天地一體化信息網絡系統初步設想

陸洲 秦智超 張平 （中國電子科技集團公司電子科學研究院）

天地一體化信息網絡系統初步設想

陸洲 秦智超 張平 （中國電子科技集團公司電子科學研究院）

天地一體化信息網絡是國家重要信息基礎設施，筆者在分析國外天地一體化信息網絡相關系統發展情況的基礎上，提出了我國天地一體化信息網絡系統的總體設想，并進一步闡述了一體化發展過程中需重點關注和解決的幾個問題，可為我國天地一體化信息網絡的建設提供參考。

1 引言

天地一體化信息網絡作為國家信息化重要基礎設施，對拓展國家利益、維護國家安全、保障國計民生、促進經濟發展具有重大意義，是我國信息網絡實現信息全球覆蓋、寬帶傳輸、軍民融合、自由互聯的必由之路。

進入新世紀以來，信息已經深入到人們生活的方方面面，信息服務已成為了同水、電和交通等基礎設施同等重要的社會基本公共服務，世界各國都把信息化建設作為重要的發展戰略，如美國率先提出了“信息高速公路”、“數字地球”、“智慧地球”、“賽博空間”等概念和建設計劃。通過“互聯網+”行動計劃，信息化網絡的發展帶動了傳統產業結構調整和經濟發展方式轉變，促進了文化產業的繁榮，為“通達民意、匯集民智”提供了前所未有的便利條件，全面提升一個國家在全球的影響力。

近年來，我國信息網絡建設日新月異，取得了可喜的成績，截至2015年12月底，中國網民規模達6.88億人，互聯網普及率達到50.3%。一方面，我國已經基本建成了覆蓋全國的地面網絡，互聯網和移動通信用戶數量處于世界領先地位，但在服務覆蓋范圍、網絡抗毀能力、應急保障能力及安全性上還不能滿足國家經濟快速發展、國家利益及安全保障的要求，已成為制約我國信息化建設后續發展的主要瓶頸。另一方面，天基信息設施具有服務覆蓋范圍廣、受地面因素影響小、布設機動靈活等優勢，可有效彌補地面網絡的不足。我國航天技術發展取得了巨大成就，截至2015年12月底，我國在軌衛星數量已達150余顆，已經初步建成了通信中繼、導航定位、對地觀測等系統。但是，我國天基信息網、互聯網、移動通信網發展很不平衡，呈現“天弱地強”的特征。各衛星系統獨自建設，條塊分割十分明顯，衛星數量嚴重不足，衛星類型比較單一。更為突出的是，衛星沒有實現空間組網，無法發揮天基信息系統的網絡化綜合效能。在天地一體方面，目前天地網絡缺乏統一規劃和設計，尚未實現天地一體化的組網優勢，無法形成天地一體的信息服務能力。

目前，天地一體化信息網絡正處于從技術研究向工程建設過渡的關鍵時期，其工程建設存在系統復雜、規模龐大、建設周期長、投入巨大以及與現有網絡兼容等諸多問題。本文通過總結國外相關系統的建設經驗，提出了我國天地一體化信息網絡的總體方案設想。

2 國外相關系統分析

經過多年的發展，國外已經建成了多個天地一體的信息網絡系統，通過調研分析，大致可以歸為三大類：天星地網、天基網絡、天網地網。

（1）天星地網

天星地網是目前普遍采用的一種網絡結構，包括“國際移動衛星”（Inmarsat）、“國際通信衛星”（Intelsat）、“寬帶全球衛星通信”（WGS）等系統，其特點是天上衛星之間不組網，而是通過全球分布的地面站實現整個系統的全球服務能力。在這種網絡結構中衛星只是透明轉發通道，大部分的處理在地面完成，所以星上設備比較簡單，系統建設的技術復雜度低，升級維護也比較方便。

國際通信衛星－23在軌飛行示意圖

（2）天基網絡

天基網絡是另一種網絡結構，典型的系統有“銥”衛星（Iridium）、“先進極高頻”（AEHF）等，其特點是采用星間組網的方式構成獨立的天基網絡，整個系統可以不依賴地面網絡獨立運行。這種網絡結構弱化了對地面網絡的要求，把處理、交換、網絡控制等功能都放在星上完成，提高了系統的抗毀能力，但由此也造成了星上設備的復雜化，導致整個系統建設和維護的成本較高。通過調研分析，我們發現這種單純的天基網絡結構從商業上來說并不算成功，主要是基于軍事上對網絡極端抗毀性的需求。

美國“下一代銥星”在軌飛行示意圖

（3）天網地網

天網地網介于上述2種網絡結構之間，以“轉型衛星”（TSAT）計劃（該計劃已取消，但其網絡構架值得借鑒。）為典型，其特點是天基和地面兩張網絡相互配合，共同構成天地一體化信息網絡。在這種網絡結構下，天基網絡利用其高遠廣的優勢實現全球覆蓋，地面網絡可以不用全球布站，但可以把大部分的網絡管理和控制功能在地面完成，簡化整個系統的技術復雜度。

不同網絡結構比較

3種網絡架構中，天星地網架構技術比較成熟，是目前國外系統建設的主流選擇，應用廣泛，但受我國國情限制，在全球布站有現實的困難，所以難以采用這種架構；天基網絡架構在安全性、抗毀性和獨立性方面具有優勢，但因為要考慮脫離地面獨立運行，加重了對星上處理和星間信息傳輸能力的要求，導致技術復雜，系統的建設和維護成本高，商業上難以成功；天網地網架構通過天地兩張網絡的配合，充分利用天基網絡的廣域覆蓋能力及地面豐富的傳輸和處理能力，大大降低了整個系統的技術復雜度和成本。

綜合考慮之后，我們認為天網地網是比較適合我國國情的天地一體化信息網絡的網絡結構。在該天網地網架構中，空間網絡既可作為獨立系統存在，直接面向用戶提供服務保障，也可作為地面網絡的補充和增強，以彌補地面網絡在覆蓋范圍、抗毀應急保障及機動保障能力上的不足。

3 我國天地一體化信息網絡系統設想

相關工作

我國天地一體化信息網絡相關的研究和討論已經持續了10多年，目前已經取得了一系列成果。2006年，沈榮駿院士首先提出了我國天地一體化航天互聯網的概念及總體構想；2007年和2012年，中國宇航學會飛行器測控專業委員會先后兩次召開學術年會，對航天互聯網相關技術進行了專題研討；2013－2014年，工業和信息化部電子科學技術委員會組織了“天地一體化信息網絡體系架構研究”重點課題，從發展戰略、總體方案和關鍵技術等3個方面對天地一體化信息網絡開展研究；2013年和2015年，國內先后兩次召開了天地一體化信息網絡的高峰論壇，對凝聚國內天地一體化信息網絡相關研究力量并形成統一的認識發揮了重要作用；2015年，張乃通院士發表了《對建設我國“天地一體化信息網絡”的思考》，對天地一體化信息網絡的定位、邊界作了清晰的說明，并提出了網絡基本架構的設想和對建設工作的建議。

在綜合國內相關研究工作的基礎上，筆者提出了對天地一體化信息網絡的理解，并結合我國國情給出了天地一體化信息網絡的系統初步設想。

系統方案

天地一體化信息網絡是以地面網絡為依托、天基網絡為拓展，采用統一的技術架構、統一的技術體制、統一的標準規范，由天基信息網、互聯網和移動通信網互聯互通而成。天基信息網包括天基骨干網、天基接入網、地基節點網三部分。

天地一體化信息網絡系統組成示意圖

天基骨干網由布設在地球同步軌道的若干骨干節點聯網而成，骨干節點具備寬帶接入、數據中繼、路由交換、信息存儲、處理融合等功能，受衛星平臺能力的限制，單顆衛星無法完成上述全部功能，擬采用多顆衛星組成星簇的方式實現多功能綜合。1個天基骨干節點由數顆搭載不同功能模塊化載荷的衛星組成，包括中繼、骨干、寬帶、存儲、計算等功能模塊化衛星，不同衛星之間通過近距離無線通信技術實現組網和信息交互，協同工作完成天基骨干節點的功能。

天基接入網由布設在高軌或低軌的若干接入節點所組成，滿足陸、海、空、天等多層次海量用戶的各種網絡接入服務需求，形成覆蓋全球（包括兩極地區）、隨遇接入、按需服務的接入網絡。

地基節點網由多個地面互連的地基骨干節點組成，地基骨干節點由信關站、網絡運維管理、信息處理、信息存儲及應用服務等功能部分組成，主要完成網絡控制、資源管理、協議轉換、信息處理、融合共享等功能，通過地面高速骨干網絡完成組網，并實現與其他地面系統的互聯互通。

參考模型

天地一體化信息網絡在組成上可分為基礎設施、通用業務系統和應用系統3個層次。

天地一體化信息網絡參考模型

基礎設施層是整個天地一體化信息網絡運行的基礎支撐環境，主要包括空間設施、地面設施、安全保密設施、管理控制設施等。其中，空間設施由骨干節點衛星、移動通信衛星、寬帶通信衛星、中低軌衛星及其他商用衛星組成。地面設施由多個電信港、關口站及相應的地面支撐網絡所組成。空間段衛星及地面設施共同構成天基網絡的骨干、接入兩類網絡平臺，采用“以網絡為中心、面向服務、天網地基”的技術體制，將各類用戶聚合成以網絡為中心的整體，為天基網絡提供即插即用、按需服務、功能重組等能力，提供基礎保障；安全保密設施、管理控制設施按功能需求布設在空間和地面，形成天地一體的安全體系和管理體系。

通用業務系統是面向功能領域，依托網絡基礎設施構建的服務系統，集中體現了天地一體化信息網絡面向服務的技術特征。根據服務對象、能力及技術體制的不同，天地一體化信息網絡可提供的基礎服務主要包括骨干互連、中繼傳輸、寬帶接入、移動通信、寬帶廣播及天基測控等，各類基礎服務能力如下。

1）骨干互連：工作頻段為Ku、Ka頻段及激光，業務速率范圍為8～45Mbit/s；155Mit/s，622Mbit/s；2.5Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持陸基、海基等用戶。

2）中繼傳輸：工作頻段為Ka頻段及激光，業務速率范圍為155～622Mbit/s；1.2Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持天基、空基等用戶。

3）寬帶接入：工作頻段為Ku、Ka頻段，業務速率范圍為64kbit/s～8Mbit/s。支持空基、陸基、海基等用戶，支持基于IP的話音、數據、視頻等業務。

4）移動通信：工作頻段為L、S頻段，業務速率范圍為2.4～9.6kbit/s；384kbit/s～1Mbit/s。支持空基、陸基、海基等用戶，支持話音、數據、短消息、圖像等業務。

5）寬帶廣播：工作頻段為Ku頻段，業務速率范圍為256kbit/s～100Mbit/s。支持空基、陸基、海基等用戶，支持基于IP的數據、視頻等業務。

6）天基測控：工作頻段為S、Ka頻段，業務速率范圍為1kbit/s～2Mbit/s。支持天基、空基等用戶。

應用系統是基于基礎設施和業務功能系統，面向用戶任務而構建的共用或專業服務系統。天地一體化信息網絡可為應急指揮、搶險救災、遠程教育/醫療、遠洋航行、航天/航空遙感等各類應用或任務提供通信保障。

發展路線

由于地面網絡的建設已較為完善和成熟，而天基網絡還沒有形成體系能力，因此依據天基網絡的能力將天地一體化信息網絡的發展劃分為3個階段。

天地一體化信息網絡的發展路線圖

（1）天星地網

在近期階段（2020年前后），利用現有的通信衛星資源，將地面網絡覆蓋不到的地區通過衛星實現延伸，實現對我國國土及周邊地區的服務覆蓋。

（2）天網地網

在中期階段（2025年前后），整合、提升天基網絡資源，逐步建立統一的天基網絡，構建基于高、中、低軌道的天基信息服務體系，提供全球信息保障能力。

（3）天地融合的統一網絡

在遠期階段（2030年前后），提升天基網絡的技術水平，消除天地網絡能力差距，逐漸將天基網絡和地面網絡融合成統一的網絡，建立一個高可靠、高可用、自主可控的全球信息基礎設施。

4 需要解決的幾個問題

（1）天地網絡協調發展

在天地一體化信息網絡的建設過程中，天地兩個網絡的建設規劃需要綜合考慮、協調發展。受技術水平、政策法規等因素的影響，天基網絡的發展要滯后于地面網絡，因此需做好天地一體化信息網絡的頂層規劃，從技術發展、政策支持、資金投入等方面促進天基網絡的建設。

（2）系統運營

天地一體化信息網絡作為國家的基礎信息設施，在系統運營上應采用集中與分級相結合的統一管理機制。一方面，技術上要實現天網和地網資源的融合，具備統一、快捷的資源調度機制，可根據任務保障需求，在天網、地網之間靈活調配資源，協同完成任務保障；另一方面，系統運營不能完全從商業角度考慮，需要兼顧公益性和商業性，尤其要考慮到天基網絡的特殊性，需國家政策及資金上的扶持。

（3）開放與安全

在天地一體化信息網絡中，天地網絡是一體的，這就要求天基網絡具有良好的開放性，支持各類服務應用，支持用戶無感接入或即插即用；另一方面，天基網絡的空間及電磁的特殊性，易受到攻擊和干擾，而其重要戰略地位又要保證其具備高安全性。因此，天地一體化信息網絡在設計及建設初期就要將網絡及電磁空間安全問題放在首要位置，采用防無線注入的空中接口設計、自主協議增強、可信可控交換路由、分級分布星地密碼廣域部署等技術措施，有效解決網絡開放性與安全性的沖突問題。

（4）軍民結合

天地一體化信息網絡是一個覆蓋全球的信息基礎設施，是一個兼顧軍民兩用的信息網絡，在建設中要充分考慮到軍民用戶不同的信息保障需求，如設置多級別的信息安全保密等級，以滿足軍用及特殊用戶的信息安全要求；為高機動用戶設置快捷波束，支持其運動過程中的高速數據傳輸等。

美國“寬帶全球衛星通信”衛星在軌飛行示意圖

5 結束語

當前，我國的信息化建設正處于一個關鍵的發展時期，面臨著三網融合、下一代互聯網過渡、4G/5G移動技術發展、賽博空間安全等諸多變革。在此之際，我們應抓住國家經濟快速發展、國際地位鞏固提升的歷史機遇，借助我國航天技術發展的巨大推動作用，促進天基網絡的快速發展，盡快建設一個與我國國際地位相符的全球信息基礎設施。

陸征/本文編輯

Initial Layout of Space－ground Integrated Information Network System