分布式空間系統組網技術綜述

朱振才 張晟宇 胡海鷹

(中國科學院微小衛星創新研究院，上海 201203)

分布式空間系統是指2顆及2顆以上衛星部署在同一個或多個軌道上，通過相互協同完成特定的空間任務，實現更有價值的空間系統[1]。文獻[2]中對于星座、星群和編隊曾經做過定義和辨析，文獻[3]中也對分布式空間系統給出了一個分類。目前，分布式空間系統還未完全形成一個受到各界普遍認可的類型劃分。根據其空間分布尺度、任務目標、系統內衛星同構性、衛星間的協同程度，可分為星座、空間編隊(跟隨、星簇和星群)、分散式衛星系統和聯合式衛星系統。

目前，利用微小衛星構成空間編隊和星座的應用模式越來越廣泛，例如以立方體衛星創業的行星(Planet)商業公司已經擁有超過300顆可進行可見光與多光譜對地觀測的龐大星座，而一網(OneWeb)公司則要利用超過1000顆的100多千克小衛星組成覆蓋全球的寬帶網絡。以美國為代表的航天強國為了應對未來復雜的空間態勢，也在積極地推進空間系統的彈性化發展。其中，一個重要的思路就是采用多顆小衛星取代過去單顆大衛星所實現的功能，因為這樣既能降低成本，又能降低系統安全風險。這些計劃的發展，需要星間組網技術作為空間信息的基礎支撐，讓多顆小衛星之間通過協同實現系統目標。

本文對空間分布式系統組網技術及其應用特點進行分析，建議未來應重點關注可預測網絡的中超大規模星座組網技術與精密編隊組網控制一體化技術，自組織網絡的低開銷高性能及自適應性。

1 分布式空間系統組網技術

根據空間拓撲動態和任務數據類型的不同，分布式空間系統在不同的應用場景下需要采用不同的組網技術[4]。整體上，可以將分布式空間系統組網技術分為兩類：一是拓撲關系與任務固定或者高度周期性變化的可預測組網技術；二是空間拓撲與任務不固定、關系呈動態變化的不可預測組網技術，也稱為自組織組網技術[5-6]。

1.1 可預測組網技術

可預測組網技術已在當前的在軌系統里實現業務應用，如“銥”衛星系統、“北斗”二代導航系統等。其應用系統與技術特點主要有以下幾個方面。

(1)系統內衛星的數量基本穩定，每顆衛星具有固定的星間鏈路數量。

(2)系統內衛星之間的拓撲關系處于固定關系或者高度周期性變化關系，星間鏈路的指向變化與連接時間可以進行準確的預測。

(3)不支持節點數量的變化，系統內衛星不支持星間鏈路數量的變化。

(4)物理層和鏈路層的星間鏈路技術以能量集中、指向要求高的點波束為主，微波現在以Ka頻段為主，并向著更高頻段發展，激光鏈路技術也逐漸成熟。

(5)組網尺度較大，可超過1000 km。

(6)以面向不同業務的網絡層技術為主要研究內容。

可預測組網技術主要應用在業務運行的大型星座和對編隊控制精度較高的星簇中。以“銥”衛星為例，通過一個66顆衛星的極軌π型Walker星座實現對全球的移動通信覆蓋。在這類星座中，軌道面采取空間上的均勻分布，每個軌道面上的衛星也均勻分布，相鄰軌道之間的衛星相位差也通過系統設計保持一定的相位關系。圖1為可預測組網技術與可見性分析。圖1(b)中：連續橫實線表示永久可見鏈路；有豎線的連續橫實線表示有短暫間斷的鏈路；連續橫虛線的實線部分表示鏈路的可見時段，中間空白部分表示不可見時段。

(a)“銥”衛星星座

(b)星座可見性分析圖1 可預測組網技術與可見性分析Fig.1 Predictable networking technology and access analysis

在“銥”衛星星座中，每顆衛星擁有固定的4條星間鏈路，同一個軌道面上的2條星間鏈路保持永久連接，指向相鄰軌道面的2條星間鏈路周期性切換，切換時間表由地面提前根據星歷計算上注。基于高度確定性的拓撲關系，“銥”衛星可以采用較小波束的Ka頻段鏈路實現較高速率的星間數據傳輸能力，并大大降低鏈路切換帶來的通信影響。

在網絡層，“銥”衛星星座采用星上的電路交換與處理轉發，基于確定可預測的星座拓撲變化實現星上的路由策略與星座管理。“銥”衛星在接收機收到射頻信號后，經過調碼/譯碼獲得幾代信息，在這個過程中對信息進行在軌處理，完成存儲、交換等，再按照路由策略和控制信令，將信號交換到相應的鏈路，調制后由發射機交由下一顆衛星。

以精確控制為主的空間編隊星簇組網技術，也屬于可預測組網技術。星簇的節點衛星之間采用高精度的相對位置測量技術實現毫米級的測量，同時衛星節點的拓撲變化受到嚴格的控制，因此系統的拓撲變化處于完全閉環的控制中。類地行星搜尋者-1(TPF-1)就屬于這類編隊[7-8]：其目標是通過精密的空間編隊虛擬一個基線更長、能力更強的望遠鏡系統；組網的特點是通信測量一體化組網技術，科學數據與控制信息高度耦合[9]；鏈路可保證更加精確的指向，而路由策略是基于科學任務目標對極高精度編隊提出的控制要求實現，組網技術針對性強，組網難度主要在精確編隊信息。

1.2 自組織組網技術

1.2.1 自組織組網場景及技術特點分析

自組織組網技術主要應用在空間拓撲高度動態、系統結構與數量不確定的分布式空間系統中。這類系統包括編隊中比較松散的星群、F6(Future, Fast, Flexible, Fractionated, Free-Flying)這樣的分散式衛星系統、大規模異構星群及聯合式衛星系統[10-11]。面向動態環境的自組織組網技術，其特點主要有以下幾個方面。

(1)系統內衛星的數量動態變化，沒有固定的星間鏈路。

(2)系統內衛星之間的拓撲關系處于高度動態中，不具備周期性，可連接的鏈路不確定，連接指向也不確定。

(3)支持節點數量的變化，支持星間鏈路數量的變化。

(4)物理層和鏈路層技術主要面向不確定性的連接，以更大波束覆蓋與自主接入的自適應鏈路技術為發展方向。

(5)組網的空間尺度較小，單星的組網能力在十公里量級，可通過組網多跳實現較大尺度組網。

(6)網絡層以Ad hoc、傳感器網絡等面向不同應用的自組織網絡協議為主。

自組織組網技術的應用范圍較廣，適應不同的空間應用場景與高度的動態環境。根據應用場景與系統結構與應用類型的不同，主要包括的組網類型有Ad hoc網絡、空間傳感器網絡、空間Mesh網絡。

Ad hoc網絡具有無中心和自組織性、動態變化的網絡拓撲、受限和時變的無線、傳輸帶寬有限、多跳路由、能量受限和安全性較差等特點，主要應用于非精密編隊的星群和聯合式衛星系統中。Ad hoc網絡是一個不需要基礎設施的對等網絡，文獻[12]中提出基于Ad hoc的大尺度空間組網，可實現多節點的星際多跳鏈接。Ad hoc網絡中的節點可以隨意的接入和離開，提高了系統的靈活性，也增加了空間系統信息安全的不確定性[13]。對于聯合式衛星系統，Ad hoc組網技術有著較大的應用潛力[14]。

空間傳感器網絡技術以數據傳輸為主要業務，網絡資源與路由完全服務于數據向用戶的傳輸。由NASA提出的“愛迪生小衛星組網驗證”(EDSN)系統，原計劃(后發射失敗，未能在軌驗證)發射8顆1.5U的立方體衛星，完成以空間環境輻射變化探測為科學牽引的空間小衛星組網驗證。EDSN系統是典型的空間傳感器網絡[15]，系統中包含一顆主星(Captain)和7顆子星(Lieutenant)，由7顆子星進行空間環境探測，然后將數據匯聚到主星，再由主星向地面傳輸。衛星間的傳輸距離約為20 km，傳輸速率為9.6 kbit/s(采用AX.25 協議)。其特點是傳感器網絡節點能量有限，整個網絡的能量也是受限的，傳感器網絡的節點數量大、密度高。以數據為中心，動態拓撲結構變化見圖2。

圖2 空間傳感器網的主要拓撲類型Fig.2 Main topologies of space sensor network

美國國防部先進研究計劃局(DARPA)提出的F6計劃，通過模塊化分離的單體，在空間無線組網與能量無線傳輸技術的基礎上完成單顆大衛星的彈性化轉變。F6這種典型的分散式系統，由于具有衛星內部的網絡系統與星間的網絡系統[16]，同時在網絡結構中有節點作為基礎設施，因此應屬于Mesh網絡(見圖3)。Mesh網絡支持Ad hoc網絡，具有自形成、自恢復和自組織特點，在節點失效時，其部分功能可由其他模塊替代。Mesh路由器沒有移動性，可以完成復雜的路由和配置，大大減小Mesh終端和客戶端的負載。在F6系統中，部分節點作為網絡基礎節點負責主要的路由與信令，為次一級的網絡節點提供服務。

(a)典型空間Mesh網絡拓撲

(b)Mesh網絡星間鏈路注：圖(b)中，紫線表示軌道，黃線表示通信鏈路。圖3 衛星Mesh網絡的典型拓撲Fig.3 Typical satellite Mesh topology

1.2.2 自組織組網技術中的分批稀疏編碼技術

在分布式自組織空間組網中，隨著組網節點的數量增加和節點的小型化，實際的星間鏈路高度動態，網絡拓撲也較復雜。同時，由于節點和網絡的資源有限，亟需一種對資源要求較低、對傳輸效能有效提升的組網技術。空間傳感器網絡等空間分布式系統，由于采用立方體衛星或者芯片衛星，節點的資源有限，星間鏈路的丟包率較高。丟包導致源節點要大量重復進行數據傳輸，大大降低了多節點傳感器網絡的組網效能。

在文獻[17]中提出的分批稀疏編碼(BATS Coding)，針對網絡中存在丟包現象進行設計。分批稀疏編碼由外碼和內碼組成，外碼是噴泉碼，內碼是隨機線性編碼，因此分批稀疏編碼兼具復雜度低和開銷小，同時對丟包較大并且有多跳累計丟包的場景具有很好的抗丟包特性，在空間分布式組網中具有較大的潛力。

分批稀疏編碼的應用包括編碼、傳輸和解碼3個過程。有K個需要編碼的數據包，確定一個有限域Fq，n為分批數量，每批包含M個數據包，整數K，n，M>0。編碼后得到n個分批為X1，X2，…，Xn，可表示為

Xi=BiGi

(1)

式中：Gi為第i個分批生成的矩陣；Bi包含原始數據包，見圖4，如果Bi包含di個原始數據包，則稱di為分批Xi的度。

在傳輸過程中(見圖5)存在丟包現象，抵達中間節點的分批不大于M。在每個中間節點，將同屬于相同分批的數據包進行網絡編碼，繼續傳輸。令M行的隨機矩陣Hi為中間節點的傳輸矩陣，Yi為接收端接收到的信息，則有

Yi=XiHi=BiGiHi

(2)

圖4 分批稀疏編碼Fig.4 BATS coding

圖5 分批稀疏編碼傳輸過程Fig.5 BATS coding transmission process

分批稀疏協議棧的分層與Internet協議棧類似，但是傳輸層與網絡層的操作與傳輸控制協議(TCP)/IP完全不同。在應用層，當源節點和目標節點想要通信時，在源節點接收到發送文件的傳輸要求后，文件從傳輸層開始處理。圖6為分批稀疏協議棧示意。

源節點和目標節點在傳輸層同時工作，主要功能是與外碼相關。源節點進行編碼而目標節點進行解碼。源節點接到文件發送請求后開始生成分批稀疏碼，然后發送至網絡層。而在目標節點，是從網絡層接收分批，然后在傳輸層開始對接收到的分批進行解碼。當目標節點通過解碼成功地解出完整的代碼后，傳輸層會向應用層發送文件，向網絡層發送成功解碼的反饋信息后通過星間鏈路返回到源節點。

在鏈路層不需要頻繁地發送反饋信息，所以鏈路層可以建立其他的反饋機制，例如對丟包率的估計，用于記錄數據包的大小。對于物理層來說，傳統的衛星間的傳輸需要為鏈路的可靠預留足夠的鏈路余量。而在應用分批稀疏編碼之后，衛星間的傳輸可以承受更大的丟包率，因此可以降低通信的功耗，或者延長通信的距離。

圖6 分批稀疏協議棧示意Fig.6 BATS protocol stack

利用分批稀疏編碼進行空間組網的仿真，選取多簇的分布式組網場景進行分析(見圖7)，并在場景中隨機選取匯聚節點，該場景下需要采用一種混合的路由策略進行星群的管控。在任務初始階段，首先建立匯聚節點與簇頭管理節點的穩定鏈路，一般情況下不允許簇頭與匯聚節點間存在多跳，如果必須多跳，那么要保障面向路徑最短的路由策略。簇內采用基于樹與鄰域路由相結合的路由策略，基于樹的路由優化目標是讓從數據采集節點到簇頭節點的距離最近，跨越的節點最少。這樣的路由策略可以通過廣播的通信能力進行節點狀況的管理。在該類型場景下，節點之間的拓撲構型相對穩定，主要的影響來源于星間鏈路(ISL)角度和傳輸距離導致的通信信道的變化。仿真統計相同數據量與數據速率下不同平均單跳最大丟包情況下選取不同傳輸策略所需的數據傳輸時間，見圖8。采用只基于路由的傳輸方式，隨著單跳丟包率的增加，鏈路上需要重傳的數據持續增加，使完成數據傳輸整體需要的時間快速增加；當丟包率超過30%后，完成傳輸的耗時增加得更多。在采用分批稀疏編碼的數據傳輸過程中，由中間節點進行數據的再次生成，降低了重傳數據，縮短了數據傳輸時間。

圖7 多簇星群在軌示意Fig.7 Multi-cluster in orbit

圖8 樹狀網絡最大丟包與傳輸時間的關系Fig.8 Relationship between max packets loss of tree network and transmission time

2 啟示與建議

隨著空間技術的發展，空間分布式系統的組網體現出多樣化的發展需求。一方面，未來的星座體現出超大規模組網的特點；另一方面，異構節點需要快速地進行隨遇組網。針對這些發展，本文從可預測和自組織組網技術預測技術發展趨勢。

2.1 可預測組網技術發展趨勢

1)超密集星座組網技術

基于可預測組網的最大在軌星座為“銥”衛星系統，組網衛星數量低于100顆。近年提出的星座計劃[18]，將在未來10年內部署超過1000顆衛星，“星鏈”(StarLink)更是提出超過10 000顆衛星的組網計劃。目前，“銥”衛星系統的組網技術已經不能滿足超大規模星座的組網要求，更不適應下一代的衛星網絡。

下一代衛星網絡支持極高的傳輸速率，是“銥”衛星等當前系統能力的數千倍。同時，它需要支持同樣千倍于當前的用戶數量。發展編碼技術、多址技術，只能提供有限的提升，無法滿足下一代的星座組網要求。下一代星座需要發展超密集的組網技術，大大提升單顆衛星的無線資源管理能力，滿足多星在有限的時空實現對空間頻率的最大復用，實現不同高度衛星對同一區域的覆蓋無線資源優化，同時增加匯聚節點，支持海量節點的接入。

2)精密編隊組網控制一體化

隨著激光通信測距一體化等技術的發展與應用，精密編隊技術也在逐步形成通信組網與編隊控制一體化。精密編隊控制需要進行高頻高精度的星間相對測量，再以此進行編隊控制策略的生成。組網通信與控制決策分發一體化的發展，將大大簡化編隊衛星的單星系統組成，提高編隊的控制精度。

2.2 自組織組網技術發展趨勢

1)低開銷高性能

未來，大量進入空間的衛星都是星上通信與計算資源有限的微納衛星，大量衛星之間需要通過高效率數據交互實現分布式系統的高效能。因此，亟需發展適應通信資源有限、不確定空間動態及遠距離傳輸帶來的高丟包率等惡劣條件下的組網技術；發展像分批稀疏編碼這樣的通過在不同通信環境(丟包率)下，結合平臺計算資源，自主進行分包大小組網的技術，它也代表著未來空間自組織組網的發展方向。

2)自適應性

空間分布式自組織網絡的自適應性發展是非常重要的發展方向。未來，空間分布式系統將在更多場景下應用，包括深空探測。面向不同的服務、配置和場景，越來越多的任務需要依靠組網協同來完成。同時，在任務的不同階段，組網拓撲可能發生較大變化，自適應自主運行的自組織組網技術，是保證分布式系統運行的關鍵。自組織網絡能在自主節點配置與動態感知調整，支持多種底層協議交互，實現自配置、自由化，自重構。