用率分別只有0.43和0.61[30]。與此同時，LDMA的時延性能較CSMA也有了較大改善。

LDMA協議一方面彌補了在單一TDMA協議模式下需預知全網拓撲以及CSMA協議模式下低吞吐量、長時延等缺點。不過這種LDMA方式并沒有考慮網絡的擴展性能，在網絡資源爭用激烈的情況下，請求接入用戶大大增加，切換至高爭用級別HCL后采用仍采用TDMA方式，實現多用戶的全網時鐘同步的難度大大增加。

圖9 LDMA原理實現流程

表1 不同的多址接入方式的策略

4 總結與展望

本文對現有的不同類型多址接入協議展開了詳細介紹，將其分為基于競爭的分布式接入控制方式和基于無沖突的集中式分配方式以及混合多種協議的混合型多址接入方式的三種類型，其優缺點總結如表1所示。

考慮到衛星競爭空間信息網絡的信道資源的隨機行為日趨頻繁，大規模衛星自組織環境網絡日漸復雜，衛星接入信道未來將存在接入關系復雜、信道資源有限、拓撲結構時變，隨機碰撞情況下的不確定時延等諸多因素。綜上情況，空間信息網絡多址接入協議未來發展方向及關鍵技術分析展望如下：

（1）基于無沖突的集中式固定分配方式的接入實現簡單，運行成本較低，但其網絡擴展性較差，對網絡的規模存在一定限制。此外，資源的預先分配方式會導致資源利用率降低，浪費昂貴的衛星信道資源，難以適用于大量的突發業務。因此，基于無沖突的集中式固定分配方式主要用于業務較為單一、場景較為固定的拓撲結構。TDMA方式以其較低的實現成本運用在商業VSAT星地移動通信系統，滿足地面用戶通信。而CDMA方式以其較高的帶寬和同步能力和保密性能運用在中高小編隊衛星等高精度軍事導航定位測量之中。固定接入方法在衛星數量較多、接入申請頻繁、頻譜資源不足時，會導致碰撞沖突概率增大、接入失敗比率提高、資源申請周期增加，從而使得空間信息網絡的服務能力和整體性能迅速下降。

隨著空間信息網絡的建立，一些新型應用場景和任務需求期望空間信息網絡能夠提供即時或長時段（連續多天且不間斷）的服務，這給已有的固定分配模式帶來了嚴峻的挑戰?；跓o沖突的集中式固定分配方式將會進一步根據需求進行調整，包括動態分配算法調整，資源復用方式，面向的業務類型擴展等等方面，未來，基于無沖突的集中式固定分配方式將以其低廉的建設成本優勢占據一定的應用市場。

（2）由于異構衛星的信道資源隨機競爭和衛星網絡的復雜環境的情況存在，為實現實時響應和服務，基于競爭的分布式接入控制方式以其較低的計算復雜度等優勢特點，實現在大時空尺度等因素影響下快速工作，提高了網絡擴展性。然而，隨著接入用戶數量的增加會在一定程度上加劇網絡時延，不能滿足業務的時效性，并且帶寬利用率相對較低。同時，競爭碰撞導致的重傳轉發，對衛星的存儲容量提出了苛刻要求，額外消耗了有限的星載資源。

目前競爭的分布式接入控制方式主要運用在星間距離較近的集群式衛星拓撲結構，支持的業務類型較為單一，數據包長度較短。未來，基于競爭的分布式接入控制方式可以對數據幀結構進行進一步優化，改善競爭機制，簡化接入算法等多方面開展研究，實現網絡性能最優。

（3）基于混合多種協議的混合型多址接入方式，將多種多址協議進行結合，彌補了單一技術方式下的限制和缺點，有助于針對衛星系統復雜的網絡環境進行動態調整接入方式。對于衛星通信的大尺度時空環境，需要根據形成的網絡拓撲結構組合，業務需求類型以及設施成本等情況來決定一種或多址適合通信的接入協議來實現最佳的系統性能。

對于基于混合多種協議的混合型多址接入方式，找到最合適的融合程度，以縮短衛星資源申請和調度周期、提高衛星資源利用率、滿足衛星系統的高時效性要求。

總而言之，今天在地球上的人工操作和調度方式將難以適用于未來繁重的空間任務，為了實現更高水平的自主權，還需重點研究空間信息網絡的傳輸理論、網絡資源接入的感知與優化配置方法、高動態時變網絡資源智能協同方法，突破空間信息網絡動態接入、超高速通信與互聯[31]。未來，為實現空間信息網絡高度自主性，空間信息網絡多址接入技術將成為重點研究的方向。

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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

國家自然科學基金重點項目（No.61231012）；國家自然科學基金重大研究計劃（No.91638101）。

王星宇（1994—），男，碩士研究生，主要研究領域為星間多址接入技術，E-mail：279368760@qq.com；李勇軍（1979—），男，博士，副教授，碩士生導師，主要研究領域為衛星光通信與網絡，空間微波光子技術等；趙尚弘（1964—），男，教授，博士生導師，主要研究領域為激光原理技術，衛星光通信與網絡等。

2017-08-28

2017-09-29

1002-8331（2017）21-0008-09