全維可定義的天地協同組網架構與切片技術研究

李丹，朱棣，申涓

（戰略支援部隊信息工程大學，鄭州 450002）

一、前言

近年來，傳統的地面無線通信在用戶數量、業務需求方面都呈現爆發增長的態勢[1]，出現了以第五代移動通信（5G）、物聯網等為代表的新型網絡技術。受限于網絡容量和覆蓋范圍，這些地基網絡技術難以滿足陸地偏遠地區、海洋、航空甚至深空等泛在網絡空間的潛在通信服務需求，必須利用新型網絡體系結構來適配各種情況下具有不同服務質量（QoS）要求的多維綜合信息服務和應用需求[2]。

衛星互聯網對天基、地基、空基、海基網絡進行復合利用，為全球范圍內的廣域空間信息服務需求和應用提供高效協同的通信網絡基礎設施。目前，美國的太空探索技術公司（SpaceX）、亞馬遜公司等在該領域一枝獨秀，已經進入實質性的系統建設階段。鑒于未來超大容量廣域通信網絡的應用需求極為迫切，我國也開始加強衛星通信技術的發展，在中央和地方政府層面都制定了促進衛星通信產業發展的政策。

本文針對全維可定義的天地協同組網架構與切片技術進行研究，分析研判我國衛星互聯網技術發展需求，討論全球衛星互聯網技術的發展現狀和趨勢；描述典型天地協同廣域通信網絡組網架構和全維可定義的網絡節點，從天地協同網絡智能切片、全維可定義的數據解析與轉發、資源全局協調控制機制等方面，提出天地協同網絡中面向業務特性的智能切片關鍵技術，給出我國天地協同網絡智能切片技術的發展建議。

二、我國衛星互聯網技術發展需求分析

（一）廣域網絡空間帶來的泛在通信需求

近年來，地基網絡尤其是無線通信需求快速增長，人類生產生活的范圍隨著科學技術的進步在不斷擴大。傳統地基網絡容量有限，以5G、物聯網等為代表的新型無線網絡技術，雖然為解決萬物互聯的需求提供了可行解決方案，但由于通信頻率不斷向太赫茲級靠近、基站信號覆蓋范圍不斷縮小，相應基礎設施建設需要的數量和成本也在指數級的增長，且難以完整覆蓋海洋、深空、極偏遠地表等地理空間。因此，單一的地基網絡已經難以滿足廣域網絡需求空間帶來的泛在通信需求，迫切需要即時、節約、高效的一體化立體網絡，滿足社會生產和居民生活對廣覆蓋、強可靠、高速率的網絡需求[3]。

（二）經濟社會發展帶來的多維綜合信息服務需求

信息服務對多維綜合信息資源的需求逐步提升，國家戰略安全、防災減災、航空、航天、航海、教育醫療、環境監測、交通管理等領域服務的高效運行都依賴于空、天、地等多維信息的綜合應用 [4]。

天地協同的廣域通信網絡是面向未來的新型網絡架構，聚焦基于傳統地面蜂窩網絡實現移動通信網絡廣域覆蓋存在的投入巨大、難以為繼的矛盾問題，以衛星廣度覆蓋和地面強度覆蓋優勢互補，擺脫各自獨立發展的局限性，以形成“隨遇接入、按需服務、安全可信”的天地協同網絡體系[5]。該體系將“結構可定義”貫穿網絡的各個層面，采用軟硬件協同處理、資源動態組合等手段，建立從底層到上層全維度、可定義的靈活網絡架構，保障網絡結構在功能、性能、效能、安全等方面的按需定義，實現基于業務動態聚焦服務的新體制。

從社會、經濟、生態視角來看，天地協同網絡研究有利于快速形成社會效益及裝備優勢，發展相關理論與技術以實現重大領域的國際領先地位。該網絡面向海洋、航空等廣域移動通信場景，支持天地連續協同覆蓋和基礎設施機動部署，促進信息服務能力按需提供，對推動國家信息化建設、“一帶一路”建設具有重要意義；有助于推動我國超五代移動通信（B5G）、第六代移動通信（6G）等技術和標準的發展，打造完善的技術協同創新體系，為網絡強國、“互聯網+”國家戰略的實施提供關鍵支持。

（三）天地協同網絡靈活組網的發展需求

天地協同網絡與傳統的地面網絡、衛星網絡相比，具有網絡資源隨時間和空間不斷變化、業務覆蓋范圍廣、業務種類復雜不確定、網絡設備多元異構等特點，無法直接應用互聯網的成熟網絡資源協調和控制技術，難以為業務提供可定制的個性化資源。

天地協同網絡中資源與業務負載的供需矛盾，主要體現在兩個方面。一是天基節點與地面節點發展不均衡，難以進行統一管理。天地協同網絡中包括大量天基、空中、海洋節點，這些節點由于特殊的地理位置，難以對節點基礎設施進行頻繁的更新換代（而地面節點則能夠支持設備功能的快速更新），迫切需要針對傳統的天地網絡設備與傳輸協議、匹配規則和處理邏輯緊耦合的情況，統籌協調天地節點，實現設備功能的靈活擴展。二是天地協同網絡業務多樣但資源受限，難以實現網絡架構隨需更新。傳統的衛星網絡主要承擔信息傳輸過程的中繼任務，而天地協同網絡中業務需求種類多，覆蓋范圍廣，業務的時延、帶寬、安全需求均實時變化，迫切需要針對網絡資源存在的隨需接入、忙閑不均、管理困難等情況，動態劃分業務子網，實現精細化的業務響應。

切片技術依托網絡虛擬化技術，針對差異化的網絡業務需求，在一張網絡內抽象出多個端到端、互相隔離的虛擬網絡，在獨立運維的前提下提供不同的功能、性能特性，為不同用戶提供定制化的網絡服務。這為天地協同網絡中資源與業務負載的供需矛盾提供了良好的解決思路：在整個天地協同物理網絡內虛擬出多個網絡切片，區分業務類型對天地協同網絡的不同需求，靈活組織各種網絡能力；既滿足不同業務的性能需求，也實現網絡資源利用的最大化，達到網絡與業務的高度適配。

三、全球衛星互聯網技術的發展情況

（一）現有的衛星互聯網系統

在過去的數十年中，通信網絡領域提出了多種空地集成系統并應用于無線通信。例如，GIG是代表性的空間-天空-地面綜合網絡；而空間-地面綜合網絡主要有兩種網絡架構，一是對地靜止軌道衛星（GEO）系統，如轉換衛星（TSAT）系統，二是非對地靜止軌道（NGEO）系統，如O3b、星鏈（Starlink）等。

1. GIG

GIG是美國國防部發展的集通信網絡、傳感器網絡、運營網絡于一體的全維度通信項目。GIG分為地面層、航空層、臨近空間層、衛星層，包含支持無縫覆蓋全球通信所需的通信設備和節點[6]。

2. TSAT

TSAT系統是具有軍事用途的GEO衛星系統，由美國國家航空航天局（NASA）、美國國防部和情報部門聯合建設[7]；由5顆GEO衛星組成，通過激光鏈路相互通信，形成帶寬為10 Gbps的骨干網，與地面網絡配合，支持地面終端實時訪問無人機和衛星的光學、雷達圖像。

3. O3b

O3b衛星系統是由O3b Networks開發并部署的中軌（MEO）星座[8]。O3b表示“另外30億”，旨在支持非洲、亞洲、南美洲的30億居民通過衛星網絡訪問互聯網。O3b網絡計劃由軌道高度約為8000 km、12～20顆MEO衛星組成星座。

4. Starlink

Stralink是美國SpaceX 公司正在發展的超低軌星座項目，目前已成功發射入軌約420顆衛星，標志著低成本、高性能的衛星互聯網通信系統已進入實質性建設階段。由于全球地基網絡技術發展較為成熟、改造部署相對容易，當前衛星互聯網系統之間的差異主要在于天基網絡中星座類型、衛星工作頻段。表1簡要對比了代表性衛星互聯網系統的差異，隨著技術的成熟、應用需求的發展，衛星互聯網從軍用為主逐漸過渡到民用、商用階段。為適應低成本、大規模的部署需求，主要使用MEO、低軌（LEO）星座模式，衛星工作頻段也趨同。Stralink是目前技術最為先進和成熟的項目，基于業務均勻分布的前提發展全球均勻的覆蓋范圍，忽略了全球通信業務分布不均這一現狀，導致星座規模巨大、效費比可能不高。

（二）衛星互聯網的一般組網架構

衛星互聯網主要包括三部分：天基網絡、地基網絡、移動網絡。由于地基網絡、移動網絡之間的距離相比天基網絡幾乎可以忽略，也可將移動網絡并入地基網絡范疇，即衛星互聯網成為包括天基網絡、地基網絡兩個維度在內的廣域網絡。

表1 現有的代表性衛星互聯網系統對比

1. 天基網絡

天基網絡由衛星、星座及其相應的地面基礎設施（如地面站、網絡運營控制中心）組成。這些衛星和星座處于不同的軌道，具有不同的特性。根據軌道高度不同，衛星可分為GEO、MEO、LEO三類；還可根據衛星網絡的信道帶寬分為窄帶衛星網絡、寬帶衛星網絡兩類。

窄帶衛星網絡指MEO / LEO衛星系統，如Iridium、Globalstar，主要為全球用戶提供語音和低速率數據服務。寬帶衛星網絡可以使用很寬的頻帶帶傳輸大量數據，高速數據傳輸速率達10 Gbps。

作為下一代衛星網絡的實用架構，多層衛星網絡（MLSN）集成多個衛星網絡，具有分層結構[9]。MLSN由數種類型的鏈路構成，如衛星間鏈路、層間鏈路（ILL）。

2. 地基網絡

地基網絡主要由地面通信系統組成，如蜂窩網絡、移動自組織網絡（MANET）[10]、全球微波接入互通性（WiMAX）[11]、無線局域網（WLAN）等。蜂窩網絡已經演進到了第四代（4G）或高級長期演進（LTE-A），正在向5G無線網絡演進，以更廣泛地支持各種服務類型。地基網絡可為用戶提供較高的數據速率，但在農村和偏遠地區的網絡覆蓋范圍有限。

3. 廣域移動網絡

廣域移動網絡有別于5G等地面移動通信網絡，而是一種空中或水面移動系統；使用飛機、艦船作為載體進行信息獲取、傳輸和處理。無人機、飛艇、氣球是構成高空平臺（HAP）、低空平臺（LAP）的主要基礎設施[12]，遠洋海船、軍用艦艇則是構成海基平臺（SSP）的主要基礎設施，提供移動寬帶無線通信以補充地基網絡服務能力[13]。與地基網絡中的基站（BS）相比，移動網絡具有成本低、易于部署、覆蓋范圍大等特點，可在區域范圍內提供無線接入服務。

衛星網絡可以為地球提供全球覆蓋范圍，但傳播延遲長。地基網絡具有最低的傳輸延遲，但相關基礎設施容易遭受自然災害或人為破壞。廣域移動網絡在延遲、覆蓋范圍方面具有優勢，但在部署時須充分考慮容量限度、鏈路穩定性 [14]。

（三）衛星互聯網的關鍵性能要求

與傳統的地面通信相比，衛星互聯網受星上資源限制的影響很大，存在頻譜受限、帶寬受限、無線鏈路不可靠等問題。為了提供良好的網絡性能，網絡運營商必須建立具有高帶寬、高可靠性、高吞吐量的廣域通信網絡。

1. 帶寬分配

為了獲得特定的網絡性能，如一定的丟包率、時延、能耗，需要對目標網絡進行合理的帶寬分配。在衛星互聯網中，帶寬是具有多種用途的稀缺資源，增加帶寬會消耗更多的功率；在執行帶寬分配策略時，應該在功率、信息傳輸性能之間進行權衡。高頻重用的多波束衛星系統不僅受到聚集干擾的限制，而且由于用戶分布不均、內容要求不同，導致固定帶寬分配效率低下，難以滿足海量用戶的差異化使用需求。

2. 可靠性

衛星互聯網中的衛星、飛機、航船等節點一直在移動，網絡拓撲也在動態變化[15]，導致源與目的地之間很少或根本不存在完整的端到端路徑，且端到端傳輸延遲遠大于地面網絡；當要求網絡可靠性最大化時，不能同時優化所有網絡性能指標，必須犧牲等待時間或數據速率。因此，成功設置端到端的傳輸路徑并確保可靠的消息傳遞是極大的技術挑戰。

3. 吞吐量

衛星互聯網中存在非常多的無線通信場景，具有嚴格的延遲約束、高數據吞吐量內容交付的需求，分析和改善信息傳輸速率、節省帶寬以提高網絡吞吐量是突出的挑戰。

（四）我國衛星互聯網技術研究進展

衛星互聯網建設對我國高質量發展具有重大意義。除了我國的國際戰略、民生戰略對全球范圍覆蓋的信息服務提出需求之外，當前衛星數量快速增加，造成軌位擁擠、空間通信頻譜極度稀缺，我國亟需快速發展衛星互聯網體系，在激烈的空間資源爭奪過程中保持應有地位。

2019年9月，我國5G網絡率先進入全面商用階段，標志著我國地基通信網絡，特別是無線通信網絡研究與應用走在了國際前列。在天基網絡建設方面，我國2016年成功發射了“天通一號”衛星移動通信系統01星，部署在GED軌道，可同時為個人、車輛、航空器、海船等百萬量級移動用戶提供數據、語音、短消息等服務；2018年成功將“鴻雁”全球衛星星座通信系統的首顆試驗星送入預定的非靜止軌道，預計2025年系統全面部署300 余顆衛星，可為用戶提供全時全域的雙向數據通信業務和綜合信息服務。

隨著天基、地基網絡技術研究的日益成熟，我國在“十三五”規劃中將“天地一體化信息網絡”納入科技創新— 2030 重大項目。天地一體化信息網絡以天基網為骨干，以地面互聯網為基礎，融合全球范圍的信息網絡，實現萬物互聯互通。2020年我國在“新基建”中明確將低軌衛星互聯網納入實施規劃，將構建提供全球無縫覆蓋、高度安全可信、高機動隨遇接入、區域大容量傳輸等服務的能力 [4]。

四、天地協同廣域通信網絡總體架構

隨著“一帶一路”倡議等國家規劃的實施，我國對外開放程度越來越高，未來對超大容量廣域通信網絡的應用需求極為迫切。現有地面蜂窩架構以規模換能力，投入巨大且難以為繼，亟需從體系設計的全局出發，尋找未來天地協同網絡發展的切入點。對于廣域通信網絡中的陸地業務，全球90%的人口集中于10%的陸地，業務分布具有均勻性、集中性；對于海域業務，海洋面積占地球地表面積約為71%，地理范圍廣大而業務分布極其稀疏。可以認為，對于地面業務的高密度區域，均勻覆蓋可實現較高效率；對于衛星廣域服務范圍，非均勻覆蓋的效率更高。

（一）全維可定義的天地協同組網架構

典型的天地協同組網架構如圖1所示，以MEO衛星作為網絡的中心節點，構建廣域信息主干網；地面通信基站面向各種地面終端用戶接入需求，提供全球地面接入能力，通過網絡衛星的接入能力與天基核心骨干網的交換路由能力，實現地面用戶與全球任何其他地點的信息傳輸與交互；進一步借助MEO星座的天基互聯能力，將多種LEO星座應用系統在空間實現互聯，實現天基應用的系統協同、按需組網、按需覆蓋，最終完成全球信息高速傳輸與交互。該架構支持我國未來通信網絡架構的創新突破，牽引5G演進路徑、6G基礎網絡規劃，革命性提升網絡服務的能力與效率[16]。

天地協同網絡以結構決定功能、結構決定性能、結構決定效能、結構決定安全為理論依據，打破傳統網絡剛性架構（見圖2）；將“結構可定義”貫穿網絡的各個層面，采用軟硬件協同處理、資源動態組合等方式，實現從底層到上層的全維度靈活可定義，支持網絡結構功能、性能、效能、安全等需求定義。

全維可定義天地協同網絡體系架構具有開放可擴展、可增量部署、異構融合等能力，支持網絡按需重構以及新業務的快速響應。其中的網絡層通過按需切片方式實現多樣化業務的融合承載，有效解決天基/地基節點統一管理、節點資源受限等問題，驅動資源與業務精確適配等核心機制的建立。

（二）天地協同網絡智能切片應用場景

在天地協同網絡智能切片的應用場景中（見圖 3），以移動接入端、衛星通信基站、衛星、網關等節點組成的天地協同網絡為網絡拓撲，由運控中心對網絡進行全局管理和調度。當用戶發出數據傳輸、遠程控制等服務請求時，運控中心根據業務類型分別生成時延敏感業務切片、帶寬敏感業務切片，結合典型的天地協同組網架構對網絡資源進行多域控制，為各類業務分配所需資源；在每個節點上部署可編程轉發平臺，對其按需定義轉發規則，完成針對不同業務的服務請求響應。

五、面向業務特性的天地協同網絡智能切片技術

針對天地協同網絡的資源強變時空尺度特性、多樣化業務的復雜不確定特性，天地協同網絡智能切片技術旨在克服天基與地面網絡硬件設施的差異化轉發平面帶來的一體化切片管理困難，滿足多樣化的時變網絡業務與天基節點受限的網絡資源配置需求，針對業務切片的隨需更新提出更高要求，為超大容量廣域覆蓋網絡應用提供高可靠、高質量服務。

（一）業務隨需的天地協同網絡資源智能切片技術

針對差異化的廣域信息網絡應用需求，動態構建計及不同業務特征的差異化網絡切片，精確匹配不同業務數據的資源需求，實現多業務融合應用。該技術的實現可分為以下兩個關鍵方面。

圖 1 天地協同移動通信體系架構

圖2 全維可定義的網絡節點

圖3 天地協同網絡智能切片應用場景

基于虛擬網絡映射的網絡資源切片生成技術，通過虛擬網絡和物理網絡的加權匹配，進行網絡資源切片的快速生成。首先基于鄰接矩陣特征向量分解原理，進行網絡加權圖的快速匹配，降低網絡資源切片的計算復雜度；隨后通過鄰接矩陣元素替換機制，降低網絡資源切片的最小帶寬需求；最后通過基于爬山算法的虛擬網絡映射優化方法，進一步優化負載和帶寬的均衡度。

基于彈性功能編排的網絡資源切片調度機制，通過基于流量演化感知的網絡功能在線彈性編排策略，實現網絡資源切片隨業務需求的自適應調整：一是借助在線學習算法感知網絡流量變化，分析業務需求的時變規律，以支持網絡資源切片需求的實時更新；二是通過在線彈性編排算法，實現網絡功能遷移與流量路徑調整，以支持虛擬資源與業務負載精確匹配，降低網絡資源切片的調度開銷。

（二）基于全維可定義的報文靈活解析與轉發技術

針對典型的天地協同組網架構的廣域靈活性、區域全覆蓋特性，構建大規模網絡資源與動態業務需求之間的全維感知、自主決策、實時適配機制，對網絡中流量業務實施快速感知和遷移調度。該技術的實現可分為以下兩個關鍵方面。

全維可定義的報文解析器，用于根據用戶的配置來識別數據包的類型域，同時按照類型域提取相應匹配域。具體而言，使用可配置的包頭解析器、細粒度可組合的元處理單元，實現全可編程的數據包處理流水線硬件設計及優化機制，有效提升數據包處理速率，支持底層硬件更新升級，大幅提高轉發平面靈活性和自適應性。

靈活可編程的數據包處理方法，通過軟硬件結合處理協議無關數據包，靈活支持標準協議、私有協議、自定義協議，支持用戶直接描述網絡協議和數據包處理等行為；無需關心底層硬件的細節就可以完成對數據包處理方式的編程描述，實現對轉發平面可編程元件的實時配置，依據網絡運行態勢的自動感知實現網絡功能的動態加載。

（三）天地協同網絡資源全局協調控制技術

針對天地協同網絡在網絡控制層面體現出的可定義轉發需求，打破網絡設備對業務和功能部署的限制，實現對數據報文解析-匹配-執行處理流程的全維度定義，增強網絡資源對業務的適應性和擴展性。該技術的實現可分為以下兩個關鍵方面。

面向智能分域管理的網絡多域自適應規劃算法，作為改進的無監督近鄰聚類算法，用于網絡控制能力和網絡規模的自適應擬合；設計思路是依據吸引度和歸屬度對網絡節點進行聚類操作，以網絡QoS保障和可靠運行為目標，輸出相應的多域規劃方案，實現網絡分域和網絡控制能力的智能適配。

面向天地協同的多域網絡資源匹配機制，依據流量智能調度和資源彈性控制，對有限的控制資源進行整合重組，有利于建立標識空間匹配映射和統一管理機制；基于用戶和服務需求，智能選擇并協同調度空間網絡資源，通過控制功能的協同匹配對網絡流量業務進行快速感知和遷移調度，實現具有細粒度感知資源動態變化的多域網絡協同管理和控制。

六、對策建議

（一）構建全維可定義的天地協同網絡總體架構

建議在推動衛星互聯網增量式部署、演進式發展的基礎上，對衛星互聯網架構和技術體系進行基礎性變革，促進技術研發由外掛式向內生性轉變，構建全維可定義的天地協同網絡。

構建天地協同網絡的總體架構，關鍵在于建立全維可定義的網絡核心運行邏輯：以結構決定功能、結構決定性能、結構決定效能、結構決定安全為理論依據，通過軟硬件協同處理、資源動態組合等方式，根據業務需求對天地協同網絡中的網絡覆蓋、服務和異構資源進行統一管理和靈活調度；將“結構可定義”貫穿網絡的物理層、鏈路層、網絡層、應用層，實現網絡結構在功能、性能、效能、安全等方面的按需定義，使天地協同網絡體系架構具備開放可擴展、可增量部署、異構融合等能力，支持網絡按需重構并快速響應新業務。

（二）深化天地協同網絡智能切片技術研究

網絡層通過按需切片的方式來實現多樣化業務的融合承載，有效解決天基、地基節點的統一管理與節點資源受限問題，使天地協同網絡實現資源與業務的精確適配并建立核心機制。

天地協同網絡智能切片技術的發展路線應為：依托天地協同網絡架構，以網絡資源管理控制、網絡智慧化、網絡結構全維可定義等技術為支撐，突破業務隨需的天地協同網絡資源智能切片、全維可定義的數據報文靈活解析與轉發、天地協同網絡資源全局協調控制等關鍵技術；從網絡資源優化層面綜合解決天地協同網絡面臨的關鍵科學問題和技術，為天地協同網絡資源的全局動態優化和技術創新突破提供持續動力。

（三）從國家層面對天地協同網絡給予政策支持

衛星通信網絡有望成為我國高新技術領域增長最快的行業之一，建議在理論研究和應用示范兩個方面給予政策傾斜，促進天地協同網絡技術與產業的高質量發展。

在理論研究方面，建議國家重點研發計劃、國家自然科學基金等渠道合理增設天地協同網絡相關項目，著力發展相關基礎理論與工程技術以實現在該領域的國際領先地位；在應用示范方面，面向海洋、航空等廣域移動通信場景開展應用示范專項布局，顯著提升海洋產業等國民經濟的信息化應用水平，促進我國衛星網絡系統、終端設備的產業化進程，提高衛星通信網絡的應用水平和價值創造能力。