服务天基感知业务的卫星互联网模拟验证系统设计与分析

提出具有遥感、星间星地组网、星载边缘计算功能的低轨卫星与地面云计算中心和天基、临近空间、空中、陆地、海面等各类型终端构成的卫星互联网总体架构,给出包括资源层、虚拟化层、服务层、服务管理层及应用层在内的星载边缘计算功能架构。针对星载计算能力有限、天基网络拓扑高动态等典型特征,在提出星载边缘计算模拟验证系统构建方法的基础上,设计服务天基感知业务的卫星互联网模拟验证系统,开展天基感知信息处理分发试验,并根据不同信息处理与分发方式对网络资源占用和用户服务时延的对比,分析不同能力条件下卫星互联网对天基感知业务服务的能力水平。

巨型星座路由技术综述

针对当前卫星星座巨型化趋势,分析巨型星座的特点,从组网传输和业务需求两方面总结巨型星座路由的能力要求,包含信令开销、负载均衡、故障处理、QoS保障等4个方面,并针对性地分析适用于巨型星座的路由方法、典型算法及其表现。展望软件定义网络、区域划分、人工智能、算力路由等4种支撑巨型星座路由的相关技术方向,以期对6G卫星互联网建设提供参考。

基于移动边缘计算的空天地一体化网络架构

下一代无线通信技术将通过支持智能交通、智能医疗、虚拟现实/增强等服务来提高用户的体验质量。这些新兴的服务通常都是计算密集型和时延敏感型的,必须满足严格的时延、能耗和可靠性要求,而基于云计算的服务难以满足这些要求。为了解决以上问题,提出移动边缘计算(Mobile Edge Computing,MEC)技术,解决将卸载请求回传到云计算中心所具有的高时延和高带宽消耗的问题。空天地一体化网络(Space-Air-Ground Integrated Network,SAGIN)作为6G的重要研究方向,可以弥补全球范围内的巨大覆盖缺口,受到广泛关注。通过将MEC技术、联邦学习技术和人工智能技术引入SAGIN,高效管理网络中海量、异构的资源,构建低时延、低能耗、高可靠性的SAGIN,以支持新兴的各种服务。

低轨卫星多星协同及星地协同遥通算一体化技术

首先,系统分析卫星遥感、通信及计算系统现状,深入剖析传统卫星遥感系统和卫星遥感通信融合系统架构存在的实时遥感困境;其次,提出一种多星协同、星地协同的卫星遥通算一体化体系架构,详细定义架构的关键组成和工作原理与模式;再次,系统论证一体化架构的先进性及关键技术的可行性;最后,阐述基于该体系架构的仿真分析方法,与传统模式相比,该体系架构可完成分钟级遥感任务,时效性强,潜在应用价值高。

星地异构网络联合QoS保障关键技术

针对星地异构网络的拓扑结构高动态、星地链路高差异、网络资源强受限等特征给星地融合业务高效承载带来重大挑战的问题,深入分析星地异构网络发展现状,提出星地异构网络联合QoS保障系统架构。并在此基础上,针对跨域资源统一编排管理、星地联合QoS指标参考体系构建、联合QoS动态策略调控、星地资源按需适配与部署等关键技术进行探讨。

面向天地融合网络的虚拟网络映射算法

针对复杂的天地融合网络环境下,用户业务高差异、异质资源强受限、时空尺度大跨越、网络拓扑高动态等特性,给虚拟网络映射(Virtual Network Embedding,VNE)算法带来的挑战,国内外学者展开了深入研究。首先根据问题特性概述天地融合网络VNE面临的三大核心挑战;然后从场景建模和求解算法两大维度详细分析相关研究的进展,主要涵盖服务质量感知VNE、多层跨域异构网络VNE、动态VNE以及VNE问题求解算法4个方面,并从理论和实践两个方面深入分析应对天地融合网络VNE的解决策略;最后展望未来研究方向,旨在为后续工作提供参考。

大规模低轨星座多普勒定位算法

基于典型的Starlink星座构型,对大规模低轨星座多普勒定位算法展开研究。实验结果表明,理想条件下低轨星座多普勒单点定位精度可以在3~6 m。为保证米级的定位精度,低轨卫星的位置精度和速度精度应为米级每秒或厘米级每秒。C频段信号受到的电离层误差若不做改正,将导致定位精度变差2 m左右。对流层误差将使得定位结果变差几十米。此外,使用轨道高度为550 km的低轨卫星的多普勒频移定位时,接收机的初值误差应小于300 km,否则部分历元将不能收敛到正确的接收机位置。

大规模低轨星座的实时精密定轨技术

在全球导航卫星系统的支撑下,分析地面集中解算和星上自主解算精密定轨的优缺点,并将高精度轨道非保守力模型应用于星上实时自主定轨算法,实现运动学和动力学定轨的分离,对于需要频繁机动的低轨卫星精密定轨具有显著优势。结果表明,辐射光压和大气阻力非保守力物理模型计算的加速度精度约5 nm/s^(2);采用广播星历进行定轨解算可以达到0.8 m位置精度,低轨卫星速度误差约1.1 mm/s;采用实时精密星历,位置精度可以达到8.0 cm,卫星速度精度约0.1 mm/s。低轨卫星实时精密定轨和预报方法可有效支撑大规模低轨星座的导航功能实现。

基于聚类算法内容流行度预测的空天地一体化网络缓存方法

针对空天地一体化网络中恶劣的自然条件可能造成连通异常和通信阻塞的情况,对一种新的空天地一体化网络缓存方法进行研究,即基于聚类的内容缓存方法。基于空天地一体化网络架构,利用提取的内容特征来预测流行度,并用于缓存替换决策。内容的流行度预测是由动态聚类算法实现的,这种方法可以有效地减轻地面核心网的通信压力,从而进一步提升用户体验。使用开放数据集对算法进行评估,实验仿真结果证明了该方法的可行性和有效性。

卫星互联网安全风险及应对措施分析

从阐述卫星互联网的系统组成和安全事件入手,综合分析卫星和载荷、卫星终端、信关站、运控中心、运营中心等实体对象的安全风险,接入链路、星间链路、馈电链路、测控链路、地面互联等通信链路安全风险,运营数据、通信内容监管、公众隐私、数据违规出境等应用数据安全风险,以及新兴技术带来的安全风险挑战,并针对上述各种潜在的安全威胁提出相应的应对措施。最后对卫星互联网安全形势演变应关注的研究方向进行展望。

6G天地一体化信息网络内生安全技术

6G天地一体化信息网络面临因网络高度暴露、节点高速运动、计算资源受限等特点带来的安全挑战,且新架构、新应用、新技术也将引入新的安全问题,亟须提出普适性安全理论,一体化解决其功能安全及网络安全问题。为此,首先阐述网络空间内生安全主要理论基础,提出6G天地一体化信息网络内生安全架构;然后,在网络空间内生安全理论的指导下,从星载系统、6G地面移动网、星地链路探讨相关安全理论与技术构想;最后,从安全认证、高安全通信加密等方面分析天地一体化信息网络通信/安全一体化的认证加密机制,及传统安全与内生安全技术的交叉融合。

面向巨型星座系统的多地面站协同测控技术

测控技术是保障星座系统高效运维和管理的关键技术。近年来,随着星座规模的不断扩大,逐步形成了巨型星座系统,使得对星座的测控需求呈现爆发式的增长,从而对星座系统测控任务的完成量提出了新的要求。首先分析巨型星座系统测控任务约束和地面测控站设备约束并给出问题建模;其次提出一种地面站Agent基于学习规划片段的交互方式,通过引入约束惩罚算子和多地面站联合惩罚算子设计优化的目标函数;最后,提出一种多地面站Agent强化学习算法以求解多地面站协同任务分配策略。仿真结果显示,任务规模较大时,在文中提到的不同场景下该方法较传统算法有12%~20%的增益。

基于边缘计算的卫星地面站天线群因子自适应模糊PID控制系统

卫星地面接收站的天线跟踪控制系统一般采用PID控制。针对该类系统由于受到多种不确定性因素影响,难以获得最优的控制参数,造成PID控制的效果不够理想的问题,设计基于边缘计算的自适应模糊PID天线跟踪控制系统,通过模糊控制算法及时调整PID控制器的参数,并在边缘计算服务器中实现对模糊控制输入和输出的论域的优化计算。模拟运行结果表明,基于边缘计算的自适应模糊PID天线跟踪控制系统可以达到良好的控制效果。

稀疏递归神经网络的可扩展低功耗加速器

利用银行网点内边缘计算设备进行客流分析、安全保护、风险防控等应用日益广泛,其中AI推理芯片的性能和功耗已经成为边缘计算设备选型的一个非常重要的因素。针对递归神经网络由数据依赖性和低数据重用性导致的功耗大、推理性能弱、能效低,难以在低功耗平台上处理等问题,利用FPGA实现了一种电压可扩展的稀疏循环神经网络(RNN)低功率加速器,并在边缘设计算设备上进行了验证。首先,对稀疏RNN进行分析并采用网络压缩的方法设计了处理阵列;其次,由于稀疏RNN的工作负载不平衡,引入电压缩放方法以保持低功耗和高吞吐量。试验表明,该方法可以显著提高系统的RNN推理速度并降低芯片的处理功耗。

空间卫星网络组网与管控技术综述

随着航空航天技术以及卫星互联网技术的快速发展,高速率、高带宽的卫星通信系统逐渐成为下一代移动通信体制的重要组成部分。卫星互联网的发展推进了卫星网络商业化进程,低轨卫星成为构建卫星互联网的重要组成部分。如何实现大规模低轨卫星网络高效可靠的网络管控,完成星地融合组网与路由,逐渐成为了发展卫星互联网的前沿课题。近年来,随着卫星网络规模逐渐扩大,网络管控方法被大量提出。首先,从国内外大规模卫星星座的发展现状出发,调研已有的多种卫星网络的组网架构和协议体系;然后,根据现阶段大规模卫星网络的发展现状,分析对其进行网络管控的难点和关键技术;最后,基于星地融合的组网方式,对现有的解决方案进行调研与分析。

低轨卫星网络星间路由安全机制研究

为了保障路由的安全性和抗毁性,设计面向星间路由的安全机制和故障恢复机制成为维护低轨卫星网络可靠通信的关键。为了应对卫星网络可能面临的安全威胁,分析不同路由攻击行为对典型星间路由协议的影响,并设计差异化的协议包安全认证机制和链路故障恢复机制。此外,搭建基于虚拟化技术的卫星网络仿真平台,通过仿真多种路由攻击场景,验证所设计星间路由安全机制的有效性,并评估引入安全机制前后的CPU占用率、协议包处理时间等性能指标。实验结果表明,在有限的认证时间和路由开销下,该星间路由安全机制能够有效防范空间网络环境中的多种安全威胁,并减少由突发链路故障引起的通信时延,从而保障低轨卫星网络的安全可靠通信。

面向巨型星座的智能负载均衡算法

针对巨型星座中卫星数量众多容易引发局部拥塞的问题,提出基于协作多智能体深度强化学习的巨型星座负载均衡算法。首先对巨型星座中的卫星进行分簇设计,实现巨型星座的分布式管理,降低网络管理开销。然后,利用Q-混合多智能体神经网络深度强化学习设计各卫星自主决策的路由规划方案,实现多传输任务的簇内协同。此外,提出基于自动编码器的簇状态压缩机制,提高多智能体深度强化学习的效率。仿真结果表明,所提算法相比于传统的单任务路由算法,传输成功率可提升40%以上,证明所提算法能够避免局部拥塞的发生,提高巨型星座的传输效率。

专题导读

高通量卫星快速发展以及火箭发射成本的降低,带来卫星宽带技术的普及。当前各个国家正加速部署低轨道卫星互联网项目,卫星互联网将迎来大面积入网的局面。同时卫星互联网的发展也面临巨大的技术挑战,特别是在信息安全领域,设施建设数量越大,融合程度越深,系统的安全隐患越大,卫星互联网被控制、被瘫痪的可能性也越大。如何在新技术不断应用于卫星互联网各种场景的同时,保证国家重要卫星通信网络的信息安全,将是一个长期的核心技术课题。

面向智能高铁的低轨卫星通信发展综述

低轨卫星具备大带宽、低时延、广覆盖等优点,非常适合作为地面网络的补充,实现智能高铁全线路覆盖、无缝连接的要求,有助于构建空天地一体化通信网络。针对现行铁路移动通信网络存在的不足,研究低轨卫星在智能高铁中的应用以及关键技术,首先分析智能高铁的通信需求,然后介绍国内外铁路卫星通信的发展现状,最后从传播特性、物理层参数、波束切换、资源管理等几个方面对低轨卫星应用在智能高铁领域的关键技术与挑战进行探讨。

Starlink 星座应用现状及分析

Starlink星座计划是目前全球最具前瞻性和影响力的低轨宽带卫星互联网星座。随着Starlink星座部署规模扩大,其高频次的发射及批量卫星部署,多样化卫星宽带服务提供,全球终端用户的快速增长,以及对军事应用的潜在支持和增强能力等应用潜力逐步显现。首先分析Starlink的在轨运行现状,并将其互联网服务与其他卫星宽带服务提供商进行对比;然后重点研究Starlink星间激光链路的应用特点及技术挑战,探讨Starlink的军事应用现状及演化趋势;最后总结Starlink的综合应用优势及面临的技术挑战,为我国卫星网络设计提供依据。总体而言,巨型LEO星座的建设及其应用不仅是卫星平台的实现,还涉及卫星设计及工业化生产、发射能力支持、星座的运维、卫星组网、地面站配套等一系列的工业链能力集成。