为了建立一个快速、高效、抗毁性强的空-天-地一体化信息系统，美国、欧洲等国家和组织针对航空通信领域进行了一系列研究，以移动Ad hoc网络为主要组网方式，使空中平台具有动态组网、动态路由和无线中继的能力，最终实现各航空平台互联互通。2007年后，随着机间点对点光通信和路由技术的发展，美国开始考虑采用激光、射频混合链路与组网技术构建一个高鲁棒性、高吞吐量的航空信息网络，并提出了一系列激光与微波混合组网项目，航空信息网络典型系统如表1.2所示。
表1.2 航空信息网络典型系统
1）战术瞄准网络技术（tactical targeting network technology，TTNT）
战术瞄准网络技术是美国国防部先进研究计划署（DARPA）研究的新一代航空数据链系统，是网络中心战（network centric warfare，NCW）概念网络化的实现基础，其网络示意图如图1.8所示。TTNT在网络战略环境中建立战术数据传输骨干网，其核心是通过建立分布式、动态的、可重构的移动自组网，为战术飞行器提供战术信息共享，以实现对突发事件快速应对，主要包括对于突发目标的火力控制和战斗损伤评估数据。TTNT具有基于IP协议实现各平台连接、高吞吐量、高传输速率、低时延、低截获、抗干扰以及实时按需带宽分配的特性，与通用数据链相比，其应用范围广，通用性更强。
TTNT作为高速、宽带、基于IP的航空自组织网络系统，具有连接航空平台和全球信息栅格（global information grid，GIG）节点的能力。区别于通用数据链的定向数据流传输，TTNT中节点能够快速、灵活地组网，实现用户信息共享。网络支持200～1 000个服务用户的高速、安全、抗干扰传输，其吞吐量比Link16数据链高20倍。实验结果表明，TTNT支持语音、文本、视频流、图像等多类业务，数据传输速率比Link16高50倍，可实现540 km距离范围的信息传输，在185.2 km的传输范围内其信息传输速率达2 Mb／s。TTNT建网时间仅需不到5 s，远远优于通用Link16网络；可包括200～2 000个用户，网络总容量达到10 Mb／s，新用户入网时间为3 s，可实现航空平台的随时入网、退网。其应用范围包括态势感知、协同传输、图像视频传输、网络数据、邮件及天气等，相比于通用数据链应用种类广泛。2）光／射频通信链路试验（optical RF communications link experiment，ORCLE）
图1.8 TTNT网络概念
DARPA一直致力于下一代全球信息栅格通信技术的研究发展。2007年后，由于对机载光通信重要性的重新认识和先进路由技术的发展，使人们开始重新审视航空激光网络的潜力。要构建一个强鲁棒性、高吞吐量的空中网络，必须充分利用激光、射频混合链路与组网技术，而不是单独依靠其中之一。为此美国MIT林肯实验室提出了基于激光与射频（RF）混合组网的国防军事网络，如图1.9所示。该网络很大程度上依赖于大容量自由空间平台通信，同时美国空军一直在进行面向战术应用的机载高速率骨干网研究和发展，其中主要进行自由空间光通信链路技术（FSO）研究，并最终实现混合FSO／RF通信链路组网。
图1.9 军事中心结构FSO／RF混合网络概念
ORCLE是DARPA组织的首个FSO和射频混合链路空中网络计划，该计划主要关注RF和FSO节点的组网及物理层技术的研究，旨在实现激光／射频通信混合链路的智能化应用。ORCLE计划进行了包含空-空和空-地间FSO和射频链路在内的混合航空通信网络演示，其中FSO通信链路速率为2.5 Gb／s，射频数据链的速率为45 Mb／s。ORCLE计划的成功实施验证了利用现有通信技术研制FSO／RF混合通信设备的可行性，为航空通信网络中的高速率通信提供了保障。
3）光／射频通信计划（optical RF communications adjunct，ORCA）
ORCLE成功之后，美国空军研究实验室也开展了面向战术应用的机载混合FSO／RF通信效能研究。DARPA和AFRL组织了光／射频通信计划。ORCA计划的目标是设计、建立并测试一个用以反馈和数据传播应用、战术的、安全的、基于IP的混合激光微波骨干网络，并进行地面节点之间的混合FSO／RF网络技术验证。
ORCA项目是一个实际的战术网络模型，由机间部分和地面部分组成，如图1.10所示。其中，机间部分通过多平台组网构成移动自组网（mobile ad-hoc networks，MANET），并利用与ORCA地面节点相连的战略网关路由为GIG提供高可靠双向骨干网；地面部分通过战术网关路由为IP地面网络提供可靠连接支撑。ORCA系统的混合链路中，微波部分数据速率为174 Mb／s，FSO部分数据速率＞5 Gb／s。对于大容量的ORCA网络，战术网络是其终端子网，同时ORCA也作为GIG高速段的终端网络运行。因此，ORCA网络必须能够区分网络内和网络之间的通信流量并通过服务质量（QoS）通信优先次序进行补偿。
图1.10 ORCA网络结构
4）航空骨干网络测试试验
美国林肯实验室于2012年进行了航空骨干网络测试试验，作为美军C4ISR（command，control，communications，computers，intelligence，surveillance，and reconnaissance）系统行动2010（on-the-move 2010 exercise）的一部分，该试验选择两个陆地基点和两个空中基点共同构建了网络性能验证实验环境，研究与评估了异构网络环境下的航空骨干网络吞吐量、端到端延迟等网络性能。测试内容包括大容量机载射频系统性能、RFC4938无线路由器接口、动态路由及为军用数据提供稳定可靠机载IP骨干链路的能力等通信性能验证。图1.11（a）给出了试验中空中平台、链路、高度、速度、通信距离及无线通信系统的具体参数；图1.11（b）为试验中空中平台飞行轨迹及距离。该试验中采用两种不同的通信系统：电子开关波束（ESB）无线系统及全向无线系统（ORS）。其中，采用时分复用（TDMA）Ku波段ESB系统的数据速率为2～5 Mb／s，链路时延为60～100 ms；ORS系统为L波段全向天线，采用调频随机接入MAC协议，其数据速率为500 kb／s～2 Mb／s，链路时延为3～3 000 ms。
图1.11 航空骨干网络测试试验
（a）机载网络的轨迹和轨道距离；（b）地-空-地与地-空-空-地对比
5）Minuteman项目
美国加州大学洛杉矶分校开展的Minuteman项目，针对未来海军作战需要有效地利用海上、岸上和空中的各种实时信息和传感器数据，将战场上的无人车（UGV）和无人机（UAV）等各自单元组成了一个空间、地面和海上一体化的战场MANET。其中采用分层分布式网络体系结构，由骨干节点组成移动骨干网和接入骨干节点的本地接入网所组成，如图1.12所示。图中粗线连接的为各群首组成的顶层网络，各群为任务编队，群内成员之间保持相对一致的运动，因而具有稳定的群组结构。
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图1.12 Minuteman的网络体系结构
6）NCW网络架构
美军提出的网络中心战（NCW）概念，其网络架构如图1.13所示。力求通过强大的计算机信息网络，将分布在广阔区域内的各种传感器、指挥中心和各武器平台融合成为一个统一高效的空间信息系统。NCW由空、天、地、海4层网络组成，其中空间大型平台、海面大型舰艇和地面指挥所通过激光链路或者定向射频链路互联组建空间骨干信息网络。
图1.13 DARPA提出的NCW网络结构
7）ATENAA的网络架构
2004—2007年，德国、希腊、意大利和法国4国的研究机构联合开展了ATENAA项目的研究。该项目主要为了验证宽带定向数据链路构建空间信息网络，其关键技术包括空间信息网络协议、Ka频段阵列天线以及机间光通信技术等。图1.14为ATENAA的网络架构示意图，其中包括飞机、地面站、高空平台等通信节点。该网络针对不同的通信业务采用了3种链路：VHF数据链、Ka频段链路和外层光链路（outer optical link，OOL）。
图1.14 ATENAA的网络架构
8）激光微波通信链路实验（OMCLE）
该项目是美国DARPA组织的第一个混合链路空中网络计划，主要关注射频（RF）和自由空间激光（FSO）节点的组网及物理层技术的研究。OMCLE项目依据传输信息的大小以及通信环境的不同，通过选择最合理的通信方式，实现激光和射频通信链路智能化的混合应用，达到能够为联合部队指挥官提供有保障的高数据率通信的能力。OMCLE搭建了空-空和空-地实验演示系统。在该系统中FSO数据链的通信数据率为2.5 Gb／s，而射频战术通用数据链（TCDL）的数据率则为45 Mb／s。
9）光射频通信优化（ORCA）项目
该项目基于ORCLE项目的相关研究成果，开发FSO／RF混合通信设备，并测试基于FSO／RF混合的IP骨干网络，目标是用其满足战场上回传后方的通信传输需求。ORCA项目是由机间部分和地面部分组成，其网络结构如图1.15所示。ORCA系统混合链路中微波部分数据速率为274 Mb／s，FSO部分数据速率＞5 Gb／s。
图1.15 ORCA计划的网络结构
10）射频／激光综合组网战术瞄准网络技术（IRON-T2）研究计划
IRON-T2的研究目的是演示验证FSO／RF通信链路混用必需技术和设备的可行性。IRON-T2项目于2008年完成，演示了射频和激光混合通信系统应用的效率，测试数据表明，混合通信系统可以在白天和夜晚的多种环境下提供可靠的吉比特每秒级链路。
11）自由空间实验性光网络试验（FOENEX）
FOENEX项目由AOptix公司和约翰-霍普金斯大学应用物理实验室共同研发，其目标是在空-地（50 km）、空-空链路（200 km）中，利用射频与激光混合通信信道提供的端对端网络高可靠性传输。FOENEX的网络演示场景如图1.16所示。空中和地面节点配置有两条或多条射频与激光混合通信链路。FOENEX在2011年底和2012年初进行了飞行测试。试验表明，应用于射频与激光混合通信链路的FOENEX重传算法可以在5×10-2误包率的信道上实现100%数据送达。
图1.16 美国DARPA的FOENEX计划
如表1.3所示，目前国内机载激光／射频混合传输的相关研究工作刚刚起步。前期长春理工大学分别在2011年和2013年完成了机载平台之间速率1.5 Gb／s（17.5 km）和2.5 Gb／s（144 km）的光通信实验，为下一步建立航空骨干网奠定了很好的基础。
表1.3 激光／微波混合通信试验
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