航空光通信网络的研究热点

根据国际上研究现状可知，目前航空光通信领域的研究正处于从理论研究逐步向工程实现转化，从航空平台点对点光通信向航空平台组网验证转化的阶段，对航空平台间灵活可靠的光通信及组网技术提出了迫切需求。目前关于航空平台间光通信方面的研究仍处于起步阶段，研究成果主要集中在空-地光通信ATP技术、外界环境等方面，而航空激光平台组网的研究尚未全面开展。根据以上对国内外研究进展的分析可知，为实现航空平台间光通信的工程应用和组网验证，还存在以下问题亟待关注：

1）机载光通信中的捕获、跟踪和瞄准（acquisition tracking and pointing，ATP）

捕获、跟踪和瞄准系统是开展机载光通信研究的理论基础。Yohan Shim等通过运动全球定位系统和传感器系统，针对空间光通信及组网应用，提出了精密视轴指向对准方法。Amita Shrestha等针对空-地光通信链路，提出了一种光学天线视轴误差校正方法，并实现了空-地间光通信演示试验。孟立新等研究了机载ATP系统中的关键技术，考虑外界环境影响，对机载平台跟踪精度和光束发散角进行了优化设计；开展了机载激光转台系统和伺服结构设计；提出了基于全光捕获的机载光通信快速捕获方法；提出了ATP系统的高精度跟踪和稳定精度检测方法。赵馨等针对飞机与地面之间光通信链路，提出了光学天线视轴初始对准方法及初始指向系统中的视轴标校方法。齐秋菊等提出了机载激光终端信标光及反射光源信标光的跟踪精度检测方法，并通过跟踪精度检测系统进行了验证实验。徐春凤等考虑航空平台间光通信全过程，研究了通信环节及大气信道对信标光功率的作用规律，获得了发射端信标光功率与接收端探测概率的变化关系。赵义武等根据机载平台飞行运动和终端振动的测量数据，推导了空间激光系统的通信捕获动态补偿公式，并提出了相应的航空平台间光通信捕获算法。

2）机载光通信信道建模

由于机载平台的运动特性及大气环境条件变化，机载光通信传输信道会受到影响，引起接收端光信号衰落和光强起伏。机载平台自身的高频振动和低频抖动特性会造成传输光束的对准误差，造成接收端探测光功率降低。因此，建立准确的光通信信道模型是分析和改善机载光通信系统性能的基础。Paul R等针对ORCA项目中机载光通信骨干链路，分布考虑弱湍流及中强湍流条件，建立大气效应影响下光通信链路模型。Meiwei Kong等考虑低空无人飞行终端及光电二极管探测器，研究了机载无线光通信系统的可行性，通过链路误码率、光束发散角及偏转角等参数仿真验证了系统性能。陈纯毅等考虑空间背景光、接收端效率、大气信道衰减作用及光强闪烁效应，建立了飞机与卫星间上行光通信链路的信道模型和误码率模型。王静等研究了机载终端的运动特性，建立了航空平台与各空间节点间光通信的物理及数学运动模型，进行了机载激光链路方程推导和仿真计算。韩志钢等理论研究了机载光通信中的大气湍流效应对通信链路的影响，分析了激光光束的光场二阶特性，并通过仿真评估了接收光斑尺寸、光束到达角起伏等光束参数随链路传输条件的变化关系。

3）气动光学效应

当航空平台在大气环境中高速运动时，会引起湍流流场起伏现象，即气动光学效应。气动光学效应会引起运动平台附近气流的折射率起伏强烈，造成光束扩展、波前漂移及远场峰值强度降低，严重影响光通信系统性能，是航空光通信研究中亟待解决的关键问题。美国气动光学实验室（Airborne Aero-optics Laboratory，AAOL）在2011年研究了机载平台高速飞行时，平面窗口的气动光学效应，并进行了超音速的机载平台外挂吊舱气动光学试验。高天元等针对机载平台光通信试验中的观测获得气动光学效应现象，采用衍射光学理论和光学方法，研究了气动光学效应的原理分析和有效补偿方法。殷柯欣等分析了航空平台飞行高度、速度、终端位置等参数对光学平台像差的影响作用。孙宁等针对气动光学效应的产生原理、数值计算和仿真进行研究，分析了在不同机载光通信参数条件下，气动光学对通信链路性能的影响。张曦文等考虑飞机高速运动和高空大气信道，分析了大气附面层结构，理论研究了机间激光光束传输中的聚焦效应和气动光学效应。

4）航空光网络

当前文献研究主要集中于航空信息网络及自由空间光通信（free-space optical communication，FSOC）网络的优化及设计问题。Vey Q等提出了航空自组织网络（aeronautical ad hoc network，AANET），考虑利用移动自组网技术来实现航空平台优化组网。谷文哲等针对航空自组织网络中的QoS路由问题进行研究，提出了基于时延感知、拓扑感知和移动感知的路由算法。李晶等考虑航空自组网的节点移动特点，建立了网络中节点移动模型和链路稳定性模型。Nestor D等针对FSOC网络，考虑链路及发射功率有限条件，提出了基于随机网络优化及Lyapunov理论的任务优化调度方法。Y Tang等针对混合RF／FSO并行网络，考虑大气湍流效应，提出了一种网络控制方法，研究了网络吞吐量性能。针对航空激光网络的网络优化技术研究较少，Zachary C.Bagley等针对ORCA项目中的机载激光／射频混合网络，提出了链路层重传机制和基于混合链路的失效备缓策略来应对由于大气湍流及平台移动性导致的网络中断。(www.xing528.com)

5）高空大气信道及气动光学效应下航空激光链路建模

航空平台间光通信链路处于高空大气信道环境中，由于大气环境不稳定性高空大气、温度、气压、平台振动等因素会导致航空平台间信道动态变化。大气吸收和散射效应会导致接收光功率的衰减，大气湍流导致的光强闪烁效应严重影响链路传输性能。航空平台在大气环境中高速动态运行特性会引起气动光学效应，造成光束扩展、波前漂移及远场峰值强度降低，严重影响光通信系统性能。激光终端的高频振动和低频抖动会造成光束传输指向误差，造成接收端探测光功率降低。高空大气信道条件及气动光学效应对航空平台间光通信链路的通信性能影响需要准确深入的研究。因此，系统研究大气信道特性，建立高空环境下航空平台间光通信模型，分析不同大气信道通信环境影响下光通信链路差错性能，可为链路性能改善和通信系统设计提供理论参考。

6）航空平台RF／FSO链路协同

考虑到激光和射频通信技术各自优势，航空光通信与传统机间射频数据链技术的混合应用，是建立高速稳定的航空通信链路，实现航空信息网络的重要途径。在未来航空信息网络中，传统射频通信网络与光通信网络之间的异构融合和无缝接入是需要解决的重点问题。因此，构建航空平台混合RF／FSO中继传输系统，分析不同中继方式下混合RF／FSO链路的信道特性，研究链路传输差错性能，可为实现FSO及RF通信技术优势互补，增强航空平台间链路传输可靠性提供理论基础。

7）航空信息网络中流量工程问题

考虑航空节点在业务特点、运行环境、技术体制及应用类型等方面的差异性以及航空平台间激光及射频混合通信链路的传输特征，航空信息网络具有网络异构及业务多样化的特点，而不同航空业务具有不同的传输需求，包括端到端延迟、丢包率、QoS等级等网络需求指标。此外，随着信息技术的发展，空间信息传输需求不断增长，海量的重要信息需要通过航空平台进行传输。面对航空信息网络中业务流量的迅速增长及业务异质性的特点，如何对网络中流量进行灵活的调度控制，实现网络资源的有效利用和合理分配，是航空信息网络组网应用中亟待解决的问题。因此，利用逻辑集中的网络管控策略，建立航空信息网络流量负载均衡模型，并提出高效的流量调度优化算法进行求解，是实现航空信息网络中流量业务的调度规划，提高网络资源利用率的有效方案。

8）新型航空信息网络架构

将软件定义网络技术思想引入航空组网中，建立逻辑集中控制的网络管控策略，能够实现航空信息网络中流量业务的优化调度和网络的灵活配置，满足空间信息网络中多类用户传输需求。然而航空信息网络具有空间大尺度分布、业务流量大、传播时延长、传输链路动态时变等特点，需要控制器部署方案具有高可靠性、低传输时延和负载均衡的能力。因此，针对逻辑集中控制航空信息网络的特点，研究航空信息网络中控制器部署问题，建立控制器部署的整数规划模型并提出部署优化算法进行求解，获得控制器的最佳部署方案，是实现航空信息网络资源灵活调度和管理的重要研究内容。