空地一体化网络综述_Space-Air-Ground Integrated Network: A Survey

摘要

空地一体化网络(SAGIN)主要解决的是单一网络下的局限性问题，此综述文章从网络设计、资源分配、到性能的优化，对近几年SAGIN的总结。

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引言

受限于网络容量和覆盖范围，仅依靠地面通信系统无法在地球上任何地方提供高数据速率和高可靠性的无线接入服务，尤其是在海洋和山区等环境恶劣的地区。

开发新的网络架构以适应在各种场景中具有不同服务质量 (QoS) 要求的各种服务和应用程序势在必行。

SAGIN 的特点：

• 覆盖范围大
• 高吞吐量
• 灵活部署
• 弹性强

等特点，空中段可以提高服务需求较高的覆盖地区的容量，对于地面端系统可支持高数据率接入，将它们进行整合为5G/6G带来更多的好处。

空天地网络是三个部分，每个网段采用不同的通信协议，所以有了木桶效应，即系统整体的能力由最小的那部分所限制。

限制包括流量分配、频谱分配、负载平衡、移动性管理、功率控制、路由调度、端到端（end-to-end,E2E）QoS要求等方面。

所以，考虑每个网段的各种网络资源限制，对于设计者来说，要实现end-to-end的最佳性能才是至关重要的

文章重点从协议优化、资源分配、性能分析、移动性管理、各网段间操作来进行分析。

由于SAGIN固有的异构性、自组织性和时间可变性，这将为SAGIN的网络设计和协议优化带来许多挑战。

具体来说，异构网络中的操作必须考虑协同控制和管理、协同数据传输、互连和交互通信。时变动态移动网络将影响传播信道建模、移动性管理、流量分布和路由机制。

空中网络：无人机、汽艇、气球等构成的高空平台或者低空平台。相比地面基站，部署方便，成本较低(待考证)，对于突发事件地震洪水等自然灾害起到通讯备份作用。但是必须充分考虑其容量有限和链路不稳定的问题。

卫星信道的高误码率、带宽不对称、间歇性中断等因素会影响用户体验

地面基站: 1G->5G基站的演变，但是偏远地区和通讯基础设施不发达的地方覆盖范围很有限，同时抗风险能力比较低。

跨层设计考虑，太空、空中和地面网络中的各种节点进行传输。这些互连网络的任何变化，不仅会影响到物理层的信道，还会影响到高层的流量控制和路由决策，从而影响整个集成系统的时延、吞吐量和可靠性等性能

事实上，SAGIN 中的 LEO 卫星和 UAVs 的高机动性将无时无刻不在改变传播信道状态。为了实现更高的SE，基于不同信道条件的动态灵活频谱分配方案仍有待进一步研究。

切换管理

将正在进行的连接切换到其他的节点或者区域，由于卫星、高空平台载具、无人机、地面移动设备的高度移动性，切换会频繁的发生，因此管理各种的切换有重要的意义。

流量卸载

数据分流

D2D旨在使一定距离范围内的用户通信设备直接通信，以降低对服务基站的负荷，是一种新型的分流技术。

路由算法

对于无人机辅助的空地通信，适当的路由方案可以显著缩短通信距离，因此对高容量性能至关重要。在SAGIN中存在各种具有不同QoS要求的服务，有些服务对时间敏感，有些则对带宽要求很高。

如何根据这些业务的不同QoS要求和实际链路质量，将其流量分配到相应的地面或卫星或空地链路上是非常值得研究的。

性能优化

旋翼UA V中继系统中的发射功率、带宽、数据速率和UA V位置的联合优化问题，目标是最大化网络吞吐量。将这类非凸问题转化为单调优化问题，提出了多块算法

TCP/IP在空天地一体化中的弊端

在TCP/IP模型的传输层，TCP采用慢启动、拥塞避免、快速重传和恢复等方案来控制拥塞。这些方案基于网络拥塞导致数据包丢失的前提。在SAGIN中，尤其是在误码率相对较高的卫星通信系统中，TCP无法识别丢包是由误码率还是网络拥塞引起的，因此TCP传输性能恶化。此外，由于带宽延迟积较大，TCP的拥塞控制机制不允许充分利用卫星带宽[129]。此外，TCP将段丢失视为拥塞信号，从而迫使数据传输速率不必要地降低，并且拥塞窗口必须减半，这导致卫星链路利用不足。

SDN和NFV技术也被视为实现空间、空中和地面部分改进和更灵活集成的核心技术使能技术，通过先进的网络资源管理战略提供进一步的服务创新和业务灵活性。

D2D通信

D2D通信是LTE-A和5G网络中实现移动UE之间数据传输的一种非常灵活的通信技术。根据定义，它不需要利用eNB或核心网络，同时将数据业务从一个移动UE直接转发到空间上靠近的另一个移动UE。由于UE之间的通信距离较短，D2D通信可以广泛应用于点对点通信、机器对机器通信和组播通信。它被认为能够提高蜂窝网络中的系统容量、吞吐量、频谱效率、和EE

D2D通信在5G系统中的干扰管理、网络发现、网络编码、网络安全等具有挑战性的问题，人们做了大量的研究工作

各种策略

长传播延迟：当卫星卸载来自地面的流量的时候，其长延迟不可忽略，应该将对延迟不敏感的业务通过卫星来传播

链路选择：在SAGIN中，通常存在多个链路，包括地面链路、卫星链路和空地链路，它们具有不同的链路成本。因此，选择不同类型的链接将导致不同的使用成本。在做出流量卸载决策时，应考虑网络容量、拥塞引起的性能下降、排队延迟和链路成本等综合因素。为了解决这一问题，需要在资源提供和利用之间建立竞争和合作机制，并引入博弈论[186]和拍卖理论[187]。

安全和干扰决策

• IP协议层的安全
• 频繁的切换也给现有的IPSec协议带来了新的问题，如安全路由、移动IP、密钥管理和交换。
• 链路安全，分流量加密
• 抗干扰，基于博弈论的方法来研究卫星和无人机通信中的干扰攻击

总结

主要是大概了解空天地一体化在做什么，未来有哪些具有价值的研究领域和方向。

主要还是从流量和任务卸载、安全与干扰决策、路由算法等方面来进行后续的研究。