空天海一體化網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)*

徐艷麗，張倩倩，姜?jiǎng)倜鳎钯?/p>

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

0 引言

當(dāng)前，6G-萬物互聯(lián)正處于技術(shù)需求研究的早期階段，實(shí)現(xiàn)全球全方位、多角度、高速率的通信覆蓋是未來6G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究的目標(biāo)之一。空天海一體化網(wǎng)絡(luò)突破了地表和地形的限制，延伸到空間、空中、陸地和海洋等自然空間，有望為各類用戶提供全球接入服務(wù)，有助于克服用戶地處偏僻或環(huán)境惡劣而無法通信的困難[1]。該網(wǎng)絡(luò)是擁有多種資源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)集成是可實(shí)現(xiàn)高效無隙服務(wù)的關(guān)鍵，可實(shí)現(xiàn)天地海之間通信的互操作性，實(shí)現(xiàn)資源共享、服務(wù)一致[2]。以信息流為載體，綜合應(yīng)用多維空間信息，聯(lián)合資源的多維管理，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的最大效能利用。空天海一體化通信網(wǎng)絡(luò)主要是在節(jié)點(diǎn)、應(yīng)用及其他屬性等幾個(gè)層面的融合，需要穩(wěn)定高效的體系架構(gòu)；不同的用戶具有不同的業(yè)務(wù)需求，如何根據(jù)多樣化的需求部署相應(yīng)可靠的服務(wù)是需要解決的技術(shù)問題。本文將主要介紹空天海一體化網(wǎng)絡(luò)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，綜述目前相關(guān)的研究熱點(diǎn)以及所面臨的挑戰(zhàn)。

1 空天海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

空天海一體化的目標(biāo)主要是拓展通信覆蓋范圍的廣度和深度，在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上與天基互聯(lián)網(wǎng)（非陸地通信）和海洋通信（水下通信）網(wǎng)絡(luò)深度融合。如圖1 所示，空間地面綜合網(wǎng)絡(luò)由空間網(wǎng)和地面網(wǎng)組成，空間網(wǎng)主要由不同軌道上的各種衛(wèi)星，如GEO（Geosynchronous Earth Orbit，地球同步軌道衛(wèi)星）、M/LEO（Medium/Low Earth Orbit，中/低軌道衛(wèi)星）、高空氣球等空中通信設(shè)備組成，覆蓋范圍相對較廣，可以獲取實(shí)時(shí)的不同維度的空間信息，并對收集到的信息進(jìn)行傳輸和處理[3]。空間網(wǎng)作為地網(wǎng)的延伸，以地網(wǎng)為基礎(chǔ)，互聯(lián)互通、相互補(bǔ)充、高效協(xié)同、進(jìn)行功能性與智能性結(jié)合，當(dāng)空間層與地面層直接通信困難時(shí)，空間層可以提供路由旁路功能，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了空地網(wǎng)融合。地面層主要由各種用戶和地面通信網(wǎng)絡(luò)組成，覆蓋范圍有限。通過移動衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、地面節(jié)點(diǎn)和空中節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)和互聯(lián)，為用戶提供高效的無線接入服務(wù)[4]，實(shí)現(xiàn)全球高效可靠的通信。海洋網(wǎng)絡(luò)主要由海上網(wǎng)絡(luò)和水下網(wǎng)絡(luò)組成。海上網(wǎng)絡(luò)主要包括船舶、浮標(biāo)、水面艦艇等，這些節(jié)點(diǎn)具有一定的通信能力，可以提供邊緣服務(wù)。水下網(wǎng)絡(luò)由固定傳感器節(jié)點(diǎn)和移動節(jié)點(diǎn)組成，通常使用聲波通信，水下傳感器和無人航行器等實(shí)時(shí)采集水下環(huán)境信息，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給浮標(biāo)或者其他水面節(jié)點(diǎn)，再與衛(wèi)星或岸基基站進(jìn)行通信。

圖1 空天海一體化通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 資源管理

空天海一體化網(wǎng)絡(luò)的性能很大程度上依賴于6G，可以帶來全球覆蓋、超低延時(shí)和高密度連接等優(yōu)勢，但6G技術(shù)尚不成熟，且空天海一體化網(wǎng)絡(luò)要求不同的網(wǎng)段有一定的計(jì)算、存儲和通信能力，如何有效協(xié)調(diào)、管理和調(diào)度空天海一體化網(wǎng)絡(luò)的資源需要深入研究[5]。

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)通常采用集中式資源管理。集中式系統(tǒng)是指所有業(yè)務(wù)單位部署到服務(wù)器，以及所有數(shù)據(jù)存儲、管理和計(jì)算在中央服務(wù)器上進(jìn)行，大大增加了網(wǎng)絡(luò)擁塞概率。特別是對于空天海一體化網(wǎng)絡(luò)，長距離傳輸可能會產(chǎn)生更高的延遲。近年來，分布式系統(tǒng)已成為網(wǎng)絡(luò)管理的新范式[6]。分布式系統(tǒng)將服務(wù)器部署在不同的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)，其中邊緣服務(wù)器可以服務(wù)覆蓋內(nèi)的用戶，通過邊緣服務(wù)器之間的協(xié)調(diào)完成系統(tǒng)內(nèi)信息傳輸。考慮到空天海一體化網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署，采用分布式管理方案具有重要研究意義[7]。文獻(xiàn)[8] 研究了分布式系統(tǒng)的資源管理問題，提出了一種基于交替方向乘法器的資源分配算法，以調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)分配的公平性。同樣，文獻(xiàn)[9] 基于資源公平原則，將資源分配問題建模為凸優(yōu)化問題，通過建立切片和數(shù)據(jù)之間的拍賣關(guān)系，最大化系統(tǒng)的效用函數(shù)。

動態(tài)智能的網(wǎng)絡(luò)資源管理是空天海一體化網(wǎng)絡(luò)核心任務(wù)之一。基于粒子群算法[10]或遺傳算法[11]等的啟發(fā)式算法在物理網(wǎng)絡(luò)資源管理中發(fā)揮了重要作用。但是空天海一體化網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上述方案存在諸多局限性。近年來，DRL（Deep Reinforcement Learning,深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)）作為一種新的突破性的技術(shù)，已經(jīng)被運(yùn)用到通信和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的諸多方面。由于空天海一體化網(wǎng)絡(luò)是典型的高維空間架構(gòu)，而DRL 具有良好的感知和決策（尤其對于連續(xù)決策問題）能力，可以通過智能代理與環(huán)境進(jìn)行交互獲得最佳的資源管理方案，解決高維空間決策問題，所以將DRL 運(yùn)用到空天海一體化網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行資源管理無疑是一種很有前途的方法。文獻(xiàn)[12]研究了霧接入網(wǎng)絡(luò)的資源分配問題，并提出了一種基于DRL 的模式選擇、資源和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化算法，利用DRL 控制器根據(jù)學(xué)習(xí)自主控制決定計(jì)算任務(wù)在本地執(zhí)行或卸載到云服務(wù)器，以合理調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，降低延遲。文獻(xiàn)[13] 提出一種基于Q-learning 的資源分配和功率控制算法，優(yōu)化蜂窩網(wǎng)絡(luò)的資源管理問題，提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量和能效。文獻(xiàn)[14] 設(shè)計(jì)了一種基于人工智能和區(qū)塊鏈的邊緣計(jì)算框架，并利用DRL 算法有效調(diào)度上下行資源，提高資源利用率。

2.2 頻譜共享

6G 空天海綜合網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)跨越多層的三維網(wǎng)絡(luò)，包含多個(gè)網(wǎng)絡(luò)元素，不同運(yùn)營商之間需要開放和共享，此外，它面臨著寬帶無線業(yè)務(wù)頻率需求的增加和頻譜資源緊缺的矛盾。因此，有必要研究無線頻譜共享問題，提高頻譜資源利用率。為了滿足無線通信設(shè)備的流量需求并最大化網(wǎng)絡(luò)效用，DSS（Dynamic Spectrum Sharin，動態(tài)頻譜共享）技術(shù)應(yīng)用而生，DSS 技術(shù)是在同一頻段內(nèi)，為不同制式的技術(shù)同時(shí)提供相同的、動態(tài)、靈活分配的、單一共享的時(shí)頻資源，6G 動態(tài)頻譜共享的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高、中、低頻譜的共享，充分利用日益擁擠的無線電頻譜資源，大幅提升整體頻譜利用率。文獻(xiàn)[15] 研究了衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜共享問題，提出了一種多波束衛(wèi)星系統(tǒng)的頻段分配方法，通過應(yīng)用基于市場的機(jī)制來支持衛(wèi)星頻譜分配以獲得更高的頻譜效率。文獻(xiàn)[16] 探討了基于云的衛(wèi)星和地面頻譜共享網(wǎng)絡(luò)問題，提出了一種基于無線電地圖的智能頻譜共享方案，以降低用戶阻塞率和等待概率。從5G 的毫米波頻譜時(shí)代到6G 的太赫茲頻譜時(shí)代，更高的頻段也意味著更大的路徑損耗、更小的覆蓋半徑。對于當(dāng)前寬帶系統(tǒng)中的物理信道，頻譜共享往往會導(dǎo)致信道之間的相互干擾，為了防止信道干擾，有必要提出高效和智能的訪問規(guī)則來避免沖突，從多個(gè)維度細(xì)分多層設(shè)備的頻譜資源粒度，使得可以可靠、安全地隨機(jī)訪問大量網(wǎng)絡(luò)終端數(shù)據(jù)。為了降低頻譜資源競爭帶來的高時(shí)延，融合物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、6G 混合云的頻譜共享是很有前景的解決方案[17]，從而實(shí)現(xiàn)靈活、可行、高效的頻譜分配。受此啟發(fā)，文獻(xiàn)[18] 首先提出了能夠?qū)崿F(xiàn)萬物互聯(lián)的UIoT 系統(tǒng)，然后融合區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、混合云、6G 等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)，旨在實(shí)現(xiàn)能夠全面感知的系統(tǒng)狀態(tài)及高效處理信息的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。其中混合云的主要好處是通過分布式和多層基于云的服務(wù)器來緩解無線網(wǎng)絡(luò)的擁塞，這將大大降低了6G 網(wǎng)絡(luò)的延遲。因此，混合云可以為6G 網(wǎng)絡(luò)中的移動區(qū)塊鏈平臺提供及時(shí)高效的計(jì)算支持。6G 混合云中的區(qū)塊鏈解決了移動環(huán)境中計(jì)算資源有限且不可追溯的問題。通過在分布式混合云平臺上部署區(qū)塊鏈，可以輕松實(shí)現(xiàn)UIoT 設(shè)備的頻譜共享。

2.3 路由策略

對于空天海一體化網(wǎng)絡(luò)，信息需要在多個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間傳輸，路由是各種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的基礎(chǔ)。如何設(shè)計(jì)有效的路由協(xié)議，在任何給定時(shí)間構(gòu)建適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)包路由路徑，以適應(yīng)高動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌媾R著一定的挑戰(zhàn)。目前的路由方案多是針對單層網(wǎng)絡(luò)路由，多層網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同路由研究較少，因此需要著重研究多層網(wǎng)絡(luò)間的路由。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)類型多種多樣，不同層的限制也各不相同，如衛(wèi)星傳輸時(shí)延高、無人機(jī)能量有限、地面容易受地理環(huán)境的影響等都會引起網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化。

同樣地，傳統(tǒng)的路由協(xié)議大多是由分布式路由協(xié)議改進(jìn)而來，但空天海一體化網(wǎng)絡(luò)具有時(shí)變、異構(gòu)、自組織、分布式、開放等特點(diǎn)，已不再適用，動態(tài)路由是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化空間系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。動態(tài)路由技術(shù)可以自主檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)渥兓⒛苓m應(yīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，使得網(wǎng)絡(luò)空間系統(tǒng)始終保持最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。已有研究利用典型的鏈路狀態(tài)路由協(xié)議（如OSPFv3），通過分析空間鏈路的特性改進(jìn)協(xié)議，解決了路由收斂慢的問題[19]。當(dāng)前，對于大規(guī)模的復(fù)雜異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，將強(qiáng)化學(xué)習(xí)應(yīng)用到路由領(lǐng)域已成為研究的熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[20] 基于節(jié)點(diǎn)移動性較快的移動自組網(wǎng)場景，開發(fā)了一種Q-learning 算法，用于學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的移動性，為下一跳路由做參考，提高了網(wǎng)絡(luò)路由性能。目前互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)總是追求端到端延遲，因此文獻(xiàn)[21] 提出了一種基于RL 的空天地一體化路由方案，以最低延遲為目標(biāo)，以剩余能量和帶寬利用為約束，通過強(qiáng)化學(xué)習(xí)及其獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)的設(shè)計(jì)，有效地解決了衛(wèi)星帶寬資源和無人機(jī)能量有限的問題，降低了端到端延遲及丟包率。此外，文獻(xiàn)[22] 探討了能量有限的數(shù)據(jù)包路由問題，提出了一種新的基于DRL 的節(jié)能路由協(xié)議，通過學(xué)習(xí)平衡衛(wèi)星之間能量使用的路由策略，降低了能耗，保障了有界所需的端到端延遲。

2.4 網(wǎng)絡(luò)管理

空天海一體化網(wǎng)絡(luò)是多層集成網(wǎng)絡(luò)，通過多層架構(gòu)為用戶提供高效、個(gè)性化的服務(wù)。但由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信協(xié)議不一致、設(shè)備不兼容等問題，嚴(yán)重影響了信息傳輸效率。在異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的背景下，可實(shí)行地面段集中控制；根據(jù)衛(wèi)星組網(wǎng)方式，通過星上自主控制彌補(bǔ)地面站的不足[23]。另外，NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)提供了一種解耦硬件和軟件的解決方案，通過減少對專有設(shè)備的依賴來降低服務(wù)部署成本，并以更靈活的軟件定義框架構(gòu)建服務(wù)特性。SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）采用相互分離的集中控制平面和分布式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面，提供靈活的可編程能力[24]。NFV和SDN 技術(shù)在很大程度上降低了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的更新和維護(hù)成本，為全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)萬物高效互聯(lián)提供了解決方案。

為了提高信息傳輸效率，提升網(wǎng)絡(luò)性能，需要進(jìn)行傳輸控制。由于空天海網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的傳輸控制協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)流量控制和資源分配方面受到了挑戰(zhàn)。一旦交換節(jié)點(diǎn)向控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的請求超過控制器的處理能力，就會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞。現(xiàn)有的傳輸控制方案大多是針對一般用戶需求或特定流量類型設(shè)計(jì)的，無法適應(yīng)大規(guī)模異構(gòu)的傳輸需求。針對上述問題，文獻(xiàn)[25] 采用SDN/NFV 技術(shù)構(gòu)建5G 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并提出分析模型以實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星-地面鏈路之間的最優(yōu)流量分布和冗余度，促進(jìn)了與5G 地面系統(tǒng)的集成。另外，在空天海一體化網(wǎng)絡(luò)中，計(jì)算存儲和傳輸資源有限，不同網(wǎng)絡(luò)行為參與者之間會存在競爭，為了進(jìn)一步解決此問題，文獻(xiàn)[25] 基于排隊(duì)博弈理論建立系統(tǒng)模型，并提出了一種異構(gòu)用戶動態(tài)切換軟件定義傳輸控制方案，以提高系統(tǒng)應(yīng)對交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)出的主動適應(yīng)能力。為了應(yīng)對SAGIN 的間歇性，文獻(xiàn)[26] 構(gòu)想了一個(gè)智能分布式協(xié)作控制層，由衛(wèi)星控制器和地面控制器組成，本質(zhì)上與知識圖譜和定制強(qiáng)化學(xué)習(xí)相結(jié)合，能夠進(jìn)行高效的自適應(yīng)動態(tài)資源控制，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞和排隊(duì)延遲。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的SDN 技術(shù)無法應(yīng)對隨時(shí)間變化的資源管理以及高效調(diào)度計(jì)算和存儲資源的關(guān)鍵任務(wù)需求時(shí)，控制器可以很好地發(fā)揮作用。

3 待解決的主要問題

在空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)中，由于業(yè)務(wù)特性的多樣性和用戶服務(wù)質(zhì)量的要求，網(wǎng)絡(luò)資源分配和業(yè)務(wù)分配變得非常困難。傳統(tǒng)的優(yōu)化方法效率低，響應(yīng)速度慢，無法適應(yīng)復(fù)雜多變的空天海一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，難以滿足各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)需求。下面簡要討論一下空天海一體化網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)管理、安全性、干擾分析等關(guān)鍵技術(shù)方面所面臨的挑戰(zhàn)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理

（1）移動性管理

天基網(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星包括GEO、MEO、LEO，目前國內(nèi)外的研究主要集中在LEO 衛(wèi)星。LEO 主要是以點(diǎn)波束[27]覆蓋地面用戶，且星間鏈路具有覆蓋范圍廣、用戶規(guī)模大等特點(diǎn)，但用戶的不規(guī)則移動或衛(wèi)星的運(yùn)動會導(dǎo)致用戶離開衛(wèi)星波束的覆蓋范圍。為了保障用戶的通信，實(shí)現(xiàn)無縫移動，這就需要快速切換至其他衛(wèi)星。但不同的鏈路具有不同的切換成本，應(yīng)綜合考慮鏈路切換的成本，保證切換業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。另外，如何區(qū)分不同業(yè)務(wù)，并將業(yè)務(wù)需求動態(tài)匹配到物理層，是一個(gè)尚未解決的重要問題[28]。同時(shí)，通信鏈路層的失效造成的長切換延遲將極大降低了用戶體驗(yàn)。

出于不同的設(shè)計(jì)目的，網(wǎng)絡(luò)組件運(yùn)行在不同的網(wǎng)段，不同網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)資源是異構(gòu)的，只能在有限的時(shí)間和地點(diǎn)使用，如何有效整合網(wǎng)絡(luò)資源也是當(dāng)前尚未解決的問題。其次，不同網(wǎng)絡(luò)資源管理是一個(gè)動態(tài)過程，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)到所有網(wǎng)段的密集部署將導(dǎo)致更頻繁的鏈路切換，增加網(wǎng)絡(luò)信令開銷，降低用戶體驗(yàn)，這就需要新的移動節(jié)點(diǎn)的管理技術(shù)，有必要在考慮低成本和高收入等實(shí)際要求的同時(shí)實(shí)時(shí)管理資源。

（2）網(wǎng)關(guān)選擇

在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于專有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通信系統(tǒng)是封閉的，協(xié)議和格式轉(zhuǎn)換需要專用網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)段間通信。通常的情況是為每個(gè)網(wǎng)段選擇幾個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)充當(dāng)中轉(zhuǎn)站，共同建立網(wǎng)段間連接以進(jìn)行信息交換[29]。由于接入節(jié)點(diǎn)的移動性較強(qiáng)，用于通信的低軌衛(wèi)星通過終端用戶上空的時(shí)間比較短。因此為了應(yīng)對接入節(jié)點(diǎn)的頻繁切換，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和節(jié)點(diǎn)的部署需要滿足高效、低延遲的要求。另外，網(wǎng)絡(luò)接口作為理想的隱私邊界，對于不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，要保證其安全可靠，才有可能實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的深度融合[30]。通過選擇網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)通信路由策略配置來增強(qiáng)匯聚網(wǎng)絡(luò)的可管理和可控性。但是由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒌乩砦恢煤蛺毫犹鞖獾炔豢煽匾蛩兀l(wèi)星網(wǎng)關(guān)的不同布局可能會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)可靠性和延遲的性能不同。所以，選擇網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星具有重要的意義和挑戰(zhàn)性。

3.2 安全性

無線通信系統(tǒng)在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信傳輸時(shí)，容易遭受各種攻擊，如竊聽、消息篡改、惡意轉(zhuǎn)發(fā)、流量分析等，對網(wǎng)絡(luò)用戶構(gòu)成威脅。某些惡意用戶可能會共享非法信息，竊聽正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，如何切斷非法通信是亟待解決的一個(gè)問題。鏈路安全等級可以劃分為多個(gè)級別，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全要求，需要指定不同級別的保護(hù)質(zhì)量來防止可能的流量分析攻擊。除了傳統(tǒng)加密方法之外，物理層安全已成為衛(wèi)星和無人機(jī)通信安全的一個(gè)有前途的方法，但它仍然是一個(gè)開放性和挑戰(zhàn)性的問題[29]。

文獻(xiàn)[30] 利用無線信道的唯一性、不同位置特征屬性不同等特點(diǎn)，引入基于信息論的物理層安全PLS（Physical Layer Security，物理層安全）技術(shù)以增強(qiáng)物理層安全。但是，將PLS 方法應(yīng)用到天地一體化網(wǎng)絡(luò)中還存在信道的動態(tài)性、反饋時(shí)延和信道估計(jì)誤差及能源消耗等挑戰(zhàn)，故能否將PLS 方法應(yīng)用到異構(gòu)空天地海網(wǎng)絡(luò)中還需進(jìn)一步驗(yàn)證。

3.3 干擾分析

衛(wèi)星與終端之間的長距離及無線鏈路的開放性，使得通信會受到衰落等傳播效應(yīng)干擾以及其他信道損傷等影響[29]，直接導(dǎo)致服務(wù)質(zhì)量下降。如果LEO和GEO 系統(tǒng)共享頻譜，由于波束之間不能完全隔離，系統(tǒng)之間可能會發(fā)生波束重疊，導(dǎo)致嚴(yán)重干擾。此外，由于旁瓣效應(yīng)的存在，當(dāng)多個(gè)衛(wèi)星工作頻率相同時(shí)，GEO 衛(wèi)星在接收信號時(shí)，LEO 系統(tǒng)的上行鏈路的信號可能會對其造成干擾；GEO 地面站也可能接收到LEO 衛(wèi)星的下行鏈路信號，使它們互相干擾。

星地間干擾的主要成因是不同國家對于頻譜資源的劃分規(guī)定不同。如果星地間共享頻率，會產(chǎn)生同頻干擾，地面通信會對衛(wèi)星通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁和雜波干擾，主要包括地面基站與終端對衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)上下行鏈路的干擾[31]。

干擾可能會破壞信號的完整性，甚至切斷發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的通信鏈路，即衛(wèi)星鏈路、天地鏈路、地面鏈路等，它們是容易受到不利電磁干擾攻擊的鏈路；由于衛(wèi)星上缺乏特殊的處理和濾波功能，處理上行鏈路更具有挑戰(zhàn)性[29]。

3.4 信道建模

信道模型反映無線電信號的通信特性，可用來進(jìn)一步研究信道的傳輸能力。信道建模需要一些物理參數(shù)，如帶寬、頻率、載波、衛(wèi)星速度、傳播距離、天線類型等。然而由于衛(wèi)星的傳播距離長，接收端接收到的信號易受噪聲干擾和其他信道損傷的影響，多普勒頻移較大，這類信號的采集和處理具有很強(qiáng)的挑戰(zhàn)性。

由于衛(wèi)星、無人機(jī)和地面終端是動態(tài)變化的，導(dǎo)致空域網(wǎng)絡(luò)的信道在大多數(shù)情況下處于一個(gè)非平穩(wěn)狀態(tài)[28]，這與在時(shí)空頻率平穩(wěn)狀態(tài)下的信道建模不同，給建模帶來很大的困難。如何在非平穩(wěn)狀態(tài)下對信道進(jìn)行建模仍是一個(gè)有待解決的問題。

3.5 GEO的高延遲

GEO 衛(wèi)星距地面約36 000 km，長距離導(dǎo)致高通信延遲，而且點(diǎn)波束內(nèi)的差分傳播延遲也不能忽略。MEO/LEO在空間中沒有固定位置，地面站不能輕易鎖定任何一顆特定衛(wèi)星與之連接，導(dǎo)致排隊(duì)延遲和丟包率顯著增加。雖然路由可支持基于不同參數(shù)的數(shù)據(jù)流，并以集中方式管理它們，但如按每個(gè)流的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則發(fā)送至所涉及的中間節(jié)點(diǎn)，后者將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，該過程中的高延遲使得執(zhí)行的時(shí)間不可忽略。中間節(jié)點(diǎn)存儲的數(shù)據(jù)報(bào)越多，網(wǎng)絡(luò)的等待延遲就越嚴(yán)重[32]，使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量受到影響。

4 結(jié)束語

隨著未來信息服務(wù)對多維綜合信息資源的需求逐步提升，空天海一體化網(wǎng)絡(luò)是未來網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展趨勢，能夠滿足未來網(wǎng)絡(luò)廣域全覆蓋及互聯(lián)互通的需求。本文討論了空天海一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其所面臨的問題與挑戰(zhàn)，并對其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了概述，分析了融合架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)所帶來的優(yōu)勢。