臨空信息網絡信道建模與動態部署技術展望綜述

曹先彬，楊朋

北京航空航天大學 電子信息工程學院臨空信息系統先進技術 工信部重點實驗室，北京 100083

臨空信息網絡是以各類臨近空間平臺、高空和低空飛行平臺為載體，實時獲取、傳輸和處理空間信息的網絡系統，是天地一體化信息網絡的核心組成部分[1]。天地一體化信息網絡是中國“科技創新2030——重大項目”中首個啟動的重大工程專項項目，自被列入國家“十三五”規劃綱要之后，又被納入“新基建”的范疇，并繼續被列為國家“十四五”規劃綱要。近年來，在應急救援和對地觀測等重大需求的推動下，中國以及全球其他一些主要國家關于大力發展和建設臨空信息網絡的緊迫性越來越強。相比于天基網絡，臨空信息網絡更接近地面用戶，能提供高速率、大容量通信服務。相比于地面網絡，臨空信息網絡能快速延伸通信距離、提供廣域通信覆蓋；因此，臨空信息網絡兼具了天基網絡與地面網絡的優點，是地面網絡和天基網絡的重要補充。此外，臨空信息網絡組網的高靈活性、部署的高時效性、平臺的高機動性、以及能實現廣域覆蓋、局部增強的特殊性必然會將人類開展公共安全應急響應與救災和對地觀測等重大任務的能力提升到一個新的高度。

作為一種新興信息網絡，臨空信息網絡需要解決許多新的問題，主要包括臨空信道建模、臨空信息網絡動態部署、網絡接入控制、高可靠低時延通信等，其中信道建模與動態部署是其需要重點突破的關鍵問題。臨空信道建模旨在研究電磁波在臨空信道中的傳播規律問題，是關于臨空信息網絡系統設計、理論分析、性能評估、動態部署等諸多重要問題的研究基礎。動態部署旨在研究臨空信息網絡中各空中平臺的空間部署位置動態尋優問題，是使能臨空信息網絡有效滿足用戶服務請求的核心技術。本文重點研究臨空信息網絡信道建模與動態部署關鍵技術，著重剖析臨空信息網絡在信道建模與動態部署2方面面臨的重大挑戰，并展望應對挑戰的關鍵技術。

本文接下來的組織結構如下：首先，描述臨空信息網絡架構及限制；其次，展望臨空信息網絡信道建模關鍵技術；再次，展望臨空信息網絡動態部署關鍵技術；接下來，指出臨空信息網絡未來其他重點研究方向；最后，總結全文。

1 臨空信息網絡架構及限制

臨空信息網絡是部署在距離地表高度為22 km的空域內，由臨近空間飛行平臺(簡稱，臨空平臺)、大型長航時飛行平臺及低空飛行平臺組成的綜合性信息網絡，其綜合網絡架構如圖1所示[2]。根據部署高度的不同，空中平臺將完成分層部署，構成分層子網，并對特定區域內的用戶實行聚焦覆蓋。各子網與地面網絡互連，以便大容量數據及時回傳。相比于天基網絡，臨空信息網絡具有規劃部署快、平臺高度低、時空尺度小等特點，所以其在應急救援和對地觀測等方面具有反應迅速和觀測精準等優勢。此外，在臨空信息網絡中，不同高度層的平臺(或網絡節點)可以按照任務需求，實現網絡的拓撲重構和服務響應能力的快速伸縮，從而有效提升臨空信息網絡動態立體觀測與應急響應的機動性和時效性。完成構建的臨空信息網絡將具備特定任務響應的廣域覆蓋與局部增強能力，包括增強快速響應能力，增強信息獲取精度、頻次與維度等。

臨空信息網絡的部署空域包括了民航通信所在空域和低空通信空域。基于地球同步軌道衛星的天基通信是民航通信的主要解決方案，其中，衛星在民航飛機與地面接入網間起到信息中繼的作用，實現民航飛機與地面接入網間信息的透明彎管傳輸。該方案能提供民航飛機在全球任何民航空域內的網絡接入服務，且網絡切換不頻繁，通信可靠性高；不過，天基通信的成本高、時延大，難以有效滿足未來民航通信的要求[3]。基于地面專用網絡的地基通信是民航通信的另一種重要解決方案，其中，民航飛機直接通過空中接口與專用地面宏基站相連，實現高速低時延的信息傳輸；但是，受限于地面基站的建設，地基通信方案不支持跨洋國際航線[4]。近年來，低空無人機通信成為低空空域通信的熱點研究內容。國內外研究人員分別從無人機自組織網絡、無人機的應用場景、通信協議設計、網絡安全、信道建模等方面綜述了無人機通信[5-12]。考慮到單架低空無人機的能力極其有限，為提升基于無人機的低空通信網絡的魯棒性、生存能力和服務能力等，研究人員達成了基于多架低空無人機構建平面(或層次)Mesh型拓撲結構或Ad hoc拓撲結構的多無人機網絡的共識。

組成臨空信息網絡的空中平臺種類繁多。其平臺重量從幾百克到數百千克不等，各平臺的載荷能力有所不同，可裝備的天線類型亦有差異，例如，低空微型飛行平臺往往只配備一根天線[13]，臨空平臺則能配置大規模天線陣列[14]。相比于地面網絡，臨空信息網絡平臺數量少，網絡稀疏；然而，其平臺的機動性高，平臺的飛行速度可以達到數百公里每小時[15]。此外，空中平臺的覆蓋范圍與平臺的部署高度正相關，單個臨空平臺的覆蓋半徑可高達150 km，單個低空微型飛行平臺的覆蓋半徑可能只有數十米。空中平臺的覆蓋范圍與通信仰角反相關，考慮到部署環境的影響，地面用戶與臨空平臺間的最小實用仰角為5°，不過，為緩解過度地面雜波的影響，通常將通信仰角設計為15°。考慮到信號遮擋和陰影等影響，需要設計一個較高的地面用戶到低空微型飛行平臺的通信仰角。

依賴于空中平臺攜帶的載荷種類，臨空信息網絡能提供多種不同類型的服務。例如，空中平臺能擔任空中移動基站的角色為地面用戶提供應急通信恢復與保障服務，能充當空中中繼節點承擔信息中繼任務，也能通過掛載不同類型的傳感器來執行計算、導航、監視、感知等特種任務[16]。

臨空信息網絡部署在立體空域中，其網絡拓撲結構呈現多樣性的特點。臨空信息網路的高空部署環境相對簡單，高層子網可以采用星型、鏈型或Mesh型拓撲結構[16]。實際應用中，場景任務和網絡構建成本決定了高層子網的拓撲結構，且成本更加關鍵。例如，為實現超遠距離的臨空飛艇與地面用戶間的傳輸，理論可行的方案是采用多艘臨空飛艇構成鏈型拓撲，但是，單艘臨空飛艇當前的造價高達數千萬元人民幣，因此，考慮到制造成本，實際的方案可能是僅采用一艘臨空飛艇，并通過租用衛星鏈路的方式實現超遠距離傳輸。臨空信息網絡中的低空部署環境復雜，星型拓撲結構往往難以保證低空水平子網的連通性和可靠性；因此，低空水平子網可以維護Mesh型拓撲結構[17]。臨空信息網絡不同高度層的平臺可以互連互通，形成跨層垂直子網，提升子網的服務能力和覆蓋范圍。

臨空信息網絡中的平臺能支持2類通信鏈路，分別是載荷通信鏈路與非載荷控制鏈路。為支持載荷通信，S波段頻率2.4～2.483 5 GHz和C波段頻率5.725～5.85 GHz被分配給低空飛行平臺[18]；為支持非載荷控制鏈路，L波段頻率960～977 MHz和C波段頻率5.03～5.091 GHz被分配給低空飛行平臺[19]。大型長航時飛行平臺的軍事用途廣泛，因此尚未公開特定工作頻段。為協助臨空平臺的部署，ITU將48 GHz毫米波頻段指定給臨空平臺在全球范圍內使用，31/28 GHz頻段指定給其在特定國家使用。臨空平臺亦支持2 GHz頻段和6 GHz頻段，以分別提供IMT-2000最低服務保障和作為IMT-2000的網關鏈接使用[20]。表1展示了當前分配給臨空信息網絡的頻段。

表1 臨空信息網絡頻段使用表[16,19,20]Table 1 An overview of spectrum bands dedicated for near space information network[16,19,20]

在臨空信息網絡限制方面，為維護國家安全、公共安全、飛行安全，臨空信息網絡的部署空域受到嚴格的監管與限制。例如，中國民航局分別于2018年1月和2021年7月發布了《無人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》和《民用無人駕駛航空器系統空中交通管理辦法》，對不同尺寸、不同起飛重量的無人駕駛航空器在國界邊境、人口稠密區、重點地區等的飛行空域設置了禁飛和管控空域，并限定了各無人駕駛航空器的工作頻率、功率等技術指標。

此外，由于臨空平臺的設計和制造對成本與技術的要求較高，所以全球僅有少數幾個國家的少數幾個(非)盈利組織有能力構建臨空信息網絡。然而，這并不影響臨空信息網絡成為全球范圍的研究熱點和學術前沿。

2 臨空信息網絡信道建模

信道建模一直以來都是無線通信領域的基礎和熱點研究問題。在低空無人機信道建模研究方向，近年來，基于實際信道測量和模擬仿真方法研究人員構建了大量低空無人機空對空和空對地信道模型。其中，文獻[10]綜述了基于信道測量方式和統計建模的低空無人機信道建模方法，并將無人機信道模型劃分為確定型、隨機型、幾何-隨機型3類模型。文獻[11]主要綜述了基于信道測量的低空無人機空對地信道建模方法，并概述了測量頻率、配置、環境、空地信道測量的挑戰、探測波形類型、仰角對測量結果的影響。此外，文獻[12]綜述了多種低空無人機部署場景下基于信道測量和無人機的空對空和空對地信道建模方法。總體而言，現有低空無人機信道建模方法重點研究氣象因素(如自由空間損耗、大氣損耗、雨衰等)與非氣象因素(如頻段、間歇性多徑效應、窄帶衰落、多普勒擴展、延遲色散、機身遮擋等)對無人機通信信號衰落的影響。詳細的低空無人機信道建模方法可以參考文獻[10-12]及其中的參考文獻。

在臨空信道建模研究方向，盡管研究人員對臨空信道建模問題開展了初步探索[21-27]，然而，這些工作沒有繼續研究臨空信道模型中的高精度信道參數估計問題；所以，所構建的模型不夠準確。此外，調研發現，現階段研究人員尚未開展臨空信息網絡普適信道建模問題的研究。精確度是信道模型最重要的性能指標，高精度信道模型將對通信理論技術研究、通信系統優化設計產生重大影響；模型的普適性或通用性則是僅次于精確度的重要指標。本文接下來展望這2方面研究的關鍵技術。

2.1 高精度臨空信道建模

得益于陣列增益、分集增益和共信道干擾消除等，陣列天線能極大地提升信道容量并改善通信質量。但能否受益于陣列天線，取決于空中平臺的載荷能力。相比于低空飛行平臺，臨空平臺具有更強的載荷能力，因此，在臨空平臺上安裝陣列天線是一個國際共識。再者，由于臨空平臺主要工作在毫米波頻段，所以，現階段，臨空平臺在實際通信過程中推薦采用毫米波陣列天線通信技術。這給信息傳輸帶來高增益、高帶寬通信優勢的同時，也給臨空信道建模帶來了極大的挑戰。首先，超長距離衰減是毫米波通信技術面臨的一大挑戰；其次，臨空信息網絡的信道將通過整個對流層，ITU和3GPP指出在對流層傳輸環境下，毫米波通信將受大氣、雨水、閃爍等復雜氣象條件的嚴重影響[28,29]；第三，受氣流擾動等因素影響，高空平臺的飛行姿態不完全可控，進而影響信道模型的準確性；第四，受信號接收端移動性的影響，信道面臨多普勒頻移問題[30,31]；第五，低空飛行平臺和地面信號接收端接收到的信號質量將受特殊復雜的地形和地域的嚴重影響；第六，陣列天線有待估計的參數維度更高，估計難度更大。由于存在上述挑戰，對臨空信道開展建模研究時，用于地面毫米波陣列天線信道建模的方法都將毫無例外的變得不準確。

為應對上述挑戰，設計適用于臨空信息網絡的高精度信道建模方法，需要以最新的地面毫米波陣列天線信道高精度估計方法為基礎，著重研究臨空信道環境下的通信仰角、氣象、高低空平臺移動和抖動、地面終端的移動、地形和地域等復雜因素分別對波達方向估計準確性、收發端天線增益、大小尺度衰落的影響。例如，在開展陣列天線信號波達方向高精度估計研究的過程中，首先需要深入分析大氣折射和對流層閃爍如何改變無線電波傳播方向，推導臨空信息網絡中各平臺抖動和移動造成的信號方位角與俯仰角的變化，根據分析結果補償波達方向。接著，基于補償的波達方向可以利用最新的地面毫米波陣列天線信號波達方向高精度估計方法估計臨空環境下的波達方向。再如，在開展臨空信息網絡陣列天線信號復信道增益恢復的研究中，首先，可以探索氣象等條件(如雨衰、對流層閃爍等)對臨空信道復增益的影響；接著，可以采用適用于地面毫米波陣列天線信道恢復的稀疏貝葉斯方法[32]或近似消息傳播方法[33]等恢復臨空信道的復增益。

2.2 普適臨空信道建模

信道模型的普適性是無線信道模型的關鍵性能指標之一，對信道模型標準化、通信共性理論技術研究及通信系統融合構建至關重要，且其重要性僅次于信道模型的精確度。無線信道模型受頻段、環境和場景的直接影響。信道普適性建模需要解決的問題是僅通過調整校正信道模型的參數，就能使所建模型適用于不同頻段、環境和場景。臨空信息網絡普適信道建模面臨極大的挑戰。臨空信道模型的準確性受頻段、環境和場景中諸多因素的影響，如此，構建普適的信道模型意味著該信道模型必須包含所有能夠表征這些影響因素的參數。此時，探索臨空信道新特性、研究信道新規律和構建信道新體系是構建臨空信息網絡普適信道模型面臨的首要理論挑戰。如何同時估計種類繁雜、維度較高的參數是該普適信道建模面臨的一大技術挑戰。在真實信道樣本數量不足的情況下，如何評估各類參數的影響，校正各類參數并驗證模型的準確性是該普適信道建模面臨的一大現實挑戰。

為應對上述挑戰，首先，需要構建多因素融合的普適信道模型原型。具體地，考慮到臨空信道與星地信道具有部分相似性的特點，可以以標準星地信道模型為基礎，融入臨空信道的新特性，構建如式(1)所示的同時考慮頻段、環境和場景中多種影響因素的臨空信道模型原型，

H=Gt(θ,φ,α,β,γ)Gr(θ,φ,α,β,γ)·

PLSFCLBLWESC·A(fb,fD,θ,φ,α,β,γ)

(1)

式中：Gt(θ,φ,α,β,γ)和Gr(θ,φ,α,β,γ)分別表示平臺發射端天線增益和接收端天線增益；θ、φ、α、β和γ表示方位角、俯仰角、側滾角、航向偏角、偏航角；PL為自由空間路徑損耗；SF為多徑陰影衰落；CL為地物損耗；BL為阻擋建模；WE表示雨衰、水汽和大氣氣體吸收；SC表示散射建模；A(fb,fD,θ,φ,α,β,γ)為陣列流形矩陣，fb為臨界頻率，fD為多普勒頻率。基于隨機幾何理論與等效的對流層幾何模型可以分析多普勒頻移、平臺抖動對接收信號相位的影響。收發端天線增益的建模具體取決于平臺的天線配置、俯仰角、方位角和抖動。國際社會很早就啟動了關于氣象條件(如云、雨、霧、雪花、冰晶、大氣等)對毫米波通信影響的研究，且ITU和3GPP給出了詳細的氣象衰減建議[28,29,34]。因此，水蒸氣和大氣吸收損耗以及雨衰需要結合無線電探空儀測得的本地局部氣象數據與ITU給出的建議進行計算[35]。

其次，需要設計臨空信道模擬器以生成部分模型訓練集；具體可以采用分級、分階段的設計方案。為模擬水蒸氣和大氣氣體吸收導致的信號強度衰減，需要參照本地局部測量數據或ITU-R P.836[36]中的數字地圖；為模擬雨衰，可以參考ITU-R P.837[37]、ITU-R P.838[34]和3GPP TR 38.811[28]中給出的數據；針對閃爍的影響，需要構建區分湍流層與對流層底層的閃爍幾何模型，設計包括可調節標準差的復高斯噪聲發生器和低空濾波器的閃爍信道模擬器；復雜地形與地域會引發信號傳播的多徑陰影衰落和阻擋效應，這意味著在模擬復雜地形與地域影響時需要構建分階段模型[20]。可以構建一個兩階段模型來模擬此類影響。第1階段生成一個變化特別慢的信道狀態變量，將信道狀態劃分為在恒定環境因素下的任意2個子信道狀態，并找到一個子狀態到另一個子狀態的轉移概率。由于信道的時空相關性，此階段可以采用一階馬爾科夫鏈進行信道狀態轉移建模。第2階段構建慢變化和快變化的信道狀態變量，并確定每個子狀態的信道統計特征，此階段可以采用對數正態分布、萊斯分布等進行建模。

再次，需要訓練與校正模型參數，此過程可以采用參數降維思路訓練與校正信道模型的高維與繁雜參數，以真實與模擬仿真生成的樣本為基礎，利用機器學習與人工智能方法進行回歸分析等處理，以獲得各類模型參數的均值、預測值或統計分布，并根據局部測量或經驗結果采用人工智能技術預測校正模型參數。

3 臨空信息網絡動態部署

臨空信息網絡具有平臺高動態異質、空域共享、響應任務不定等特性，為保證臨空信息網絡高效、安全地滿足用戶的服務請求，必須深入挖掘臨空信息網絡的態勢信息，研究態勢引導的臨空信息網絡動態部署問題。另一方面，任務驅動(或按需部署)是實現臨空信息網絡高效動態部署的核心指導原則，而不同類型的服務請求對臨空信息網絡性能有著不同的要求。因此，本文接下來分別探索臨空信息網絡的態勢感知、QoS驅動部署與QoE驅動部署問題。

3.1 臨空信息網絡態勢感知

臨空信息網絡態勢主要包括網絡與安全2方面的態勢，本文將分別闡述如何獲取這2方面的態勢信息。

3.1.1 網絡態勢感知

臨空信息網絡的網絡態勢是表征其網絡層面的資源、容量、業務承載等狀態，包括頻率、計算、存儲、平臺等資源，鏈路、子網、全網容量，網絡節點與網絡中的業務擁塞狀態等，是臨空信息網絡實現高效動態部署的重要前提。然而，準確感知臨空信息網絡的網絡態勢的難度較大。首先，臨空信息網絡面臨的電磁環境復雜多變，信號干擾嚴重；其次，業務服務請求的不確定性導致臨空信息網絡的業務承載狀態的隨機性較高；再次，平臺的動態性高，低空環境復雜多變，難以準確計算網絡容量；此外，臨空信息網絡資源維度高、隨時間動態變化，難以精準感知。

為應對電磁環境復雜和干擾嚴重的難題，需要進行電磁頻譜感知，采用隨機幾何理論分析信道期望干擾情況；為分析網絡業務承載狀態，需要綜合利用隊列分析理論與概率論，構建新的隊列模型，分析隊列中數據分組的演化狀態；針對網絡容量計算難的問題，需要結合臨空信道模型、采用隨機幾何理論分析網絡的期望容量[38]；為應對網絡資源難以準確感知的問題，需要研究臨空信息網絡的片段化部署，頻繁監測片段子網節點的資源狀態，降低資源感知的維度。臨空信息網絡的片段化部署體現在臨空信息網絡中參與部署的不是相對獨立的若干子網，而是在任務序列驅動下，動態匯聚若干空中平臺并按需構建新的片段化子網，以支持動態業務服務；隨著任務序列的發展，這些片段化子網也在動態變化，具有生命期并在期間發生解構、重組等動態變化。

3.1.2 安全態勢感知

臨空信息網絡中各飛行平臺在執行任務時需要自主地飛往目標空域，并要共享有限復雜空域。因此，研究臨空信息網絡的動態部署問題首先要考慮與民航空域的協同規劃；此外，各平臺在飛行過程中，需要避開障礙物，還需要避免與鄰域其他飛行平臺相碰撞。所以，臨空信息網絡需要實時準確感知空域安全態勢，并以此感知信息為引導開展部署研究。

空域安全態勢是指在指定時間、空間范圍內空域環境要素(如鄰近飛行平臺、地形地物、氣象等)對飛行平臺安全飛行威脅程度的時空分布表征，是實現多異質空中平臺安全高效地使用混合空域的前提，能夠為臨空信息網絡安全動態部署提供風險評估依據。

然而，準確感知與構建臨空信息網絡安全態勢的挑戰性極大。首先，臨空信息網絡中空域管控邊界模糊，飛行平臺速度快，反應時間短；其次，許多空中小目標威脅物的信號微弱，特征不顯著，難以及時準確探測；再次，多飛行平臺局部安全態勢之間的強耦合關系導致安全態勢的時空推演異常復雜，全空域大尺度動態安全態勢難以精確描述與建模。

為解決空域管控邊界模糊的問題，需要研究單飛行平臺與環境要素之間的相對定位誤差、安全間隔余度等與指定碰撞風險水平之間的映射關系，建立飛行平臺安全包絡模型。針對空中小目標特征不明顯的問題，一方面需要在空間、時間等維度上來獲取多粒度的觀測數據；另一方面可以引入低空空域的關聯物，通過建立目標與關聯物的關聯特性來輔助探測。為降低全空域安全態勢推演與建模的復雜度，可以采用多主體系統、動態演化博弈的方法，將異質空中平臺的自主運動映射為多主體系統中的個體行為，結合臨空信息網絡拓撲結構與平臺的運動特性，設計系統的演化策略，通過多主體演化來實現多源異構態勢信息的融合，進而在體現個體異質性與關聯性的同時，能更全面地描述系統的整體運行狀態。

3.2 QoS驅動的臨空信息網絡動態部署

臨空信息網絡存在任務驅動的屬性，而臨空信息網絡中各平臺的服務能力、任務響應速度等各有差異，為有效滿足用戶服務請求，提升網絡利用率，動態部署臨空信息網絡需要有用戶服務請求時空分布信息的支撐；因此，接下來，本文首先討論臨空信息網絡業務預測問題；然后，根據預測結果探索臨空信息網絡動態部署問題。

3.2.1 業務預測

臨空信息網絡面向的服務請求往往具有應急性、短時突發性、時變性和異質性的特點。這些特點導致臨空信息網絡需要承載的業務的時空分布難以得到準確的預測。為解決該難題，需要深入探討業務的應急、突發和短時發生等特性，構建業務請求收集與模型學習的聯合預測機制[39]。

在業務請求收集方面，需要指定地面或空中基站收集業務請求用戶的位置、移動范式、設備類別、MAC標識號、到達和離開時間等信息。當一個新的用戶進入到某個基站的覆蓋范圍內之后，用戶將主動定期向該基站發送信標消息。如此，各基站能將用戶的上述信息存儲到其注冊表中。一段時間后，基站通過更新與檢查注冊表即能知道其覆蓋范圍內業務請求基本情況。為應對短時突發業務，每個基站需要定期更新注冊表。當基站發現業務請求超過其服務能力時，將主動向集中控制單元發送業務請求情況。集中控制單元亦定期向各業務請求收集基站詢問業務請求情況。通過分析從基站中獲取的業務請求信息，集中控制單元將能知道整個臨空信息網絡面向的業務請求的時空狀態。

在模型學習方面，集中控制單元將以機器學習和人工智能技術為基礎，分析收集到的業務請求信息，構建并學習業務請求的變化趨勢。此外，為實現預測準確性與及時性之間的折中，有必要設計包含預測窗口、分析預測、預測冗余與預測上限機制的綜合預測方案。

業務預測結果將引導臨空信息網絡的動態部署以有效滿足用戶服務請求，提升網絡資源利用率。

3.2.2 QoS驅動部署

QoS驅動部署是指以業務預測結果為基礎，優化臨空信息網絡中平臺的移動軌跡或空間部署位置以滿足用戶QoS需求。通常，用戶QoS需求可以表征為用戶的可達數據速率。

然而，QoS驅動的臨空信息網絡優化部署問題的求解難度極大。首先，臨空信息網絡是由臨空平臺、高空和低空飛行平臺共同組成的信息網絡，空中平臺部署高度的不同導致臨空信息網絡在空間上呈現明顯的立體層次化分布特性，各平臺在計算、通信、移動等能力方面各有差異；因此，研究QoS驅動的臨空信息網絡優化部署問題意味著要求解一個立體多層、多異質網絡的聯合優化部署問題。其次，臨空信息網絡所部署的空域環境復雜多變，多個空中平臺之間、空中平臺與民航飛機之間需要共享空域，且空域中存在許多未知不確定的風險區域；因此，研究QoS驅動的臨空信息網絡優化部署問題還需要探索如何保障空中平臺飛行安全的問題。

為應對上述挑戰，首先需要以臨空信息網絡的網絡態勢為支撐建模臨空信息網絡的立體多層、多異質特性；體現空中平臺立體多層特性的可行思路是建模不同的平臺覆蓋范圍、時變的子網選擇和多類別的信號干擾等，體現多異質特性的可行思路是約束平臺的服務能力，具體包括計算、存儲和網絡資源約束。其次，需要以臨空信息網絡的安全態勢為支撐建模空中平臺飛行安全約束條件。第三，構建并求解臨空信息網絡態勢引導下的以滿足用戶QoS需求為目標的優化部署問題；不過，該優化問題往往是一個多約束、高維、序列化決策問題，利用傳統的最優化方法很難得到上述問題的最優或次優解，強化學習與圖神經網絡將是求解上述問題的較好方法。

3.3 QoE驅動的臨空信息網絡動態部署

本質上，QoE驅動的臨空信息網絡動態部署問題是一個優化問題。用戶的QoE指標具有明顯的主觀性，為了數學建模QoE驅動的臨空信息網絡動態部署問題，首先需要研究QoE指標映射問題。因此，本文接下來依次研究QoE指標映射與QoE驅動部署問題。

3.3.1 QoE指標映射

多媒體業務是臨空信息網絡傳輸業務的重要組成部分。隨著多媒體服務的發展，用戶的主觀感受到的重視程度越來越高，QoE已成為多媒體傳輸技術中衡量服務質量的主要性能評估標準。如圖2所示，QoE評價指標包括流暢性、清晰度和低時延。

流暢性、清晰度和低時延評價指標具有明顯的主觀性，為優化部署臨空信息網絡以有效滿足用戶的QoE需求，首先需要探索主觀的QoE評價指標到客觀物理層資源分配的合理映射問題。

客觀度量清晰指標的可行途徑是定義并優化峰值信噪比，例如，第i個用戶的峰值信噪比psnri可以表示為[40]

(2)

式中：M表示總的離散余弦變換(DCT)系數塊；t為某個時隙；T為總時隙數；λt表示服從零均值高斯分布的DCT系數塊隨機變量的方差，常數η為多媒體視頻的像素深度；σ0為高斯白噪聲的標準差；q(t)為t時隙信號發射設備的空間位置；wi表示用戶i的空間位置；β0表示平均的信道功率增益；pt為信號發射端t時隙的發射功率。

客觀度量流暢性指標的可行途徑是設計并優化與用戶可達數據速率、需求播放速率和應用類型等因素相關的對數效用函數，例如，第i個用戶的流暢性體驗指數可表示為[41]

(3)

式中：不同的常數ε和ν反映不同的應用類型；ri表示用戶i的需求播放速率；Ri(t)為用戶i在t時隙的可達數據速率。

用戶i體驗到的時延di包括處理時延(如編解碼、渲染)、分組等待時延(如協議解析)、緩沖時延和傳播時延等，其中，處理和分組等待時延與傳播路徑上設備的計算能力有關，緩沖時延與用戶端播放緩沖區的長度有關，傳播時延與用戶可達數據速率反相關。

3.3.2 QoE驅動部署

QoE驅動部署是指以業務預測結果為基礎，優化臨空信息網絡中平臺的移動軌跡或空間部署位置以滿足用戶QoE需求。

求解QoE驅動的臨空信息網絡優化部署問題面臨極大的挑戰。除網絡的立體多層、多異質特性造成的部署挑戰與空域共享引起的安全挑戰外，其還面臨著聯合優化QoE 3個評價指標所帶來的技術挑戰。如圖2所示，QoE 3個評價指標相互沖突、相互制約，難以同時最優化3個評價指標，例如，多媒體業務編碼碼率越高，清晰度越高，但是出現丟幀和卡頓的現象越頻繁；為減少播放出現卡頓的頻次，需要設置較大的播放緩沖區，但是較大的播放緩沖區會帶來較高的緩沖時延。

為應對上述挑戰，需要以臨空信息網絡的網絡和安全態勢為支撐，構建如下臨空信息網絡態勢引導下的多目標優化部署問題，并尋找其Pareto最優解，

s.t. 網絡與安全態勢約束，

其他類型約束。

(4)

由于傳統的最優化方法往往很難求解所構建的優化問題，采用最優化和人工智能相結合的方法是求解該優化問題的可選途徑，其中，最優化方法用于求解該優化問題分解出的凸問題，人工智能方法(如圖神經網絡、深度神經網絡)可以得到該優化問題分解出的非凸問題的近似解。此外，為加速人工智能方法收斂，需要利用最優化方法評價優選人工智能方法得到的近似解。

4 其他未來研究方向

前兩節剖析了臨空信息網絡在信道建模與動態部署研究方面面臨的重大挑戰，并展望了應對挑戰的關鍵技術；不過，為進一步提高臨空平臺-低空飛行平臺間信道模型的準確性，并提升臨空信息網絡的部署效率，還需要繼續深入研究臨空信息網絡中低空飛行平臺抖動下的信號波達方向估計、網絡容量分析、態勢場構建、子網選擇和網絡彈性重構的問題。波達方向是陣列天線信道矩陣的關鍵組成部分，且低空飛行平臺的抖動嚴重影響波達方向的估計精度。網絡容量是臨空信息網絡的重要態勢信息，以網絡容量、安全等態勢信息為支撐而構建的態勢場將在引導臨空信息網絡高效動態部署方面發揮決定性作用。此外，臨空信息網絡任務驅動部署的特點突出，有必要從用戶的網絡切換代價和需求時變的視角出發研究臨空信息網絡的高效動態部署。因此，本文接下來分別展望臨空信息網絡在波達方向估計等上述5個方向的研究工作。

4.1 低空飛行平臺抖動下信號波達方向估計

平臺抖動是低空飛行平臺飛行過程中始終存在的一個現象，引起飛行平臺抖動的因素很多，主要包括飛行平臺機械振動和空氣擾動。飛行平臺抖動給研究臨空信息網絡中信號波達方向高精度估計問題帶來了極大的挑戰。其抖動可能造成接收信號方位角和俯仰角發生較大的改變，造成接收陣列中陣元位置的改變以及接收陣列在空間坐標系上發生“形變”[42]，進而導致現有的信號波達方向估計方法失效。而信號波達方向高精度估計對陣列天線波束賦形、鏈路容量分析等的意義十分重大。因此，亟需探討低空飛行平臺抖動環境下陣元位置與陣列流形矩陣的相對變化，研究抖動環境下的信號波達方向高精度估計方法。

4.2 網絡容量分析

網絡容量是進行臨空信息網絡架構設計和網絡效能評估的關鍵核心指標，也是臨空信息網絡的重要態勢信息，對引導其高效動態部署起到關鍵作用。目前，學術界關于臨空信息網絡容量分析的研究尚處于起步階段。臨空信息網絡是一個復雜立體多層動態的信息網絡，分析其網絡容量的難度極大，需要分別從臨空信息網絡的鏈路容量、子網容量和全網容量3方面遞進展開分析。

臨空信息網絡的鏈路存在弱連接、高動態特性。其弱連接性表現為空中平臺在混合空域中稀疏分布，相對距離較遠(可達數十公里)且大多數空中平臺作業高度較低，因此在空空互連的低仰角通信場景中，信號容易受地形地物等遮擋而出現斷續連接的現象；其高動態性是指空中平臺的飛行特性各異，即使收發平臺間建立了視距傳播鏈路，該鏈路也難以長時間維持；這表明臨空信息網絡的鏈路狀態時變，且不規則。此外，其鏈路容量受復雜的臨空信道模型與干擾等影響，很難推導得到精確的臨空信息網絡鏈路容量表達式。為此，可以采用隨機幾何理論等工具分析臨空信息網絡鏈路容量，得到統計容量結果。

在分析子網容量方面，臨空信息網絡具有獨特的集群化特征，其集群化體現為在提供業務服務時，部分空中平臺會按照任務需求，快速匯聚到相對較小的空域中形成子網，并協同工作。集群化子網內的空中平臺間具有較強的耦合性，在這種情況下，子網容量往往取決于狀態最差的一條鏈路。

臨空信息網絡全網容量主要受網絡拓撲結構和子網容量的影響。為降低分析難度，可以將傳統基于平面圖論的網絡分析手段擴展到立體多層空間的范疇，充分利用臨空信息網絡的集群化特性將子網從時間和空間上分離，并采用時變圖、超圖等理論探索研究臨空信息網絡動態拓撲特性與網絡容量的關系。

4.3 態勢場構建

臨空信息網絡態勢場是指臨空信息網絡中的實體(如飛行平臺、地形地物、氣象等)在時域、頻域、空域、網絡域中的演化狀態，其在引導臨空信息網絡高效、安全動態部署方面的作用是決定性的。不過，構建臨空信息網絡態勢場的難度極大，需要分別解決態勢信息感知、態勢信息融合、態勢場構建3方面的難題。首先，臨空信息網絡面臨嚴峻的數據、模型、場景爆炸問題[43]。數據爆炸表現為臨空信息網絡感知、存儲、計算、傳輸的數據(如流媒體、圖像、雷達數據等)的數據量越來越大、維度越來越高；模型爆炸表現在為提高分析和學習數據的準確性，臨空信息網絡需要構建和訓練的學習模型越來越復雜，計算復雜度越來越高，給網絡中各平臺帶來的計算壓力越來越大；場景爆炸表現為臨空信息網絡的空域廣闊、場景復雜易突變，臨空信息網絡很難學到所有的場景。上述問題嚴重制約了臨空信息網絡態勢信息的準確感知。如何解決數據、模型與場景爆炸問題是臨空信息網絡在態勢感知方面需要解決的首要關鍵問題。其次，臨空信息網絡有待感知的態勢信息眾多，態勢信息的重要性有所差異，某些態勢信息(如安全態勢信息)尤為重要，此時，如何開展態勢評估并制定有效的態勢信息優選方案以實現態勢的高效融合有待進一步深入研究。再次，受限于平臺的部署高度、感知和計算能力等，臨空信息網絡中各平臺或子網的感知空域范圍不同、感知內容有差異；此時，如何開展各平臺或子網的全局協同、推演，以構建準確的全局態勢場的研究工作還有待進一步加強。

4.4 子網選擇

臨空信息網絡具有廣域覆蓋、隨遇接入和動態變化的特性，亦存在多層次異構特性。其多層次性體現為由于空中平臺部署高度不同導致的網絡立體層次化分布；其異構性是指各層子網之間、甚至同層子網之間的空中接口、協議功能等存在差異的現象。上述特性意味著臨空信息網絡具有時變的覆蓋范圍與覆蓋關系，在這種情況下，為滿足服務需求，用戶需要比較頻繁地進行同構網絡之間的切換(水平切換)、異構網絡之間的切換(垂直切換)，而不同子網的切換代價不同。因此，如何在滿足用戶長期服務需求的條件下，制定最小化用戶切換代價的子網選擇方案是一個值得繼續深入研究的問題。此外，臨空信息網絡的網絡資源受限且網絡容量動態變化，這意味著服務用戶需要競爭接入臨空信息網絡，此時，如何實現用戶間的有序高效競爭和子網間的負載均衡的研究工作也有待加強。

4.5 網絡彈性重構

為保障臨空信息網絡的按需服務能力，除了需要重點研究臨空信息網絡的動態部署問題外，還需要深入研究其彈性重構問題。根據不同的部署場景要求和服務請求，不同高度層、不同服務能力的空中平臺有必要重組為一個彈性動態的子網，并實現統一的移動性管理、異構資源管理與協同編排，進而靈活適配業務場景和需求，達到臨空信息網絡服務能力快速伸縮的目的。然而，受服務請求不定、網絡分層多異質特性的制約，如何快速實現網絡彈性重構，有效解決網絡服務能力供需不匹配的問題，并提高網絡資源利用率的挑戰較大。

5 結 論

本文重點展望了臨空信息網絡信道建模與動態部署關鍵技術，結論如下：

1)構建臨空信息網絡信道模型必須剖析臨空環境下通信仰角、氣象、高空和低空飛行平臺移動和抖動、地面終端移動、地形和地域等多種因素對臨空信息網絡信道建模的影響機理，并補償多種因素的影響。

2)設計臨空信息網絡動態部署方法必須挖掘臨空信息網絡立體多層、多異質拓撲特征，感知臨空信息網絡的態勢，建模并求解態勢引導下的臨空信息網絡動態部署問題。