關于天地一體化信息網絡典型應用示范的思考

汪春霆，翟立君，李寧，盧寧寧

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關于天地一體化信息網絡典型應用示范的思考

汪春霆，翟立君，李寧，盧寧寧

（中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

天地一體化信息網絡通過多軌道衛星星座將陸基、海基、空基網絡連接起來，構成覆蓋全球的一體化通信網絡，可以為我國海洋、航空、航天、信息普惠、商用全球寬帶通信等多種應用場景提供全新的解決方案，為“一帶一路”等國家戰略實施提供通信應用及服務支撐。在充分汲取國際先進技術、產業和應用服務經驗的基礎上，通過開展典型應用示范系統的建設，可以進一步驗證天地一體化信息網絡的能力，牽引出更多應用需求和商業模式，并就未來天地一體化信息網絡典型應用系統的建設提出了一些初步的考慮和設想，為全球各類用戶提供基礎公共服務及專業服務。

天地一體化信息網絡；衛星通信；應用技術；5G；邊緣計算

1 引言

天地一體化信息網絡與地面網絡相比，具有廣域覆蓋的突出特點，對于實現海上、空中、陸地的全域通信覆蓋有明顯優勢，成為軍事信息應用、民用通信保障和商業通信應用的一個重要發展領域。為了搶占天基信息網絡這一戰略制高點，我國即將啟動天地一體化信息網絡重大工程的建設工作，擬在2030年前后建成覆蓋全球的天地一體化信息網絡，為陸、海、空、天各類用戶提供多樣化的網絡與信息應用服務。

當前，國際上衛星通信產業呈現平穩增長態勢。根據2017年美國衛星產業協會（SIA）公布的第20版衛星產業狀況年度報告[1]，2016年全球衛星產業規模為2 605億美元，其中與應用緊密相關的大眾消費類衛星通信服務規模為1 077億美元，較2015年增長5.1%。除去廣播業務，衛星固定和移動通信服務規模約為210億美元。美國依然保持著明顯優勢，在衛星服務業中收入占比約為40%。從傳輸能力上看，目前國際上典型的海事衛星5代GEO衛星在L頻段可提供單用戶512 kbit/s的傳輸能力，在Ka頻段則可高達50 Mbit/s。采用低軌星座的銥星NEXT系統，L頻段可達1.5 Mbit/s，Ka頻段可達30 Mbit/s。從用戶使用成本上看，歐洲運營商SES目前提供含3 GB流量Broadband S包月套餐，月資費僅10.95歐元，與目前4G資費相當。從傳輸技術上看，主要面向固定業務DVB-S2X標準[2]進一步提升了帶寬利用率，并為未來高頻段移動應用提供了甚低信噪比（VLSNR）模式。在衛星移動通信領域，歐洲太空局（European Space Agency，ESA）的“通信系統預先研究計劃ARTES”發布了《新興5G衛星通信商業技術白皮書》，關注5G環境下的星地融合問題[3]。

就國內市場來看，智研咨詢公司出具的《衛星通信行業市場運營態勢及發展前景預測報告》[4]顯示，2015年我國衛星通信市場規模約為715.9億元，同比2014年的584.8億元增長了22.42%，其速度遠高于國際市場。從傳輸能力上看，目前我國S頻段的天通一號衛星可提供384 kbit/s的移動通信能力，采用3GPP-R6框架。Ka頻段中星16衛星的寬帶接入能力可達20 Mbit/s以上。

天地一體化信息網絡應用系統，在充分汲取國際先進技術、產業和應用服務經驗的基礎上，通過與用戶單位的緊密合作，在設計時充分了解各方需求，通過開展典型應用的示范，迭代推進網絡的建設及應用。

2 天地一體化信息網絡應用系統總體架構

2.1 應用系統組成

天地一體化信息網絡應用示范采用分散建設與統籌規劃相結合原則，對應用系統的共性關鍵技術、標準規范、接口、共用網絡基礎設施、通用終端、芯片等內容進行統一規劃、統一設計。具體應用系統建設將分階段、分步驟開展，第一階段結合試驗系統建設完成典型應用示范，第二階段天地一體化網絡同步完善服務能力，到2030年實現應用推廣。

圖1給出了天地一體化信息網絡應用系統組成架構，主要包括共性關鍵技術，標準和規范，通用終端、模塊、芯片和軟件中間件，典型應用示范。其中，典型應用示范又擬在戰略安全防護通信、全球移動寬帶服務、戰場聯合信息支援、防災減災信息服務、反恐維穩信息支持、航空管理信息服務、海洋管理信息服務、信息普惠共享服務、天基設施中繼這10個領域開展。天地一體化信息網絡中作為網絡基礎設施的部分主要包括天基骨干網、天基接入網和地基節點網，其中，地基節點網又包括信關站、運維管理節點和信息處理服務節點。

應用系統的用戶借助手持、載體等多種類型終端，利用L頻段、Ka或者激光空中接口接入網絡。數據在低軌道接入網星座或者骨干網星座中路由轉發，于地基節點網中的信關站落地，然后再經過邊界網關進入用戶的業務子網內。對于每個典型示范應用，其網絡側網元主要由邊界網關、應用專業運維、應用服務組成。典型示范應用的專業運維節點和地基節點網的運維管理節點交互，進行用戶管理、業務管理、費用結算，并可根據應用需求從該接口上申請調配資源。地基節點網的信息服務節點為典型示范提供計算能力支持，典型示范的應用服務可利用其提供的云計算、云存儲、大數據分析等功能。

圖1 天地一體化信息網絡應用系統組成架構

2.2 共性關鍵技術

（1）與5G融合的空中接口傳輸技術

5G在規劃之初就考慮把衛星網絡納入整個框架，但目前3GPP、IMT-2020等組織工作尚未有實質進展。天地一體化信息網絡為了實現星地融合，簡化終端和芯片成本，降低網絡切換時上下文的開銷，并便于星地頻譜的部署和干擾協調，首先擬解決空中接口的融合設計問題。

作為5G標志性技術的大規模MIMO[5,6]在衛星通信應用中面臨困難。在單星條件下，天線陣元幾何間距有限、收發信號相關性強，MIMO很難獲得增益[7]。在多星協作條件下，其精確時頻同步網絡又很難搭建。非正交多址技術（NOMA）[8]對天基開展物聯網應用以及提升系統頻譜利用率具有很強的吸引力。目前NOMA主要包括功率域[9]以及碼域的SCMA[10]、MUSA[11]兩類方案，且趨向融合。在天地一體化信息網絡中，功率域方案不易實施，如采用GEO衛星，小區（波束）邊緣和波束中心的終端與衛星（基站）距離相差不大，信號功率差別也不大。對于低軌道衛星，存在小傾角、終端傳輸距離、功率水平具有一定差異的情況。但考慮到多星同時覆蓋時，提供小傾角鏈路的衛星往往是剛進入或者即將離開服務區的，也不宜使用這個衛星節點開展接入。碼域方案由于星上處理能力有限，需要進一步降低復雜度。對于新型的波形，由于R15階段仍然主要考慮OFDM，衛星通信場景中解決峰均比問題仍然是關鍵[12]，由于覆蓋區遠大于地面網絡，循環前綴、上行隨機接入物理信道（RARCH）導頻也需要特殊設計[13]。編碼方案則可考慮與地面采用類似的Polar碼與LDPC碼組合。

（2）“大時延帶寬積”條件下的端到端傳輸控制和擁塞管理技術

天地一體化網絡具有顯著的“大時延帶寬積”特性，它所提供的對空間用戶的微波或激光中繼，用戶速率可達2.5 Gbit/s甚至更高。其次，除卻衛星通信本身就具有大時延的特征之外，星座路由時延隨著“跳數”增大不斷增加，來自不同區域的業務在落地時的時延上將具有顯著的差異。最后，星上用于排隊緩沖的存儲器相對地面是非常有限的，使每個節點面對突發、擁塞時存在更大的分組丟失風險。由于部分涉及安全的應用數據必須從國內上空衛星落地，使這我國上空節點的鏈路負載將明顯高于平均水平，擁塞可能性進一步加大。

當前主流的端到端傳輸控制協議（transmission control protocol，TCP）并不能很好地適應上述“大時延帶寬積”的場景。采用AIMD（additive increase multiplication decrease）模型的TCP Reno、TCP New Reno[14]等算法“慢啟動”中線性的窗口調整，使其達到網絡吞吐量則需要很長時間。當網絡出現擁塞時，AIMD算法窗口下降太快又使其面臨下一個漫長的線性恢復過程。采用MIMD（multiplicative increase multiplicative decrease）的HSTCP，雖然能夠部分解決大帶寬條件下的窗口快速調整問題，但在RTT不同時具有嚴重的不公平性問題[15]。在天地一體化網絡中的星座中，跳數更多業務的RTT和分組丟失概率都較大，這導致其具有較低的性能。嚴重的服務不均衡和用戶體驗的下降，迫使人們在端到端擁塞控制和節點分組丟失機制上設計差異化的策略。目前有一些基于反饋算法，如XCP[16]，通過數據分組中某些標識來計算和反饋傳輸質量信息，但這帶來了較大的開銷。現有的研究表明，“大時延帶寬積”條件下，任何主動隊列管理機制都難以控制隊列長度的一、二階矩，而且隨著時延或者帶寬上升變得更為嚴重[17]，這又進一步加劇了終端TCP窗口的抖動。因此，如何解決這種環境下端到端的傳輸控制仍然是一個重要問題。

（3）邊緣計算技術

當前世界，數據生產速度是非常迅速的，視頻監控、物聯網數采集、科學研究很容易在幾天到幾周內產生TB量級的數據[17]。目前規劃的天地一體化信息網絡的帶寬資源相較于應用來說仍然是有限的，如果大量的數據都經過網絡回送給后方服務器，其帶寬開銷、時延和費用都是難以接受的。這一困難在地面網絡中也是存在的，只是在衛星網絡中這一矛盾則更為突出。

目前，隨著智能設備的快速發展，用戶正從以數據消費者為主的單一角色過渡到兼顧數據生產者的雙重角色。隨著萬物互聯的推進，在網絡邊緣產生數據、處理數據這一趨勢將更為明顯。根據思科的預測，到2018年，全球物聯網產生的數據將有45%在網絡邊緣存儲、處理和分析[18]。業界因此提出了“霧計算”概念[19]，命名源自“霧是更貼近地面的云”。它是一種新的云計算服務模式，又稱邊緣計算[20]。數據首先通過身邊的“霧節點”進行計算、抽象、存儲和壓縮，從而減小了向云內傳輸以及組織云內節點計算帶來的開銷，同時也減輕了云端處理用戶數據帶來的安全問題。這一模型對于衛星應用具有強大的吸引力，無論是對于降低未來網絡的專業運營公司提供云計算增值服務成本，還是降低用戶自主在該網絡上部署應用的運營成本。目前，“霧計算”還需要突破的關鍵技術包括面向多種異構邊緣節點復雜環境的應用可編程性、命名規則、數據抽象、服務管理、數據隱私保護以及相關科學理論[21]。

3 典型應用示范

3.1 全球移動寬帶應用

全球移動寬帶典型應用示范系統側重于通過建設統一的運營支撐平臺，開通業務國家和區域布設線上、線下營業廳，在全球范圍內為大眾消費類用戶提供基礎電信業務以及政企類服務。對于涉及秘密或者高安全要求的數據，可借助空間網絡直達國內落地。該網絡中政企業務常用IP VPN服務架構如圖2所示，主要基于IPSec VPN技術。

3.2 航空管理信息服務

航空典型應用示范系統擬針對大型民用運輸類飛機（如C919、ARJ21）和通用航空特種飛機開展。大型民用運輸類需求包括：駕駛艙高安全級別語音及數據通信服務；北斗衛星/GPS的星基增強定位服務；廣播式自動監視ADS-B；飛機健康管理服務；客艙高速寬帶上網，如空中Wi-Fi。通用航空的需求主要包括：特種任務寬帶通信服務，如航拍紅外/可見光圖像回傳；通航語音及數據通信服務。圖3給出了基于低軌道衛星Ka頻段開展的航空管理信息服務，主要提供Internet訪問、空管系統和飛機健康管理以及航空公司提供的App增值服務。

圖2 政企業務常用IP VPN服務架構

圖3 基于低軌道衛星Ka頻段開展的航空管理信息服務

3.3 海洋管理信息服務

海洋管理典型應用示范系統提供的應用服務包括：海上觀監測數據回傳服務，對海洋生物資源、大氣質量、海洋水資源、污染物排放范圍等進行實時監測浮標產生的監測數據回傳及浮標定位；極地大洋高速數據通信：針對南北極科考站、大洋上科考船的雙向高速數據通信；海上日常數據通信服務：漁船漁情預報、維權執法指揮通信服務。圖4(a)給出了海洋管理信息服務示意，低軌衛星提供L和Ka兩個頻段分別用于中低速和高速通信。

3.4 天基信息中繼應用服務

由于歷史和政治的原因，我國在全球布站困難較大，陸地測控站和海上遠望測量船一直支撐著我國的航天測控任務，其通信覆蓋相對較低。隨著天鏈中繼衛星的應用，這個情況得到了一定改善。以天舟1號發射為例，測控通信的覆蓋率由原來地基為主的20%提高到目前的80%[22]，這充分體現了天基測控對于我國航天事業的重要意義。在現有中繼星基礎上，天地一體化信息網絡通過構建覆蓋全球的天基骨干網，可進一步提升我國通信測控服務覆蓋率指標，支撐我國航天應用的開展，如圖4(b)所示。

圖4 服務示意

4 結束語

天地一體化信息網絡是我國未來重要公共信息基礎設施，其著力解決我國政治經濟發展過程中迫切的戰略性、公益性和商業性需求，為全球各類用戶提供基礎公共服務及專業服務。通過開展典型應用示范系統的建設，可以進一步驗證天地一體化信息網絡的能力，并牽引出更多應用需求和商業模式，本文就未來天地一體化信息網絡典型應用系統的建設提出了一些初步的考慮和設想，希望能拋磚引玉，進一步完善應用系統的建設方案，更好地發揮系統效能。

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General idea of application system for space-ground integrated information network

WANG Chunting, ZHAI Lijun, LI Ning, LU Ningning

The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China

The space-ground integrated information network can offer global coverage by connected air, ocean and land networks with hybrid orbit satellite constellation. This infrastructure can provide a new solution for applications of marine, aviation, aerospace, inclusive information system and global commercial broadband communication. It can also support the implementation of national strategies such as B&R with communication applications. On the basis of fully drawing on international advanced technology, industry and application service experience, through the development of a typical application demonstration system, the capability of the world-wide integrated information network was verified and more application requirements and business models were drawn. And some preliminary considerations and ideas were put forward for the construction of a typical application system of the space-ground integrated information network in the future, providing basic public services and professional services to all kinds of users worldwide.

space-ground integrated information network, satellite communication, application technology, 5G, edge computing

TP393

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017322

2017?11?10；

2017?12?07

汪春霆（1965?），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所副總工程師、研究員級高級工程師、博士生導師，主要研究方向為衛星通信。

翟立君（1981?），男，博士，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為衛星移動通信、地面移動通信等。

李寧（1982?），女，博士，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為自組織網絡、衛星通信等。

盧寧寧（1982?），男，博士，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為通信與信息系統等。