關于天基傳輸網絡體系結構的討論

劉華峰+孫智立+楊昕+趙康+程子敬

摘要：認為天基傳輸網絡是天地一體化信息網絡的基礎設施，其體系結構對整個一體化體系有著重要影響。提出“骨干+區域增強”的雙層天基傳輸網絡架構，并對其在星上能力、空中接口、協議體系、路由交換、綜合驗證等方面需要關注的問題進行了討論。

關鍵詞：天地一體化信息網絡；天基傳輸網絡；網絡體系結構；網絡協議

中圖分類號：TN929.5 文獻標志碼：A 文章編號：1009-6868 （2016） 04-0053-005

天地一體化信息網絡是一種通過星間、星地以及地面鏈路，有機聯合陸、海、空、天各種平臺的綜合性信息網絡系統。由于其對維護國家信息安全、引領空間科技前沿、帶動新興技術產業、形成核心競爭力所具有的深遠意義，天地一體化信息網絡已成為了當今世界重要的國際科學前沿和戰略制高點。

美歐等空間科技強國從20世紀中葉就開始了天地一體化信息網絡的探索和研究。中國政府在“九五”末期提出天基綜合信息網計劃，并在“十一五”期間提出“空間信息網絡”的概念。當前，天地一體化信息網絡已經被納入中國國家發展戰略。在2016年3月發布的“十三五”規劃中，提出要“加快構建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施，推進信息網絡技術廣泛運用，形成萬物互聯、人機交互、天地一體的網絡空間”，并明確將“天地一體化信息網絡”作為重大工程列入“專欄3 科技創新2030——重大項目”[1]。

天地一體化信息網絡是一個復雜的大型體系，包含傳輸、感知、處理、時空基準和應用等多個不同的系統。在整個體系中，天基傳輸系統發揮著連接各類陸、海、空、天基平臺，并為其提供全球化信息支持的重要作用。

作為天地一體化信息網絡的基礎設施，天基傳輸網絡結構是整個天地一體化信息網絡架構的基礎[2-4]，因此中外研究者對天基傳輸網絡體系結構開展了諸多的研究。根據近年來的研究和思考，我們提出對當前天基傳輸網絡體系結構問題的一些認識，希望能夠為目前的研究工作提供參考，并起到促進作用。

1 天基傳輸網絡發展現狀

1.1 國際現狀

近年來，美國和歐洲等航天技術發達的國家或地區政府，以及Google、Facebook、SpaceX等國際互聯網巨頭和商業公司，分別從國防和經濟目的出發，先后推出一系列天地一體化網絡/天基傳輸系統體系結構。

早在2002年，美國軍方就針對其全球化軍事戰略需求，提出轉型通信計劃（TCA）[5]，目的是改進其全球軍事衛星通信體系結構；2006年美國航空航天局（NASA）根據其天基網絡、近地網絡和深空網絡現狀和未來發展，提出空間通信與導航計劃（SCaN）[6-7]。2008年歐盟提出全球通信一體化空間架構（ISICOM）以支撐“歐洲空間政策”的實現[8]。在商業領域，2007年成立的O3b Networks公司針對大型企業和政府的蜂窩回程和IP干線傳輸業務，打造覆蓋地球南北緯45°之間所有地區的Ka頻段中軌衛星星座，2014年開始提供服務，2015年在軌衛星數量達到12顆。2014年底至2015年初，面向全球提供互聯網接入服務，OneWeb、SpaceX、Leosat等多家公司都推出了各自的、由低軌小衛星組成的衛星互聯網星座計劃，其中OneWeb已經獲得頻率軌位。這些星座的主要參數如表1所示[10]。

綜上所述，從國際趨勢來看，經過數十年的積累，天地一體化信息網絡已經開始逐步進入工程實施階段。

1.2 中國現狀

目前，中國對天地一體化信息網絡的研究和規劃進入加速發展階段。工信部、科技部、國家自然科學基金委等科技部門、工業界和各大科研院所持續推進天地一體化信息網絡的基礎性研究和規劃論證工作。2013年國家自然科學基金委啟動“空間信息網絡基礎理論與關鍵技術重大研究計劃”；同年12月，工業和信息化部電子科學技術委員會啟動“天地一體化信息網絡發展思路研究”課題。2015年國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）啟動“未來一體化網絡關鍵技術和示范”項目，同年11月，中國工程院設立“空間信息技術領域發展戰略研究”重大咨詢項目。天基傳輸網絡結構始終是這些計劃與項目研究的核心問題。

隨著天地一體化信息網絡受到日益廣泛的關注，世界上越來越多的研究者加入這一領域，對天地一體化信息網絡研究的發展起到了巨大的推動作用。天地一體化信息網絡研究本身是一個巨大而復雜的系統工程問題。在涉及體系結構問題時，一體化概念下龐大的規模，不同的視角，常常導致研究問題的泛化和過度復雜化，進而在很多方面難以達成共識，這客觀上給由系統結構研究向系統建設的轉變帶來了困擾。例如，僅就天基傳輸網絡拓撲而言，目前在中國的研究中經常出現的就有高、中、低軌多層結構，高軌和低軌雙層結構，中軌和低軌雙層結構等多種假設方案。

1.3發展情況對比

在國際發展進入工程階段，中國大型工程準備啟動的大背景下，良好界定系統邊界，聚焦研究方向，才能有效推進體系結構研究規劃向系統建設轉變。在這一點上，值得吸取教訓的典型例子是美國的轉型通信計劃。該計劃歷時數載，由于耗資巨大，系統過于復雜，各方向技術發展水平難以均衡等因素，發展一直受到進度和預算問題的困擾，直至最終被迫取消。而作為成功的例子，衛星互聯網星座O3b Networks僅用半年時間就達到了原計劃1億美元的收入水平，避免重蹈當年銥星系統的覆轍，關鍵在于其準確的定位——面向電信運營商，為地面通信覆蓋不到的島嶼和海上大型船只提供服務），以及精簡的系統規模——覆蓋南北緯45°區域僅需12顆中軌衛星，比起銥星星座66顆衛星的規模，大大降低了成本和系統復雜性。

因此，我們認為從體系建設的角度出發，中國的天基傳輸網絡體系結構，要契合國情，立足于航天系統現狀，緊扣當前緊迫需求開展設計，保持有限規模，降低系統復雜性，同時要將初期建設成本和實現的時間跨度納入設計要素。

2 “骨干+區域增強”的天基傳輸網絡體系結構

2.1關鍵需求

隨著經濟的發展，網絡技術正向全球乃至太空拓展。對于日益增長的全球化信息支援需求，如果無法實現全球范圍的地面站網，那么在航天測控的全球支持方面會受到限制，同時也難以實現全球范圍內的及時信息獲取、回傳和通信支援，進而導致在應急突發、航天測控、航空運輸、海洋權益等領域面臨全球信息支援的困境。在這種條件下，依靠天基傳輸網絡實現全球通信支援、數據快速回傳和及時響應是突破這一困境的唯一途徑。

2.2網絡體系架構

全球覆蓋是天基傳輸網絡實現全球信息支援的前提和首要條件。但需要指出的是：針對關鍵需求而言，這里天基傳輸網絡的“全球覆蓋”并不是指無差別的24 h全球地表覆蓋，應該是對于航天器和臨近空間平臺的測控和數據傳輸是在一定地表高度上的全球覆蓋；而對于地面移動通信和互聯網接入需求，定向區域覆蓋仍然是主體，在此基礎上保障全球范圍內重點地區的覆蓋。

因此，我們提出以靜止軌道（GEO）通信和中繼衛星為骨干，低軌道（LEO）衛星和臨近空間平臺對關鍵區域進行增強的雙層天基傳輸網絡架構，如圖1所示。

在這一架構中3到多顆GEO骨干衛星通過星間激光或高速微波鏈路互聯，形成傳輸網絡骨干。骨干衛星承擔對中、低軌衛星，以及特定區域內地面站視距外其他高軌衛星的測控管理，同時發揮對天基、空基和地基的通信和數據中繼功能。在天基傳輸網絡建設的初期，骨干衛星在全球通信和數據中繼方面發揮主導作用。

LEO通信衛星和臨近空間平臺，形成局域增強網絡，并通過星間鏈路與骨干衛星連接，增強對關鍵地區的通信覆蓋和信息支持。必要時，可再增加高橢圓軌道（HEO）衛星以提高對兩極區域的覆蓋。

遙感、導航等其他專業衛星系統通過星間鏈路，根據標準的系統間接口接入天基傳輸網絡。

地面骨干網絡通過信關站與天基傳輸網絡連接，形成一種天地雙骨干的架構。

2.3 需要關注的問題

在“骨干+區域增強”的雙層天基傳輸網絡架構中，需要重點考慮一些問題。

（1）大容量和多功能的骨干層

在星上載荷方面，對處于核心位置的GEO骨干衛星有大容量和多點波束的要求。結合高通量衛星（HTS）的發展，目前的重點是激光鏈路、Ka頻段相控陣和星上處理等技術[11-12]。

同時，在單顆靜止軌道大平臺上承載多種載荷有困難時，為了克服軌位限制，要發展多顆不同功能小型靜止軌道衛星共軌的技術。NASA的小型天基衛星項目（SSBS）[13]和ESA的小型靜止軌道衛星項目（SGEO）值得關注[14]。

（2）有限規模可以擴展的區域增強層

一方面，根據對關鍵區域服務的需求，以及對目標用戶分布的分析和預測，結合不同業務屬性的數據傳輸要求，合理布局星間鏈路，開展有限規模但具有擴展性的低軌衛星星座設計。

另一方面，充分利用目前微小衛星和臨近空間平臺領域快速發展所產生的技術成果，發揮其低造價、低成本、系統靈活、可重構的優勢[15]。同時增強應急發射/應急布設的能力，實現應急救援等情況下的區域內快速覆蓋增強。

（3）標準化的空中接口

具有高頻譜效率和能量利用率的標準化空中接口是實現系統可擴展性的關鍵。這主要包括兩個方面：一是保證低軌區域增強的通信衛星星座逐步擴展為全球覆蓋星座；二是為遙感、導航等其他專業衛星系統與天基傳輸網絡的互聯提供基礎。

（4）以IP為核心的網絡協議體系

天地一體化信息網絡協議體系研究一般涉及到傳輸控制協議（TCP）/IP、國際空間數據系統咨詢委員會（CCSDS）和容遲容斷網絡（DTN）三大體系。其中，CCSDS已基本停止了對空間通信協議標準（SCPS）協議體系的更新與維護，并建議采用DTN架構[16]。從目前國際上已經開展的作為互聯網節點的航天操作任務（OMNI）、航天飛機上的通信與導航演示（CANDOS）、太空互聯網路由器（IRIS）、DTN在軌試驗項目[17-20]以及ISICOM、OneWeb等系統設計所采用的協議體系來看，網絡層均基于IP。經過多年的研究，在近地空間范圍內，IP對空間系統的適用性、TCP存在的問題及其改進方案和新型空間傳輸層協議、以及IP over CCSDS等都已有大量的研究成果，就工程實踐而言TCP/IP是目前可行的方案中最為成熟的協議體系；DTN網絡以束協議（BP）為核心，通過覆蓋網絡的形式同樣可以工作在TCP/IP之上，提供容遲容斷等網絡功能。進一步，再考慮到與地面IP網絡的互聯，所以我們建議天基傳輸網絡協議體系以IP為核心構建。

（5）合理規劃星上路由以及交換功能

從具體的天基傳輸網絡結構出發才能得到優化的路由和交換體系設計。在雙層天基傳輸網絡中，首先應注重由不同業務特點所帶來的不同星上處理能力需求。例如，對于遙感業務來說，大容量遙感數據的主要需求是盡快落地，以星上交換為主，而不是頻繁星上路由和大規模星上處理，而且對數據鏈路的使用具有高度的不對稱性，因此其重點是大容量的跨波束交換技術；而對于互聯網接入業務，強調與地面IP網絡的兼容性，重點是實現星地無縫的一體化路由傳輸。因此，關鍵是兼顧不同業務需求，規劃星上載荷能力，同時利用相對簡潔的拓撲結構，降低天地一體化網絡中路由和交換問題的復雜性。

（6）高度自動化的運行管理

在整個體系中，一個需要特別關注的問題是：網絡化給天基傳輸系統運行管理模式帶來的深刻影響。目前中國多數衛星系統仍采用以單星計劃調度為主的運管模式，如何在天基組網條件下，形成高效的資源分配體系、高度自動化的任務準備，執行和評估過程，同時適應應急響應要求，是需要從體系層面重點研究的問題，并且具有迫切的現實意義。

（7）其他問題

在雙層天基傳輸網絡中，由于GEO和LEO星座在覆蓋范圍、往返時延和平臺能力方面存在的較大差異，以及由用戶分布導致的整個系統業務分布的不均衡性，所以必須設計相應的服務質量保證（QoS）體系，才能發揮系統效率，滿足端到端用戶的服務需求[21]。

另一個要關注的重點問題是：天基傳輸網絡面臨的安全挑戰。衛星通信天然的開放性決定了其更加容易受到竊聽和主動入侵。此外，衛星系統的長時延和高誤碼率還會導致安全同步機制的失效，因此需要對從鏈路和節點的主動防御到整個協議體系的安全開展系統的研究[23]。

3 綜合演示驗證平臺的構建

綜合演示驗證平臺對于天基傳輸網絡體系結構研究具有特殊的重要性。在天基傳輸網絡涉及技術范圍廣，認識存在差異的現狀下，基于真實空間設施構建綜合性技術試驗平臺，發揮實物系統等效的優勢，能夠真實地反映天基傳輸網絡特征，提高試驗驗證可信度；能夠加深不同領域研究者對系統整體的定量認識，同時對當前技術研究起到聚焦和引領作用。

數據中繼衛星系統[24]在功能、結構和服務對象上與天基傳輸網絡一致。從結構上來說，其本身就是天基傳輸骨干；從系統功能上看，數據中繼衛星系統承擔天基測控和數據傳輸任務，可在全球范圍內同時為多個高動態用戶提供百兆甚至吉比特量級的數據傳輸服務；從服務對象上看，既包括高動態、全球范圍內高速運行的中低軌航天器，又包括全球范圍內分布、運行速度較慢，但姿態和軌跡變化較頻繁的各類航空器、浮空器、遠洋船舶等。目前數據中繼衛星系統廣泛應用于載人航天、對地觀測、空間快速響應等領域。因此，可以基于數據中繼衛星系統，圍繞其業務體系，體現一體化互聯特征和體系化應用，構建天基傳輸系統綜合演示驗證平臺。

4 結束語

天基傳輸網絡體系結構是整個天地一體化信息網絡的基礎。我們針對當前緊迫需求和技術發展趨勢，對“骨干+區域增強”的雙層天基傳輸網絡架構及其相關問題進行了討論。立足于全球服務，強化需求針對性，把握空間系統現狀，在目前理論研究所積累的成果的基礎上，通過綜合演示驗證平臺聚焦和引領技術發展，可以加速天基傳輸網絡由規劃論證向工程實踐過渡，從而進一步帶動天地一體化信息網絡的發展。可以斷定：天地一體化信息網絡的構建將對中國和世界在空間技術領域的發展和應用以及科學探索產生深遠的影響。

參考文獻

[1] 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要 [EB/OL]. [2016-03-17]. http：//news.xinhuanet.com/politics/2016lh/2016-03/17/c_1118366322.htm

[2] 張乃通. 對建設我國天地一體化信息網絡的思考[J]. 中國電子科學研究院學報， 2015， 10（3）： 223-230

[3] 李德仁， 沈欣， 龔健雅， 等. 論我國空間信息網絡的構建[J]. 武漢大學學報（信息科學版）， 2015， 40（6）： 711-715

[4] 閔士權. 我國天地一體化綜合信息網絡構想[J]. 衛星應用， 2016（1）： 27-37

[5] PULLIAM J， ZAMBRE Y， KARMARKAR A， et al. TSAT Network Architecture[C] // Proceedings of the 2008 IEEE Military Communications Conference （MILCOM 2008）. USA： IEEE， 2008： 1-7. DOI： 10.1109/MILCOM.2008.4753508

[6] NASA. Space Communications and Navigation [EB/OL]. https：//www.nasa.gov/directorates/heo/scan/about/overview/index.html

[7] Space Communications and Navigation Office， NASA. Space Communications and Navigation （SCaN） Network Architecture Definition Document （ADD） Volume 1： Executive Summary Revision 2 [R]. Washington D. C： Space Communications and Navigation Office， 2011

[8] VANELI C A， CORAZZA G E， LUGLIO M， et al. The ISICOM Architecture [C] // Proceedings of the 2009 International Workshop on Satellite and Space Communications （IWSSC 2009）， USA： IEEE， 2009： 104-108. DOI： 10.1109/IWSSC.2009.5286409

[9] BLUMENTHAL S H. Medium Earth Orbit Ka Band Satellite Communications System[C] // Proceedings of the 2013 IEEE Military Communications Conference （MILCOM 2013）. USA： IEEE， 2013： 273-277. DOI： 10.1109/MILCOM.2013.54

[10] 劉悅， 廖春發. 國外新興衛星互聯網星座的發展[J]. 科技導報， 2016， 34（7）： 139-148. http：//doi.org/10.3981/j.issn.1000-7857

[11] 姜會林， 劉顯著， 胡源， 等. 天地一體化信息網絡的幾個關鍵問題思考[J]. 兵工學報， 2014， 35（增刊）： 96-100

[12] 潘成勝， 空間信息網絡的若干關鍵技術[J]. 中國計算機學會通訊， 2013， 9（4）： 46-51

[13] BHASIN K B， OLESON S R， WAMER J D， et al. Design Concepts for a Small Space-Based GEO Satellite for Missions between Low Earth and Near Earth Orbits[C]// Proceedings of the 13th International Conference on Space Operations 2014. Virginia： American Institute of Aeronautics and Astronautics. DOI： 10.2514/6.2014-1688

[14] ESA. Small Geostationary Satellite Overview [EB/OL]. https：//artes.esa.int/sgeo/overview

[15] 張敬一， 劉志佳， 寧金枝. 小衛星在空間信息網絡中的發展方向研究[J]. 衛星應用， 2015（10）： 18-22

[16] CCSDS. Space Communications Protocal Specification [EB/OL]. http：//public.ccsds.org/publications/scps.html

[17] HOGIE K， CRISCUOLO E， PARISE R. Using Standard Internet Protocols and Applications in Space [J]. Computer Networks， 2005， 47（5）： 603-650. DOI： 10.1016/j.comnet.2004.08.005

[18] DAVID I， JAMES R， KEITH H， et al. STS-107 Case Study： End-to-End IP Space Communication Architecture[C] // Proceedings of the 2003 Ground Systems Architectures Workshop （GSAW 2003）. USA： GSAW， 2003

[19] FLORIO M， HOTOP D， GROVES S， et al. Connecting the Force From Space： The IRIS Joint Capability Technology Demonstration [R/OL]. www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf？AD=ADA559469

[20] IVANCIC W， EDDY W M， STEWART D， et al. Experience with Delay-Tolerant Networking from Orbit [J]. International Journal of Satellite Communications and Networking， 2010， 28（5-6）： 335-351. DOI： 10.1109/ASMS.2008.37

[21] NISHIYAMA H， KUDOH D， KATO N， et al. Load Balancing and QoS Provisioning Based on Congestion Prediction for GEO/LEO Hybrid Satellite Networks[C] // Proceedings of the IEEE. USA： IEEE， 2011： 1998-2007. DOI： 10.1109/JPROC.2011.2157885

[22] KOTA S， MARCHESE M. Quality of Service for Satellite IP Networks： A Survey[J]. International Journal of Satellite Communications and Networking， 2003， 21（4-5）： 303-349. DOI： 10.1002/sat.765

[23] BEJARANO J M R， YUN A， LA C， et al. Security in IP Satellite Networks： COMSEC and TRANSEC Integration Aspects[C] // Proceedings of the 6th Advanced Satellite Multimedia Systems Conference and the 12th Signal Processing for Space Communications Workshop （ASMS/SPSC）. USA： IEEE， 2012： 281-288. DOI： 10.1109/ASMS-SPSC.2012.6333089

[24] 楊紅俊. 國外數據中繼衛星系統最新發展及未來趨勢[J]. 電訊技術. 2016， 56（1）： 109-116