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【2021 · 第5期】“空天地海一体化”专题

14篇论文集合送上

专题客座主编：孟维晓

客座主编简介

孟维晓，现任哈尔滨工业大学电信学院副院长、教授，兼任中国电子学会会士、黑龙江省电子学会常务理事、IEEE通信学会哈尔滨分会主席，多个国际国内权威杂志编委，研究方向为无线通信、空天网络和定位导航，出版学术专著5部，发表学术论文300余篇，获得国家发明专利授权60余项，完成各类科研项目30余项，获10项省部级科技奖和4项国际学术贡献奖，荣获优秀黑龙江省留学人员报国奖，入选教育部新世纪优秀人才计划。

主编观点——

空天地海一体化网络是对未来新型通信技术与信息网络的综合利用，它以使命为导向，以任务为驱动，以信息流为载体，充分发挥空、天、地、海信息技术各自优势，通过多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚，以及资源的联合管理、任务分发和动作组织，实现时空复杂网络条件下信息的一体化综合处理和最大效能利用，为各类不同用户按需提供实时、可靠、安全、泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统，是未来6G的主流发展方向。

天基系统由通信、侦察、导航、广播、气象等多种轨道多种功能的异构卫星网络以及空间飞行器和深空网络组成；空基平台包括各种临近空间平台、民航与各类无人航空飞行器；地基系统涵盖地面各种有线和无线网络设施，海洋网络由海洋环境（包括海面和深海）感知、海洋信息获取和海洋数据传输部分构成。通过星间、星地、空天、空地和水声链路将地面、海面、深海、空中与太空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合在一起。

空天地海一体化网络因其战略性、基础性、引领性和不可替代性的重要意义，已成为发达国家国民经济和国家安全重大基础设施的建设方向，其独特地位、全局优势以及无所不在的信息服务能力，可带动我国新兴产业的发展，构建新型产业生态，支撑国内国际双循环战略，激发民族自主创造力，形成核心科技竞争力。

01

基于网络编码的卫星网络容量提升方法*

王瑞松，钟志聪，刘功亮，马若飞

*基金项目：国家自然科学基金（61971156，61801144）；山东省自然科学基金（ZR2019MF035，ZR2019QF003）；哈尔滨工业大学科研创新基金（HIT. NSRIF. 2019081）

【摘 要】卫星网络容量的分析与提升一直是一个备受的问题，因此，研究了基于网络编码的卫星网络容量提升方法。首先，采用时间扩展图的方法对动态卫星网络进行抽象，其次，针对网络编码与非网络编码两种情形，分别提出了对应的数学问题，再次，对于网络编码的情形，将其容量优化问题分解为多个单源单目的最大流问题，对于非网络编码的情形，约束的耦合性是难以解决的，因此利用二分法来得到最优的网络容量。最后，仿真结果表明网络编码对卫星网络容量的提升是非常明显的。

【关键词】卫星网络；网络编码；容量提升；二分法

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02

空天地海一体化网络体系架构与网络切片技术*

付书航，周笛，盛敏，李建东，史琰

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（U19B2025，62001347）；中国博士后科学基金项目（2019TQ0241，2020M673344）；中央高校新教师创新基金（XJS200117）

【摘 要】空天地海一体化网络因具有不受地型影响、广覆盖等优势，可实现全球无缝覆盖，受到了越来越多的，阐述了空天地海一体化网络的发展现状及其面临的技术挑战，提出了一种将业务管理功能边缘化的空天地海一体化网络体系架构，从而实现了业务的高效管理，进一步提出了面向多样化业务的网络切片技术，以实现业务的按需定制服务。上述研究对未来空天地海一体化网络的高效业务管理与定制服务具有一定的指导意义。

【关键词】空天地海一体化；广覆盖；网络切片

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03

基于“7·20郑州特大暴雨”对空天地一体化通信的思考

李福昌，裴郁杉，王俊杰，张琳，邱勇

【摘 要】针对“7·20郑州特大暴雨”事件中的新型应急救援方式进行了总结与思考，探索了面向应急通信的空天地一体化通信网络的发展思路与方案，并给出了建议。在此次“7·20郑州特大暴雨”的应急通信救援中，地面运营商部署无人机实现了对局部区域的通信恢复，借助卫星通信为通信受阻区域提供语音与短报文服务。作为空天地一体化通信网络不可或缺的一环，无人机与卫星通信成为此次救援中新型且有效的应急通信方式。为了更好地增强应对紧急突发事件能力，在构建空天地一体化通信网络中，应逐步建立统一技术体制，分阶段实现业务、体制与系统的异构网络融合。

【关键词】空天地一体化通信；应急通信；卫星通信；无人机

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04

卫星网络中基于时变图的节能资源分配策略*

帅家成，刘雨，望育梅

*基金项目：国家重点研发计划（2019YFB1803103）

【摘 要】针对卫星网络中的卫星节点传输资源与能量供应受限的特点，提出了一种基于时变图的节能资源分配算法。时变图能将卫星网络中时变的拓扑与资源从时间与空间两个维度表示，算法通过在时变图中迭代寻找最小能耗路径，最终得到一种可使网络能耗减少且不以减小网络吞吐量为代价的传输资源分配方案。仿真结果表明，此算法在不同网络中都降低了传输能耗且不减小网络的吞吐量。

【关键词】卫星网络；时变图；资源分配

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05

6G空天地一体化网络高空平台基站下行频谱效率研究*

张少伟，刘蕾，芒戈

*国家重点研发计划项目：6G网络架构及关键技术（2020YFB1806700）

【摘要】未来6G天地一体化网络能够实现无缝通信覆盖，作为近空网络平台之一的HIBS能够应用于偏远地区的网络覆盖或灾区应急通信。对HIBS下行频谱效率开展了研究，首先给出了单个HIBS扇区结构和广覆盖连续组网结构，然后随机部署用户并根据仿真参数计算用户的接收信号强度，分析接收信号强度来选择实际接入的小区，最后通过蒙特卡洛仿真计算出3个频段下SINR和频谱效率的CDF曲线，并与非地面网络5G网络速率进行比较。分析结果表明，HIBS下行频谱效率能够满足非地面网络5G网络速率要求。

【关键词】6G；空天地一体化网络；HIBS；频谱效率

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06

空天地海协同应用综述

朱斌，胡悦，王光全

【摘 要】随着5G和卫星新技术的不断发展成熟，以及国家卫星互联网战略布局，如何融合高低轨及5G网络资源并充分利用新型卫星高带宽/低时延优势，对于海上渔船、离岸海岛与地面网络互通并形成有机一体成为国内外热点和研究趋势，分析了星地融合发展趋势及业务协同架构，并针对海上业务的不同需求场景，提出产业化应用模式，为空天地海协同发展提供参考建议。

【关键词】空天地海协同；网络融合；5G；6G；卫星

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07

空天地一体化空口接入协议研究

王爱玲，刘建军，潘成康，王启星，张超

【摘 要】空天地一体化通信可实现网络立体覆盖，但存在大时延、高频偏、高动态问题。针对此问题，首先概述了空天地一体化技术演进趋势；其次，分析了地面移动通信以及卫星通信网络的空口接入协议及存在的不足；最后，基于6G空天地一体化的统一空口协议框架以及卫星可通过星间链路交互信息特征，提出一种低时延的空口接入协议方案，通过减少星间切换空口接入流程，达到用户快速接入网络的目的。

【关键词】空天地一体化；网络立体覆盖；卫星通信；接入协议；6G

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08

高空平台通信系统发展现状与前景

郎保真，孙震强

【摘 要】近年来高空平台通信系统技术和试验不断取得突破。介绍了高空平台通信系统定义和基本框架，以及国际标准化组织和北美、欧洲及亚太地区的高空平台系统标准化和发展情况，最后结合我国的实际情况，提出了高空平台通信系统在我国的应用前景分析和可能面临的挑战。

【关键词】高空平台；普遍服务；应急通信

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09

天空地一体化网络多中继链路自适应调度技术

杨灿，陈始茂，邱宏燕

【摘 要】针对天空地一体化网络的网络节点间有多条中继链路时，如何提高多条链路的综合调度效率以提升网络的可靠性及中继链路的有效利用率问题，提出了一种面向全IP的、支持多条中继链路自适应调度的技术，实现多条中继链路自适应切换和负载均衡，提高天空地一体化网络的可靠性和业务传输QoS。

【关键词】多中继链路；自适应切换；自适应负载均衡

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10

近海宽带通信技术综述*

武宜阳，钱盼盼，孙强，王珏，冯玮

*基金项目：国家自然科学基金资助项目（61971467）；广东省促进经济发展专项资金“海洋工程技术与设施海上试验平台”（GDME-2018A002）

【摘 要】为保障“21世纪海上丝绸之路”发展战略的实施以及满足频繁的海事活动需求，构建新型海洋通信网络十分必要，宽带通信技术以其高速率、远距离、低成本的优点，将在未来海上通信系统的应用中发挥关键作用。从岸基、海基、空基、天基四个方面阐述了近海宽带通信的研究现状，分析比较了不同项目技术的优缺点，介绍了当前新兴近海宽带通信技术，并对研究前景进行了展望。

【关键词】近海通信；宽带通信；空天地海一体化

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11

面向6G的高空基站HIBS全球发展趋势与分析

王婷婷，周瑶，刘吉凤，牛憶莹

【摘 要】高空基站HIBS通过搭载IMT基站，可以采用地面IMT网络相同的频段，与手机终端直接通信，HIBS覆盖范围大、部署快速灵活、受地面环境影响小，是实现大范围、低时延、低成本覆盖的有效手段。对HIBS全球产业进展现状进行了总结与分析，梳理HIBS在ITU-R、3GPP等全球标准化组织的研究进展与讨论焦点，提出HIBS未来应用场景畅想，总结HIBS平台研发技术、通信技术、通信试验等方面产业链整体进展，最后提出HIBS未来发展趋势与关键技术挑战。

【关键词】高空平台；高空基站；空天地一体化；6G

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12

卫星物联网中服务质量与安全的智能联合优化方法*

毛伯敏，郭鸿志，刘家佳

*基金项目：国家自然科学基金面上项目“密集异构蜂窝网中基于D2D的端到端多跳通信研究”（61771374）；国家自然科学基金青年项目“面向超密移动边缘计算的协作式任务卸载研究”（61801360）；国家自然科学基金青年项目“基于无人机群和D2D的空地协同多跳通信研究”（62001393）

【摘 要】卫星、无人机等天基和空基设备覆盖范围广，是偏远地区物联网节点接入网络的重要手段。然而，长距离传输使得信息泄露、被篡改的风险加大，有限的节点能量限制了加密认证方案的执行。为此，考虑卫星物联网中的信息安全问题，采用深度学习技术预测物联网节点能量动态变化，建立数学模型调整加密和认证级别，实现服务质量和安全的联合优化。仿真结果表明，所提算法能够有效延长节点工作时间，保障数据的安全传输。

【关键词】空天地海一体化；深度学习；物联网；数据安全；能量收集

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13

低轨卫星智能多接入边缘计算网络：需求、架构、机遇与挑战*

王鹏，张佳鑫，张兴，王文博

*基金项目：国家重点研发计划项目（2020YFB1807900）;国家自然科学青年基金项目（61901048）

【摘 要】传统低轨卫星通信系统受限于星上板载能力和在轨计算能力约束，在适配未来天地一体融合网络架构中存在资源受限、运行孤立、响应迟滞等问题。为实现低轨卫星与地面网络的充分融合和协调发展，并适应新一代通信网络业务需求，首先阐述梳理了近年来低轨卫星通信网络的进展历程，并对多接入边缘计算与智能计算技术在天地融合网络中应用进行了分析；其次，通过分析下一代低轨卫星网络的场景和业务需求，提出了低轨卫星多接入边缘计算网络架构及其组网方式；最后，对低轨卫星智能多接入边缘计算网络所面临的挑战与机遇进行总结。通过上述阐述以及分析，提供未来低轨卫星网络与地面网络融合发展的可行技术路径和发展方向。

【关键词】低轨卫星；智能计算；边缘计算

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14

空间路由交换体制现状与发展设想*

虞志刚，冯旭，陆洲，高吉星

*基金项目：国家重点研发计划资助项目（2020YFB1806001）

【摘 要】随着空天技术的迅猛发展以及商业航天蓬勃兴起，国内外低轨星座计划层出不穷，陆海空天融合成“一张网”成为未来网络发展的重要方向。路由交换是实现空间组网的关键技术之一，也是空间网络与地面网络融合的核心内容，因此亟需开展空间路由交换体制研究。在简要介绍空间网络架构及特征的基础上，根据空间路由交换体制的关键特征进行分类，并以典型卫星通信系统为例，阐述已有空间路由交换体制的核心机理、存在的问题及发展趋势，提出“多模态路由交换”与“统一分组控制网”的发展设想，以期为空间网络研究提供有价值的建议。

【关键词】空间网络；网络架构；路由器；路由协议

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