关于六合一体化动静收集典型把持示范的思虑

2018年12月27日21:11:30关于六合一体化动静收集典型把持示范的思虑已封锁评论 162 views

汪春霆,翟立君,李宁,卢宁宁

AG平台女优(中国电子科技集团公司第五十四研究所,河北 石家庄 050081)

摘 要:AG平台女优六合一体化动静收集通过多轨道卫星星座将陆基、海基、空基收集连接起来,构成笼盖全球的一体化通信收集,可认为我国海洋、航空、航天、动静普惠、商用全球宽带通信等多种把持场景供给全新的处置方案,为“一带一路”等国度策略实施供给通信把持及处事支撑。在充实汲取国际前辈手艺、财富和把持处事经验的根柢上,通过开展典型把持示范系统的拔擢,能够大概进一步验证六合一体化动静收集的能力,牵引出更多把持需乞降贸易模式,并就将来六合一体化动静收集典型把持系统的拔擢提出了一些初步的考虑和设想,为全球各类用户供给根柢公共处事及专业处事。

环节词:六合一体化动静收集;卫星通信;把持手艺;5G;边缘算计

1 引言

六合一体化动静收集与地面收集对比,具有广域笼盖的凸起特点,对于实现海上、空中、陆地的全域通信笼盖有较着劣势,成为军事动静把持、民用通信保障和贸易通信把持的一个次要成长范畴。为了抢占天基动静收集这一策略制高点,我国即将启动六合一体化动静收集严峻工程的拔擢工作,拟在2030年前后建成笼盖全球的六合一体化动静收集,为陆、海、空、天各类用户供给多样化的收集与动静把持处事。

当前,国际上卫星通信财富呈现平稳添加态势。按照2017年美国卫星财富协会(SIA)发布的第20版卫星财富环境年度演讲[1],2016年全球卫星财富规模为2 605亿美元,此中与把持慎密相关的公共消费类卫星通信处事规模为1 077亿美元,较2015年添加5.1%。除去广播破产,卫星固定和挪动通信处事规模约为210亿美元。美国仍然保持着较着劣势,在卫星处事业中收入占比约为40%。从传输能力上看,目前国际上典型的海事卫星5代GEO卫星在L频段可供给单用户512 kbit/s的传输能力,在Ka频段则可高达50 Mbit/s。采用低轨星座的铱星NEXT系统,L频段可达1.5 Mbit/s,Ka频段可达30 Mbit/s。从用户独霸成本上看,欧洲运营商SES目前供给含3 GB流量Broadband S包月套餐,月资费仅10.95欧元,与目前4G资费相当。从传输手艺上看,次要面向固定破产DVB-S2X标准[2]进一步汲引了带宽独霸率,并为将来高频段挪动把持供给了甚低信噪比(VLSNR)模式。在卫星挪动通信范畴,欧洲太空局(European Space Agency,ESA)的“通信系统过后研究筹算ARTES”发布了《新兴5G卫星通信贸易手艺白皮书》,关怀5G环境下的星地融合问题[3]

就国内市场来看,智研征询公司出具的《卫星通信行业市场运营态势及成长前景预测演讲》[4]AG平台女优显示,2015年我国卫星通信市场规模约为715.9亿元,同比2014年的584.8亿元添加了22.42%,其速度远高于国际市场。从传输能力上看,目前我国S频段的天通一号卫星可供给384 kbit/s的挪动通信能力,采用3GPP-R6框架。Ka频段中星16卫星的宽带接入能力可达20 Mbit/s以上。

六合一体化动静收集把持系统,在充实汲取国际前辈手艺、财富和把持处事经验的根柢上,通过与用户单元的慎密合作,在设想时充实体味各方需求,通过开展典型把持的示范,迭代推进收集的拔擢及把持。

2 六合一体化动静收集把持系统总体架构

2.1 把持系统构成

六合一体化动静收集把持示范采用分手拔擢与统筹规划相连络准绳,对把持系统的共性环节手艺、标准规范、接口、共用收集根柢设备、通用终端、芯片等内容进行统一规划、统一设想。具体把持系统拔擢将分阶段、分程序开展,第一阶段连络试验系统拔擢完成典型把持示范,第二阶段六合一体化收集同步美满处事能力,到2030年实现把持推广。

图1给出了六合一体化动静收集把持系统构成架构,次要包含共性环节手艺,标准和规范,通用终端、模块、芯片和软件两头件,典型把持示范。此中,典型把持示范又拟在策略平安防护通信、全球挪动宽带处事、沙场连系动静援助、防灾减灾动静处事、反恐维稳动静支撑、航空打点动静处事、海洋打点动静处事、动静普惠共享处事、天基设备中继这10个范畴开展。六合一体化动静收集中作为收集根柢设备的部门次要包含天基骨干网、天基接入网和地基节点网,此中,地基节点网又包含信关站、运维打点节点和动静处采办事节点。

AG平台女优把持系统的用户借助手持、载体等多品种型终端,独霸L频段、Ka或者激光空中接口接入收集。数据在低轨道接入网星座或者骨干网星座中路由转发,于地基节点网中的信关站落地,然后再颠末鸿沟网关进入用户的破产子网内。对于每个典型示范把持,其收集侧网元次要由鸿沟网关、把持专业运维、把持处事构成。典型示范把持的专业运维节点和地基节点网的运维打点节点交互,进行用户打点、破产打点、费用结算,并可按照把持需求从该接口上申请调配成本。地基节点网的动静处事节点为典型示范供给算计能力支撑,典型示范的把持处事可独霸其供给的云算计、云存储、大数据阐发等功能。

关于六合一体化动静收集典型把持示范的思虑

AG平台女优图1 六合一体化动静收集把持系统构成架构

2.2 共性环节手艺

(1)与5G融合的空中接口传输手艺

5G在规划之初就考虑把卫星收集纳入整个框架,但目前3GPP、IMT-2020等组织工作尚未有本色进展。六合一体化动静收集为了实现星地融合,简化终端和芯片成本,降低收集切换时上下文的开销,并便于星地频谱的放置和干扰协调,起首拟处置空中接口的融合设想问题。

作为5G标识表记标帜性手艺的大规模MIMO[5,6]在卫星通信把持中面临坚苦。在单星前提下,天线阵元几何间距无限、收发信号相关性强,MIMO很难获得增益[7]。在多星协作前提下,其切确时频同步收集又很难搭建。非正交多址手艺(NOMA)[8]对天基开展物联网把持以及汲引系统频谱独霸率具有很强的吸引力。目前NOMA次要包含功率域[9]以及码域的SCMA[10]、MUSA[11]两类方案,且趋向融合。在六合一体化动静收集中,功率域方案不易实施,如采用GEO卫星,小区(波束)边缘和波束核心的终端与卫星(基站)距离相差不大,信号功率不合也不大。对于低轨道卫星,具有小倾角、终端传输距离、功率程度具有必然不合的环境。但考虑到多星同时笼盖时,供给小倾角链路的卫星往往是刚进入或者即将分隔处事区的,也不宜独霸这个卫星节点开展接入。码域方案由于星上措置能力无限,需要进一步降低复杂度。对于新型的波形,由于R15阶段仍然次要考虑OFDM,卫星通信场景中处置峰均比问题仍然是环节[12],由于笼盖区弘远于地面收集,轮回前缀、上行随机接入物理信道(RARCH)导频也需要特殊设想[13]AG平台女优。编码方案则可考虑与地面采用类似的Polar码与LDPC码组合。

(2)“大时延带宽积”前提下的端到端传输节制和堵塞打点手艺

六合一体化收集具有显著的“大时延带宽积”特征,它所供给的对空间用户的微波或激光中继,用户速度可达2.5 Gbit/s以致更高。其次,除却卫星通信本身就具有大时延的特征之外,星座路由时延跟着“跳数”增大不竭添加,来自不合区域的破产在落地时的时延大将具有显著的不合。最后,星上用于列队缓冲的存储器相对地面是很是无限的,使每个节点面临突发、堵塞时具有更大的分组丢失风险。由于部门涉及平安的把持数据必需从国内上空卫星落地,使这我国上空节点的链路负载将较着高于平均程度,堵塞可能性进一步加大。

当前支流的端到端传输节制和谈(transmission control protocol,TCP)并不能很好地顺应上述“大时延带宽积”的场景。采用AIMD(additive increase multiplication decrease)模子的TCP Reno、TCP New Reno[14]等算法“慢启动”中线性的窗口调整,使其达到收集吞吐量则需要很长时间。当收集呈现堵塞时,AIMD算法窗口下降太快又使其面临下一个漫长的线性恢复过程。采用MIMD(multiplicative increase multiplicative decrease)的HSTCP,虽然能够大概大体部门化决大带宽前提下的窗口快速调整问题,但在RTT不该时具有严峻的不公允性问题[15]。在六合一体化收集中的星座中,跳数更多破产的RTT和分组丢失概率都较大,这导致其具有较低的机能。严峻的处事不均衡和用户体验的下降,迫使人们在端到端堵塞节制和节点分组丢失机制上设想不合化的策略。目前有一些基于反馈算法,如XCP[16],通过数据分组中某些标识来算计和反馈传输质量动静,但这带来了较大的开销。现有的研究剖明,“大时延带宽积”前提下,任何主动队列打点机制都难以节制队列长度的一、二阶矩,并且跟着时延或者带宽上升变得更为严峻[17],这又进一步加剧了终端TCP窗口的颤栗。因而,若何处置这种环境下端到端的传输节制仍然是一个次要问题。

(3)边缘算计手艺

当前生界,数据出产速度是很是火速的,视频监控、物联网数采集、科学研究很容易在几天到几周内发生TB量级的数据[17]。目前规划的六合一体化动静收集的带宽资底蕴较于把持来说仍然是无限的,若是大量的数据都颠末收集回送给后方处事器,其带宽开销、时延和费用都是难以接管的。这一坚苦在地面收集中也是具有的,只是在卫星收集中这一矛盾则更为凸起。

目前,跟着智能设备的快速成长,用户正从以数据消费者为主的单一角色过渡到兼顾数据出产者的双重角色。跟着万物互联的推进,在收集边缘发生数据、措置数据这一趋向将更为较着。按照思科的预测,到2018年,全球物联网发生的数据将有45%在收集边缘存储、措置和阐发[18]。业界因而提出了“雾算计”概念[19],定名源自“雾是更切近地面的云”。它是一种新的云算计处事模式,又称边缘算计[20]。数据起首通过身边的“雾节点”进行算计、笼统、存储和压缩,从而减小了向云内传输以及组织云内节点算计带来的开销,同时也减轻了云端措置用户数据带来的平安问题。这一模子对于卫星使器具有强大的吸引力,无论是对于降低将来收集的专业运营公司供给云算计增值处事成本,仍是降低用户自主在该收集上放置把持的运营成本。目前,“雾算计”还需要打破的环节手艺包含面向多种异构边缘节点复杂环境的把持可编程性、定名法规、数据笼统、处事打点、数据隐私呵护以及相关科学理论[21]

3 典型把持示范

3.1 全球挪动宽带把持

AG平台女优全球挪动宽带典型把持示范系统侧重于通过拔擢统一的运营支撑平台,开通破产国度和区域布设线上、线下破产厅,在全球范畴内为公共消费类用户供给根柢电信破产以及政企类处事。对于涉及奇妙或者高平安要求的数据,可借助空间收集直达国内落地。该收集中政企破产常用IP VPN处事架构如图2所示,次要基于IPSec VPN手艺。

3.2 航空打点动静处事

航空典型把持示范系统拟针对大型民用运输类飞机(如C919、ARJ21)和通用航空特种飞机开展。大型民用运输类需求包含:驾驶舱高平安级别语音及数据通信处事;北斗卫星/GPS的星基加强定位处事;广播式主动监视ADS-B;飞机健康打点处事;客舱高速宽带上网,如空中Wi-Fi。通用航空的需求次要包含:特种任务宽带通信处事,如航拍红外/可见光图像回传;通航语音及数据通信处事。图3给出了基于低轨道卫星Ka频段开展的航空打点动静处事,次要供给Internet访谒、空管系统和飞机健康打点以及航空公司供给的App增值处事。

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图2 政企破产常用IP VPN处事架构

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图3 基于低轨道卫星Ka频段开展的航空打点动静处事

3.3 海洋打点动静处事

AG平台女优海洋打点典型把持示范系统供给的把持处事包含:海上观监测数据回传处事,对海洋生物成本、大气质量、海洋水成本、污染物排放范畴等进行及时监测浮标发生的监测数据回传及浮标定位;极地大洋高速数据通信:针对两极科考站、大洋上科考船的双向高速数据通信;海上日常数据通信处事:渔船渔情预告、维权法令批示通信处事。图4(a)给出了海洋打点动静处事示意,低轨卫星供给L和Ka两个频段分袂用于中低速和高速通信。

3.4 天基动静中继把持处事

由于汗青和政治的启事,我国在全球布站坚苦较大,陆地测控站和海上了望丈量船不竭支撑着我国的航天测控任务,其通信笼盖相对较低。跟着天链中继卫星的把持,这个环境获得了必然改善。以天舟1号发射为例,测控通信的笼盖率由本来地基为主的20%提高到目前的80%[22]AG平台女优,这充实暗示了天基测控对于我国航天事业的次要意义。在现有中继星根柢上,六合一体化动静收集通过成立笼盖全球的天基骨干网,可进一步汲引我国通信测控处事笼盖率方针,支撑我国航天把持的开展,如图4(b)所示。

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图4 处事示意

4 结束语

六合一体化动静收集是我国将来次要公共动静根柢设备,其出力处置我国政治经济成长过程中急切的策略性、公益性和贸易性需求,为全球各类用户供给根柢公共处事及专业处事。通过开展典型把持示范系统的拔擢,能够大概进一步验证六合一体化动静收集的能力,并牵引出更多把持需乞降贸易模式,本文就将来六合一体化动静收集典型把持系统的拔擢提出了一些初步的考虑和设想,但愿能抛砖引玉,进一步美满把持系统的拔擢方案,更好地阐扬系统效能。

参考文献:

[1] Bryce Space and Technology Corporation. State of the satellite industry report[R]. 2017.

[2] DVB document A83-2, digital video broadcasting (DVB); second generation framing structure, channel coding and modulation systems for broadcasting, interactive services, news gathering and other broadband satellite applications part II: S2-extensions (DVBS2X): DIN EN 302307-2010 [S]. 2010.

AG平台女优[3] European Space Angency. Assessing satellite-terrestrial integration opportunities in 5G environment[R]. 2017.

[4] 北京智研科信征询无限公司. 卫星通信行业市场运营态势及成长前景预测演讲[R]. 2016.

AG平台女优Beijing Zhiyan Kexin Consulting Co., Ltd. Satellite communications industry market trends and development prospects forecast report[R]. 2016.

[5] 李畅旺. 无线通信系统中的大规模MIMO环节理论及手艺研究[D]. 北京: 北京邮电大学, 2017.

LI X W. Key theory and technology of massive MIMO in wireless communication system[D]. Beijing: Beijing University of Posts and Telecommunications, 2017.

AG平台女优[6] KING P R, STAVROU S. Capacity improvement for a land mobile single satellite MIMO system[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letter, 2006(5): 98-100.

[7] 倪善金, 赵军辉. 5G无线通信收集物理层环节手艺[J]. 电信科学, 2015, 31(12): 48-53.

NI S J, ZHAO J H. Key technologies in physical layer of 5G wireless communications network[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(12): 48-53.

AG平台女优[8] 毕奇, 梁林, 杨姗, 等. 面向5G的非正交多址接入手艺[J]. 电信科学, 2015, 31(5): 20-27.

AG平台女优BI Q, LIANG L, YANG S, et al. Non-orthogonal multiple access technology for 5G systems[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(5): 20-27.

AG平台女优[9] HIGUCHI K, BENJEBBOUR A. Non-orthogonal multiple access (NOMA) with successive interference cancellation for future radio access[J]. IEICE transactions on communications, 2015, 98(3): 403-414.

[10] TAHERZADEH M, NIKOPOUR H, BAYESTEH A, et al. SCMA Codebook Design[C]//Vehicular Technology Conference, Sept 14-17, 2014, Vancouver, Canada. New Jersey: IEEE Press, 2014: 1-5.

[11] 袁志锋, 郁光耀, 李卫敏. 面向5G的MUSA多用户共享接入[J]. 电信网手艺, 2015(5): 28-31.

AG平台女优YUAN Z F, YU G H, LI W M. Multi-user shared access for 5G[J]. Wireless Networks, 2015(5): 28-31.

[12] HAN S H, LEE J H. An overview of peak-to-average power ratio reduction techniques for multicarrier transmission[J]. IEEE Wireless Communications, 2005, 12(2): 56-65.

[13] PAPALEO M, NERI M, VANELLI-CORALLI A. Using LTE in 4G satellite communications: increasing time diversity through forced retransmission[C]//10th International Workshop on Signal Processing for Space Communications, Oct 6-8, 2008, Rhodes Island, Greece. New Jersey: IEEE Press, 2008: 1-4.

[14] 刘芳. 无线收集中TCP堵塞节制的研究[D]. 济南: 山东大学, 2014.

AG平台女优LIU F. Research on TCP congestion control in wireless networks[D]. Jinan: Shandong University, 2014.

[15] 沈燕, 王绪宛. 一种改良HSTCP公允性的堵塞节制算法[J]. 算计机系统把持, 2013, 22(9): 172-175.

SHEN Y, WANG X W. An algorithm of congestion control on improving fairness of HSTCP[J]. Computer Systems & Applications, 2013, 22(9): 172-175.

AG平台女优[16] 王昆. XCP和谈的不变性阐发及其仿真[J]. 电子手艺把持, 2010, 36(5): 133-135.

AG平台女优WANG K. Simulation and stability analysis of XCP protocol[J]. Application of Electronic Technique, 2010, 36(5): 133-135.

[17] 任丰原, 林闯, 任勇, 等. 大时滞收集中的堵塞节制算法[J]. 软件学报, 2003, 14(3): 503-511.

AG平台女优REN F Y, LIN C, REN Y, et al. Congestion control algorithm in large-delay networks[J]. Journal of Software, 2003, 14(3): 503-511.

[18] Hewlett-Packard Company. Information optimization: harness the power of big data white paper[R]. 2012.

[19] Cisco Corporation. Cisco global cloud index: forecase and methodology 2014-2019[R]. 2014.

[20] 张建敏, 谢伟良, 杨峰义, 等. 挪动边缘算计手艺及其本地分流方案[J]. 电信科学, 2016, 32(7): 132-139.

AG平台女优ZHANG J M, XIE W L, YANG F Y, et al. Mobile edge com- puting and application in traffic offloading[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(7): 132-139.

[21] 施巍松, 孙辉, 曹杰, 等. 边缘算计: 万物互联时代新型算计模子[J]. 算计机研究与成长, 2017, 54(5): 907-924.

SHI W S, SUN H, CAO J, et al. Edge computing—an emerging computing model for the internet of everything era[J]. Journal of Computer Research and Development, 2017, 54(5): 907-924.

AG平台女优[22] 天舟一号将择机发射新测控、新手艺筑梦天宫[EB/OL]. (2017-04-19) [2017-11-10]. http://www.qhnews.com/newscenter/ system/2017/04/19/012291022.shtml.

AG平台女优One day the day boat will choose to launch a new measurement and control, new technology dream house[EB/OL]. (2017-04-19) [2017-11-10]. http://www.qhnews.com/newscenter/system/2017/ 04/19/012291022.shtml.

General idea of application system for space-ground integrated information network

AG平台女优WANG Chunting, ZHAI Lijun, LI Ning, LU Ningning

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

Abstract: The space-ground integrated information network can offer global coverage by connected air, ocean and land networks with hybrid orbit satellite constellation. This infrastructure can provide a new solution for applications of marine, aviation, aerospace, inclusive information system and global commercial broadband communication. It can also support the implementation of national strategies such as B&R with communication applications. On the basis of fully drawing on international advanced technology, industry and application service experience, through the development of a typical application demonstration system, the capability of the world-wide integrated information network was verified and more application requirements and business models were drawn. And some preliminary considerations and ideas were put forward for the construction of a typical application system of the space-ground integrated information network in the future, providing basic public services and professional services to all kinds of users worldwide.

Key words: space-ground integrated information network, satellite communication, application technology, 5G, edge computing

中图分类号:TP393

文献标识码:A

doi: 10.11959/j.issn.1000−0801.2017322

收稿日期:2017−11−10;

修回日期:2017−12−07

[作者简介]

汪春霆(1965−),男,中国电子科技集团公司第五十四研究所副总工程师、研究员级高级工程师、博士生导师,次要研究标的方针为卫星通信。

AG平台女优翟立君(1981−),男,博士,中国电子科技集团公司第五十四研究所高级工程师,次要研究标的方针为卫星挪动通信、地面挪动通信等。

李宁(1982−),女,博士,中国电子科技集团公司第五十四研究所高级工程师,次要研究标的方针为自组织收集、卫星通信等。

卢宁宁(1982−),男,博士,中国电子科技集团公司第五十四研究所高级工程师,次要研究标的方针为通信与动静系统等。

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