時間敏感空間信息網絡關鍵技術研究

楊 輝，白 巍，張 杰

(北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876)

時間敏感空間信息網絡關鍵技術研究

楊 輝，白 巍，張 杰

(北京郵電大學 信息光子學與光通信國家重點實驗室，北京100876)

空間信息網絡已經成為當前航空航天領域的重要研究方向之一,隨著空間信息技術的發展和空間通信需求增強，以時間敏感型業務為代表的新業務不斷涌現。針對時間敏感業務的服務保障需求，提出了時間敏感空間信息網絡技術架構，在此架構基礎上，從業務、網絡與資源等3個層面對其關鍵技術展開分析，最后對時間敏感空間信息網絡技術進行總結與未來發展展望。

空間信息網絡；時間敏感；資源多維化；非對稱鏈路；業務驅動；時變網絡

0 引言

隨著空間信息技術的進一步發展和通信需求的不斷增強，新業務尤其是時間敏感型業務的不斷涌現，衛星通信系統作為空間信息網絡的重要組成部分，以其大容量數據傳輸及廣播特性適合多媒體業務的傳送，能夠為用戶提供寬帶接入服務。為了滿足時敏業務應用的需要，必須進一步研究有效的資源分配策略以滿足應用服務質量。相對于地面網絡來說，衛星網絡帶寬資源和計算資源極為有限，拓撲結構頻繁變化，需要更為有效的業務管理和路由維護策略以充分利用空間資源，同時滿足對各類業務的服務質量要求。

空間信息網絡的通信資源主要包括頻率資源(信道帶寬、子載波分配等)、時隙資源(業務時隙數量、保護時間長度等)、空間資源(天線極化方向、天線角度及數量等)。空間信息網絡資源管理的目標是在資源有限的前提下，兼顧公平性原則，盡可能在保障用戶最基本業務所需資源的情況下，考慮不同等級業務的服務質量需求，合理配置資源。滿足衛星通信中的服務質量關鍵技術包括物理層傳輸技術、數據鏈路層接入技術與資源管理技術、網絡層路由技術、傳輸協議及移動性管理等[1-2]。

1 時間敏感空間信息網絡的關鍵技術概述

隨著信息技術的發展，通信主體正逐步由人-人通信到人-物通信，再到物-物通信，業務對時間維度的需求正隨著通信主體的轉變而變得愈加敏感。尤其在空間信息網絡中時，由于其面向用戶與業務的特殊性，空間信息網絡中的時敏業務正日益增多，時間敏感空間信息網絡的建立顯得尤為重要，已成為空間信息網絡的重要發展方向之一。

為了實現時間敏感的空間信息網絡，從業務層面、網絡層面和資源層面3個角度對現有空間信息網絡展開探索與推動，如圖1所示。業務層面建立時敏業務模型，分析業務特性，并根據業務特性提出相應的業務保障機制，對空間信息網絡提出新的業務需求，并以此作為網絡新技術的驅動。而網絡層則在業務層的驅動下，建立高度適配的網絡控制架構，結合空間信息網絡拓撲變化等特性與時敏業務的業務需求，對時變網絡拓撲技術及該場景下路由技術展開研究，滿足業務層的需求。資源層則對多維化空間信息網絡資源進行挖掘與分析，統合一切可用網絡資源，探索上下行非對稱信道共享等資源共享技術，提高對資源的利用率，并最終將多維化、可共享化的資源通過網絡虛擬化技術映射到網絡層面，支撐網絡層面控制技術及策略，實現網絡層對資源的有效控制。

圖1 時敏空間信息網絡技術架構

2 業務層面

時敏業務是時敏空間信息網絡的主體，時敏業務的需求與特性是時敏空間信息網絡建立與發展的主要驅動力量。因此，為了實現時敏空間信息網絡，在空間信息網絡中，業務層面主要以時敏業務的需求與特性研究為主，并基于時敏業務需求設計有效的業務保障機制。

2.1 時敏業務模型

為了服務時敏業務并建立時敏空間信息網絡，首先分析時敏業務需求，并建立時敏業務模型，根據其模型設計時敏業務識別技術。現有的業務模型主要在延時需求和帶寬需求兩方面對網絡服務提出要求[3]。而時敏業務的主要需求在于其對于時間的敏感性，需要在傳輸過程中盡可能減少不必要的時間損耗，以保障信息傳輸的超低延時需求。時延的主要來源不僅是傳輸時延，也包括設備處理時延。傳輸時延由傳輸該業務的信道帶寬決定，由于時敏業務的特殊性，與其他業務相比實驗要求更為嚴格，因此，時敏業務具有最高的業務級別，在信道帶寬資源的分配上需要絕對的保障。在系統處理延時方面，也需要對計算資源進行相應的分配。

由于時敏業務通常來自于特殊用戶，如金融、軍事方面等，相對于其延時特性，業務的安全性、可靠性和生存性更為重要，尤其在可靠性、安全性和生存性較弱的空間信息網絡中，時敏業務需要對其提出更高的要求。綜上所述，時敏業務模型不僅需要滿足傳輸延時和帶寬需求，還需要對設備處理速度、計算資源進行考慮，并提供可靠性、安全性和生存性方面保障。

2.2 業務保障機制

針對時敏業務延時、帶寬和可靠性等方面的服務質量需求，需要設計有效的時敏業務保障機制。由于空間信息網絡中多種業務共享網絡資源，因此需要在業務保障機制中，對資源的分配也同樣需要相應的分配算法，同時為了滿足時敏業務的低延時需求，在設備計算資源上也同樣需要設計相應的分配算法。因此，業務保障機制還可以根據業務資源的類型分為設備內部資源調度與設備間資源調度。設備內部資源調度主要針對業務對設備的計算、存儲等資源的使用進行調度，而設備間資源調度則主要是網絡資源如頻譜路由等資源。由于時敏業務對延時要求的特殊性，它具有在空間信息網絡中所需資源最優先被滿足的權力，在設備內部調度與設備間調度中，相對于其他種類業務，時敏業務都將有最優先的資源使用權利，包括計算存儲資源和網絡資源。在時敏空間信息網絡的業務保障機制中，時敏業務將得到網絡的最優服務，而對該業務保障機制的支持，則需要網絡層面與資源層面的技術支持。

3 網絡層面

網絡層面的相關技術，將為業務層面與資源層面建立必要連接，并實現3個層面技術的控制與聯動，維持整個時敏空間信息網絡的正常運行。時敏空間信息網絡業務層面主要包括網絡控制技術、網絡拓撲技術以及路由策略的設計。

3.1 網絡控制技術

空間信息網絡主要包括地面網絡和高中低軌道衛星網絡，衛星是其網絡主體，由于衛星圍繞地球在一條橢圓的軌道上做圓周運動，除了地球同步衛星，大部分衛星相對于地面處于時刻運行的狀態，并且不同軌道上的衛星由于其軌道不同，也都處于相對運動狀態。因此，不同于一般性地面網絡，空間信息網絡具有較為突出的實時移動特性，并且衛星網絡間相對移動模型相對復雜，時變的拓撲結構是空間信息網絡的主要內容。有效的網絡控制將使網絡更加靈活、更加智能化地為時敏業務調配網絡資源，因此需要對網絡控制技術進行探索。

采用分布式的控制方式通常需要各個衛星協作完成控制，而在時變拓撲環境下，各衛星間存在著相對移動特性，衛星間通信隨時都有通信聯絡通斷的可能，衛星間彼此的相互探測需要實時更新狀態，更會大幅浪費設備的計算處理資源。而衛星間的運行相對運行位置模型又十分復雜，在現有的衛星中存在著大量早期衛星，其處理能力相對較弱，無法完成對全網拓撲的實時更新，因此一些在地面通信網絡的優秀分布式控制技術無法發揮其作用。

而集中式的網絡控制架構，采用SDN等技術[3-4]，則可以通過在集中式控制器中建立衛星運行模型，時刻確定每一顆衛星的準確位置。并且，對各個衛星的內部處理能力沒有要求，主要策略及算法等由控制器完成，最終，各個衛星只需按照控制器的要求，完成自己的基礎行為與功能，就可以實現網絡功能，服務于時敏業務。因此，集中式網絡控制架構更適合空間信息網絡，在時敏空間信息網絡中建立集中式控制架構，將使網絡控制功能更加靈活，有效調度時敏業務所需資源。圖2為時敏衛星信息網絡集中式控制架構圖，不同軌道衛星分別通過不同的衛星控制機進行集中式的控制，3個域的控制器與地面網絡總控制器連接，實現全體空間網絡的控制。由此實現了時敏空間信息網絡的集中式控制架構。

圖2 時敏空間信息網絡控制架構

3.2 時變網絡拓撲技術

在空間信息網絡中，衛星相對地面網絡具有移動特性，如圖3所示，根據網絡中節點類型，將網絡拓撲中位置不變的網絡部分稱為固定拓撲域，而衛星所在拓撲范圍由于其位置的時變性，屬于時變拓撲域，由此形成了空間信息網絡具有較突出的移動特性[5]。當圖3(a)中衛星運行至圖3(b)中所在位置時，由于地面天線與衛星位置較遠，部分無線鏈路已經斷開，而此時在終端的無限鏈路中的業務將全部被阻塞，空間信息網絡的可靠性得不到保障，而時敏業務不僅僅需要超低的延時性能保障，由于其服務用戶的特殊性，網絡可靠性顯得尤為重要。在普通網絡環境下，為了提升網絡可靠性通常采用業務備用路徑保護、業務路徑恢復等技術，但需要占用較多資源，并且增加了業務時延，不利于時敏業務的有效傳輸。

圖3 空間信息網絡拓撲時變性

由于上述原因，在時敏空間信息網絡中對可靠性的保障迫在眉睫。從空間信息網絡移動特性出發，基于集中式控制架構的時變網絡拓撲技術，將成為解決可靠性問題的可行方案之一。由于衛星運行位置模型的復雜性與衛星處理能力的不足，不可能在全部微型設備上設置衛星位置移動模型。而集中式的網絡控制架構，為衛星移動模型提供了天然的載體，網絡中的控制器具有大量的計算處理存儲資源，適用于處理衛星移動模型，通過建立所屬區域的衛星移動模型，控制器可以掌握所屬域內衛星各個時刻位置，由此建立各個時間點的時變拓撲圖，并根據時變拓撲完成網絡工作。而對鏈路通斷的準確預測也將為空間信息網絡中時敏業務的可靠性保障提供有效支撐。

3.3 業務驅動的路由策略

在時敏空間信息網絡中，通過網絡控制技術提供整體集中式控制架構，時變網絡拓撲技術提供了具有實時性的有效的拓撲信息。在上述2種技術的支持下，為了保障時敏業務的服務質量，需要進一步設計傳輸策略，其中路由策略將成為影響時敏業務服務質量的關鍵因素。

時敏業務在延時、帶寬以及可靠性等方面都提出了較為苛刻的需求，為了滿足其業務的高質量服務要求，路由策略需要從時敏業務的實際需求出發，形成時敏業務驅動的路由策略。路由策略主要被部署在控制器中，當有時敏業務需要服務時，業務請求將被發送至控制器，根據全局的拓撲情況以及資源情況為該業務分配路徑與傳輸資源。時敏業務驅動的路由策略首先需要考慮其傳輸時延，為了達到時延要求，需要選擇最短路徑，減少傳輸時間，其次需要根據其帶寬需求，結合全局網絡資源為其選擇網絡資源充足的有效路徑，最后結合時變網絡拓撲模型，保障其在傳輸期間不出現鏈路中斷情況或提前設置好備用鏈路進行快速倒換，對可靠性做出保障。由此，在網絡與資源層面技術協同下，對業務保障機制提供有效支持。

4 資源層面

在空間通信網絡中，網絡資源種類豐富，且具有多種維度，可以對網絡層面、業務層面和時敏業務的服務質量保障技術提供有效的支持，通過對資源的多維化管理、虛擬化技術以及資源共享技術的研究，將推進時敏空間信息網絡的建立。

4.1 資源多維化

空間信息網絡中的衛星節點之間，衛星與各種航天器、地面終端之間的數據通信都是通過無線鏈路實現的。空間信息網絡資源包括時、頻、空資源，呈現多維化態勢。時間敏感空間信息網絡中的資源主要指無線資源中的信道資源，其管理的目的是呼叫準入控制和波束切換管理過程中對頻率資源實時動態并按需分配，具體是由星上處理模塊中的無線資源管理器集中式管理并同意分配信道資源。對于多媒體業務需采用流量控制技術，結合衛星鏈路特點進行分組調度，滿足不同業務的QoS需求，實現對頻率資源的最優使用[6-7]。尤其是當衛星采用多波束天線時，能夠將衛星在地面的覆蓋區劃分成多個波束小區，并結合正交極化的重用原則及波束角度分離的頻率重用原則在不同的波束覆蓋范圍內重用相同的頻率，實現頻率復用，無需提高帶寬就可提高整個網絡的容量。

由于空間信息網絡中可以提供不同類型的寬帶多媒體業務，但是衛星本身的資源是有限的，而且由于衛星的運動性就要求業務傳輸在其可視時間窗口內實行。考慮到有的業務對時延較敏感，且對時間準確度有較高的要求，即用戶要求及時、準確地完成信息傳輸，因此要實現此類業務的QoS保證必須對空間信息網絡資源進行有效的調度與管理。對于時間敏感空間信息網絡資源的調度問題，需要考慮不同類型資源(時、頻和空)的共享原則及時敏業務特點建立相關的多維時變資源模型。

4.2 資源虛擬化

空間信息網絡資源的虛擬化目的是充分、靈活地利用時空頻資源，提高其利用效率。時頻資源處理主要是指從某個時間內的寬帶信號中分離出子信道，或者將多個窄帶子信道合成一個寬帶信號，而空間資源主要指的是多波束的覆蓋[8-9]。在空間信息網絡資源的虛擬化過程中，需要考慮如何根據業務的需要靈活調整子信道的時頻空尺度。時間尺度指幀長/突發長度，頻域尺度指帶寬，而空間尺度則指波束的覆蓋情況。

在空間網絡資源虛擬化過程中要充分考慮空間信息網絡,尤其是衛星網絡的組網方式。采用基于透明轉發的多星組網，即天星地網方式，可以降低衛星技術難度，充分利用地面成熟的網絡技術，但是需要全球部署信關站。而根據我國的實際情況，不具備在境外部署大型衛星接入站點的基礎與實力，因此無法采用該方式進行衛星網絡組網。近年來，隨著星上處理技術的成熟，采用基于星上處理和星間鏈路組網方式成為可能。星間資源，包括鏈路資源的虛擬化也是需要研究的一個方向，虛擬拓撲及虛擬節點的研究能夠有效屏蔽衛星網絡的拓撲動態特性[3]。

在空間信息網絡中，時間虛擬化策略[10]的基本思想[11-12]是，通過利用衛星網絡運行的周期性及可預測性，將系統運行的周期劃分為多個時間片段。通常星際鏈路連通或斷開發生在離散的時間點，而在2個相鄰的離散時間點組成的時間片內，衛星網絡的拓撲結構可以視為固定不變的。而且當這個時間片足夠小時，可以認為各鏈路的代價也是不變的。時間虛擬化策略對衛星系統周期的分割應采用不等長時間片劃分的方法來適應星間鏈路切換時間間隔非等長的特點，以避免在時間片內存在過多的星間鏈路斷開，不能很好地滿足時敏業務的傳輸需求，保證其傳輸質量。

在空間信息網絡中，對于多波束衛星通信系統而言，動態的子載波和功率資源分配方式是根據用戶的信道增益信息，自適應地為每個波束內的用戶分配資源，使得所有的信道資源可以被各個波束的用戶使用，具有較高的信道利用率。由于無線信道具有時變特性，且通信業務呈現多樣性特點，使得這種動態分配方式能更滿足突發性時敏業務的傳輸需求。在多層多波束衛星通信系統中，可以將同軌道平面的多個衛星按照一定的原則進行虛擬化，能夠進一步提高星上無線資源的利用率，且能更好地保證時敏業務的QoS。同時，由于衛星的姿態變化直接導致星載點波束天線的指向發生偏移，從而改變點波束的覆蓋區域，降低通信質量。因此在空間信息網絡衛星系統資源的虛擬化過程中，為了保證服務質量需考慮衛星姿態控制。

4.3 上下非對稱信道共享

地面終端設備通過天線將相關的上行鏈路波束發射到衛星設備，而衛星設備經過簡單處理后通過下行鏈路波束傳送到相關的地面終端。但是空間信息網絡存在上下行鏈路帶寬不對稱的特點，即衛星設備到地面終端的前向信道帶寬要遠大于地面終端到衛星設備的反向信道帶寬。上下行不對稱有可能造成反向信道帶寬較窄，增加了延時，從而使前向信道可用帶寬受到限制。

上下行非對稱信道共享技術的提出是為了有效解決信道資源在時間和空間上利用的不均衡，提高信道資源利用率。在時間敏感空間信息網絡中，在保證時敏業務對信道資源使用優先權的基礎上，允許其他類型的業務與其共享信道資源，從而使信道資源得以充分利用。同時，需要注意的是由于業務接入模式的不同，空閑的頻譜塊出現的時間、中心頻率及帶寬等都不盡相同，加上其他類型業務的需求也各不相同，因此頻譜共享需要考慮空閑頻譜塊的接入和使用規則，提高其使用效率，滿足業務的不同需求。與信道共享并存的技術是信道切換技術，當時敏業務所占用的信道質量變差，只能放棄該信道時，為了保證其服務質量，需要切換到其他空閑信道繼續傳輸。需要注意的是，在信道切換之前，需要先對其他的空閑頻譜塊進行評估，再選擇當前最優的空閑頻譜塊進行切換操作。

5 結束語

隨著空間信息網絡的飛速發展，對時敏業務的服務質量保障已成為空間信息網絡發展迫切需要解決的問題，時敏空間信息網絡的建立勢在必行。本文提出了建立時敏業務空間信息網絡的技術發展架構，從業務、網絡以及資源3個層面分析了時敏業務的系統需求，并對各層面技術的發展需求進行了總結與歸納。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.03

Research on Key Technologies of Time Sensitive Space Information Network

YANG Hui,BAI Wei,ZHANG Jie

(State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876,China)

Space information network has become one of the hot topics researched in the field of aeronautics and astronautics.With the development of space information technology and the increase of space communication requirements,new services represented by time-sensitive traffic are emerging.For service demand of the time sensitive traffic,this paper first proposes a technical architecture for time sensitive space information network.Based on this architecture,its key technologies from three aspects including service,network and resource have been analyzed.Finally,the time sensitive space information network technologies and the future development prospects are summarized.

space information network;time-sensitive;multi-dimensional resource;non-symmetric link;service driven;time-varying network

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.02

楊 輝,白 巍,張 杰.時間敏感空間信息網絡關鍵技術研究[J].無線電通信技術,2017,43(3):08-12.

[YANG Hui, BAI Wei, ZHANG Jie. Research on Key Technologies of Time Sensitive Space Information Network[J].Radio Communications Technology, 2017,43(3):08-12.]

2016-12-09

國家自然科學基金項目(61501049)

楊 輝(1987—)，男，講師，碩士生導師，工學博士，主要研究方向：空間信息網絡、光通信、光載無線網絡、軟件定義組網和網絡安全等。白 巍(1988—)，男，博士生，主要研究方向：光載無線網絡、接入網等。

TN913.6

A

1003-3114(2017)03-08-5