朱 珂，李彥欣，王 丹，黃克武，王小琰，張 偉，田 嘉，董 超

(1. 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094；2. 中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部，北京 100094；3. 西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安 710100)

0 引 言

地外天體居住與活動(dòng)一直以來(lái)都是全人類的夢(mèng)想。20世紀(jì)60年代,美國(guó)阿波羅計(jì)劃實(shí)現(xiàn)了人類登陸月球的第一步,但隨著“阿波羅”工程的結(jié)束,人類登陸地外天體的活動(dòng)戛然而止。近年來(lái),中國(guó)月球探測(cè)活動(dòng)取得了舉世矚目的成績(jī),嫦娥工程完成了“繞、落、回”的壯舉。與此同時(shí),國(guó)際上“重返月球”的呼聲也持續(xù)高漲?！拜d人地外天體探測(cè)”越來(lái)越吸引世界各航天國(guó)家的目光,已經(jīng)成為未來(lái)載人航天活動(dòng)的重要內(nèi)容和競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)。

從“阿波羅”到“嫦娥”,未來(lái)月面探測(cè)活動(dòng)的數(shù)量和種類將會(huì)持續(xù)增加。未來(lái)的載人月球探測(cè)活動(dòng)場(chǎng)景下,月面節(jié)點(diǎn)增多,為保證月面著陸器、航天員、月球車、巡視機(jī)器人等任意月面設(shè)施節(jié)點(diǎn)之間的相互通信,需要在月面節(jié)點(diǎn)之間建立網(wǎng)絡(luò),保障信息被可靠轉(zhuǎn)發(fā)。同時(shí),地球與月面之間的信息需要被轉(zhuǎn)發(fā)至指定的月面目標(biāo),月面的信息需要被收集并發(fā)回地球,月面通信網(wǎng)同時(shí)需要與地面組網(wǎng),形成地月一體化通信網(wǎng)。

載人月球探測(cè)也是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程,其目的就是通過(guò)對(duì)月球的探測(cè)和駐留,合理開(kāi)發(fā)和利用空間資源、探索未知科學(xué)領(lǐng)域。因此在月面通信系統(tǒng)建設(shè)之初,就應(yīng)當(dāng)按照“規(guī)劃全面,任務(wù)可靠,統(tǒng)籌兼顧,開(kāi)放靈活”的原則開(kāi)展規(guī)劃和設(shè)計(jì),著眼于滿足未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)的載人月球探測(cè)活動(dòng)需求。

1 月面通信需求分析

1.1 國(guó)際月面通信網(wǎng)技術(shù)

1.1.1阿爾忒彌斯計(jì)劃

近年,美國(guó)提出了阿爾忒彌斯載人重返月球計(jì)劃,其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)人類在月球上的長(zhǎng)期駐留[1],并在環(huán)月軌道設(shè)計(jì)建造“門(mén)戶”空間站,作為航天員登月和返回的中轉(zhuǎn)站和通信中繼[2]。在NASA給出的地月空間通信架構(gòu)中,根據(jù)用途和鏈路性質(zhì),以地月空間平臺(tái)(CSP)為中心劃分出了5種鏈路。對(duì)于整個(gè)地月空間通信網(wǎng)絡(luò)而言,以地月空間平臺(tái),經(jīng)訪航天器(中繼星、載人飛船等),月球低軌軌道器,月面通信網(wǎng)絡(luò),艙外無(wú)線網(wǎng)絡(luò),地球深空網(wǎng)等作為節(jié)點(diǎn),構(gòu)成時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)(DTN)[3]。

在艙外活動(dòng)的場(chǎng)景中,阿爾忒彌斯計(jì)劃也規(guī)劃了由月表通信終端構(gòu)成的月面通信網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。月面通信塔可以直接服務(wù)6 km范圍內(nèi)的用戶;而對(duì)于6 km到30 km范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)終端,如巡視器,則需要借助中繼星,通過(guò)鄰近鏈路與月面終端通信,實(shí)現(xiàn)月面網(wǎng)絡(luò)接入。此外,中繼星通過(guò)鄰近鏈路提供2路信號(hào),通過(guò)多普勒測(cè)量和測(cè)距,計(jì)算運(yùn)動(dòng)終端的位置并將相應(yīng)的信息傳輸給它。從NASA的月面通信總體架構(gòu)設(shè)計(jì)上不難看出,對(duì)于近距離的月面通信網(wǎng),其均由月面設(shè)施構(gòu)成;對(duì)于遠(yuǎn)距離通信,則必須借助月軌中繼衛(wèi)星網(wǎng)。

圖1 借助中繼星的月面遠(yuǎn)距離通信場(chǎng)景示意圖Fig.1 Schematic diagram of lunar remote communication scenario assisted by relay satellites

1.1.2NASA LunaNet架構(gòu)

在月球通信網(wǎng)的建設(shè)上,NASA提出LunaNet地月空間通信系統(tǒng)架構(gòu)[4-6],如圖2所示。其目的在于建立一套為月表和月軌航天器提供通信導(dǎo)航及其他服務(wù)的月球通信網(wǎng)絡(luò),其服務(wù)類型包括通信、數(shù)傳、定位、導(dǎo)航和授時(shí),以及態(tài)勢(shì)感知等。NASA希望能夠通過(guò)LunaNet建立一系列通用化標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和接口,來(lái)實(shí)現(xiàn)月球通信網(wǎng)的國(guó)際化,并允許眾多能夠?yàn)長(zhǎng)unaNet建設(shè)提供幫助的國(guó)家、機(jī)構(gòu)和私人公司參與其中。LunaNet以極高的開(kāi)放性、擴(kuò)展性、健壯性和安全性為關(guān)鍵設(shè)計(jì)理念,并在總體架構(gòu)設(shè)計(jì)上以具備直接用于其他行星探索任務(wù)的能力為目標(biāo),如直接移植為火星通信網(wǎng)。

圖2 NASA構(gòu)想的LunaNet架構(gòu)示意圖Fig.2 NASA’s conceptual LunaNet architecture

在月面通信網(wǎng)設(shè)計(jì)上,NASA委托諾基亞公司開(kāi)展了LTE/4G月面無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的相關(guān)研究[7],作為L(zhǎng)unaNet的一部分,支持阿爾忒彌斯計(jì)劃中航天員的月面活動(dòng),包括發(fā)送視頻語(yǔ)音通信、遙測(cè)數(shù)據(jù)、生理數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程控制機(jī)器人等。諾基亞的月球LTE/4G系統(tǒng)在IM公司的Nova-C月球著陸器配置了約4 m高的通信基站(BTS),在月面漫游車(Lunar outpost rover)上約1 m高處配置了用戶設(shè)備(UE),計(jì)劃在月球南極開(kāi)展以著陸器為中心,距離數(shù)百米至2～3 km范圍內(nèi)的通信試驗(yàn),驗(yàn)證利用地面通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)滿足未來(lái)空間任務(wù)通信需求的可行性以及設(shè)備對(duì)空間環(huán)境的適應(yīng)能力。顯然NASA希望通過(guò)相關(guān)研究來(lái)驗(yàn)證將地面移動(dòng)通信系統(tǒng)用于月球的可行性,以減少月球通信網(wǎng)的研發(fā)成本,同時(shí)獲得強(qiáng)大的擴(kuò)展性和通用性。

考慮到月球探索的階段性和持續(xù)性,NASA也計(jì)劃在月球探索的早期任務(wù)階段,將LunaNet以簡(jiǎn)單的架構(gòu)開(kāi)始建設(shè),滿足少數(shù)月球節(jié)點(diǎn)的任務(wù)需求,并逐步改進(jìn)以適應(yīng)不斷擴(kuò)展的月球探索規(guī)模和不斷增長(zhǎng)的通信需求。同時(shí)NASA明確提出不會(huì)因?yàn)樵缙趥€(gè)別飛船或月面節(jié)點(diǎn)的需要而開(kāi)展月球中繼衛(wèi)星建設(shè)。NASA預(yù)期的LunaNet的不斷擴(kuò)展需要在眾多商業(yè)和政府的支持下來(lái)開(kāi)展,其實(shí)現(xiàn)的技術(shù)途徑最重要的是基于參與各方共同協(xié)商制定的一系列具備極強(qiáng)互操作性的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范[8-10]。

1.2 月面活動(dòng)場(chǎng)景

美國(guó)在20世紀(jì)60至70年代實(shí)施了阿波羅計(jì)劃,月面活動(dòng)主要包括月面人體生命科學(xué)測(cè)試、天地互動(dòng)、國(guó)旗展示、月面駕駛、科學(xué)探測(cè)、月壤采樣返回等。其中,阿波羅11～14號(hào)只有航天員活動(dòng),主要以政治展示、系統(tǒng)測(cè)試、探索性任務(wù)為主。阿波羅15～17號(hào)任務(wù)中增加了雙人月球車配置,開(kāi)展人車聯(lián)合的大范圍月面活動(dòng),其中,阿波羅17號(hào)月面活動(dòng)最遠(yuǎn)行駛距離7.63 km,累計(jì)行駛35.7 km,出艙活動(dòng)22小時(shí)05分,返回樣品110.52 kg[11]。

阿波羅計(jì)劃以成功登月為核心驅(qū)動(dòng)。在目前的阿爾忒彌斯計(jì)劃中,NASA提出在成功實(shí)施登月后,分步部署月面設(shè)施并建立月面前哨站的長(zhǎng)期可持續(xù)的登月計(jì)劃,配置上包括全地形月球漫游車(無(wú)加壓)、可移動(dòng)的居住平臺(tái)(加壓)、月面居住艙,以及通訊網(wǎng)絡(luò)、電力系統(tǒng)等配套設(shè)施。月面前哨站可延長(zhǎng)航天員在月面執(zhí)行探測(cè)任務(wù)的持續(xù)生存能力,月面駐留時(shí)間預(yù)計(jì)可從阿波羅時(shí)期的最長(zhǎng)72小時(shí)延長(zhǎng)至30天以上[12-13]。

隨著嫦娥無(wú)人探月活動(dòng)的成功,未來(lái)的月球探測(cè)活動(dòng)無(wú)論是在規(guī)模、時(shí)間、科學(xué)性和復(fù)雜性上,都會(huì)越來(lái)越精細(xì)化、深入化和長(zhǎng)期化?？紤]到科學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)雜性和操作性需求,更需要發(fā)揮“人”的能動(dòng)性優(yōu)勢(shì),由航天員參與開(kāi)展更加復(fù)雜的月球科學(xué)實(shí)驗(yàn)和探索活動(dòng),利用航天員復(fù)雜操作能力、全局觀察能力、決策判斷力、發(fā)現(xiàn)未知等無(wú)人系統(tǒng)難以具備的能力,提升月面科學(xué)效益,取得成果突破。未來(lái)有人參與的月面活動(dòng)模式,必然將從單點(diǎn)的小范圍活動(dòng)擴(kuò)展到更大范圍、更長(zhǎng)時(shí)間和內(nèi)容更豐富的活動(dòng),需要逐漸部署能力越來(lái)越強(qiáng)的基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)予以支持。按照中國(guó)目前的載人月球探測(cè)計(jì)劃,2030年前將實(shí)現(xiàn)把2名航天員送上月球,并攜帶月球車,開(kāi)展月球表面的人機(jī)聯(lián)合探測(cè)活動(dòng)。后續(xù)將逐漸拓展航天員在月球表面的停留時(shí)間、活動(dòng)范圍和探測(cè)的深入程度。

1.3 月面活動(dòng)對(duì)通信需求

1.3.1初期活動(dòng)對(duì)通信需求

初期載人月面活動(dòng)的重點(diǎn)必然是政治展示和初步的科學(xué)探索。航天員首次的月面活動(dòng)主要以政治展示、人機(jī)聯(lián)合操作、科學(xué)探測(cè)取樣這3類活動(dòng)為主,但相比阿波羅計(jì)劃活動(dòng)內(nèi)容更加豐富,參加的裝置更多,網(wǎng)絡(luò)化的通信需求初見(jiàn)端倪。

初期活動(dòng)對(duì)通信的需求分析如下:

1)航天員的音頻和生理數(shù)據(jù)傳輸,確保航天員生命和身體狀態(tài)能夠被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),并向航天員下達(dá)任務(wù)命令;

2)航天員月面活動(dòng)圖像的傳輸,獲取任務(wù)的展示性和政治意義;

3)對(duì)航天服、月球車、科學(xué)儀器等月面活動(dòng)支持設(shè)施進(jìn)行遙控,傳達(dá)任務(wù)計(jì)劃,并獲取其狀態(tài)數(shù)據(jù),以確保設(shè)施的正確運(yùn)行;

4)通信應(yīng)具有一定的可靠性,如誤碼率10-5或10-6,根據(jù)業(yè)務(wù)類型的重要程度不同具體確定;

5)能源的受限,通信過(guò)程應(yīng)簡(jiǎn)單可靠,盡可能降低設(shè)備功耗;

6)考慮到月球曲率的影響,通信距離與天線的布設(shè)高度相關(guān),綜合考慮基礎(chǔ)設(shè)施、航天員和月球車的活動(dòng)能力、生命保障資源,初期月面直接通信鏈路的最遠(yuǎn)通信距離在5 km左右較為合適(天線高度3 m),進(jìn)一步擴(kuò)展通信距離將帶來(lái)各方面實(shí)施代價(jià)的成倍增長(zhǎng)。

初期載人月面活動(dòng)各節(jié)點(diǎn)詳細(xì)需求及約束條件的分析結(jié)果如表1所示。

表1 初期各節(jié)點(diǎn)需求及限制條件Table 1 Requirements and limitations of various lunar nodes in the early stage

1.3.2遠(yuǎn)期活動(dòng)對(duì)通信需求

隨著人類在月面活動(dòng)的深入,將逐步由短期活動(dòng)過(guò)渡到中長(zhǎng)期駐留與科考開(kāi)發(fā),探索建造月球科研試驗(yàn)站,開(kāi)展連續(xù)的月球探測(cè)和相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證,逐步實(shí)現(xiàn)月面原位資源利用和月球資源開(kāi)發(fā),實(shí)現(xiàn)人類長(zhǎng)期地外生存,開(kāi)展地外科學(xué)試驗(yàn)與探索。通信節(jié)點(diǎn)和終端數(shù)量、類型和能力都會(huì)進(jìn)一步提升。在此過(guò)程中,以人為中心的活動(dòng),宏觀的通信需求就是實(shí)現(xiàn)人與人,人與物之間的通信,以及物與上下游之間的通信需求,總體上是多點(diǎn)到多點(diǎn)的通信需求,即網(wǎng)絡(luò)化的通信需求。NASA目前的地月空間通信規(guī)劃都是基于網(wǎng)絡(luò)化,月面通信網(wǎng)作為地月空間的重要組成部分,也需要納入網(wǎng)絡(luò)化的范圍。

遠(yuǎn)期活動(dòng)對(duì)通信的需求總體上是在初期具體需求的基礎(chǔ)上進(jìn)一步的拓展,包括以下幾方面:

1)網(wǎng)絡(luò)化需求。隨著月面活動(dòng)人員和設(shè)施的擴(kuò)大,未來(lái)將會(huì)形成以月球科研試驗(yàn)站、月球移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、著陸器為中心的多基站組網(wǎng)通信,航天員、月球車、機(jī)器人、飛躍器等小型移動(dòng)設(shè)施作為用戶終端接入該通信網(wǎng)絡(luò),從而將涉及地、月、人、機(jī)的全部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連通,形成地月一體的通信網(wǎng)絡(luò)。

2)遠(yuǎn)距離需求:受月球曲率的限制,月球表面的視距通信難以突破5～10 km量級(jí),隨著月面科考活動(dòng)范圍的擴(kuò)展,月面通信網(wǎng)直接通信鏈路的作用范圍在5～6 km范圍內(nèi)較為適宜。當(dāng)活動(dòng)范圍超出該范圍時(shí),則需要通過(guò)月軌或者地球轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)月面漫游車與居住艙之間的中繼通信。

3)一體化需求。月面活動(dòng)航天員、車、機(jī)器人等設(shè)施不應(yīng)當(dāng)成為孤島,而勢(shì)必與地面之間存在強(qiáng)烈的通信需求,這一點(diǎn)毋容置疑。因此,地球通信網(wǎng)和月球通信網(wǎng)在未來(lái)必然需要一體化設(shè)計(jì)。

4)開(kāi)放性需求。月球探測(cè)理應(yīng)匯聚全人類的力量,爭(zhēng)取更多的合作伙伴,利用一切可以利用的資源,降低月球開(kāi)發(fā)的成本,月面通信網(wǎng)必然需要與國(guó)際上開(kāi)展月球探測(cè)活動(dòng)的國(guó)家與機(jī)構(gòu)進(jìn)行開(kāi)放性合作。

5)擴(kuò)展性需求。載人月球探測(cè)活動(dòng)是一個(gè)持續(xù)開(kāi)展的過(guò)程,初期活動(dòng)規(guī)模較小,后期逐漸擴(kuò)大,尤其是月面基礎(chǔ)設(shè)施的組裝建造階段是一個(gè)長(zhǎng)期持續(xù)建造的過(guò)程。這要求月面通信系統(tǒng)架構(gòu)需要具備較高的靈活性,既能夠適應(yīng)初期載人登月任務(wù)小規(guī)模場(chǎng)景的需求,又要具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性,能夠覆蓋建造階段一定時(shí)間跨度的規(guī)模需求,支持有人與無(wú)人探測(cè)的融合,并需要具備持續(xù)演進(jìn)的能力。

遠(yuǎn)期載人月面活動(dòng)各節(jié)點(diǎn)詳細(xì)需求及限制條件的分析結(jié)果詳見(jiàn)表2。

表2 遠(yuǎn)期活動(dòng)對(duì)通信的需求Table 2 Communication requirements for long-term lunar activities

2 載人月球探測(cè)月面通信網(wǎng)的總體架構(gòu)

2.1 地月人機(jī)一體化通信網(wǎng)

為滿足未來(lái)月球有人長(zhǎng)期駐留和科考開(kāi)發(fā)的需求,未來(lái)月面通信系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景,應(yīng)與地面互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)類似,是以網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)的萬(wàn)物互聯(lián),以實(shí)現(xiàn)人與物、物與物、人與人的全方位互聯(lián)互通。在月球探測(cè)任務(wù)中,地球指揮中心、月球科考站、移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、著陸器、航天員、飛躍器、巡視器、機(jī)器人等有機(jī)結(jié)合,組成地月人機(jī)一體化通信網(wǎng)是載人月球探測(cè)的必然選擇,如圖3所示。

圖3 地月人機(jī)一體化通信網(wǎng)總體架構(gòu)Fig.3 Overall architecture of Earth-Moon-human-robot integration network

在地月人機(jī)一體化通信網(wǎng)總體架構(gòu)上,按照空間位置分布不同,可以劃分為地球網(wǎng)、月軌網(wǎng)和月面網(wǎng)3大通信主網(wǎng),3大主網(wǎng)的任意二者間都存在直接鏈路,3大主網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)直接連通,也可以借助其他主網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)間接連通。

3大主網(wǎng)的主要特征如下:

1)月面通信網(wǎng):月面活動(dòng)的各節(jié)點(diǎn),如月面著陸器、月球科研試驗(yàn)站、移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、航天員、機(jī)器人之間,通過(guò)月面通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸;

2)地球通信網(wǎng):月面活動(dòng)節(jié)點(diǎn)可通過(guò)直接對(duì)地鏈路,與地球通信網(wǎng)連接;

3)月軌中繼網(wǎng):月面活動(dòng)的各節(jié)點(diǎn)借助月軌中繼星,實(shí)現(xiàn)與地球通信網(wǎng)間的信息傳輸。

對(duì)于處于月面活動(dòng)中的各節(jié)點(diǎn),如月球科考站、移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室、航天員、機(jī)器人之間,需要組成月面通信網(wǎng)。但從地月人機(jī)一體化測(cè)控通信網(wǎng)總體架構(gòu)的3大主網(wǎng)角度上來(lái)看,月面通信網(wǎng)的各節(jié)點(diǎn)間的信息傳輸途徑并不需要僅僅拘泥于月面通信網(wǎng)的直接連通,可用于通信的信息流途徑包括:

1)月面通信網(wǎng)的直接通信鏈路,月面活動(dòng)的各節(jié)點(diǎn)通過(guò)月面直接通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸;

2)借助月軌中繼網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路,月面活動(dòng)的各節(jié)點(diǎn)借助月軌中繼網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸;

3)借助地球通信網(wǎng)的轉(zhuǎn)發(fā)鏈路,月面活動(dòng)的各節(jié)點(diǎn)借助地球通信網(wǎng)實(shí)現(xiàn)信息傳輸。

3條信息流具有不同特點(diǎn),適應(yīng)不同場(chǎng)景,是同時(shí)存在、相輔相成的關(guān)系。其中月面通信網(wǎng)具有時(shí)延低、速率高,能夠滿足月面應(yīng)急通信需求的特點(diǎn),在使用優(yōu)先級(jí)上屬于月面通信支持的最高優(yōu)先級(jí)。

目前月軌和月面通信網(wǎng)的研制工作已經(jīng)在逐步開(kāi)展。基于載人月球探測(cè)和嫦娥探月工程,月面著陸器、科學(xué)載荷、月球車、月面探測(cè)器、機(jī)器人等月面節(jié)點(diǎn)將陸續(xù)研制并發(fā)射,逐漸形成月面通信網(wǎng)的先導(dǎo)型。

2.2 月面通信網(wǎng)

2.2.1月面通信網(wǎng)的功能

在地月人機(jī)一體化通信網(wǎng)的總體框架下,月面通信網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)月面活動(dòng)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)通信的首選鏈路,肩負(fù)著支持月面活動(dòng)的重要任務(wù),月面通信網(wǎng)主要承擔(dān)的功能任務(wù)應(yīng)包括:

1)完成月面視距范圍內(nèi)的可靠通信。保證月面節(jié)點(diǎn)活動(dòng)范圍內(nèi)的全時(shí)通信覆蓋,滿足月面的應(yīng)急通信需求。

2)完成月面近距離的高速通信。在100 m左右的近距離范圍內(nèi),具備完成近距離高速通信任務(wù)的能力。

3)航天員艙內(nèi)和艙外通信的橋接。月面通信網(wǎng)應(yīng)能夠由艙外擴(kuò)展至艙內(nèi),承擔(dān)起航天員艙內(nèi)和艙外通信的橋接任務(wù)。

4)“無(wú)線”移動(dòng)通信網(wǎng)需求。月球上以千米為單位大范圍布置光纖、光纜顯然是不現(xiàn)實(shí)的,月面通信網(wǎng)應(yīng)能夠支持月面各節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。

5)具備靈活可擴(kuò)展性的架構(gòu)。月面通信網(wǎng)能夠適應(yīng)初期載人登月任務(wù)小規(guī)模場(chǎng)景的需求,又要具備較強(qiáng)的擴(kuò)展性和支持持續(xù)演進(jìn)過(guò)程的能力。

6)信息安全能力。載人月球探測(cè)活動(dòng)開(kāi)展的主體包括國(guó)內(nèi)和國(guó)外,需要具備一定的信息安全能力,防止指定范圍外的其他月面活動(dòng)主體對(duì)信息的竊取、仿冒和攻擊。

7)地面商用標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線設(shè)備的接入:月面著陸器/移動(dòng)科研站等艙內(nèi)的良好環(huán)境能夠?yàn)榈孛嫔逃脴?biāo)準(zhǔn)化無(wú)線設(shè)備的應(yīng)用創(chuàng)造有利條件,因此,可以充分利用月面通信網(wǎng),實(shí)現(xiàn)地-月無(wú)線設(shè)備的統(tǒng)一與標(biāo)準(zhǔn)化。

2.2.2月面通信網(wǎng)的性能

月面通信網(wǎng)的性能需求主要包括以下幾方面:

1)高可靠低延時(shí)網(wǎng)絡(luò)需求。與地面工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景類似,月面通信網(wǎng)存在對(duì)月面機(jī)器實(shí)施控制的任務(wù),“高可靠”與“低時(shí)延”是2項(xiàng)重要指標(biāo)。

2)高效率網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理需求。由于月球存在較強(qiáng)的空間輻射影響,地球所采用的高速計(jì)算芯片難以在月球應(yīng)用,而宇航級(jí)器件存在著運(yùn)算速率低等難題,月面活動(dòng)將面臨計(jì)算資源受限的問(wèn)題。因此,需要對(duì)月面網(wǎng)絡(luò)計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)化,提高月面計(jì)算資源利用效率。

3)豐富的多址接入能力需求。隨著月面活動(dòng)參與對(duì)象數(shù)量的增加,有人探測(cè)和無(wú)人探測(cè)的綜合,地球向月球資源轉(zhuǎn)移數(shù)量的增加,月球原位資源利用規(guī)模的提升,月球上各項(xiàng)活動(dòng)目標(biāo)和物資資源,都具有向月面通信網(wǎng)接入的需求。月面通信網(wǎng)應(yīng)具備物聯(lián)網(wǎng)級(jí)的多址接入能力,這是月面通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一項(xiàng)重要需求。

4)能源、重量受限下的組網(wǎng)需求。地面上的5G基站,正常工作情況下通常需要3 500～4 000 W是功率(中興基站3 674 W,華為基站3 852 W),即便空載狀態(tài),也需要約2 200 W功耗[15-16]。在月面活動(dòng)中,這種功耗代價(jià)對(duì)于依賴太陽(yáng)能發(fā)電的航天器而言,顯然是無(wú)法接受的。因此,需要一種低重量、低功耗的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),按照目前航天器可以搭載的月面準(zhǔn)基站的裝置估計(jì),其質(zhì)量代價(jià)≤20 kg,功耗代價(jià)≤200 W。

5)航天員的高速率上行通信需求。在月面通信系統(tǒng)中,終端用戶如航天員在艙外活動(dòng)時(shí)的能源是極為有限的,但航天員需要向月面移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室或著陸器等基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送較大數(shù)據(jù)量的高清圖像等,而月面著陸器等月面基站節(jié)點(diǎn)只需要向航天員等終端用戶下發(fā)遙控、話音等低速率的數(shù)據(jù),這是月面通信網(wǎng)與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)完全相反的需求。

6)月面環(huán)境的抗多徑需求。月面環(huán)境存在月塵、巖石和地形起伏,與地面多徑環(huán)境類似,因此月面通信系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上需要考慮抗多徑的需求,采用循環(huán)前綴、分集接收等抗多徑技術(shù)。

3 月面通信網(wǎng)建設(shè)的總體技術(shù)途徑

3.1 地面移動(dòng)通信技術(shù)在月面應(yīng)用的可行性研究

目前地面可以實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)無(wú)線高速組網(wǎng)通信的標(biāo)準(zhǔn)主要有2類:一類是由3GPP主導(dǎo),從最早的GSM經(jīng)WCDMA、LTE、5G NR一路發(fā)展而來(lái)。另一類是由IEEE主導(dǎo),主要包括802.11協(xié)議族、802.15協(xié)議族、802.16協(xié)議族,分別指無(wú)線局域網(wǎng)WLAN(如WiFi)、無(wú)線個(gè)域網(wǎng)WPAN(藍(lán)牙)、無(wú)線城域網(wǎng)WMAN(WIMAX)。

1)802.15協(xié)議

802.15協(xié)議族主要用于在較短的距離內(nèi)傳輸信息,被廣泛應(yīng)用的協(xié)議有802.15.1(Bluetooth)、802.15.4(Zigbee)[17],具有低功耗、低成本的特點(diǎn),但傳輸距離短、易被干擾。

2)802.11協(xié)議[18]

WiFi(Wireless Fidelity)是IEEE為無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)定義的一系列無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn),即IEEE 802.11協(xié)議族,主要工作在2.4 GHz頻段或5 GHz頻段。主要應(yīng)用于室內(nèi)場(chǎng)所,如小區(qū)、家庭等生活場(chǎng)景,或車站、機(jī)場(chǎng)等交通樞紐場(chǎng)景。

3)LTE、5G、802.16協(xié)議

國(guó)際電信聯(lián)盟ITU將3GPP組織提出的LTE協(xié)議和IEEE 802.16 m均定義為4G移動(dòng)通信技術(shù),而5G協(xié)議[19-22]則是在LTE的基礎(chǔ)上演進(jìn)而來(lái),具有超高的頻譜利用率和能效,在傳輸速率和資源利用率等方面較4G移動(dòng)通信提高了一個(gè)量級(jí)。目前LTE/5G被廣泛應(yīng)用于辦公、自動(dòng)駕駛、工業(yè)自動(dòng)化、智慧城市等多種場(chǎng)景。

以上無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)是面向不同場(chǎng)景、不同需求制訂的,具有不同的特性,對(duì)月面通信網(wǎng)的功能、性能需求的滿足情況梳理如表3所示。

表3 基于LTE/5G移動(dòng)通信、WiFi的技術(shù)途徑需求滿足情況表Table 3 Technical requirement satisfaction based on LTE/5G mobile communication and WiFi

綜上,無(wú)論是LTE、5G還是WiFi等地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都無(wú)法完全滿足月面通信網(wǎng)的功能、性能需求,且地面LTE、5G移動(dòng)通信協(xié)議體系復(fù)雜,月面通信網(wǎng)應(yīng)利用經(jīng)過(guò)地面充分驗(yàn)證的移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù),對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化、修改,得出一套適應(yīng)月面通信需求的總體設(shè)計(jì)方案。

3.2 月面通信網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)前國(guó)際航天領(lǐng)域?qū)εR近空間通信的標(biāo)準(zhǔn)都是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信標(biāo)準(zhǔn)。NASA在阿爾忒彌斯計(jì)劃中委托諾基亞開(kāi)展基于4G移動(dòng)通信技術(shù)的月面組網(wǎng)通信研究,但并未公布最終詳細(xì)方案?？梢灶A(yù)料的是,無(wú)論是照搬4G還是5G的通信方案都需要較多的基礎(chǔ)設(shè)施,這顯然并不適用于月面這一資源極度缺乏的場(chǎng)景。

月面通信系統(tǒng)在總體技術(shù)途徑上應(yīng)當(dāng)選擇基于5G技術(shù)并適當(dāng)修改的簡(jiǎn)化協(xié)議作為總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案,從而既能利用5G在無(wú)線通信方面的關(guān)鍵技術(shù),又能滿足月面重量、功耗資源受限的條件,同時(shí)利用地面5G與互聯(lián)網(wǎng)融合的成熟技術(shù),能夠更方便地建立與月軌中繼衛(wèi)星系統(tǒng)、地球通信系統(tǒng)一體化的通信體制。另一方面,考慮到月面通信系統(tǒng)對(duì)商用設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化直接接入的需求,采用WiFi技術(shù)作為補(bǔ)充,實(shí)現(xiàn)商用設(shè)備的近距離高速無(wú)線通信接入,而遠(yuǎn)距離則通過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換接入月面通信網(wǎng)。

基于簡(jiǎn)化5G體制和WiFi體制融合的技術(shù)途徑的總體架構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 基于5G的簡(jiǎn)化和WiFi融合的技術(shù)途徑架構(gòu)Fig.4 System architecture of lunar communication network based on simplify 5G and WiFi technologies

整個(gè)月面通信網(wǎng)由骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)組成,骨干網(wǎng)由主節(jié)點(diǎn)、副節(jié)點(diǎn)組成,接入網(wǎng)由主/副節(jié)點(diǎn)與終端組成。主節(jié)點(diǎn)是月面著陸器、大型移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室或固定的基礎(chǔ)設(shè)施,具有較強(qiáng)的能源和通信能力,也是月面通信網(wǎng)與地面通信網(wǎng)的直接橋梁。主節(jié)點(diǎn)搭載功率較大的月面無(wú)線通信基站設(shè)備,可與航天員等活動(dòng)終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)近距離的高速通信和數(shù)公里內(nèi)的低速通信。副節(jié)點(diǎn)是月球車或其他移動(dòng)設(shè)備,具備在月面數(shù)公里距離內(nèi)探測(cè)的能力,可以作為航天員與月面無(wú)線骨干網(wǎng)的中繼節(jié)點(diǎn)。副節(jié)點(diǎn)對(duì)主節(jié)點(diǎn)組成骨干網(wǎng),對(duì)終端設(shè)備組成接入網(wǎng)。航天員在主節(jié)點(diǎn)附近活動(dòng)時(shí),與主節(jié)點(diǎn)直接組成接入網(wǎng);當(dāng)駕駛月球車或加壓漫游車執(zhí)行月面遠(yuǎn)距離活動(dòng)任務(wù)時(shí),與車組成接入網(wǎng),由車實(shí)現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā),轉(zhuǎn)發(fā)鏈路可以選擇月面通信網(wǎng)、月軌通信網(wǎng)或地月通信網(wǎng)。

4 月面通信網(wǎng)協(xié)議總體設(shè)計(jì)方案

4.1 月面通信網(wǎng)協(xié)議棧架構(gòu)

月面通信網(wǎng)采用基于分層的協(xié)議架構(gòu),對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行5層數(shù)據(jù)處理,分別是應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。月面通信應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層可采用標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議簇,有利于建立地月一體化通信網(wǎng);數(shù)據(jù)鏈路層(L2)和物理層(L1)采用適應(yīng)月面通信的自定義協(xié)議,從而滿足月面組網(wǎng)通信的需求。以月面著陸器為核心的組網(wǎng)模式,可以看作月面通信網(wǎng)的基本型,其協(xié)議棧架構(gòu)如圖5所示。

圖5 月面通信網(wǎng)協(xié)議棧架構(gòu)圖Fig.5 Architecture diagram of lunar communication network protocol stack

月面著陸器配置2個(gè)網(wǎng)關(guān)設(shè)備,對(duì)地通信處理器承擔(dān)對(duì)地網(wǎng)關(guān),月面通信處理器承擔(dān)對(duì)月網(wǎng)關(guān),通過(guò)雙網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)地-器-月端到端的雙向數(shù)據(jù)通信,其中月面著陸器需要完成2次協(xié)議轉(zhuǎn)換,以適配地月鏈路和月面鏈路的不同信道特性、傳輸速率和協(xié)議。

4.2 月地路由通道

將地-器-月作為一體化網(wǎng)絡(luò)來(lái)考慮,劃分為地面子網(wǎng)、航天器子網(wǎng)和月面子網(wǎng)。不同子網(wǎng)內(nèi)部存在不同協(xié)議的可能,子網(wǎng)間也通過(guò)不同鏈路連接。子網(wǎng)與子網(wǎng)之間配置網(wǎng)關(guān),完成網(wǎng)間協(xié)議轉(zhuǎn)換。當(dāng)月面的終端a需要與地面終端b通信時(shí),終端a將目的IP地址(地面終端b的IP地址)與子網(wǎng)掩碼進(jìn)行“與”操作,如果目的地址不在同一子網(wǎng),則將該數(shù)據(jù)包的目的地址設(shè)置為網(wǎng)關(guān)(月面終端網(wǎng)關(guān)),通過(guò)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或總線將數(shù)據(jù)包傳輸至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。網(wǎng)關(guān)將該數(shù)據(jù)包按照月面通信網(wǎng)的相關(guān)協(xié)議發(fā)送至航天器子網(wǎng),航天器子網(wǎng)的月面網(wǎng)關(guān)設(shè)備判斷數(shù)據(jù)包的目的地址屬于哪一個(gè)子網(wǎng),如果屬于航天器內(nèi)網(wǎng),則將該數(shù)據(jù)包MAC地址裝訂為對(duì)應(yīng)內(nèi)網(wǎng)終端的地址,并通過(guò)內(nèi)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)向目的終端轉(zhuǎn)發(fā);如果屬于月面子網(wǎng)的其他終端,則匹配相應(yīng)的月面通信網(wǎng)的MAC地址,并向月面通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā);如果屬于地面子網(wǎng),則匹配天地網(wǎng)關(guān)的MAC地址,通過(guò)天地網(wǎng)關(guān)按照天地?cái)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議發(fā)送至地面站,地面站再發(fā)送至地面網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)地面子網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),最終送至地面終端b,整個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)流程如圖6所示。地面終端b需要發(fā)送數(shù)據(jù)至月面終端a數(shù)據(jù)包時(shí),采用相反的過(guò)程。

使用天地網(wǎng)關(guān)和月面網(wǎng)關(guān)后,月面終端子網(wǎng)、航天器子網(wǎng)和地面子網(wǎng)可以采用不同數(shù)據(jù)鏈路層和物理層協(xié)議,只需要子網(wǎng)間鏈路在數(shù)據(jù)鏈路層和物理層采用相同的協(xié)議即可。在路由算法的選擇上,對(duì)于基本的IP包,可以直接利用地面成熟的IP路由協(xié)議,對(duì)于空間包,如CCSDS定義的SPP包,則需要配置專門(mén)的空間包路由算法,通過(guò)建立基于SPP包地址的路由表實(shí)現(xiàn)。

4.3 用戶面和控制面的分離

月面通信網(wǎng)的核心是月面通信處理器,它的作用類似5G基站和部分核心網(wǎng)將航天器內(nèi)的有線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào),發(fā)送到月面活動(dòng)節(jié)點(diǎn),如航天員/載荷接收終端,同時(shí)對(duì)用戶的接入、退出和資源分配進(jìn)行管理。月面通信協(xié)議棧包含用戶面和控制面,借鑒5G移動(dòng)通信的思想,將控制信令和用戶數(shù)據(jù)的解耦,從而簡(jiǎn)化管理路徑。用戶面、控制面協(xié)議的區(qū)別主要為:控制面協(xié)議不包括傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層,控制面應(yīng)用層負(fù)責(zé)信令傳輸;用戶面協(xié)議包括網(wǎng)絡(luò)層(IP)、傳輸層(UDP)、應(yīng)用層。月面通信處理器負(fù)責(zé)航天員數(shù)據(jù)鏈路層幀的轉(zhuǎn)換重組,將內(nèi)網(wǎng)幀轉(zhuǎn)為月面鏈路幀。

如圖7所示,左側(cè)為月面通信網(wǎng)的接入網(wǎng)協(xié)議棧,可見(jiàn)控制面協(xié)議?？缭搅藗鬏攲雍途W(wǎng)絡(luò)層,控制面協(xié)議只在月面無(wú)線通信網(wǎng)的內(nèi)部使用,通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路層完成尋址和傳遞。通信介質(zhì)的改變也引起了協(xié)議棧結(jié)構(gòu)的重建,信令的管理通過(guò)L3層負(fù)責(zé),本質(zhì)上屬于應(yīng)用層協(xié)議。

圖7 月面通信網(wǎng)控制面、用戶面協(xié)議棧Fig.7 Protocol stack for lunar communication network control surface and user surface

對(duì)用戶數(shù)據(jù)的管理、調(diào)度主要通過(guò)控制面的信令實(shí)現(xiàn)。在5G中,控制面數(shù)據(jù)通過(guò)專用的控制信道承載,數(shù)據(jù)量和種類非常龐大,調(diào)度機(jī)制非常復(fù)雜,顯然不適用于月面通信網(wǎng)的控制面設(shè)計(jì)。

5 月面通信網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

5.1 物理層關(guān)鍵技術(shù)

1)高效帶寬利用

月面通信的頻率、重量和功率資源都非常緊張,同時(shí)擴(kuò)展性的需求也十分強(qiáng)烈。隨著月面活動(dòng)節(jié)點(diǎn)的增加,必須選擇高效率的帶寬利用技術(shù),提高月面網(wǎng)絡(luò)容量和傳輸效率。

在通信體制上,綜合考慮頻率、重量和功耗等因素,月面通信網(wǎng)物理層在用戶多址接入方式上,采用TDD及TDMA技術(shù),顯然更具優(yōu)勢(shì)。采用上下行和多用戶全時(shí)分的方式,一方面減少了頻率分配導(dǎo)致的濾波器開(kāi)銷,同時(shí)為也為多用戶同時(shí)使用全頻段資源提供了基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)各方資源的均衡。

在信號(hào)波形產(chǎn)生方式上,采用OFDM技術(shù),這一技術(shù)適用于多徑環(huán)境和衰落信道中的高速數(shù)據(jù)傳輸,且可以提高系統(tǒng)的頻譜利用率。當(dāng)子載波數(shù)量較多時(shí),頻帶利用率近似為lbM(M為調(diào)制階數(shù)),是傳統(tǒng)頻分復(fù)用(FDM)系統(tǒng)的2倍,非常適用于月面頻譜資源極度有限的特點(diǎn)。

2)自適應(yīng)功率控制

提高發(fā)射功率有助于應(yīng)用更高階的調(diào)制方式,增加傳輸比特率,降低誤碼率和丟包率,但是月面能源緊張,提高功率不利于節(jié)能,尤其不利于月面設(shè)備的電池壽命。因此,月面通信網(wǎng)采用功率控制技術(shù),根據(jù)終端和節(jié)點(diǎn)的通信距離不同,在通信過(guò)程中使用適宜的發(fā)射功率,在提高信道容量的同時(shí),降低終端間的干擾,提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的能源效率和兼容性。

功率控制功能通過(guò)信道估計(jì)和信令實(shí)現(xiàn)。在OFMA多載波設(shè)計(jì)中,采用部分的子載波頻率發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào),通過(guò)預(yù)先約定的先驗(yàn)信息實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前信道狀態(tài)的估計(jì),從而評(píng)估功率的合理程度。發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的功率設(shè)置過(guò)大或者過(guò)小時(shí),通過(guò)傳遞信令實(shí)現(xiàn)對(duì)功率的適應(yīng)性調(diào)整。

3)自適應(yīng)調(diào)制編碼控制

月面通信網(wǎng)主節(jié)點(diǎn)可根據(jù)信道狀態(tài),對(duì)信道的調(diào)制編碼方式進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,實(shí)現(xiàn)上下行速率控制。用戶終端將解調(diào)參考信號(hào)的測(cè)量值反饋給主節(jié)點(diǎn),由主節(jié)點(diǎn)來(lái)推測(cè)信道的質(zhì)量,評(píng)估并選取適應(yīng)的調(diào)制方式和編碼率以及編碼效率,實(shí)時(shí)選擇適應(yīng)的調(diào)制編碼方式。

4)靈活擴(kuò)展能力

在月面通信網(wǎng)物理層的設(shè)計(jì)上,通過(guò)子載波的調(diào)配、調(diào)制編碼的自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)用戶規(guī)模的擴(kuò)展。月面通信系統(tǒng)的容量受限于發(fā)射功率和帶寬。單純通過(guò)提高頻率利用率的技術(shù),在擴(kuò)展能力上存在上限。提高功率需要部署大型月面通信塔、陣列天線等,需要月面基礎(chǔ)設(shè)施能力的不斷擴(kuò)展。未來(lái)隨著航天光伏能源技術(shù)、月面核反應(yīng)發(fā)電技術(shù)的突破,月面基站將有能力具備更高的發(fā)射功率,進(jìn)而支持月面通信系統(tǒng)逐步由低頻向S、Ku、Ka等高頻段高帶寬擴(kuò)展,以滿足超高速、超低延遲和超大傳輸容量等需求。月面通信網(wǎng)基于TDMA的體制設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了通信協(xié)議與頻率的剝離,頻率作為整個(gè)系統(tǒng)的一項(xiàng)配置參數(shù),可以實(shí)現(xiàn)靈活配置,在體制上為后續(xù)規(guī)模擴(kuò)展留下空間。

5.2 數(shù)據(jù)鏈路層關(guān)鍵技術(shù)

1)通信資源動(dòng)態(tài)分配

月面通信網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)間對(duì)通信資源的需求不同,如業(yè)務(wù)需求變化和通信距離變化,從而需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整時(shí)隙配比來(lái)適配即時(shí)的通信需求。月面通信網(wǎng)為適應(yīng)實(shí)時(shí)的業(yè)務(wù)調(diào)整,在數(shù)據(jù)鏈路層采用資源動(dòng)態(tài)分配技術(shù),通過(guò)時(shí)隙動(dòng)態(tài)調(diào)整解決月面通信上下行數(shù)據(jù)量差異性大、月面節(jié)點(diǎn)通信能力不平衡的問(wèn)題,滿足不同場(chǎng)景下的通信需求。

如圖8所示,某月面載荷節(jié)點(diǎn)由于需要向網(wǎng)絡(luò)傳輸高速遙測(cè)信息,則數(shù)據(jù)鏈路層根據(jù)需求調(diào)整信道分布由超幀0變?yōu)槌瑤?,載荷上下行數(shù)據(jù)傳輸速率變?yōu)橹暗?倍。

圖8 月面節(jié)點(diǎn)資源動(dòng)態(tài)分配示意圖Fig.8 Schematic diagram of dynamic resource allocation for lunar nodes

2)可自由擴(kuò)展的超幀設(shè)計(jì)

月面通信網(wǎng)的數(shù)據(jù)鏈路層幀長(zhǎng)可變,當(dāng)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)N擴(kuò)展時(shí),鏈路層超幀長(zhǎng)度可進(jìn)行自適應(yīng)拓展。月面網(wǎng)的無(wú)線超幀需要具備擴(kuò)展性,既能夠適應(yīng)初期載人登月任務(wù)小規(guī)模場(chǎng)景的需求,又要支持遠(yuǎn)期用戶數(shù)量不斷增長(zhǎng)的需求。因此在超幀的設(shè)計(jì)上必須覆蓋月球探測(cè)建造過(guò)程在一定時(shí)間跨度內(nèi)的規(guī)模需求,且具備支持持續(xù)演進(jìn)過(guò)程的能力。

3)高效的控制面管理技術(shù)

月面通信網(wǎng)控制信道和共享信道的定位,與5G移動(dòng)通信的控制面模式不同,5G的控制面基于核心網(wǎng)的架構(gòu),需要大量的服務(wù)器和資源,顯然不適用于月面通信的資源受限場(chǎng)景。月面通信網(wǎng)采用低速信道用于接入、申請(qǐng)和退出業(yè)務(wù),而其他高動(dòng)態(tài)調(diào)度的信令則通過(guò)高速信道實(shí)現(xiàn),一方面能降低控制面實(shí)現(xiàn)的算法復(fù)雜度,同時(shí)也能為終端高優(yōu)先級(jí)需求提供專用的信道服務(wù),實(shí)現(xiàn)功能和性能的均衡。

6 結(jié) 論

本文對(duì)照載人月球探測(cè)的規(guī)劃,分析了載人月球探測(cè)的主要任務(wù)和活動(dòng)模式,結(jié)合國(guó)際地月空間通信網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì),提出了一種能夠支持當(dāng)前乃至未來(lái)一定時(shí)期的月球探測(cè)的地月人機(jī)一體化通信網(wǎng)的總體架構(gòu),并在此基礎(chǔ)上細(xì)化提出了基于月面通信網(wǎng)的總體架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)。

月面通信網(wǎng)與地球移動(dòng)通信網(wǎng)在對(duì)活動(dòng)目標(biāo)支持的基礎(chǔ)無(wú)線通信技術(shù)上有很大的相似之處。通過(guò)對(duì)地面移動(dòng)通信技術(shù)在月面應(yīng)用進(jìn)行可行性分析得到,月面通信網(wǎng)構(gòu)建的總體架構(gòu)可以參考地面移動(dòng)通信網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)。但月面活動(dòng)有其獨(dú)特的特點(diǎn)和約束,直接照搬地面移動(dòng)通信系統(tǒng)在月球通信基礎(chǔ)設(shè)施薄弱的條件下是不可行的,月面通信網(wǎng)必須在充分利用地面已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)地面移動(dòng)通信技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化和適配,并具備一定的支持標(biāo)準(zhǔn)商用設(shè)備接入的能力。本文提出了一種適用于載人月球探測(cè)計(jì)劃的基于簡(jiǎn)化5G體制和WiFi體制相融合的月面通信網(wǎng)總體技術(shù)途徑。

在上述基礎(chǔ)上,本文提出了月面通信網(wǎng)的通信協(xié)議棧、路由通道和用戶管理方案,并對(duì)協(xié)議棧中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層采用的功率控制、自適應(yīng)調(diào)制編碼控制、月面節(jié)點(diǎn)資源動(dòng)態(tài)分配等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行剖析和可行性分析。以此協(xié)議棧為基礎(chǔ),逐步分階段開(kāi)展月面通信網(wǎng)的研究和建設(shè),逐步提高月面通信網(wǎng)的規(guī)模和能力。

月球探測(cè)是一項(xiàng)長(zhǎng)期工程,每個(gè)階段的需求、考量的問(wèn)題及關(guān)鍵技術(shù)都不盡相同。月面的組網(wǎng)通信系統(tǒng)要構(gòu)建一個(gè)開(kāi)放、兼容的架構(gòu),并應(yīng)當(dāng)跳出月球表面通信本身,從地月測(cè)控通信網(wǎng)建設(shè)的更高維度去審視月面通信的總體架構(gòu)。月面通信網(wǎng)在初期設(shè)計(jì)上就應(yīng)具備持續(xù)演進(jìn)、更新的能力,既需要保護(hù)前期的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資不被浪費(fèi),也要為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新留下空間。

月面通信體制研究目前還處于起步階段,是中國(guó)可參與和主導(dǎo)制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或者提出建議的重點(diǎn)方向。未來(lái)中國(guó)應(yīng)主動(dòng)掌握國(guó)際上主流技術(shù)體制及其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展動(dòng)向,積極開(kāi)展國(guó)際合作,建設(shè)以中國(guó)為主導(dǎo)的國(guó)際月面通信標(biāo)準(zhǔn)體系,提升中國(guó)月球探測(cè)領(lǐng)域的話語(yǔ)權(quán)和競(jìng)爭(zhēng)力,進(jìn)而以標(biāo)準(zhǔn)帶動(dòng)產(chǎn)品研制、數(shù)據(jù)共享、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)等多維度的國(guó)際合作。