通信、網絡、計算融合的天地一體化信息網絡體系架構研究

虞志剛，馮旭，黃照祥，陸洲

（中國電子科技集團公司電子科學研究院，北京 100041）

0 引言

當今世界，信息網絡技術與實體經濟深度融合，數字經濟在國民經濟的比重不斷攀升（以中國為例，截至2020年，其數字經濟規模達到39.2萬億元，占GDP比重為38.6%）[1]，深刻地改變著人們的生產生活方式，成為世界各國經濟增長的新引擎。與此同時，隨著人類活動范圍從陸地、近海、近空向深海洋、深空的不斷擴展，地面互聯網、移動通信網絡等傳統網絡已無法滿足人們日益增加的泛在連接需求，天基網絡與地面互聯網、移動通信網等相互融合、取長補短，共同構建“覆蓋全球無縫、連接無處不在”的天地一體化信息網絡，滿足用戶無處不在的多樣化業務需求，已成為促進經濟社會新發展、保障國家核心安全的必然選擇[2]。

天地一體化信息網絡（space-ground integrated information network）將地面網絡從近地表向空間延伸、從二維覆蓋走向三維泛在[3]，天地一體化信息網絡系統組成示意圖如圖1所示，是6G的關鍵技術之一，也是國家戰略性通信網絡基礎設施[4-5]。近年來，3GPP、ITU等標準化組織成立了專門工作組著手天地一體化網絡的標準化問題，美國SpaceX公司、中國電科、中國信科、中國星網等國內外企業與研究組織也投入研究建設之中[6]。

圖1 天地一體化信息網絡系統組成示意圖[2]

網絡體系結構是網絡研究的基礎，更是開展網絡建設的先決條件。當前，國內外圍繞天地一體化信息網絡體系結構的研究主要集中在兩個方面：一是“互聯網+衛星”模式，認為天地一體化信息網絡是地面互聯網向三維空間的拓展。如美國SpaceX公司推出的星鏈（Starlink）低軌星座將衛星作為地面互聯網的“天基Wi-Fi”熱點[5]，技術研究則主要集中在如何解決中低軌衛星高速移動情況下帶來的天基網絡拓撲動態時變拓撲與路由問題；二是“移動通信網+衛星”模式，認為天地一體化網絡是地面移動網絡向三維空間的延伸。如銥星公司推出的銥星下一代星座將地面基站搬到了衛星作為衛星基站“SatNode B”，技術研究則主要集中在星地之間（即用戶與基站之間）的新型接入/空口協議設計、星載相控陣天線、星載MIMO技術以及高可靠激光器等[4]。

天地一體化信息網絡是天基網絡與地面網絡的深度融合，不是簡單地地面向空間拓展與疊加，因此本文從融合的角度出發，對天地網絡的體系結構進行對比分析與提煉總結，并在此基礎上，提出了通信、網絡、計算融合的天地一體化信息網絡的體系結構和設想，以期為后續天地一體化信息網絡的研究、建設和標準化提供有價值的建議和參考。

1 天地網絡體系結構概述

1.1 地面互聯網絡體系結構

地面互聯網一般特指“Internet”，最早源于美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）建設的阿帕網絡（ARPANET），旨在解決不同體系結構網絡之間的“互聯互通”問題[7-8]，提出了基于“分組交換+TCP/IP”為核心的體系架構，實現了各類異構網絡的網際互聯，并與傳統電話網、廣播電視網的功能融合，并與實體經濟深度融合，成為全球最重要的信息基礎設施。互聯網分層體系結構如圖2所示，按照網絡節點的功能進行細分，體系結構主要包括：接入層、匯聚層和核心層。

圖2 互聯網分層體系結構

（1）接入層

接入層是用戶接入網絡的“入口”，通過光纖、雙絞線、Wi-Fi以及可見光等傳輸介質實現用戶與網絡之間的連接，進而為用戶提供服務。

（2）匯聚層

匯聚層是接入層與核心層之間的“中介”，通過對接入流量實施匯聚、清洗、安全和過濾等各種策略，有效減輕核心層的負荷。

（3）核心層

核心層是整個網絡系統的“骨干”，也是網絡技術水平的集中體現，實現骨干網絡之間的優化傳輸，是所有流量的最終承載者和匯聚者，同時對外還提供外部業務接入服務，所以統籌核心層通常需要采用冗余設計。

1.2 移動通信網絡體系架構

移動通信網絡的全稱是公共陸地移動網絡（public land mobile network，PLMN），是為公眾提供陸地移動通信業務而建立和經營的網絡，經過近半個世紀的發展，從第一代移動通信系統（1G）的“大哥大”時代開始，已經以10年一代的節奏持續演進。當前，正處于“信息隨心至”的5G時代，并逐步向萬物互聯的6G邁進，移動通信信號已基本覆蓋了大部分人員密集的陸地、近海和近空區域。與此同時，移動通信網絡與互聯網相互滲透、彼此融合，催生了移動互聯網與數字經濟，近10年來成為經濟社會發展的新引擎[1]。

自20世紀80年代1G系統部署以來，移動通信網絡系統的用戶容量、速率、時延以及帶寬等性能指標都獲得了大幅的提升，然而其核心的功能架構卻相對比較穩定，移動通信網體系結構如圖3所示，具體為4G（LTE）以及5G系統的架構，從圖3可以發現，功能上主要包括：接入網、承載網和核心網，物理上對應的設備分別是基站、路由器和核心網設備（如4G時代的MME（mobility management entity，移動性管理實體）、PGW（packet data network gateway，分組數據網絡網關）等設備，以及5G時代的UPF（user plane function，用戶面功能）、AMF（access and mobility management function，接入和移動性管理功能）等功能網元）。

圖3 移動通信網體系結構

（1）接入網

接入網即RAN（radio access network），可以被比喻為人的“四肢”，負責廣域分布的無線覆蓋、無線信道的資源管理、無線信號的發送接收以及編碼譯碼等功能，對應的物理實體主要包括手機和基站。其中，手機與基站之間的天線及空中接口體制是移動通信領域研究的熱點問題。

（2）承載網

承載網即PTN（packet transport network），可以被比喻為人四通發達的“脈絡”，負責連接“四肢”和“大腦”，作為接入網與核心網之間的傳輸通道，主要負責對各種信息和信令進行按需傳送。

（3）核心網

核心網即CN（core network），可以被比喻為人的“大腦”，是整個網絡的管理中樞，負責無線資源管理、移動性管理、接納控制以及會話管理等核心功能。同時，核心網還可以對外提供互聯網接口。

1.3 天基信息網絡體系架構

與地面互聯網或者移動通信網不同，天基信息網絡是以天基為核心的網絡系統，文獻[4-6]中亦稱其為空間信息網絡、衛星通信網絡或衛星互聯網等概念。天基信息網絡最早可以溯源到1945年10月，英國空軍雷達專家阿瑟·克拉克在《無線電世界》雜志上發表文章《地球外的中繼站》，首次提出在靜止軌道上放置3顆衛星來實現全球通信的設想，開創了天基信息網絡的先河。當前，天基信息網絡經歷模擬/數字通信、窄帶星座、高通量衛星和寬帶衛星星座等階段[4]，正向著全球信息基礎設施方向發展。雖然天基信息網絡的覆蓋范圍、通信速率、用戶容量、天線技術、傳輸體制以及衛星規模等均發生了翻天覆地的變化，然而其核心的功能架構仍保持相對穩定。功能上主要包括：空間段、地面段和用戶段，物理上對應的設備分別是衛星、地面站和終端等，天基信息網體系架構如圖4所示。

圖4 天基信息網體系架構

（1）空間段

空間段是天基信息網絡的主體部分，主要由布設在高軌、中軌或低軌的一顆或者多顆衛星節點組成，衛星之間根據星座構型建立星間鏈路構成一張天基網絡。衛星作為天基信息網絡中的核心資產，一直面臨造價高、功耗受限、空間環境復雜和無法維修等諸多挑戰，也是天基信息網絡有別于其他網絡系統的顯著特征。

（2）地面段

地面段是天基信息網絡的地面部分，主要由位于建設在地球表面的機動或固定信關站組成，信關站之間通過鋪設或者租賃網絡資源形成一張連通的地面網絡。

（3）用戶段

用戶段是天基信息網絡的終端部分，主要由接入天基信息網絡的手持、車載、船載、機載、星載衛星終端以及各種應用系統等組成。

1.4 對比分析

天基信息網絡架構與互聯網、移動通信網絡對比分析如圖5所示，其中地面的互聯網按照功能邏輯將網絡劃分為：終端、接入路由器、匯聚路由器以及骨干路由器。移動網按照功能邏輯劃分為終端、接入網、承載網以及核心網，而天基信息網按照功能+物理的融合標準將網絡劃分為用戶段、空間段以及地面段，其中空間段和地面段更多是從物理空間的邏輯進行劃分，與功能部署無關。按照傳統衛星通信發展的邏輯，綜合考慮天基體積質量受限以及計算存儲資源受限等物理條件，空間段負責盡可能簡單的功能，如采用透明轉發模式，星上僅變頻，不進行其他處理；地面段負責較為復雜的功能，比如無線資源調度、用戶接入認證等，在這種情況下空間段與地面段的劃分既是一種物理空間的劃分，也天然對應著一種功能邏輯的劃分。

圖5 天基信息網絡架構與互聯網、移動通信網絡對比分析

然而，隨著宇航級芯片計算能力的大幅提升，以及商用貨架器件（commercial off-the-shelf，COTS）在空間環境的大規模使用[9]，星上處理能力得到了大幅提升，部分功能將可以從地面搬移到星上，于是產生了星上處理的新模式，傳統按照物理空間進行功能劃分的邏輯將不夠準確，因此迫切需要開展新型天基網絡體系架構的研究。

2 天地一體化信息網絡體系架構研究現狀

面向天地網絡融合發展趨勢，構建天地一體化信息網絡成為未來網絡發展的必然方向，天、地通信網絡基礎設施將融合發展成為全球戰略性信息基礎設施。學術界與工業界紛紛計劃將地面網絡技術延伸或拓展至天基，呈現以下兩種研究視角。

2.1 “互聯網+衛星”研究現狀

“互聯網+衛星”即“Internet+ satellite”視角，天地一體化信息網絡是地面互聯網向三維空間的拓展，部署于空間環境的衛星節點相當于一個“天基接入路由器”，兼具無線接入與路由轉發功能。衛星之間通過星間鏈路構成衛星網絡，通過星地鏈路實現與地面信關站互聯，最終與地面互聯網基礎設施一起構建天地一體的互聯網。

互聯網方向的研究更加關注“互聯”方面的問題，即如何在衛星高速移動導致空間網絡拓撲動態時變以及星載處理、功耗等資源受限的條件下，研究和設計高效星間組網和路由問題。國內外學術界與工業界開展了大量的學術研究與技術攻關。

2.1.1 網絡拓撲

拓撲結構作為天地一體化信息網絡的關鍵特征之一，國內外學術界開展了大量的研究，但均集中在衛星網絡的拓撲結構，包括以下兩類研究。

（1）單層網絡拓撲網絡對比分析

針對全球覆蓋的大規模衛星星座場景，文獻[10]探討了單層低軌衛星星座采用近極軌道時的拓撲結構，衛星之間的互聯拓撲任何時刻都可以抽象為一個曼哈頓街區模型，但是需要考慮近極軌的影響；文獻[11-12]討論了單層低軌衛星星座采用傾斜軌道時拓撲構型，衛星之間的連接關系變化將更加頻繁，但是仍然有規律可循。銥星星座采用的就是近極軌的單層低軌星座。針對小規模衛星星座場景，文獻[13]討論了小衛星編隊場景下，衛星之間采用自組織網絡構成的網絡拓撲，此時衛星節點之間根據可視關系自由建鏈，沒有固定拓撲結構。

（2）多層網絡拓撲

文獻[14]探討了高軌、中軌和低軌等多層衛星混合組網的網絡拓撲，不僅同軌道衛星之間彼此建立星間鏈，不同軌道之間仍然建立星間鏈路，構成一個三維立體的衛星網絡拓撲。除此之外，文獻[15]對多層、單層網絡拓撲的網絡容量、平均跳步等性能進行了分析評估。

2.1.2 路由算法

在網絡設計中，拓撲結構的決定了天地一體化信息網絡容量的理論上限，而路由算法將會直接決定最高可達的容量水平。自20世紀90年代銥星系統建設以來，為了解決中低軌衛星高速運動導致的拓撲時變特性，國內外研究人員開展了廣泛且深入的衛星網絡路由算法研究，但根據計算路由轉發表的方式可以分為靜態路由和動態路由兩類。

（1）靜態路由

文獻[16-18]介紹了一種基于快照序列的路由，即屬于靜態路由，該方法根據衛星節點運行的規律性，將一個星座運行周期劃分為一系列快照序列，每一個快照序列認為衛星網絡拓撲是固定的，提前計算路由轉發表，路由轉發表也保持不變，僅當時間序列變化時才更新路由表。

（2）動態路由

與靜態路由不同。動態路由可以根據節點、鏈路甚至流量狀態動態觸發路由表的重新計算，可以有效應對節點、鏈路等故障場景，可以較好地適應電磁環境異常復雜的衛星網絡場景。文獻[19-20]提出將地面互聯網常用的OSPF（open shortest path first，開放式最短路徑優先）、BGP（border gateway protocol，邊界網關協議）等協議擴展到衛星網絡環境，提出了“OSPF+”和“BGP+”，為了解決衛星網絡時變的拓撲引起的頻繁路由更新和計算，該算法利用空間網絡運動的可預測性，巧妙地避免由正常鏈路切換導致的路由計算。文獻[21]介紹了一種反應式路由算法，不同于上述算法提前計算路由表，該算法當且僅當有業務需求時，才通過發送探測包尋找目的節點的地址，后續數據包將沿著探測包建立的路徑進行傳輸，且此傳輸路由僅保持一定時間的有效期，過期后需要重新發送探測包建立。

除此之外，文獻[22]提出了基于位置的天地一體化信息網絡路由尋址機制，源節點和目的節點之間通過位置對比，即可獲得分組轉發的大致方位，是一種基于計算的路由算法。文獻[23-25]提出引入時間敏感網絡（time sensitive network，TSN）、容遲容斷網絡（delay tolerant network，DTN）以及人工智能等各種新技術對路由算法進行優化，以提供更好的確定性和負載均衡性等性能。

2.2 “移動網+衛星”研究現狀

“移動網+衛星”即“xG+satellite”視角，天地一體化信息網絡是移動通信網絡向空間的拓展，衛星節點相當于一個“天基基站”，與地面移動通信網相關設施共同構成一張天地融合的移動通信網絡（public land & space mobile network，PLSMN）。

移動網絡方向的研究更加關注“接入”方面的問題，即如何在空間大時空尺度、衛星高速移動以及星載處理、功耗等資源受限的新挑戰下，研究和設計高效新型的空中接口以及多波束天線技術，為此國內外工業界和學術界進行了大量的探索和研究。

2.2.1 空中接口

空中接口是用戶無線接入網絡的接口協議，是移動通信領域的關鍵核心技術之一，甚至一度成為移動通信技術代際劃分的標志（如2G時代的TDMA、3G時代的WCDMA等）。縱觀國內外現狀，面向衛星網絡的空中接口研究主要分為以下兩條技術路線。

（1）地面移動通信體制向空間拓展。目前，國內外有大量將地面成熟的移動通信體制向空間拓展的研究和案例。文獻[26]分別介紹了3G/4G體制在英國海事衛星通信系統、我國“天通一號”衛星移動通信系統中的應用；文獻[27-28]分析了與LTE相關的移動性切換技術用戶衛星網絡的可行性；文獻[29-30]分析了地面5G體制在低軌衛星的適應性；文獻[31-32]提出了星地融合的統一空口體制的設想，以及亟待解決的問題。隨著地面5G空口體制與低軌衛星的融合，構建天地一體的空口體制已經成為業界共識。

（2）衛星電視廣播體制向通信擴展。除了將地面移動通信體制進行拓展，另外一種思路是將傳統的數字視頻廣播（digital video broadcast，DVB）體制向通信體制拓展。目前，歐洲電信標準學會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出了相關的機制和標準，文獻[33-34]介紹了目前最為先進的高軌寬帶通信體制DVB-S2X（第三代DVB電視廣播標準）和DVB-RCS2，支持從單波束到多波束組網、星狀到網狀組網方式，這兩種體制在國內外的高軌衛星通信系統中得到了廣泛應用。然而DVB類體制也有著其天然的缺點，如不支持移動性管理等功能，為其推廣應用帶來一定的影響。

2.2.2 新型天線

天線是現代通信系統中的關鍵設備，面向衛星覆蓋廣、看得遠，需要支持大量用戶的接入，就必須用到多波束天線技術。星載常見的多波束天線主要包括以下3類。

（1）星載反射面天線。文獻[35-36]介紹了反射面多波束天線的優點，主要包括重量輕、性能好、結構簡優點，可以滿足大口徑、成百點波束的需求，目前已經在美國休斯公司的太空之路3號衛星（Spaceway-3）等高軌衛星通信系統中得到了應用，技術成熟度高。

（2）星載相控陣天線。與反射面天線不同，相控陣天線可以通過相位、幅度的調整來實現靈活的波束成形、功率調整以及波束掃描，能夠更好地適應業務分布不均勻的業務需求。文獻[37]介紹了歐洲量子衛星采用的相控陣天線僅提供8個收發波束。文獻[38]介紹了星載相控陣天線傳熱路徑設計與熱流分析。文獻[39]設計了一種一體化星載Ka相控陣天線收發組件。

（3）新型高效傳輸技術。為了獲取更高的通信帶寬，通信采用的頻段從L、S、C，走向Ku、Ka，并逐漸向太赫茲、激光通信拓展。文獻[40]對星載太赫茲高頻段大氣背景輻射特性進行了研究，目前我國已經完成了0.34 THz載頻、10 Gbit/s速率場景下的地面短距離試驗，未來太赫茲技術將成為解決空間高速傳輸與組網問題的重要技術手段之一；文獻[41]介紹了星載小型化激光通信終端技術研究現狀及發展方向，星間激光通信具有體積小、功耗低、不需要頻率協調等優點，也成為國內外衛星星座建設者的首選技術之一，Starlink、BlackJack等均提出采用激光鏈路[9]，目前我國多家科研單位均處于世界同等水平[4]。

3 新型網絡架構發展趨勢

3.1 網絡架構“融合化”

網絡架構云化，進而進行網云融合，已經成為未來網絡發展的必然趨勢，更是新型信息基礎設施的核心內容[2-4]。國內外運營商紛紛提出云網融合的網絡架構，中國聯通提出了名為CUBE-Net 3.0的數字基礎設施型新型網絡架構[42]，中國電信給出的“網是基礎，云為核心，網隨云動，云網一體”為云網融合設計理念[43]，網絡架構的云化主要受以下兩方面因素驅動。

一是應用驅動。以移動通信網、互聯網為代表的網絡空間與經濟社會的深度融合，徹底改變了人們的生活方式，與此同時催生了多樣化的應用場景和業務形態。5G提出了增強型移動寬帶、大規模物聯網和超可靠低時延通信三大應用場景，分別對帶寬、連接數、時延以及可靠性等性能指標有著近乎極致的要求，迫切需要網絡架構能夠依據應用場景彈性適變，主動適配應用場景，這是網絡架構向“云化”發展的應用需求。

二是技術牽引。隨著軟件定義技術的迅猛發展，以及以通用服務器為代表的通用計算能力的大幅提升，業界出現了SDx（software defined x，），即軟件定義一切的理念[44-45]，這將接入、承載、核心網等各種網絡功能通過軟件來實現，運行在通用的服務器上，最終實現網絡功能虛擬化（network function virtualization，NFV）[42-43]，可以在擺脫專用設備依賴、降低網絡運營成本的同時，賦予網絡可編程、靈活配置的能力，擺脫傳統網絡架構封閉的缺點。

網絡架構“云化”發展趨勢見表1，通過將網絡功能軟件化和虛擬化，將網絡設備通用化和標準化，可以實現軟硬件解耦，使網絡功能不再局限于硬件架構和定制設備。結合當前的5G發展現狀，以核心網功能的軟件化最為成熟，5G核心網功能可以運行在通用x86服務器，獲得了最大的靈活性[42]。承載網接踵而至，從專用路由器設備向協議無感知轉發設備（programming protocol-independent packet processors，P4）發展[44]；接入網難度最大，目前業界也提出了OpenRAN的解決方案[45]，總體而言網絡架構的全面云化已經勢不可擋。

表1 網絡架構“云化”發展趨勢

3.2 網絡架構“智能化”

網絡架構智能化已經成為業界共識，也被認為是未來6G網絡的關鍵技術特征之一[46]。當前，網絡架構智能化研究主要包括如下兩方面：一是在網絡架構云化的基礎之上，網絡能夠根據應用或者業務場景的變化，自動化地調整網絡架構，實現架構層面的智能組網；二是智能引入網絡管理控制之中，通過收集網絡運行的參數，并在此基礎上，通過智能算法給出網絡優化的策略，實現運維層面的運行智能。無論是上述哪種方式，抑或后續還會有新的智能化含義，都會極大地優化網絡架構，提高網絡運行效率，改善用戶體驗。

4 天地一體化信息網絡體系架構設想

4.1 設計原則

縱觀地面互聯網的發展，其始終要處理好“應用”與“技術”兩者之間的平衡，而天地一體化網絡架構的設計也應該如此，具體如下。

一是以應用為牽引、以技術為主導。天地一體化網絡體系架構的設計，必須以滿足日益豐富的天地融合網絡應用為根本，但同時要根據天、地環境的差異性，以及空間技術的發展現狀，進行針對性的架構優化。

二是區分物理與功能兩個邏輯概念。在現有的文獻研究中，很容易將物理實體與功能實體混淆，本文給出了如下定義：一種物理設施可以配備多種功能，一種功能也可以部署在多個物理設施之中，兩者之間既有聯系，又有區別。比如衛星是物理設施，而核心網是功能，核心網功能既可以僅部署在地面站，也可以將部分功能部署在衛星上，以優化系統流程。

4.2 物理架構

從物理空間的邏輯視角出發，天地一體化信息網絡可以借鑒傳統衛星通信網絡/衛星互聯網的架構組成，劃分為空間段、地面段以及海陸空天各種用戶段3部分。天地一體化信息網絡物理架構如圖6所示。

圖6 天地一體化信息網絡物理架構

（1）空間段是天地一體化信息網絡的空間核心資產，主要由布設在高軌、中軌、低軌和臨近空間等軌道面的若干衛星節點或者浮空節點組成，節點之間可以通過激光或微波等鏈路，按照特定的星座構型互連成一張空間網絡。

（2）地面段是天地一體化信息網絡的地面核心資產，主要包括兩個部分：一部分由布設在地球表面的若干固定站、機動站組成，站點之間可以通過鋪設或者租賃光纖構建成一張地面站網絡；另外一部分由地面互聯網、移動通信網絡等公用網絡基礎設施以及工業互聯網等各類專用網網絡設施共同構成地面融合網絡基礎設施。

（3）用戶段是天地一體化信息網絡的用戶部分，主要由星載、機載、船載、車載以及便攜式/手持等海陸空天各類衛星用戶終端組成。

綜上，物理架構主要根據與天地一體化信息網絡相關的設施所在的物理空間進行劃分，物理空間不指定具體的功能內涵，但可以包括若干功能，下面將從功能角度對天地一體化信息網絡的組成進行劃分。

4.3 功能架構

天地一體化信息網絡功能架構如圖7所示。從功能組成的邏輯視角出發，天地一體化信息網絡繼承了互聯網、移動通信網以及傳統衛星通信網等特征，并在此基礎上，進行創新融合和發展，是一個復雜巨系統的典型實例。參考移動通信網絡接入、承載、核心的3層架構以及地面云網融合架構，天地一體化信息網絡功能架構可以劃分為一體化通信系統、一體化網絡系統和一體化應用系統3部分。其中，一體化網絡系統在中間，提供“互聯”基座，信息、通信系統均部署或掛在網絡系統之上；一體化信息系統在上，在互聯基礎上，打造“信息”基座；一體化通信系統在下，在互聯基礎上，打造“接入”基座；3個系統聯動，實現用戶泛在接入、網絡融合互聯以及服務隨心所致。

圖7 天地一體化信息網絡功能架構

4.3.1 一體化通信系統

一體化通信系統是天地一體化信息網絡的“四肢”，是負責用戶接入相關通信功能的統稱，參考地面移動通信網絡，主要包括終端（space-ground integrated information network user equipment，sUE）、基站（space-ground integrated information network nodeB，sNodeB）、一體化核心網（space-ground integrated information network core，sCore）。

（1）終端主要負責用戶側業務的承載以及與sNodeB之間的無線連接。與sNodeB之間協作完成用戶廣播尋呼以及連接建立、切換和功率控制以及無線資源的管理與控制等功能。天地一體化信息網絡中用戶終端的類型多樣，作為功能實體可以部署在衛星、飛機、船艦、車輛、便攜以及手持終端等各類平臺之上，構成涵蓋海陸空天的立體用戶空間，是天地一體化信息網絡的核心特征之一。

（2）基站主要負責為用戶終端sUE提供空中接口；另外sNodeB與sCore通過一體化網絡系統相連，共同完成無線資源分配、調度、管理接入策略等功能。作為功能實體，sNodeB可以部署在地面段或者空間段。其中，部署在地面的基站，即地面基站，與地面移動通信網絡基站相同；部署在衛星上的基站，即星載基站，一方面需要考慮與地面基站類似的功能，即星上全處理場景，此時相當于地面基站上天；另外一方面還需要考慮衛星通信領域特有的接入方式，比如透明轉發、信道化交換以及光交換等模式。

（3）一體化核心網主要負責用戶鑒權、移動性管理、業務傳輸、位置服務以及策略計費等功能，是一體化通信系統的控制“大腦”，通過一體化網絡系統與sNodeB進行互連，共同完成與用戶相關的管理功能。可以部署在地面段，通過輕量化裁減之后也可以部署在衛星節點。其核心特征包括兩個方面：一是核心網功能按需部署，可以根據應用的時延、帶寬等典型特征，在天、地網絡之間流動部署核心網功能，如UPF、AMF等，實現彈性、按需的網絡服務。二是核心網功能一體化統籌，如上文的基站部署所述，天地一體化信息網絡支持多樣化的接入方式，既兼容地面4G/5G等接入方式，又兼容傳統衛星通信透明轉發、信道化交換以及DVB/S2等接入方式，還要對未來的SaT5G（satellite and terrestrial network for 5G，衛星5G）或SaT6G（satellite and terrestrial network for 6G，衛星6G）等新型接入體制提供開放的環境，導致天地一體化信息網絡的核心網功能必須是一體化統籌的、能夠支持對各類接入方式的一體化統管。

綜上所述，一體化通信系統是一個涵蓋了地面移動通信網、地面互聯網以及衛星通信網絡等多種接入方式的綜合化接入系統，一體化通信系統架構如圖8所示。一方面支持全軌道（高軌、中軌、低軌以及地面）、全頻譜（L、S、Ku、Ka、激光等衛星常用頻段以及地面網絡常用頻段）接入，另外一方面支持天、地異構網絡中核心網功能的一體化統籌，實現異構接入體制之間的融合互聯互通。

圖8 一體化通信系統架構

4.3.2 一體化網絡系統

一體化網絡系統是天地一體化信息網絡的“脈絡”，是負責與網絡傳輸相關的網絡功能的統稱。參考地面互聯網、移動承載網以及衛星通信系統架構，主要包括分組路由器（space-ground integrated information network router，sRouter）、透明轉發器（space-ground integrated information network transparent transponders，sTransPonder）、信道化交換器（space-ground integrated information network channelized switcher，sChannelized switcher）、激光交換器（space-ground integrated information network optical switcher，sOptical switcher）或者光電混合交換器（space-ground integrated information network O/E switcher，sO/E switcher）以及一體化網絡控制器（space-ground integrated information network controller，sController）等網絡功能。

（1）分組路由設備與其他分組路由設備構建一張天地一體化的分組網絡，主要為各類業務應用或控制指令提供分組承載服務。分組路由設備可以部署在衛星上，即星載分路由設備，通過星間鏈路與其他衛星互聯構成空間分組網絡；也可以部署在地面上，即地面路由設備，運行模式與地面網絡類似；空間與地面分組路由設備可一體化組網，構成一體化分組網絡系統。

（2）透明轉發設備與傳統衛星通信系統中的透明轉發器相同，即僅對接收的物理信號按照規則變頻再轉發，不進行解調等，主要為單星下兩個用戶或者地面站之間提供傳輸的通道，通常不直接提供跨星的傳輸通道。

（3）信道化交換設備（與傳統衛星通信系統的信道化交換設備相同，是一種半透明轉發技術，借助非均勻濾波器組可支持任意頻段、任意帶寬間交互及靈活的跨波束交互，與透明轉發器一樣，主要為單星下兩個用戶或者地面站之間提供傳輸的通道，通常不直接提供跨星的傳輸通道。

（4）激光交換設備主要負責提供光交換的功能，可以部署在空間段或地面段：部署在空間段，即星載激光交換器，是衛星節點以及用戶之間實現光交換的核心設備，目前國內外均開展了星地、星間光交換的試驗；部署在地面段，即地面網絡常見的光交換機，負責根據所處的位置不同可以分為匯聚型和核心交換機。激光交換器與激光交換器之間通過星間/星地/地面光鏈路可以構成一張一體化光交換網絡。

（5）光電混合交換設備主要為支持分組交換、光交換、信道化交換等各類交換體制而研制的混合交換設備，可以部署在空間段或地面段：部署在空間段，即星載光電混合交換器，目前國內部署了相關技術攻關，并取得了顯著的進展；部署在地面段，與現有光電混合交換設備類似，在此不做贅述。光電混合交換器之間通過星間/星地/地面鏈路可以構成一張混合的交換網絡，其中單顆衛星節點之間可以形成信道化交換，星間或星地場景可以構建一體化的分組交換網絡或者一體化光交換網絡。

（6）一體化網絡控制器是一體化網絡系統中分組路由設備、透明轉發設備、光電混合交換設備等各類交換路由設備的“控制中樞”，類似于地面SDN控制器，負責天、地多網系一體化的路徑計算、路徑規劃與參數配置等功能。一體化網絡控制器可以根據實際情況將功能進行拆分，比如根據星載受限資源情況，將部分部署在衛星節點（即星載網絡控制器），可以支持地面控制器不可見場景下網絡的控制與調度；也可以將部分或全部部署在地面節點（即地面控制器），運行模式與地面網絡類似。綜上所述，一體化網絡系統是一個涵蓋了地面互聯網、地面移動承載網以及衛星通信系統等多種承載功能的一體化承載網絡，一體化網絡系統架構如圖9所示，支持高軌、中軌、低軌以及地面節點之間的融合組網以及分組、激光、信道化等多種組網方式之間的互聯融合。

圖9 一體化網絡系統架構

4.3.3 一體化信息系統

一體化信息系統是天地一體化信息網絡的“血液”，是負責云計算基礎設施以及應用系統功能的統稱，是一體化云基礎設施與一體化應用系統融合的產物。其中，一體化云基礎設施（space-ground integrated information network cloud，sCloud）參考地面云網融合網絡的架構，主要包括天基云基礎設施、地面云基礎設施，構成整個天地一體化信息網絡中的云基礎設施，為應用系統提供“算力”基座。一體化應用系統（space-ground integrated information network application，sApp）參考地面互聯網、移動承載網以及衛星通信系統的應用系統架構，主要包括（但不限于）：傳統應用服務系統，如移動通信網絡的IP多媒體系統（space-ground integrated information network IP multimedia subsystem，sIMS），地面互聯網視頻、社交游戲、電子郵件、即時消息等互聯網應用等業務系統；新型應用服務系統，如時空信息服務（space-time information service，sTIS）。

· 一體化云基礎設施主要面向接入、承載、核心以及信息服務等各類功能提供算力的基礎設施，主要由部署在空間段、地面段以及用戶段等物理空間的感知、計算、存儲、網絡的各類異構資源構成，通過一體化網絡系統提供的連接，互聯融合成為一體化的云基礎設施，為各類功能提供“算力”基座。

· 一體化應用系統是在一體化云基礎設施基礎上，構建各類應用服務系統。其中，sIMS可以為天地一體化信息網絡提供語音服務，sApp可以提供互聯網應用，sCloud可以提供云服務，sTIS提供時空信息服務，目前在地面網絡場景均有類似的服務模式。作為未來天地一體化信息網絡的重要組成部分，應用服務功能可以部署在空間段或地面段：部署在空間段，即星載信息系統，則需要考慮星上功率受限以及星上計算存儲等資源受限的客觀實際，進行針對性的裁減和優化，以sCloud服務為例，部署在衛星上，即天基云服務，一方面可以通過星上實時處理，有效提高服務響應速度、降低數據回傳的壓力，另一方面卻對星上的計算存儲網絡等各類資源都提出了新要求；部署在地面段，在此不贅述。

綜上所述，一體化信息系統架構如圖10所示，一體化云基礎設施是一個布設在天、地網絡之間的計算資源，通過多星協同、星地協同等方式，構建成的空間分布式協同的云基礎設施；一體化應用系統是一個繼承地面互聯網、地面移動承載網以及衛星通信系統等業務應用功能，并在此基礎上創新發展，可以為新業務新應用提供良好生態的一體化應用系統；一體化云基礎設施與一體應用系統深度融合，共同構成一體化信息服務系統。該系統也是天地一體化信息網絡中“信息”兩字的來源。

圖10 一體化信息系統架構

4.4 物理空間與功能邏輯之間的映射

第4.2~4.3節分別從物理空間、功能邏輯兩個維度，對天地一體化信息網絡的體系架構進行了闡述和說明。然而，天地一體化信息網絡作為一個實體設施，物理空間與功能邏輯本質應該是一致的，于是就涉及物理空間與功能邏輯之間的映射問題。物理空間與功能邏輯之間的關系如圖11所示。

圖11 物理空間與功能邏輯之間的關系

物理空間與功能邏輯之間的映射案例如圖12所示。圖12（a）中衛星節點僅包括sTransPonder等網絡傳輸功能。衛星節點僅配備了透明轉發器，此時衛星節點的功能配置與傳統的衛星通信衛星類似。圖12（b）中衛星節點既具有sNodeB等通信功能，又具有sRouter等網絡傳輸功能。星節點具備基站的完整能力，可以為用戶提供接入功能；衛星節點之間通過星間鏈路采用分組交換體制構建一張空間分組網絡，實現星載基站與地面核心網之間的互聯互通。

圖12（c）中衛星節點的功能在圖12（b）的基礎上進一步豐富，增加了sCore-sUPF等通信功能。可以支持衛星用戶終端之間端到端直接通信，無須繞道地面核心網，可以大幅提升通信效率，節約對星地傳輸帶寬。圖12（d）中衛星節點的功能在圖12（c）基礎上進一步增加了sCloud天基云服務功能。衛星節點上部署了云計算服務功能，可以將算力資源共享，支持各類管理或信息服務系統的按需部署和靈活調度。

圖12 物理空間與功能邏輯之間的映射案例

5 網絡架構優化

綜上所述，天地一體化信息網絡中物理空間與功能邏輯之間的映射問題本質上是網絡優化問題，任何一種映射關系代表一種架構設計，需要綜合考慮如下兩個方面的因素。

一是物理空間的約束問題。以資源極度受限的衛星節點為例，無論是計算、存儲、網絡等資源，還是功率、體積、質量等資源都是嚴格受限的，因此部署功能邏輯時必須考慮客觀限制條件，可以規約為計算機學科里的“背包”問題，網絡架構優化示意圖如圖13所示。

圖13 網絡架構優化示意圖

二是網絡的應用需求問題。仍然以衛星節點為例，衛星采用什么樣的接入體制，決定了需要采用什么樣功能的基站；衛星之間采用什么樣的體制進行組網，決定了星上是否采用分組交換、光交換；衛星上是否部署核心網功能，決定了業務流量是否需要繞道地面進行端到端通信。

諸如此類問題，本質是網絡架構的優化設計問題，需要面向具體的應用需求，在特定衛星重量、功耗、體積等約束條件的限制下，以特定的網絡系統性能指標（如時延、帶寬、丟包、容量、功耗和成本等）為優化目標，進行優化求解和針對性的設計——如何將合適的網絡功能部署在恰當的物理空間，通常可以歸結為多目標優化問題，如式（1）所示。另外，需要指出的是，只有面向特定應用、面向特定優化目標（時延、帶寬等）的最優化網絡架構，通常難以存在普遍的最優化架構。

其中，gi表示第i個約束條件（比如重量、體積、功耗等），iT表示第i個約束條件的門限值，x表示某種特定的網絡功能部署方案，fn(x)表示優化的第n個目標（如成本最低、性能最優、重量最小等），F(x)是經過多個優化目標綜合處理之后的目標函數。

3種網絡功能在物理空間部署示意圖如圖14所示，給出了面向3種不同應用場景的網絡功能部署實例。

圖14 3種網絡功能在物理空間部署示意圖

（1）寬帶通信應用場景：低軌衛星部署sNodeB功能，地面節點部署完整sCore功能，滿足高速數據傳輸和低時延的需求。

（2）T2T通信應用場景：低軌衛星部署sNodeB以及sUPF功能，地面節點部署完整sCore功能，數據面不落地，能夠減少星地回傳數據，還可以避免安全性的風險。

（3）高可靠網絡應用場景：在高軌衛星部署輕量化、裁減版網絡控制器功能，地面節點部署完整版網絡控制器功能；地面控制器遭到干擾或者失效的情況下，衛星可以作為地面備份，提高網絡運行的可靠性。

6 結束語

天地一體化信息網絡已經成為促進經濟社會新發展、滿足用戶無處不在的多樣化業務需求的必然選擇。本文梳理分析了地面互聯網、移動通信網、天基信息網絡發展現狀以及存在的問題與挑戰；從互聯網視角和移動網視角系統總結了天地一體化信息網絡體系架構研究現狀以及新型網絡架構向融合化、智能化發展趨勢；提出了包括一體化通信系統、一體化網絡系統、一體化信息系統3層的通信網絡、計算、融合的天地一體化信息網絡體系架構設想，并從物理架構、功能架構、物理與功能架構映射等多個維度進行了闡述，以期為后續研究提供有價值的建議和參考。