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2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际通讯卫星网络优化

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述星际通讯卫星网络与传统地面网络在通信链路特性上的主要区别，并列举至少三种针对这些区别而设计的网络优化策略。

二、

解释什么是星际通讯卫星网络的拓扑结构。列举三种常见的星际网络拓扑结构，并简要说明每种结构的优缺点及其适用于何种通信场景。

三、

在星际通讯中，信号延迟是一个关键因素。简述延迟对星际网络路由选择的影响，并描述一种能够有效应对大延迟挑战的路由算法的基本思想。

四、

说明在星际通讯卫星网络中，进行带宽和功率资源分配时需要考虑的主要因素。假设一个简单的星际网络由地球站、月球中继站和火星接收站组成，请简述为这三个节点分配带宽资源时可能遇到的主要约束和挑战。

五、

什么是星间激光通信（ILS）？相比于无线电通信，ILS在星际网络优化方面有哪些潜在优势？同时也分析其面临的主要技术挑战。

六、

描述星际通讯卫星网络性能评估的常用指标。假设你需要评估一个旨在连接地球与火星的星际互联网星座的性能，你会选择哪些关键指标？并说明选择这些指标的原因。

七、

什么是网络优化中的“权衡”（Trade-off）？在设计和优化星际通讯卫星网络时，举例说明至少两个不同目标（例如，最小化端到端延迟与最大化网络吞吐量之间）之间的权衡关系。

八、

简要介绍一种用于解决星际通讯卫星网络优化问题的启发式算法或优化方法（如遗传算法、模拟退火等）。说明该方法的适用场景及其在处理这类复杂优化问题时的基本步骤。

九、

考虑一个由多颗卫星组成的低地球轨道（LEO）星座，用于提供全球覆盖的星际通信服务。请简述在优化该星座的网络路由时，需要特别考虑的因素，并说明为什么这些因素与地面网络不同。

十、

预测未来星际通讯卫星网络可能的发展趋势，并选择其中一个趋势，阐述其技术特点以及可能带来的网络优化机遇和挑战。

试卷答案

一、

星际通讯卫星网络与传统地面网络在通信链路特性上的主要区别包括：信号传播速度受光速限制导致的巨大延迟、带宽受限、信道噪声更大且不稳定、以及网络拓扑动态变化（卫星运动）。针对这些区别设计的优化策略有：采用分层或网状拓扑结构以减少跳数和延迟；设计能够容忍大延迟的鲁棒路由算法（如基于延迟敏感的路由）；利用多波束或赋形波束技术提高带宽和抗干扰能力；采用高效的网络编码技术（如LDPC码）提升传输可靠性。

二、

星际通讯卫星网络的拓扑结构是指网络中卫星（或地面站）的连接方式。常见拓扑结构有三类：1）星形拓扑：所有卫星都与中心卫星直接通信，结构简单但中心卫星是单点故障，延迟相对固定。优点是部署简单，缺点是中心负担重、扩展性有限。适用于中心节点能力强大或对延迟不敏感的场景。2）网状拓扑：卫星之间相互连接或通过其他卫星中继通信，鲁棒性高、冗余度好、延迟可优化。优点是可靠性高、灵活性好，缺点是部署复杂、路由控制难度大。适用于高可靠性、大范围覆盖场景。3）环状拓扑：卫星按顺序连接成环，数据沿固定方向传输。优点是结构简单、易于扩展。缺点是故障诊断困难、单点故障影响范围大。适用于特定链路或区域连接。

三、

延迟对星际网络路由选择的影响主要体现在：长延迟使得实时交互困难，增加了路由计算的复杂性，要求路由协议具有更快的收敛速度；延迟是影响用户体验和业务类型选择的关键因素，路由需要根据业务需求（如实时视频传输要求低延迟，文件传输可接受高延迟）选择不同路径。一种能够有效应对大延迟挑战的路由算法是基于延迟优化的多路径路由算法。其基本思想是：在路径选择时，不仅考虑总跳数，更优先考虑端到端或平均端到端延迟；利用多路径同时传输数据，分摊延迟影响；设计具有快速重路由能力的机制，以应对链路故障或延迟剧变。

四、

在星际通讯卫星网络中，进行带宽和功率资源分配时需要考虑的主要因素有：卫星处理能力和存储容量、链路预算（传输距离、天线增益、噪声系数等）、用户需求（流量、优先级）、网络拓扑结构、以及节能需求。为地球站、月球中继站和火星接收站分配带宽资源时可能遇到的主要约束和挑战包括：地球站与月球/火星距离远，自由空间损耗大，可用带宽受限于发射功率和接收灵敏度；月球中继站作为枢纽，其带宽和计算资源是瓶颈，需要平衡向地球和火星的转发流量；功率分配需严格遵循链路预算，确保信号在长距离传输后仍能被有效接收，同时需考虑卫星能源限制和功耗管理策略。

五、

星间激光通信（ILS）是利用激光束在空间中传输信息的通信方式，直接在两颗或多颗运行中的卫星之间建立光链路。相比于无线电通信，ILS在星际网络优化方面的潜在优势有：光束方向性好，波束窄，不易受干扰，可实现更高的信噪比和带宽；光子能量高，传输相同信息所需功率较低，有利于节能；潜在传输速率远高于无线电。面临的主要技术挑战包