空天通信网接入终端协议的研究

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8.“网络空间安全”重点专项2016年度项目申报指南(指南编制专家名单、形式审查条件要求)

附件8“网络空间安全”重点专项2016年度项目申报指南依据《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，科技部在全国范围内征集了网络空间安全技术研究建议。

在整理相关建议的基础上，科技部会同有关部门组织开展了《网络空间安全重点专项实施方案》编制工作，并经综合各方意见，启动“网络空间安全重点专项”2016年度首批项目，并发布本指南。

本专项总体目标是：贯彻落实中央网络安全和信息化领导小组工作部署，聚焦网络安全紧迫技术需求和重大科学问题，坚持开放发展，着力突破网络空间安全基础理论和关键技术，研发一批关键技术装备和系统，逐步推动建立起与国际同步，适应我国网络空间发展的、自主的网络空间安全保护技术体系、网络空间安全治理技术体系和网络空间测评分析技术体系。

本专项围绕：网络与系统安全防护技术研究、开放融合环境下的数据安全保护理论与关键技术研究、大规模异构网络空间中的可信管理关键技术研究、网络空间虚拟资产保护创新方法与关键技术研究、网络空间测评分析技术研究等5个创新链（技术方向）部署32个重点研究任务，专项实施周期为5年，即2016年—2020年。

按照分步实施、重点突出原则，首批在5个技术方向启动8个项目。

针对任务中的研究内容，以项目为单位进行申报。

项目设1名项目负责人，项目下设课题数原则上不超过5个，每个课题设1名课题负责人，每个课题承担单位原则上不超过5个。

1. 网络与系统安全防护技术研究方向1.1 创新性防御技术机制研究（基础前沿类）研究内容：针对现有防御技术难以有效应对未知漏洞/后门带来的严峻挑战，探索不依赖漏洞/后门具体特征等先验信息的创新型主动防御机理，发展基于“有毒带菌”构件及组件建立风险可控信息系统的“沙滩建楼”式系统安全方法和技术，从体系结构层面大幅提高攻击难度和代价，显著降低网络空间安全风险。

具体内容包括：提出和构建“改—1—变游戏规则”的创新性防御理论体系，研究理论模型、安全架构和度量评估方法；研究面向网络、平台、运行环境、软件和数据的创新型防御共性关键技术，提供风险可控的执行环境和网络通道，确保核心任务安全，显著提高系统安全性；研究基于所提出的创新型防御理论、方法和技术的网络空间核心关键设备原型样机并开展原理验证。

浅析空天信息网络接入体制

浅析空天信息网络接入体制作者：曹强来源：《世纪之星·交流版》2017年第06期[摘要]空天信息网络宽带接入体制的最佳多址体制是FDMA体制，但是FDMA存在频谱效率低、非线性效应等影响，需要通过信号调制体制的选择来进行适当的削弱，因此在本文中设计了一种CPM-FDMA多址接入体制应用于空天信息网络中。

将CPM-FDMA体制和现有的QPSK-FDMA从性能进行了分析比较，证明了CPM-FDMA体制的有优越性，并通过工程应用进行验证信号的特性。

[关键词]CPM；FDMA目前在卫星通信系统中，QPSK依旧是主要被采用的调制方式，应用非常广泛，然而随着空间信息环境的复杂性和终端功能的多样性能的扩展和提升，空间资源愈发宝贵，对于数据传输率和频谱效率要求也越来越高，现有的QPSK调制体制所具备的点：相位变化是离散的，体现在功率谱上就是主瓣较宽，旁瓣衰减较慢，频谱利用率不高等，越来越无法满足未来天基网络高速多址发展的需求，另一方面，CPM调制体制下的信号所具有相位连续性；功率谱中主瓣以外的衰减较快；对相邻信道产生的干扰较小；频谱利用率高且信号本身具有的恒包络特性受高功放的非线性效应影响小等等特点较符合空天网络的发展趋势。

故结合空天宽带多址接入的需求，针对提出的 CPM-FDMA体制与现有的QPSK-FDMA对比分析并进行可行性验证。

一、CPM信号与QPSK信号对比1.信号相位变化不加成形滤波器的QPSK信号相位变化是离散的，其信号包络为恒包络，但不加成形的QPSK信号带宽较宽，为了压缩信号频谱，实际使用中通常采用升余弦滚降滤波器。

CPM信号在调制过程中码元与成形脉冲类似卷积编码的方式，不需要额外的滤波器进行带宽限制。

由于相位以积分方式增加，因此CPM相位是连续的，连续的相位使得信号占用带宽较窄。

2.信号包络对比QPSK信号，虽然成形因子越小，信号带宽越窄，但是信号的包络起伏却是急剧增加的，并且由于存在1800相位转移，因此存在过零点的情况，更加加剧了信号的包络起伏，使得功放必须回退才能对信号进行无失真放大。

天地一体化信息网络协议体系与传输性能简析

天地一体化信息网络协议体系与传输性能简析作者：杨冠男李文峰张兴敢来源：《中兴通讯技术》2016年第04期摘要：对于中国天地一体化信息网络（ISTIN）的构建，针对可能采用的两种网络协议体系，即传输控制协议（TCP）/IP和容迟容断网络（DTN），以3颗地球静止轨道（GEO）卫星组成天基骨干网络为例，分析了3种基本传输场景下的主要挑战，通过计算机半实物仿真开展了协议传输性能的测试。

试验结果表明：尽管DTN协议与TCP-Hybla改进协议能够获得较好的传输性能，由于时延与误码率（BER）等参数存在较大的动态范围，没有一种协议能够在所有传输场景下保持传输性能始终最优。

天地一体化信息网络协议体系的性能仍有待进一步提高。

关键词：ISTIN；协议；传输性能中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2016） 04-0039-007天地一体化信息网络是中国国防信息化和信息化社会建设的重要基础设施。

天地一体化信息网络中的“天”是指由卫星等航天器作为主要节点组成的天基网络，而“地”主要指由地面站网络、卫星应用专网、互联网以及各类地面用户等共同组成的地球表面网络。

通过网络架构与协议体系层面的设计，屏蔽天、地各类系统在技术体制层面的差异，为用户提供跨系统的、无需区分天地的各种服务与应用，实现一体化信息获取、共享与利用是未来天地一体化信息网络发展的主要目标[1]。

根据是否采用星间链路，我们可以将天地一体化信息网络分为：（1）天星地网。

典型系统如国际海事卫星（Inmarsat）的宽带全球网络（BGAN）系统，由3颗Inmarsat IV卫星与地面站网络组成，民用数据业务采用星状拓扑，经过卫星中继落地后通过地面站实现区内数据交换，互联网接入或通过地面站网络实现跨区的数据交换。

BGAN 从2012年开始提供航空宽带卫星业务（SB-Sat），通过原航空宽带网络面向低轨道（LEO）卫星提供近实时的IP业务，速率最高可达475 kbit/s[2]，由此实现了以地面网络为骨干的天空地一体化的网络。

北京理工大学通信与网络实验室

北京理工大学通信与网络实验室于季弘教授北京理工大学通信与网络实验室（以下简称“实验室”）前身是成立于1959年的无线电遥控遥测专业，为我国最早的电子工程类专业之一。

在团队带头人安建平教授（《数据采集与处理》第六届编委会委员）的领导下，经过多年建设，实验室已成长为国内从事空天通信领域研究的主要科研团队。

实验室坚持以国家重大需求和国际学术前沿为导向，积极为国家战略服务，在“智能空天信息网络” “卫星通信” “空间信号处理”等领域开展了卓有成效的科研工作。

实验室汇聚了以于季弘教授（《数据采集与处理》第七届编委会委员）为代表的一大批国内空天通信领域专家和中青年拔尖人才，现有国家百千万人才1名，优青1名，国家高层次人才计划入选者2名，青年人才托举工程入选者1名；教授10名，副教授8名、博士生导师12名、硕士生导师22名。

为紧密结合国家重大需求，实验室承担国家、部委、国际合作科研项目数十项，包括：国家高技术研究发展计划、国家重点基础研究发展计划、国家科技重大专项、国家自然基金项目、基础预研等，年均科研经费超过两千万。

相关科研成果被应用于多个国家重大型号中，并牵头获得国家技术发明奖一项、国家科技进步奖一项、省部级科研奖励多项；发表学术论文300余篇, 授权国家发明专利150余项。

于季弘，男，北京理工大学准聘教授，博士生导师，《数据采集与处理》编委。

法国巴黎南大学博士，加拿大西蒙菲莎大学博士后研究员。

研究方向是无源物联网、空天组网与通信，主持了包括国家自然基金重大研究计划集成项目课题在内的7项项目。

近五年在IEEE/ACM ToN 、IEEE TMC 及INFOCOM 等期刊会议发表论文40余篇，在Spring Nature 出版英文专著2 部，获得IEEE GLOBECOM 2020最佳论文奖，入选第四届中国科协“青年人才托举工程”。

担任工信部电子信息行指委委员，中国电子学会空间电子学分会副秘书长、青年科学家俱乐部空间信息专业委员会委员、物联网专技组委员，是IEEE IoT Journal 等多个国内外期刊编委，是 IEEE ICNC 2019无线自组网与传感网分会主席和IEEE/CIC ICCC 2020物联网分会主席。

空天通信网络关键技术综述

空天通信网络关键技术综述随着科技的快速发展，空天通信网络已经成为航天技术领域的热点之一。

空天通信网络是一种用于空中和太空中的通信网络，具有高速、高效、可靠的特点，是实现航天器之间、航天器与地面之间信息传输的重要手段。

本文将综述空天通信网络的关键技术，包括空间无线通信技术、卫星通信技术、高速数据处理技术、网络安全技术等。

空间无线通信技术是空天通信网络的重要组成部分，主要解决空间飞行器之间或航天器与地面之间的信息传输问题。

由于空间环境的特殊性，空间无线通信技术相比地面无线通信技术具有更高的复杂性和难度。

常见的空间无线通信技术包括微波通信、激光通信、毫米波通信等。

微波通信是当前空间通信的主流技术，具有传输容量大、传输质量稳定等特点。

激光通信具有高速、高带宽、低延迟等优点，适合用于高速数据传输。

毫米波通信具有极高的频段和传输速率，能够提供极高速的无线通信服务。

卫星通信技术是利用人造卫星作为中继站实现地球站之间的通信。

卫星通信技术具有覆盖范围广、通信距离远、可靠性高等优点，因此在航天领域得到广泛应用。

现代卫星通信系统通常采用多个卫星构成星座，以实现对全球的覆盖。

常见的卫星通信技术包括多路复用技术、数字调制技术、信道编码技术等。

卫星通信技术还涉及到卫星平台设计、天线设计、功率控制等方面的技术。

空天通信网络需要处理大量的数据，因此需要采用高速数据处理技术以提高数据传输和处理速度。

高速数据处理技术包括并行处理技术、云计算技术、大数据技术等。

并行处理技术是一种同时处理多个任务的技术，能够提高数据处理速度和效率。

云计算技术是一种基于网络的数据中心技术，能够提供强大的计算和存储能力，适合用于大规模数据处理。

大数据技术则是一种针对海量数据的高效处理技术，能够提取出有价值的信息并做出有价值的预测。

空天通信网络涉及到大量的信息安全问题，因此需要采用网络安全技术以保证网络的安全性。

常见的网络安全技术包括加密技术、身份认证技术、防火墙技术等。

关于空天一体化的初步研究

2004年12月第15卷第6期装备指挥技术学院学报Journal of the Academy of Equipment C ommand &T echnology December 2004V ol.15　N o 16　收稿日期:2004204223　作者简介:耿艳栋(1966-),男(汉族),河北辛集人,教授,硕士生导师.关于空天一体化的初步研究耿艳栋1,　肖建军2(1.装备指挥技术学院试验指挥系,北京101416;　2.中国国防科技信息中心,北京100036) 摘要:近期高技术局部战争表明,空天战场已成为争夺信息优势、发挥信息效能、实施精确打击的主要空间,成为赢得战争胜利的关键性战场,空天一体化也因此成为世界军事变革的重要发展趋势。

深入研究了空天一体化的科学内涵,认真分析了国外空天一体化的现状、趋势及产生的重要军事影响,并就我国应采取的措施做了初步探讨。

关　键　词:航天;航空;空天一体化中图分类号:E 08文献标识码:A 文章编号:167320127(2004)0620049204Preliminary Study on Air and Space IntegrationGE NG Y an 2dong 1,　XI AO Jian 2jun 2(1.Department of T est C ommanding ,the Academy of Equipment C ommand &T echnology ,Beijing 101416,China ;2.China Defense Science and T echnology In formation Center ,Beijing 100036,China )Abstract :The recent high 2tech local wars show that air and space battlefield has become the main place for contesting information superiority ,exerting in formation efficiency and im plementing precision strike ,and als o be 2come the key battlefield for winning the war ,and therefore ,air and space integration has become an im portant trend for the w orldwide rev olution in military affairs.The paper lucubrates the scientific meaning of air and space integra 2tion ,and analysis its status quo ,trends and the im portant military im pact it brings.And the paper als o discusses the measures our country should take.K ey words :aerospace ;aviation ;air and space integration 1　空天一体化的科学内涵空天一体化的科学内涵主要包括3个方面:航天航空技术融合发展[1～3],航天航空资源运行管理一体化和空天一体战。

简述空天信息传输网络的特点、现状及发展趋势

简述空天信息传输网络的特点、现状及发展趋势与现有的卫星通信系统相比，未来空天信息传输网络支持的终端类型、业务类型、服务质量要求更为丰富。

因此，为保证接入终端能够高速、可靠地进行大容量的数据收发，适用于多个用户接入的空天信息网络研究就显得尤为迫切。

标签：空天信息；通信；传输0 引言目前，世界各国的航天技术和航天工程快速发展，空间信息交换、传输技术发展取得了巨大的成就。

空天信息通信系统功能的日趋完善，终端种类以及各用户获取的信息量逐渐增加，然而各个系统之间存在着自成体系、互不兼容的矛盾，通过单颗卫星进行空地链路的传统通信模式已经无法满足多元化的空天信息网络的实际应用需求。

因此世界主要航天国家都将发展目标定位为建立空天地一体化的综合网络体系，实现空间信息资源的互通互联，空天信息网络的概念正是在这种背景下提出的。

1 空天信息网络的特点1.1 开放的通信网络该网络集成了多种现存网络的各种特征和功能，各个平台之间为达到资源共享和信息传递的目的，必须解决它们互相独立的问题，为达到此要求，空天信息网络中各个通信终端需通过相关的网关同异构网络进行及时、准确、多样性的数据通信，为此，空天信息网络设计必须具备开放性，以便做到不同网络之间互联、多个系统相互兼容。

1.2 立体的信息交换空天信息网络拓扑结构立体化，此特点决定了通信服务的立体化。

空天信息网络覆盖了不同层次空间上性能各异的通信终端，并依赖于空天网络立体的信息交换的特点，有效地保障了空间信息和频谱资源地充分利用，实现各种网络资源的合理配置。

1.3 通信的特殊性与地面通信网络相比，空天网络通信覆盖范围大、智能程度高、延时大、支持的业务种类多等特点，特别是天基骨干链路，其传输距离远、拓扑动态变化大但链路变化规律可循。

同时对终端功耗、体积、重量的要求更为严格，使得空天传输网络的接入设计更给困难。

1.4 动态的组网机制在空天传输网络中，即要满足基于天基骨干网实现对所有通信终端进行动态整合以获取不同的信息资源，又需要满足区域网络具备一定程度的智能自组特性，以便应对各种突发状况并满足抗毁性等特殊需要，所以空天传输网络的拓扑链接、资源调度必须具有动态重组的能力。

面向D2D和M2M的终端接入关键技术

详细描述
随着D2D和M2M设备的广应用，终端设备的能耗问题日益突出。为了降低能耗，可以采用低功耗设计、节能通信协议和能源管理策略等措施，例如采用低功耗芯片、优化
协议栈、休眠模式等。
网络拥塞与干扰问题
要点一
总结词
网络拥塞与干扰问题对D2D和M2M通信的可靠性和效率造成影响，需要采取有效的抗干扰和资源管理技术。
VS
详细描述
由于D2D和M2M通信涉及多种网络类型，如蜂窝网络、无线局域网、蓝牙等，因此需要解决不同网络间的互联互通和资源共享问题。可以采用网络抽象和虚拟化技术、网络协同和优化技术等手段，例如网络抽象和虚拟化、网络协同和优化算法等，以实现不同网络间的无缝融合。
05
D2D和M2M的未来展望
要点二
详细描述
由于D2D和M2M通信的密集部署，网络拥塞和干扰问题成为亟待解决的问题。可以采用频谱感知和复用技术、干扰管理和协调技术等手段，例如频谱感知和复用、干扰协调算法等，以提高通信的可靠性和效率。
异构网络融合问题
总结词
异构网络融合问题是实现D2D和M2M通信的关键，需要解决不同网络间的互联互通和资源共享问题。
D2D和M2M在物联网中的应用前景
• 随着物联网的快速发展，D2D和M2M通信技术在物联网领域的应用前景广阔。通过D2D和M2M技术，可以实现设备间的直接通信和数据共享，为智能家居、智能物流、智能农业等领域带来更多便利和创新。同时，随着物联网安全需求的不断提高，D2D和M2M通信技术也可以为物联网安全提供更可靠的保障。
M2M（Machine-to-Machine）通信是一种物联网通信技术，允许机器之间进行数据交换和通信，实现智能化和自动化。其特点包括高并发、高可靠性、低功耗和低成本等。

基于空天车地一体化的轨道专用网络技术

基于空天车地信息一体化的轨道专用网络技术1、研究空天车地立体环境下的信号传输机理，突破空间大范围、长距离宽带通信技术（1）研究空、天、车、地立体环境下的传输机制和传输原理，确定适合轨道交通安全保障的专用网络架构。

（2）研究不同通信基站的大范围、长距离通信技术，实现一体化专用网络的高覆盖、大带宽及分层通信。

（3）研究专用网络内卫星、平流层飞艇、无人机、列车及地面基站间的通信方式，确定高可靠通信协议与通信制式。

（4）研究专网在不同应用场景下，通过对组网方式、传输协议等软硬件技术综合优化传输性能，有效提高专网信息传输的稳定性、鲁棒性及使用寿命等。

大家可以看见每个任务下可能有若干个小技术点，用（1）、（2）……标明。

每个小技术点按照“大致分析每个内容中的技术难点，然后看看现有解决技术手段有哪些？株洲所是否具备技术基础、是否能对该问题进行研究或解决？株洲所不具备的话哪些公司过高校可能具备？”的思路，写个两三百字即可。

任务紧急，麻烦大家按照规定的时间提交，谢谢，记得解密！研究空天车地立体环境下的信号传输机理，突破空间大范围、长距离宽带通信技术；1、研究空天车地立体环境下的信号传输机理，突破空间大范围、长距离宽带通信技术技术难点：天地一体化存在多个问题：A，拓扑结果是动态变化的；链路误码率高、链路切换不可预知、路由时间有限、链路传输时延长；B，网络存在物理环路：子网是网状结构、星座间存在着多路径传输的问题、存在物理环路；C，计算能力有限：需要宇航级的芯片处理能力、处理能力有限、存储能力有限；D，间距较远，易受干扰：上下不对称、传输时延大、易受外界干扰、安全威胁和攻击大。

对于网络协议体系，是采用IP交换还是采用其他的交换方式，不仅要考虑现有的系统，更重要的是要兼顾未来的发展，传输协议，路由协议和接入机制都要进行有针对性的设计和开发。

目前，天地一体化网络路由协议正处于“百家争鸣”阶段，普适性较差；现有传输协议主要面向深空段、空间段或邻近空间段的星际间或星地间通信。

DTN发展综述

DTN发展综述一、简介DTN，即时延容忍网络(Delay Tolerant Networks)。

在一些特定的网络环境下会经常出现网络断开的现象, 导致报文在传输过程中不能确保端到端的路径，这类网络被称为时延容忍网络，又叫容迟网络。

二、发展背景基于网络延迟很长、周期性连接、经常中断的缺点，1998年，NASA开始了深空网络即IPN的研究，其基本想法是让地球和距离很远的太空船之间的数据通信能够简化到像发生在地球上的两个节点之间一样。

该组人员后来发展成为Internet的IPNSIG工作组，由于没有可以进行试验星际网络，一部分成员开始研究如何将IPN的概念运用到陆地应用中。

为此，IETF成立了新的工作组寻找更通用的延迟容忍网络，这个工作组称为DTNRG，是现在DTN体系结构和协议研究的主要公开组织。

2004年初，DARPA提出了中断容忍网络，也简称为DTN，可以看作同一概念下的另一种叙述。

三、研究发展DTN 是一个新兴的研究领域，它是由Kevin 等人于2002 年提出的一种通用的面向消息的可靠的覆盖层网络体系结构，它是一种位于区域网络( 包括因特网) 之上的覆盖网络，处理受限网络中频繁网络断开高延迟和异构性等问题。

目前DTN 研究的热点包括网络中的机会主义路由、拥塞控制、网络安全等等。

这里分别介绍各热点问题的研究进展状况，并阐述其难点及可以面向的研究热点。

（一）路由技术DTN路由技术是DTN中的关键，路由协议包括三个部分：如何建立网络的拓扑结构、如何维护网络拓扑和路由算法。

在DTN中，网络是时断时续的，即网络的拓扑结构是变化的。

与传统路由相比，DTN路由的主要目的并不是选择最短路径或者最少跳数，而是最大化报文传输的可能性。

目前很多路由协议如TCP/IP是在一些网络前提下提出的，DTN并不符合这些基本假设条件，DTN路由的指的是在DTN层上进行的选路策略，并没有涉及到下层网络。

DTN路由涉及到采用何种路由策略进行选路、路由信息的扩散、组成员管理、报文转发、状态维护和报文重传等等。

iDEN数字集群通信系统的空中接口协议

主要用于处理具体的信令和完成无线链路控制等；第３及其他高层则主要面向各种不同的服务。层
收稿日期：０１０ — ０５２１ — ２２３
新技术
ＮｅＴｅｈｎｏｇｗｃｏｌｙ
数据通信２１．０１２
控制实体，３制实体用它来控制初始接人到小区Ｌ控
的业务信道和指定的控制信道。ＲＰ作于主控制Ａ工
信道和临时控制信道。
（）３随路控制进程（Ｃ）ＲＰ是提供可靠的面向连接
统能够得到标准化推广应用。
［二至二
１空中接口的协议栈结构
在无线通信系统中，为了使固定网络设备和移
动台相连接，要各种信道接口类型。每种类型采用需特定的操作方式来完成特定任务。这种结构用ＯＩＳ模
２１＿数据通信０１２
ＮｅｃｏｌｇｗＴｅｎｙｈｏ
ｉＥＤＮ数字集群通信系统的空中接口协议
＿
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徐小涛：＞ｉＥＲＤＮ数字集群通信系统的ＯＳ￣．子层为主线，绍了ｉＮ数字集群通信系统物理层、Ｉ务］ｔ介ＤＥ介质
中与其他的副载波信号混合，合成的总信号形成
Ｍ１一Ａ６ＱＭ信号。Ｍ１一Ａ６ＱＭ的调制器如图２所示。
（）２随机接人进程（Ａ是用于快速应答的优ＲＰ）化的多接人、非证实、连接分组数据协议。它在多无接人信道传送短的固定长消息单元。它的顾客是Ｌ３

关于重大基础研究计划空天地一体化网络关键基础科学问题

3
一、航天信息技术概况
航天信息的获取与处理
高空间分辨率：增强空间探测能力高光谱分辨率：增强光谱辨识能力
多域协同的传感器：增强多源信息融合分布式信息处理技术新的信息描述理论及方法高效的信息压缩方法
2024/6/12
4
一、航天信息技术概况
航天信息的传输
高效信道编码技术；高效的调制解调技术；弱信号条件下的通信理论；空天地一体化的信息网络；黑障区通信理论及方法；超长距离的通信理论及方法；
2024/6/12
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“夸父”计划
拟在2012年发射三颗星： A星行星际探测器，距地1.5×106km的日地连线拉格朗日L1点上；全天候监测太阳活动的发生及伴生现象；
B1和B2两颗地球卫星在地球极轨大椭圆轨道，监测太阳活动对地球近地空间环境的影响。
2024/6/12
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四、深空通信技术的研究现状
2024/6/12
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一、航天信息技术概况
航天测控技术
更高的轨道覆盖率；更高的测量精度；更多的测控目标和更复杂的测控任务；更远的测控距离；更低的测控成本；
2024/6/12
6
一、航天信息技术概况
航天信息的应用
导航定位；灾害预警；地质勘探；精细化农业；科学研究（物种起源、天体演化）；资源探索（稀有金属、新能源）；
提纲
一、航天信息技术概况二、深空探测的发展三、深空通信的问题四、深空通信技术的研究现状五、可关注的研究方向
2024/6/12
1
一、航天信息技术概况
航天信息技术内涵航天信息技术主要是指借助航天飞行器
完成的对于信息的获取、处理、传输及应用技术，同时也包括为了完成航天任务所采用的测量、控制及导航技术。

电子与通信工程培养方案

电子与通信工程（085208）一、培养目标培养热爱祖国，拥护中国共产党的领导，拥护社会主义制度,遵纪守法，品德良好，具有服务国家、服务人民的社会责任感，掌握电子与通信工程领域坚实的基础理论和宽广的专业知识、具有较强的解决实际问题的能力，能够承担专业技术或管理工作、具有良好的职业素养的高层次应用型专门人才。

（一）掌握电子与通信领域的坚实的基础理论和宽广的专业知识；掌握解决工程问题的先进技术方法和现代技术手段；即基本理论要扎实,专业知识要宽广，要比大学本科提高一个层次。

（二）掌握解决电子与通信领域工程问题的先进技术方法和手段。

（三）了解电子与通信领域的技术现状和发展趋势。

这里技术现状是指电子与通信软、硬件的技术现状；发展趋势是指计算机科学技术及相关学科、交叉学科的发展动态和发展方向.（四)具有进行本领域技术开发和创新能力，即能够进行电子与通信软、硬件的设计、开发与应用创新.（五）具有科研组织和独立工作能力，以及担负工程技术和工程管理工作的能力。

（六)掌握一门外语，能较熟练地阅读本学科领域的外文资料，有一定的外语写作力。

二、研究方向（一）通信网络结构及关键技术研究高速信息网络流量控制、调度算法及协议,自组网络重构与自恢复技术，空天信息网络通信系统，IP电信系统平台及应用,光通信网络规划，云数据中心网络设计等。

（二）无线通信系统及关键技术研究无线通信系统和协议，无线通信安全性机制，网络编码与协作通信技术,无线传感器网络与物联网关键技术，软件无线电接收机和发射机数学模型,智能天线技术等.（三)数字信号及图像处理与识别研究现代数字信号处理技术，高速数字信号处理器与实时数字信号处理算法、器件、系统及其应用，智能信号处理专用芯片设计，数字图像处理、识别、传输及应用.（四）多媒体信息处理、信息安全技术、通信与监控系统研究音/视频实时压缩、编码、处理,加/解密等信息安全技术，多媒体软件平台、监控及CAI演播系统开发与应用，多媒体通信中信令系统与终端的集成，交互式多媒体等。

TETRA集群通信系统空中接口协议

标准与规范
S TANDARD IZATIO N AND R E FE RE NC E 电信工程技术与标准化
TETRA集群通信系统空中接口协议
徐小涛（通信指挥学院武汉 430010）
摘要本文从TETR A空中接口网络协议栈结构为主线，介绍了TETR A系统的物理层、数据链路控制层和网络层的技术体制和主要的功能业务，对于TETR A集群通信系统的推广应用具有重要的实践指导意义。
图1 移动台/ 基站空中接口网络协议栈
·2010年第7期·
19
标准与规范
S T AN D A R D IZ AT IO N AN D R E F E R E N C E T E LE C O M E N G I N E E R I N G T E C H N IC S A N D S TA N D A R D IZ A TI O N
帧为控制帧。以话音加数据电路方式工作时，把 18 帧实它们有权接入该信道，否则它们必须返回至主控信道
复帧长的业务压缩在 17 个 T DMA 帧中传送，从而允（MCCH ）。
许将第 18 帧用作控制指令，而不致造成数据流的中断。
（2）在信令信道上传送接入控制元素（接入码
移动链路控制实体（MLE）用来管理移动台至基站 / 基
站至移动台的连接、登记区域内的移动性、识别码管理、
业务质量选择和协议鉴别（即传送至较高层实体）。
高层实体不涉及传输机理，只是按数据原语（请求
/ 指示 / 应答 / 证实）和协议数据单元（PDU ）进行处理，相反，物理层则依从预先确定的固定定时机制，不
TDMA 帧结构如图 2 所示。由 4 个时隙构成一个叉呼叫（在覆盖中断处，系统把移动台所用的那个信道

低轨卫星宽带通信空口协议标准

标题：低轨卫星宽带通信空口协议标准概述随着卫星通信技术的发展，低轨卫星宽带通信已成为未来通信领域的重要方向。

为了实现高效、可靠、低成本的卫星通信，我们需要制定一套统一的空口协议标准。

本文将介绍低轨卫星宽带通信空口协议标准的基本概念、发展历程、主要内容以及其对未来卫星通信的影响。

一、基本概念低轨卫星宽带通信空口协议是指卫星与地面设备之间进行数据传输的接口协议。

其核心目标是实现高速、可靠、低时延的通信，以满足大数据量、高带宽的应用需求。

二、发展历程近年来，随着5G、6G等移动通信技术的发展，卫星通信与地面通信的融合已成为趋势。

在此背景下，国际标准化组织如3GPP、ITU等已经开始研究低轨卫星宽带通信的空口协议标准。

国内企业也积极参与其中，推动相关标准的制定和实施。

三、主要内容低轨卫星宽带通信空口协议标准主要包括以下几个方面：1. 调制编码技术：选择合适的调制方式和编码技术，保证通信可靠性。

2. 信道编码技术：对传输信号进行纠错编码，提高传输可靠性。

3. 同步技术：实现卫星与地面设备的同步，保证通信质量。

4. 多址接入技术：解决多个地面设备同时接入卫星网络的问题，提高系统容量。

5. 射频技术：优化射频参数，提高通信效率。

四、对未来卫星通信的影响低轨卫星宽带通信空口协议标准的制定将为未来卫星通信的发展奠定基础。

一方面，统一的协议标准将促进卫星通信与地面通信的融合，提高通信效率；另一方面，标准的制定将推动相关产业链的发展，降低卫星通信的成本。

总结，低轨卫星宽带通信空口协议标准的制定是未来卫星通信发展的重要方向。

通过制定统一的协议标准，我们可以实现高效、可靠、低成本的卫星通信，满足大数据量、高带宽的应用需求。

空天信息网络与安全保护机制研究

空天信息网络与安全保护机制研究随着科技的不断发展，空天信息网络的建立和应用已经广泛应用于各个领域。

然而，由于空天信息网络的特殊性与重要性，其安全性问题也日益凸显。

为了保护空天信息网络的安全，研究空天信息网络与安全保护机制显得尤为重要。

空天信息网络是指基于航天器、卫星等空间设施构建的通信网络，用于实现空间资源的信息传输与共享。

它不仅用于军事通信，还被广泛应用于民用领域，如卫星导航系统、气象预报、环境监测等。

然而，由于空间环境的复杂性，空天信息网络的安全性面临着许多挑战。

首先，空天信息网络的物理环境对其安全性构成了威胁。

航天器在高速运行中容易受到空间中的辐射和微小颗粒的影响，这些辐射和微小颗粒可能导致设备故障或数据传输中断。

另外，卫星通信信道易受到干扰和拦截，可能导致通信数据泄露和信息安全受到威胁。

其次，空天信息网络的软件系统也面临着安全威胁。

航天器的操作系统和通信协议必须具备高度的安全性和稳定性，以防止黑客攻击和病毒侵袭。

此外，对于航天器上的软件系统，需要进行全面的安全测试和漏洞修补，以确保其能够抵御各种恶意攻击。

为了解决以上问题，研究人员一直致力于开发空天信息网络的安全保护机制。

首先，针对空间环境的特殊性，可以采用物理防护措施，如为航天器添加防辐射和防颗粒的保护装置，以及采用防干扰技术来保护通信信道的安全。

在物理环境问题上，研究人员还可以探索新的材料和技术，以提高设备的抗辐射和耐用能力。

其次，针对空中信息网络软件系统的安全性问题，可以采取多种策略和方法来保护。

首先，开发安全可靠的操作系统和通信协议，确保其具备高度的安全性和稳定性。

其次，加强航天器上的软件系统的安全测试和漏洞修补工作，及时对系统中的安全隐患进行排查和处理。

此外，研究人员还可以开发新的安全算法和密码技术，以提供更高级别的数据保护和隐私保护。

此外，为了保证空天信息网络的安全，国际合作与信息共享也非常关键。

各国之间可以共同研究和制定空天信息网络的安全标准和协议，加强信息分享和交流，共同应对空天信息网络的安全威胁。

空天一体信息网络中自主协同控制技术研究

空天一体信息网络中自主协同控制技术研究自主协同控制技术在空天一体信息网络中的研究空天一体信息网络是指将空中、地面和卫星等各类通信网络融合在一起，形成一个统一的信息传输和交换系统。

自主协同控制技术是在这个网络中实现自主协同行动的关键技术之一。

本文将从以下几个方面探讨空天一体信息网络中自主协同控制技术的研究与应用。

首先，自主协同控制技术的研究背景及意义。

随着信息化和网络化的快速发展，空天一体信息网络已经成为现代军事和民用领域中不可或缺的基础设施。

在空天一体信息网络中，实现各类通信网络的协同运行变得至关重要，这可以提高信息传输和交换的效率，增强整体的应对能力。

自主协同控制技术的研究旨在研发一种能够实现各类通信网络自主协同行动的方法和技术，从而使得空天一体信息网络具备更高的智能化、自适应性和鲁棒性。

其次，自主协同控制技术在空天一体信息网络中的关键技术和方法。

自主协同控制技术涉及到多个领域的交叉研究，包括通信网络、传感器网络、无人系统等。

在空天一体信息网络中，通过引入智能算法和机器学习方法，可以实现自主协同控制。

例如，通过博弈论的方法，可以建立通信网络之间的博弈模型，从而实现网络之间的协同行动。

另外，还可以利用深度学习的方法，对网络中的大量数据进行学习和推断，从而提高网络的自适应能力。

此外，传感器网络和无人系统的协同控制也是实现空天一体信息网络自主协同的关键技术之一，例如，通过将各类传感器网络和无人系统进行集成，可以实现对空中、地面和卫星等各类通信网络的全面监测和控制。

然后，空天一体信息网络中自主协同控制技术的应用。

自主协同控制技术在空天一体信息网络中有着广泛的应用前景。

首先，可以应用于军事领域，实现对各类作战平台的联合作战和协同行动。

例如，在战场环境中，通过将各类通信网络进行整合和协调，可以实现对战场信息的准确传输和实时反馈，提高作战效能。

另外，在民用领域中，自主协同控制技术也可以应用于智能交通系统和智慧城市等方面。

无人机飞行自组网通信协议

第7卷第1期2021年3月Vol. 7, No. 1March, 2021扌旨挥与控制学报JOURNAL OF COMMAND AND CONTROL 无人机飞行自组网通信协议付有斌*1康巧燕1 王建峰1 胡海岩1收稿日期2021-02-25Manuscript received February 25, 2021国家自然科学基金(71801221)资助Supported by National Natural Science Foundation of China (71801221)1.空军工程大学信息与导航学院陕西西.安7100771. Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi'an Shaanxi 710077, China摘要多无人机协同已经成为当前研究热点，而保证多无人机间快速、可靠的通信是其重要问题之一.基于自组织网络技术提岀来的飞行自组网(Flying Ad-Hoc Network, FANET),可为无人机群提供可靠并且实时的网络通信,成为解决多无人机间通信问题的一种良好解决方案.从无人机FANET 的节点高动态性和拓扑结构快速变化等特点入手，分析FANET 的性能需求; 分别从协议设计的挑战、现有协议及其优化协议在FANET 的应用现状和专门针对FANET 设计的协议发展现状3个方面，对 FANET 组网通信协议中的多址接入协议、路由协议研究进展进行综述;对无人机FANET 的当前重点研究问题和未来研究方向进行了总结和展望.关键词无人机，飞行自组网，通信协议,多址接入协议，路由协议，智能算法引用格式付有斌，康巧燕,王建峰，胡海岩.无人机飞行自组网通信协议[J].指挥与控制学报,2021, 7(1): 89-96DOI 10.3969/j.issn.2096-0204.2021.01.0089Communication Protocols for UAV Flying Ad-Hoc NetworkFU You-Bin 1KANG Qiao-Yan 1WANG Jian-Feng 1HU Hai-Yan 1Abstract Multi UAV cooperation has become a research hotspot, and ensuring fast and reliable communication between multi UAVs is one of its important issues. Flying Ad-Hoc Network (FANET) based on ad hoc network technology can provide reliable and real time network communication for UAV group, and becomes a good solution to solve the communication problems between multiple UAVs. Firstly, this paper analyzes the performance requirements of FANET based on the characteristics of high dynamic nodes and fast topology changes of UAV FANET. Secondly, this paper studies the multiple access protocol and routing protocol of FANET networking communication protocol from three aspects: the challenge of protocol design, the application status of existing protocols and their optimization protocols in FANET, and the protocol development specially designed for FANET. Finally, the current key research issues and future research directions of UAV FANET are summarized and prospected.Key words UAV, flying ad-hoc network, communication protocol, multiple access protocol, routing protocol, intelligent algorithm Citation FU You-Bin, KANG Qiao-Yan, WANG Jian-Feng, HU Hai-Yan. Communication protocols for UAV flying ad-hoc net- work[J]. Journal of Command and Control, 2021, 7(1): 89-96近年来，无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 凭借其体积小、成本低、不易被发现、便于部署等优势，在军事和民用领域的很多方面都得到了广泛应用，比如实时监控、自动跟踪、搜寻与救援、中继传输等[1].相比于单架无人机的应用，多无人机协同配合的应用将更加有效、快速、灵活，已成为当前研究热点.但是，多无人机的协同配合面临着一系列技术挑战,其中保证无人机之间快速、可靠的通信是确保多无人机之间相互协作的重要问题之一.基于自组织网络技术提出来的飞行自组网(Fly ing Ad-Hoc Network, FANET)[2],将移动自组网的思想拓展到空天领域，可以为多无人机间提供可靠实时的网络通信，以便多无人机之间可以快速协同完成各种任务，成为解决多无人机间通信问题的一种良好解决方案.无人机FANET 是无人机之间的自组织网络，无人机之间无需通过基础设施，可以直接进行通信.此外，部分无人机可以与有人机(后端控制)、地面控制台或是卫星进行通信.但由于UAV 节点的高动态性、拓扑结构快速变化等特点，FANET 对多址接入协议、路由协议等组网通信协议提出了更多挑战，尤其值得关注与研究.本文从无人机FANET 组网的角度入手，对 FANET 多址接入协议、路由协议等方面的研究成果进行总结、分析并讨论下一步研究方向.1飞行自组网性能需求分析FANET 可以看成是所有节点均为UAV 的移动自组网(Mobile Ad-Hoc Network, MANET)的一种新形式,UAV 间的通信通过自组织网络实现，这种新的通信模型也可以看作是由MANET 衍生出来的车载自组网(Vehicular Ad-Hoc Network, VANET)的一个子集[2].事实上，在正式定义FANET 之前，也有不少无人机自组网的相关研究，只是名称不一样,如联网90指挥与控制学报7卷空中机器人(Networked Aerial Robots)、无人驾驶航空自组网(Unmanned Aeronautical Ad-Hoc Network, UAANET)、无人机自组网(UAV Ad-Hoc Network)> 无人机网络(Networks of UAVs)>分布式航空传感器网络(Distributed Aerial Sensor Network)等⑶.FANET 的典型结构如图1所示.'洋图1 FANET 的典型结构Fig. 1 The typical structure of FANETFANET 衍生于 MANET 、VANET,具有与它们共同的网络特点，但作为自组织网络新兴的研究领域,FANET 也有其独有的特点，如节点的移动速度高、拓扑结构变化快、节点密度低等，表1从节点移动性、移动模型、拓扑变化性等方面，对FANET 与 VANET 、MANET 进行了比较[24].因此，在基于以上区别的同时,FANET 在通信传输相关技术上需要达到以下性能要求，具有一定的技术挑战[2,4].1）低时延需求.时延性是网络设计中的重要考虑因素之一,FANET 是面向任务的网络，其时延性的要求取决于无人机应用场景，但大部分的应用都要求尽量低的传输时延，如搜救工作、灾害监测等.2）网络适应性需求.无人机在飞行过程中存在多种不断变化且对FANET 产生影响的因素.首先, FANET 中的无人机节点高速移动，使得网络节点位置始终在变化，节点间的通信距离也在不断变化，从而带来网络拓扑的快速变化;其次,FANET 是基于任务的应用,无人机数量、飞行路线等会根据任务需求而改变;再次，飞行环境的变化,如遇到楼房、山脉等障碍物，会引起无人机链路质量的变化，部分无人机链路可能会失效，导致拓扑变化；最后，无人机可能在飞行期间发生故障，造成无人机数量减少,需要新无人机加入.因此,在设计FANET 通信协议时，需要着重考虑FANET 的网络适应性需求.表 1 FANET 、VANET 和 MANET 的比较Table 1 Comparison of FANET, VANET and MANET网络类型FANETVANETMANET简述基于多个可高速移动的空中节点以及少量的地面控制站所组成的自组织网络主要是车载节点与其周围车载节点以及道路上的通信单元所组成的自组织网络移动节点在其通信范围内与其他节点组成自组织网络主要节点无人机节点车辆节点移动节点节点移动性通常为高速飞行，根据应用不同,也可能为低速飞行，飞行速度在0〜100m /s 之间变化，最高可达138 m /s （500 km /h ）,大都在三维立体空间内移动中高速移动，通常在高速公路上的速度为20〜30m /s,在城市区域的速度为6〜 10m /s,移动可预测,受道路布局、交通量和交通规则限制慢速移动，通常速度为2〜10m /s 的随机移动移动模型预定路径采用常规模型，自治多无人机系统采用特殊移动模型常规移动模型（路径可预测）随机移动模型拓扑结构与控制中心组成星型网络，无人机之间组成自组织网状拓扑与路旁基础设施组成星型网络，车辆之间组成自组织随机拓扑随机拓扑拓扑变化性可快速变化,也有局部的拓扑变化比MANET 动态性更高，线性移动，拓扑变化速度快动态节点的加入和离开是不可预测的，变化速度较慢节点密度非常低高通常节点密度低,但在一些人口稠密的地方，密度较高无线电传播模型高于地面，大部分情况下,都是视距通信靠近地面，并非所有的情况下都是视距通信靠近地面,并非所有的情况下都是视距通信能耗限制微小型和小型无人机有能耗限制，电池影响重量和飞行时间多数节点基于汽车供电,能耗限制较低大部分节点是电池供电,需要考虑节能计算能力高高有限1期付有斌等:无人机飞行自组网通信协议913)高可靠性需求.UAV以及FANET的可靠性决定了系统的负载能力和接入能力.在敏感的军事和监视应用中，要求FANET具有可靠的数据传送能力.在FANET中需要在UAV之间建立足够可靠的传输网络，以至于如果一个UAV的传输链路损坏后,仍可以通过其他UAV来进行集群间相互通信或者与后端基站进行数据传输.4)网络可扩展性需求.不同的任务，所需要的无人机数量不一样，当任务改变时，网络规模随之改变,而随着任务和地形的复杂化,FANET中的UAV数量大量增加；且在许多情况下，无人机的任务完成情况与无人机的数量有关系，例如更多的无人机可以更加快速地完成搜索和救援的任务.因此,FANET通信协议的设计要满足网络的可扩展性需求.5)高带宽需求.多数FANET应用的目的是从外界收集数据，并且将数据传递给地面控制台.当前随着对高清晰图像和视频需求的增加，及对低时延传输的迫切要求，很多情况下，无人机的数据传递需要高带宽.但是无人机的带宽受到多种因素限制，如通信信道容量、无人机飞行速度等原因.FANET在设计时必须满足带宽容量需求，以便于满足对带宽要求较高的实时图像或视频的传输需求.6)低网络开销需求.由于无人机网络带宽受限,降低网络开销，可提高带宽的使用效率.另外，在微小型和小型无人机网络中，能耗受到一定限制[5],通过降低网络开销，可减小能量消耗，延长UAV和网络寿命，降低由于能量耗尽的无人机离开或毁掉而导致链路中断的概率.因此，在不降低网络性能的情况下尽量减少网络开销是必要的.2飞行自组网通信协议研究进展鉴于FANET相比于其他无线自组网系统的高动态及多变性，在协议设计方面集中在上层专用通信协议的研究上，主要是基于MAC层和网络层的协议设计与优化.因此，本节从组网的角度出发，对FANET多址接入协议、路由协议等方面的研究成果进行总结和分析.2.1飞行自组网的MAC协议2.1.1FANET MAC协议的设计挑战媒体接入控制协议(Medium Access Control, MAC)决定了无线信道的使用方式，在UAV节点之间分配有限的无线通信资源，用以构建网络系统的底层基础结构.由上节中FANET的特点及传输性能需求分析可知,FANET MAC协议的设计具有如下挑战：1)对于大部分FANET应用来说，高移动性是FANET最显著的特性之一，给MAC层带来了新的问题.由于高移动性和节点间距离的变化,FANET中的链路质量经常发生波动.链路质量的变化和链路中断直接影响FANET MAC的设计.2)分组延时是FANET MAC设计中的一个重要问题.特别是对于实时应用，数据包延时必须是有限制的，有的应用甚至要求达到毫秒级的节点接入时延,这大大增加了FANET MAC设计的难度.3)通常FANET节点密度非常低,节点间的通信距离较长，全向MAC协议有效通信范围较小，不能满足需求,需要考虑定向MAC协议,而定向MAC协议设计的关键问题在于节点的位置估计及共享，这对于具有高速移动节点的FANET来说,更具挑战性.因此，结合FANET组网性能需求设计符合高动态、低时延等特性的MAC层协议是FANET的关键技术之一.2.1.2现有MAC协议的适用性研究进展无人机之间通信可以在现有的通信协议中选择可适用的协议.在FANET中，将每一架无人机看作是一个移动节点，无人机之间的相互通信可以使用开放式系统互联通信参考模型(Open System Interconnection Reference Model,OSI)模型.物理层和数据链路层一般被认为是底层的网络，可以使用IEEE 802.11协议[6],这一协议的有效通信范围是几百米的视距通信.而IEEE802.11n已经具有更长的通信范围和相对高的数据速率(物理层吞吐量可高达600 Mb/s).由于无人机之间一般距离较远,802.11n协议更适宜于无人机之间的相互通信[7].802.11MAC协议主要是分布式协调功能(Distributed Coordination Function,DCF)机制，该机制是节点共享无线信道进行数据传输的基本接入方式，它把带有冲突避免的载波侦听多路访问(Car-rier Sense Multiple Access with Collision Avoidance，CSMA/CA)技术和确认(Acknowledge,ACK)技术结合起来，采用二进制指数回避策略来避免冲突，当数据长度较长时，可以选择采用RTS/CTS(Relay To Send/Clear To Send)机制来有效减小冲突发生的概率，且RTS/CTS可以解决暴露终端和隐藏终端问题. CSMA/CA是一种载波检测冲突避免技术，主要通过载波信号检测来判断某一信道中的信号能量是否达到一个基准点，如果信号的强度在这基准点之下，就表示该信道未被占用，因此,节点就可使用该信道来传输.但是,CSMA/CA在数据分组接入前，有一个提前对信道的侦听过程，该过程会使得信道的利用率降低，且多次握手过程也导致了端到端时延的增加,难以满足实时应用对网络时延的要求.此外,802.11 MAC协议耗费了相当多效率用作链路的维护，从而92指挥与控制学报7卷大大降低了系统的吞吐量.802.11n通过增加帧聚合技术和块确认技术改善MAC层，来减少固定的开销及拥塞造成的损失，但也仍然存在其基本协议CSMA/CA本身存在的问题.文献［8］提出把无线传感器网络中一种低速率、低功耗、低成本的无线通信协议IEEE802.15.4MAC 应用到分簇FANET的簇间和簇内通信，该协议在非信标使能模式下采用无时隙CSMA/CA协议简单的传输数据，适用于业务传输实时性要求较低的应用场合；在信标使能模式下，采用确保传输时隙(Guaranteed Time Slot,GTS)机制，具有较小的数据传输延迟；仿真结果表明，该机制适用于传输带宽不足、数据速率较低的FANET应用.文献［9］针对航空网络MAC协议端到端时延大、网络容量小、灵活性差、可扩展性不强等特点，提出一种基于信道状态感知的多优先级多信道MAC协议，该协议可根据信道实时占用状态，通过调度机制和退避算法控制不同优先级业务接入信道.仿真结果表明，该协议可以为航空网络中的各类业务传输提供QoS保障,而且提高了网络带宽资源利用率.2.1.3针对FANET设计的MAC协议研究进展基于统计优先级的多址接入协议(Statistical Priority-based Multiple Access Protocol,SPMA)［10］是美军新型数据链战术瞄准网络(Tactical Targeting Network Technology,TTNT)中使用的MAC层接入协议.SPMA协议借鉴了CSMA协议的运行机制，并对其进行改进，运用了数据优先级排队、突发拆分技术、Turbo编码、信道状态统计等技术，在网络层数据包到达时统计信道占用率，通过将信道占用率与数据包进行比较，来决定业务分组是否接入信道.该协议中高优先级业务分组的发送成功率不低于99%,且端到端时延不超过2ms,能很好地适应无人机FANET的高动态、低时延等需求.由于SPMA的低时延优势，研究者借鉴其基本思想提出了一些优化协议.如基于多信道统计优先级概念的MAC协议(Priority Statistics Based on Multichannel Access,PSMC)［11］,该协议通过统计某一段时间内收到的脉冲数来预测信道的忙闲程度，没有了对信道侦听的过程，从而降低了时延.而基于Turbo编码的多信道MAC协议(TurboNAC)［12］和基于突发技术的多信道MAC协议(BT-MAC)［13］都是在发送分组前先进行Turbo编码，通过增加冗余信息来确保数据传输的可靠性和吞吐量，同时避免了多次握手过程带来的时延.优先级与公平性协作的多信道MAC协议(PBLL/HL)［14］提出SPMA协议会给低优先级的业务造成较大的延迟，该协议降低了低优先级业务由于被截流而导致的时延，使得网络不会迅速拥塞.这些协议在SPMA协议的基础上针对不同的需求作出了一些改进.各协议对比如表2所示.表2基于SPMA优化协议的比较Table2Comparison of optimized protocols based on SPMA 协议/性能指标吞吐量时延有无QoS保障是否区分优先级PSMC高低有是TurboMAC中低无否BT-MAC中低无否PBLL/HL低中有是目前实现全向天线的MAC协议可能不适用于无人机执行的某些任务.这是由于节点之间的距离等不同因素造成的.无人机节点的高机动性和物理约束会对无线链路的性能造成影响，飞行器的姿态变化可能也会对数据传输造成一定影响.而定向天线可以解决这些问题，与传统的全向天线相比,使用定向天线更好地保障了链路的鲁棒性.现有的基于定向天线的MAC层大多是针对MANET和VANET提出的，对于采用定向天线的FANET MAC 层设计的研究还很少.文献［15］提出了无人机的自适应MAC协议(Adaptive MAC Protocol Scheme for UAVs,AMUAV).AMUAV使用全向天线发送其控制包(RTS、CTS和ACK),而数据包则通过定向天线发送.实验证明，基于定向天线的AMUAV协议可以提高多无人机系统的吞吐量、端到端时延和误码率，性能指标优于IEEE802.11.FANET中节点的高移动性增加了网络的复杂性,为了处理这种高移动环境,研究者提出了基于令牌的信息更新技术,也就是一种基于令牌的协议［16］.该协议工作的环境是无人机具有全双工无线电和多包接收能力.使用基于令牌的信息更新技术来更新信道的状态信息和链路的状态，使用基于令牌的结构消除了代码的冲突.全双工无线电技术有效地降低了时延，而多包接收能力提高了系统的吞吐量.在知道完全信道信息的前提下，该协议在吞吐量和时延这两个性能指标上的表现都是最优的.随着人工智能的兴起，人工智能技术中的一些方法被应用到MAC协议的设计中，以优化MAC协议的性能.如，基于位置预测的定向MAC协议［17］(Position-Prediction-based Directional MAC Protocol, PPMAC)，该协议可以根据节点状态变化和环境变化开发不同的通信操作，保证了通信链路的快速建立和数据成功传输的低时延，而且克服了可能出现的定向接收失败的问题，具有较高的鲁棒性和可靠性.1期付有斌等:无人机飞行自组网通信协议93为了提高MAC协议在FANET中的性能，研究者提出了一种自适应容错同步切换的MAC协议U8］(Adaptive MAC Protocol with Fault-Tolerant Synchronous Switching，FS-MAC).该协议提出了一种基于Q学习的分布式MAC切换方案,支持在FANET 中的CSMA/CA和TDMA协议之间自适应地互相切换.该协议包括MAC预选操作过程和一个实用的基于拜占庭容错(PBFT)的一致性决策来生成MAC切换决策.通过MAC预选操作,FANET中的每架UAV 节点可以准确评估自身性能，从而确定最适合自身的MAC协议;而后在基于PBFT的一致决策的辅助下，每个节点可以根据实时情况的变化实行容错同步切换.仿真结果表明,FS-MAC协议在平均吞吐量、时延和分组重传率等方面都明显优于基准协议.2.2飞行自组网的路由协议2.2.1FANET路由协议的设计挑战为了实现高效可靠的组网，必须设计合适的路由协议.路由的好坏很大程度上影响了网络的性能,路由技术是FANET中的一个核心［19］,也是FANET 最具挑战性的问题之一.1)由于应用的不同，无人机或高速飞行或低速飞行.对于大部分的FANET应用来说，其高移动性导致拓扑结构的高速变化，网络的链路状态也在不断地变化，如此频繁的变化必然导致路由频繁更新或者是节点位置的频繁更新，这些更新过程不仅会导致网络开销的增大，同时也会造成路由收敛困难,数据转发延迟增大，丢包严重,甚至导致协议失效等问题［20］.2)由于干扰或自然条件限制，链路可能会出现高误码率.无人机网络具有各种可靠性需求，而话音、数据和视频对带宽的要求也不同.由于FANET特有的挑战，现有的MANET、VANET路由协议不能完全适用于FANET.FANET 的路由设计,除发现最有效路由、允许网络扩展、控制延迟、保证可靠性等一般MANET的要求外，还要求位置感知、能量感知、网络分割、间歇链路强健、拓扑快速变化以及服务质量需求变化等，需要根据UAV及FANET特点设计快速、准确、高效、扩展性好、自适应能力强的路由算法.2.2.2现有路由协议及优化协议的适用性研究进展传统的路由协议大都是基于拓扑的路由协议,这类路由协议通过IP地址来定义网络节点，使用网络中现存的链路状态信息，选择合适的路径进行数据包的转发.这类路由协议可以分为主动路由协议和被动路由协议.主动路由协议也称先验式路由协议，该协议在节点之间可以定期更新和共享路由表，一定程度上确保了路径选择的实时性.但是FANET中拓扑结构变化相对频繁，而这类协议对变化频繁的拓扑结构的反应较为迟钝，这就会使得连接失败情况发生.主动路由协议中，典型的有链路状态路由协议(Optimized Link State Routing，OLSR).OLSR协议中，网络的每一个节点能够维护一个或者多个路由表，用以表示整个网络的拓扑结构，该协议在需要的时候能够快速提供合适的路由.OLSR 协议有两个特点：一是选择网络中的一个节点，将其作为其邻居节点的多点中继(Multi-Point Relay, MPR)选择器来减小控制包的大小；二是通过MPR 节点，可以不用将消息分散到网络中的所有节点.该协议通过使用MPR,可以减少整个网络的流量，也可以减少网络中的洪流.该协议可用于FANET,但随着节点的移动速度增高，网络的包传输速率、平均吞吐量和端到端时延等指标性能将恶化，文献［21］提出通过采用追逐移动模型对OLSR进行优化.文献［22］在OLSR协议上应用链路估计质量和速度加权ETX两个参数，改变了Hello信息和拓扑控制信息,改进后的LOLSR协议相对于OLSR协议端到端时延有明显的降低，而且吞吐量和数据包传输速率也有明显的提咼.文献［23］提出一种具有定向天线的OLSR协议，称为定向OLSR协议(DOLSR).DOLSR 可减少带定向天线的MPR数目，降低端到端的延迟.被动路由协议也称反应式路由协议，主要是针对主动路由协议的滥用带宽消耗问题，对于FANET 这一类高动态网络是一个合适的解决方案，典型的协议有按需距离矢量路由协议(Ad-Hoc On-demand Distance Vector Routing,AODV)［24］、动态源路由协议(Dynamic Source Routing,DSR)［25］.AODV路由协议有3个步骤，分别是路由发现、传输数据和路由维护.路由发现的作用是为了寻找从源节点到目的节点的最佳路由，正是由于路由发现过程的存在，从而导致该协议会产生较大的时延.但是AODV协议在需要进行通信时才会按照其需求寻找路径，可减少控制开销，且只会保留下一跳的路径,可以使得FANET网络中的带宽最大化.经证明, DSR协议可以应用在FANET中，但是并不容易实现［25］.文献［24］将AODV协议和DSR协议应用到FANET中，并进行性能比较，仿真结果表明，在包传输率、端到端时延和平均吞吐量3个指标上,AODV 协议均优于DSR协议，说明AODV协议比DSR协议更适用于FANET网络.文献［26］利用Hopfield神经网络对DSR协议进行优化，优化后的协议CHNN-DSR可以适应FANET节点的高速运动，极大改善了端到端平均时延、吞吐量和包传输率，同时提高了路94指挥与控制学报7卷由的稳定性.2.2.3针对FANET设计的路由协议研究进展随着当前人工智能的迅速发展，人们开始将智能算法和一些新的方法应用到路由协议上来,使得路由协议能够更全面地适应FANET网络.文献［17］提出了基于强化学习的自学习路由协议(Self-learning Routing Protocol Based on Reinforcement Learning,RLSRP)该协议通过强化学习优化了路由协议的计算速度，从而提高了灵活性和实用性,也提高了FANET中节点的自主控制能力.由于FANET网络中有大量的UAV节点，蜂群和蚁群算法等群体智能算法可以应用到FANET中,以改善路由协议相关指标.文献［27］提出了一种基于蜂群算法的FANET路由协议BeeAdHoc,和基于蚁群的路由协议AntHocNet,BeeAdHoc协议的主要特点是各节点作为蜂群中的一份子，通过各节点的局部寻优行为，最终在全局中获得最优值，收敛速度较快；AntHocNet协议将各节点作为群体中的一个个体，用各节点的行走路径表示待优化问题的可行解，路径较优的节点释放较多的信息素，信息素最多的路径便是最优解.研究表明［彳7-28］,AntHocNet、BeeAdHoc协议相对于AODV、DSDV和DSR协议而言，性能有很大提高，可更有效地运用于FANET中.除了人工智能算法在FANET路由协议的应用外，当前，发展前景较好的是地理位置路由协议.在这一类协议中，选取最佳路由只取决于节点的位置信息，而且不需要维护路由表.但是FANET中节点的高速运动会导致拓扑结构的频繁变化，拓扑结构的快速变化需要频繁地发送信标信息来保证路由选择的正确性.高信标发送频率会导致数据包的碰撞和信息传输的高延迟.为了解决这些问题，提出了基于地理路由的自适应信标方案［29］(Adaptive Beacon and Position Prediction，ABPP).ABPP协议能够自适应动态调整信标频率,并且能够预测UAV节点未来的位置，从而能提高该地理位置路由协议的性能.仿真结果表明,ABPP协议可以有效降低网络开销，也可以提高数据包的信息传输率.为了解决FANET中的实时路由、功率分配和功率控制问题，提出了一种异步的分层式跨层优化(Asynchronous Distributed Cross-layer Optimization,ADCO)方法［30］.该方法首先设计了一个时延约束的跨层优化框架，然后将联合优化问题分解为几个复杂度较低的子问题.在ADCO方法中，网络中的每一个中继节点都可以通过局部信息来完成对不同子问题的优化，同时可以用异步更新机制实现对偶变量更新.仿真结果表明，该方法可以有效提高系统吞吐量，也可以减少数据分组的超时率和功率消耗.现有的FANET系统中节点之间的通信主要依赖于数据传输速率较低、通信范围有限的未授权频段，给节点之间以及节点和地面控制站之间的通信带来了很大的不便.于是有研究者提出了一种高效低成本的混合通信方案.该方案将Wi-Fi和Bluetooth5两种通信方式混合，结合Wi-Fi的高数据传输率和Bluetooth5的低功耗的特点，使得系统在吞吐量和时延方面的性能均得到了很大的提升［31］.但是该混合方案对于FANET系统的回程链路的信息传输不太适用，为了解决该问题，可以考虑将WIMAX、LTE和5G通信方式结合或者单独应用到FANET系统的回程链路中.3问题及未来展望3.1研究问题分析对于FANET而言，节点的高速运动导致该网络的关键问题就是实现网络中节点之间的低时延高效通信，现有的大多数对于FANET的研究都集中于FANET的通信协议上，在现有的协议上对其进行改进，使得现有的协议变得更具优势.研究重点主要集中在以下方面:1)对现有的MAC协议进行改进.基于现有的MAC协议及其存在的不足，针对性地提出一些新的MAC协议，使得网络中节点之间能够快速建立可靠的通信链路，降低信息传输时延，提高系统的鲁棒性和可靠性.2)对现有的路由协议进行改进.在基础路由协议上提出一些优化的路由协议,在系统端到端时延、平均吞吐量和网络开销等指标上有一定程度的提升.随着人工智能和生物仿真技术的发展，更多的生物仿真智能算法(如蜂群算法、蚁群算法)被应用到路由协议中，使得网络性能得到大幅提升.3)FANET中的UAV节点的体积限制了节点的能量，节点的能耗决定了网络的工作时长，因此，节能也是一个研究重点.比如自适应Hello消息间隔方案［32］(Adaptive Hello Interval)，该方案能够降低系统中不必要的开销，从而提高系统的能量效率，降低能量消耗.除此之外，还有基于能量感知的集群的方法［34］,该方法的目的也是在有限的能量内产生最大的效益，包括低丢包率、大吞吐量和低时延等.该方法提出了一个EALC模型，在该模型内限制节点的传输范围，对网络中的节点进行聚类，优化了路由,从而节约了资源.该方法与ACO和GWO算法分析比较后得知，其集群构建时间和集群能耗上都更具优势.。