我国正处于天地一体化信息网络发展进程的关键时期，未来天地一体化信息网络必将是微波和激光两者优势互补建立的混合链路信息系统。作者及其所在团队长期从事空间激光通信及组网技术的研究，特别是针对空间信息网络中激光和微波链路融合问题，开展了细致深入的研究，取得了富有特色的研究成果。希望本书的出版能促进国内同行的合作交流，推动空间网络不断向前发展，尽快进入工程化应用阶段。

本书主要介绍微波激光空间信息网络的基本概念、组成和国内外发展趋势，从整体组网架构和协议、物理层星座设计和拓扑控制、多址接入、路由交换到资源调度等方面，介绍和阐述了空间信息网络体系架构、CCSDS空间信息网络协议、一般星座设计方法、空间信息网络动态拓扑控制机制、多址接入方法、星上微波激光混合交换以及混合链路资源调度方法。

李勇军， 空军工程大学信息与导航学院副教授/副主任。主要从事卫星光通信及网络的教学和科研工作。负责或参与国家863计划项目、国家自然科学基金重大计划培育项目、预研基金项目、中国博士后科学基金面上项目和特别资助项目等，获省部级科技进步二等奖2项，授权国家或国防发明专利6项，出版《卫星光网络技术》和《星上微波光子通信系统原理与技术》专著2部，发表学术论文40余篇，SCI检索23篇，EI检索14篇。获省部级教学成果二等奖2项，空军比武竞赛第三名，第二十届全国教育教学信息化交流展示活动一等奖，教育部“全国高校光电信息类课程研究班”优秀标兵，2次获得空军工程大学十佳教员标兵称号。

第1章 概论001

1.1 基本概念和特点 001

1.2 组成和结构 002

1.2.1 空间段 004

1.2.2 运控段 004

1.2.3 用户段 004

1.3 空间信息网络组网方式 005.

1.4 国外研究进展 006

1.5 国内研究进展 018

1.6 发展趋势 023

第2章 空间信息网络体系架构025

2.1 数据链路层协议 026

2.1.1 FDMA/DAMA数据链路层协议 026

2.1.2 MF-TDMA数据链路层协议 028

2.1.3 卫星ATM网络数据链路层协议 032

2.1.4 CCSDSAOS数据链路层协议 034

2.2 网络层路由协议 036

2.2.1 空间信息网络路由协议分析 036

2.2.2 单播路由协议适应性分析 038

2.2.3 组播路由协议适应性分析 041

2.2.4 典型卫星网络路由解决方案及优化 042

2.3 传输层TCP协议增强技术 050

2.3.1 TCP流程及传输控制机制 050

2.3.2 TCP在卫星网络中的适应性分析 053

2.3.3 卫星网络TCP增强技术 055.

2.4 应用层协议增强技术 064

2.4.1 应用层协议及星上适应性分析 064

2.4.2 HTTP协议及卫星适应性分析 066.

2.4.3 常用HTTP增强技术 069

2.4.4 HTTP增强技术在卫星网络中的应用及优化设计 076

第3章 CCSDS 空间信息网络协议079

3.1 CCSDS空间通信协议历史 079.

3.2 CCSDS协议分层 080

3.3 CCSDS空间通信协议的主要特征 083.

3.4 CCSDS空间通信协议配置实例 086.

3.4.1 使用CCSDS定义的分组实现端到端前向传送 087

3.4.2 端到端路由的IP over CCSDS .087

3.4.3 端到端前向传输的CFDP088.

3.5 TC数据链路层协议089

3.5.1 协议特点 090

3.5.2 寻址 091

3.5.3 TC服务的基本类型 092

3.5.4 TC空间数据链路的功能 093

3.5.5 TC空间数据链路协议数据单元（TC传输帧）·095

3.6 TM数据链路层协议 097

3.6.1 TC传输帧 097

3.6.2 TM传输帧帧头 098

3.6.3 TM传输帧数据域099

3.7 AOS数据链路协议 100

3.7.1 基本概念 100

3.7.2 服务 101

3.7.3 功能 103

3.7.4 底层服务 105

3.7.5 无SDLS的协议数据单元 105

3.7.6 无SDLS的管理参数 117

3.7.7 支持SDLS的协议规范 118

3.8 Proximity-1数据链路层协议 119

3.8.1 Proximity-1协议概述 119

3.8.2 Proximity-1协议定义的术语 119

3.8.3 Proximity-1协议栈 120

3.8.4 各层功能 121

3.8.5 服务 124

3.8.6 协议数据单元 125

3.8.7 Proximity-1编码与同步层协议 129

3.9 IP over CCSDS 131

第4章 星座设计方法133

4.1 星座设计目标及约束条件 133

4.2 卫星节点特性 135

4.2.1 卫星轨道参数 135

4.2.2 卫星轨道方程 138

4.2.3 卫星轨道分类 141

4.2.4 星下点轨迹143

4.3 星座参数 144

4.4 区域覆盖星座设计 145

4.4.1 GEO卫星 145

4.4.2 IGSO星座 145

4.4.3 24星LEO星座170

4.5 全球覆盖星座设计 174

4.5.1 GEO星座 174

4.5.2 NGSO星座 174

4.6 卫星节点空间连通及覆盖特性 194

4.6.1 坐标转换 194

4.6.2 可见性分析 197

4.6.3 覆盖性分析 199

4.7 卫星拓扑结构 203

4.7.1 单层卫星网络拓扑 205

4.7.2 极轨道卫星星座 205

4.7.3 倾斜轨道卫星星座 207

4.7.4 编队卫星 209

4.7.5 多层卫星网络拓扑 210

4.8 国内外典型星座系统 211

4.8.1 低轨道卫星星座系统 211

4.8.2 中轨道卫星星座系统 214

4.8.3 GEO轨道卫星系统 216

第5章 加权代数连通度最大化空间信息网络拓扑控制方法218

5.1 引言 218

5.1.1 加权代数连通度的概念 218

5.1.2 研究现状 219

5.2 系统模型 221

5.3 问题描述 222

5.3.1 网络初始化问题 222

5.3.2 网络重构问题 224

5.3.3 松弛问题的半正定规划形式 225

5.4 基于矩阵摄动的启发式贪婪算法 225

5.4.1 网络初始化问题中的边移除算法 226

5.4.2 网络重构问题中的边增加算法 227

5.4.3 算法复杂度分析 228

5.5 仿真结果及分析 228

5.5.1 仿真环境设置 228

5.5.2 网络初始化中边移除算法仿真 228

5.5.3 网络重构中边增加算法仿真 232

5.6 小结 233

第6章 最小生成树空间信息网络拓扑控制方法234

6.1 引言 234

6.1.1 最小生成树的概念 234

6.1.2 研究现状 235

6.2 系统模型 236

6.3 问题描述 237

6.4 分布式最小生成树算法 237

6.4.1 生成树的构建 238

6.4.2 链路平均权重最小化 241

6.4.3 算法复杂度分析 242 6.5 基于最小生成树的节点连通度优化算法 242

6.5.1 算法描述 242 6.5.2 算法复杂度分析 244 6.6 仿真结果及分析 244 6.7 小结 249

第7章 空间信息网络多址接人技术250

7.1 引言 250

7.2 多址方式分类 250

7.3 空间信息网络特点对多址接入的影响 251

7.4 空间信息网络多址接入技术 252

7.4.1 基于竞争的分布式接入控制多址方式 252

7.4.2 基于无冲突的集中式分配多址接入方式 255

7.4.3 混合型多址接入方式 258

7.5 多址技术系统容量 262

7.5.1 FDMA多址系统容量 263

7.5.2 TDMA多址系统容量263

7.5.3 CDMA多址系统容量 264

7.5.4 纯ALOHA协议的系统容量 265

7.5.5 MF-TDMA多址系统容量 269

7.5.6 NOMA多址系统容量 269

7.6 小结 270

第8章 星上激光/微波混合交换技术273

8.1 星上电交换技术 275

8.1.1 透明转发方式 275

8.1.2 星上ATM交换 275

8.1.3 星上IP交换 276

8.1.4 星上MPIS交换 277

8.1.5 星上电突发交换 277

8.2 星上波长交换技术 278

8.3 星上光突发交换技术280

8.3.1 基本原理 280

8.3.2 基于报文突发交换技术的星上交换方式 284

8.3.3 基于Round-Robin的星上光突发交换混合门限组装算法 285

8.3.4 基于突发流的卫星突发交换网络资源预留算法 293

8.3.5 基于突发流的星上光交换核心节点信道算法299

8.4 星上混合交换技术 302

8.4.1 混合交换概述及应用情况 302

8.4.2 星上混合交换需求分析及研究现状 307

8.5 星上交换所面临的难题与挑战 309

第9章 混合链路中继卫星网络任务调度方法312

9.1 混合链路中继卫星系统资源调度原理 312

9.1.1 中继卫星网络基本组成 312

9.1.2 混合系统资源调度特点 314

9.2 混合系统静态初始资源调度模型 315

9.2.1 数据中继业务分类 315

9.2.2 静态调度模型参数定义 315

9.2.3 多目标约束规划模型 316

9.3 多目标优化方法 317

9.3.1 多目标优化基本原理 317

9.3.2 多目标问题求解方法 319

9.3.3 优化搜索算法 321

9.4 基于先验信息的静态初始调度算法 322

9.4.1 基于偏好信息的多目标优化策略 322

9.4.2 改进小生境遗传算法设计 324

9.4.3 基于时间窗口更新的调度优化策略 324

9.4.4 基于精英保留的自适应小生境遗传算法 326

9.4.5 调度算法性能 329

9.5 多目标优化的静态资源调度方法 332

9.5.1 基于Pareto 优化解的多目标搜索策略 333

9.5.2 改进NSGA-的优化算法设计 334

9.5.3 仿真设计与性能分析 337

9.6 混合链路中继卫星网络抢占式快速动态资源调度方法 340

9.6.1 混合链路中继卫星网络动态资源调度模型 341

9.6.2 抢占式快速动态调度算法 343

9.6.3 基于理想解的多目标决策处理 346

9.6.4 仿真实验与结果分析 348

9.7 基于多目标蚁群算法的数据续传资源调度算法 352

9.7.1 混合链路数据续传约束规划模型 352 、9.7.2 基于多目标蚁群算法的模型求解 · 354 9.7.3 多目标蚁群算法设计355

9.7.4 仿真实验与结果分析 357

9.8 小结 362

参考文献 363

附录 主要英文缩写 380

索引 385

激光微波混合是我国未来空间信息网络的基本形式，它是以同步轨道卫星或分布式星群为中继节点，以激光、微波为主要传输手段，具有稳定可靠的高速信息传输能力、全球化覆盖能力、智能化运行管理能力、标准化体系规范的空间信息基础设施。要建立激光微波混合空间信息网络，激光与微波链路必然要由简单并存向深度融合演进，由此给网络组网协议、多址接入方式、光电混合交换和路由选择方法以及资源调度算法等带来了新的挑战。

笔者及其团队长期从事卫星光通信及组网技术方面的教学和科研工作，先后承担过国家高技术发展研究计划（863）项目和国家自然科学基金重大计划培育项目，同时承担"卫星光通信"和"空间信息网络"的课程教学，于2010年出版专著《卫星光网络技术》。笔者在多年教学讲义的基础上，结合相关论文和课题组的研究成果完成了本书。全书首先介绍了空间信息网络的概念内涵，然后分别从组网协议、拓扑控制、多址接入、路由交换和资源调度等方面系统介绍了激光微波混合信息网络的关键技术。由于激光链路组网还未真正进入大规模组网应用阶段，有些章节主要借鉴微波信息网络组网方法，有些章节从混合链路组网的角度去分析，期望给初涉该领域的研究者和相关专业的研究生、本科生提供一个较为系统的入门读物。

全书共9章，分为两个部分。第一部分为第 1～3章，介绍基本概念和组网架构及协议。第二部分为第4～9章，主要介绍关键技术，分别从物理层的星座设计和拓扑控制、数据链路层的多址接入技术、路由层的光电混合交换方法以及混合链路资源调度方法4个方面进行论述。

李瑞欣老师承担了第8章的撰写;研究生郑永兴参与了第5、第6章的撰写;研究生李信、李海、彭聪、黄蓝峰等参与了全书的资料整理和图表绘制工作，在此一并表示感谢。

由于本人知识水平有限，书中疏漏和不当之处在所难免，恳请广大读者批评指正。