《空天地一体化网络资源分配与用户关联策略分析》最新综述

空天地一体化网络通过协调运用低地球轨道卫星、无人机搭载基站以及地面基础设施，为智能交通、医疗保健、智慧城市和灾难响应等应用提供无缝数据连接。本文详细分析资源管理框架，综述现有文献，并评估交替优化、阻尼迭代注水算法和遗传算法等资源分配关键方法。通过一万次试验的MATLAB仿真结果对这些算法进行基准测试，证明了其具备稳健、公平和低延迟的资源分配特性。此外，本文还分析了紧急状况和网络过载情况下用户与地面及空中基站的关联策略。主要贡献包括对空天地一体化网络资源分配策略的比较评估，以及对紧急场景用户关联策略的深度剖析。本研究为设计具有韧性和高效性的下一代网络提供指导。未来潜在研究方向包括探索空天地一体化网络部署中的卫星切换与多域协同技术。

持续稳定的网络连接对于自动驾驶、灾难恢复和军事行动等实时应用至关重要[1][2]。然而传统地面网络无法完全满足这些需求。幸运的是，空天地一体化网络为这一挑战提供了前瞻性解决方案。空天地一体化网络是一种新兴网络架构，指太空中的低地球轨道/中地球轨道/地球静止轨道卫星、空中的高空平台/无人机以及地面基站与其他网络设施的垂直集成。该网络通过保持灵活、韧性和稳定的网络架构，能够为服务不足和偏远地区提供泛在覆盖，允许将拥塞的地面网络流量卸载到其他平台（根据具体场景条件选择）。第三代合作伙伴计划从第17版开始直至第18版及后续版本均已表明，非地面网络与空天地一体化网络对于实现国际电信联盟IMT-2020提出的全球5G性能标准至关重要[2]。因此，空天地一体化网络的实施被视为推动下一代5G/6G战略从概念阶段走向全面部署的关键。尽管在现代工业各领域中有众多应用场景可体现空天地一体化网络的优势，本文选择公共安全与灾难响应作为重点，以彰显其独特价值。

A. 背景：应急通信

传统地面网络基础设施在飓风、地震等紧急场景中易受损，而空天地一体化网络可通过建立受灾群众与救援队伍间的即时通信来应对此问题。即使在非紧急场景（如大型政治活动或体育赛事人群聚集时），用户也会因地面基站容量有限而经历服务质量下降。这两种场景中，空天地一体化网络都有助于将通话流量从地面基站卸载到无人机搭载的空中基站。卫星则提供无人机与地面蜂窝网络间必要的回程链路。从实施角度看，要有效利用空天地一体化网络需解决两个核心问题：用户关联与资源分配。

B. 用户关联/流量卸载

在空天地一体化网络中，用户关联是将用户连接到空中或地面基站的过程。用户移动性、节点密度、资源可用性、节点容量及用户端信干噪比是关联用户到空中或地面基站的相关参数。紧急场景中，用户关联指根据预设标准（如距离就近或优先级）将用户连接到特定基站。一般而言，用户关联指根据资源可用性将用户从一个基站卸载到另一个基站。

C. 资源分配

空天地一体化网络资源分配的目标在于提升吞吐量、降低延迟、保证用户间公平性、实现网络负载均匀分布以及降低能耗。所涉及的资源包括带宽、功率、计算能力以及地面、空中和空间各层的网络资源。由于网络具有动态拓扑、异构性及严格服务质量要求，资源分配成为至关重要且具有挑战性的议题。

D. 主要贡献

本文主要贡献可归纳如下：• 对近期空天地一体化网络研究进行全面调研与分类，涵盖资源分配、用户关联、无人机部署和任务卸载等领域 • 建立典型部署场景模型（包括单地面基站故障、多地面基站中断和大规模用户卸载），以展示空天地一体化网络的韧性优势 • 构建基于正交频分多址技术的空中基站辅助空天地一体化网络资源分配问题模型，包含子载波独占性、功率预算和服务质量约束，将其表述为混合整数非线性规划问题 • 通过大量蒙特卡洛仿真对交替优化、阻尼迭代注水算法和遗传算法进行性能比较评估 • 综合分析资源分配与用户关联策略，包括信干噪比、距离和基于优先级的策略，为下一代空天地一体化网络部署提供性能、公平性、收敛性和稳健性方面的深入见解

E. 论文结构

本文后续章节安排如下：第二部分综述相关文献，第三至第六部分分别介绍空天地一体化网络系统架构、频谱考量、用户关联问题与移动性方面。第七部分阐述资源分配问题并提出求解算法，第八部分呈现仿真设置与结果。最后，第九部分总结全文，提出关键发现、有益见解及未来研究方向。