未來低軌信息網絡發展與架構展望

王寧遠 陳 東* 劉 亮 秦兆濤 梁冰苑

①(鵬城實驗室 深圳 518055)

②(中國空間技術研究院通信與導航衛星總體部 北京 100094)

1 引言

伴隨人類進入太空和利用太空能力的不斷提升，太空的內在價值及其對國家發展與安全的巨大作用日益凸顯。作為高新技術最為集中的兩大領域，航天與網絡技術水平是一個國家經濟實力、國防實力、綜合國力的重要體現。未來低軌信息網絡是由低地球軌道(Low-Earth-Orbit, LEO)衛星星座為主體的高性能空間信息處理及全球通信網絡基礎設施，通過新一代網絡信息技術和空天科技前沿領域的結合，將帶領太空成為全球信息網絡和經濟的重要支點。隨著網絡技術、網絡應用不斷發展，寬帶通信逐漸融入各行各業，成為時代的“剛需”[1]。低軌信息網絡可以實現寬帶網絡的全球無縫覆蓋，同時相比現有的高軌衛星通信系統有著大容量、低時延的優勢，具有廣闊的應用前景。

低軌信息網絡的網絡架構是系統設計的基礎，包括星座構型、網元劃分以及網元間的連接關系3部分。目前，世界范圍內以星鏈系統(Starlink)、一網系統(Oneweb)、光速系統(Lightspeed)[2]為代表的在建或在研系統僅公開了系統的空間段星座構型，而系統內部的網元劃分及其連接關系屬于商業機密，并無公開資料。另外，我國現有的高軌衛星通信系統為主的架構多為采用定制化體制、固定架構的專用網絡，其架構難以適應低軌星座網絡多業務類型承載的需求。因此，低軌信息網絡需要更為靈活、可靠、通用化的網絡架構以適應多業務、高質量的承載需求，同時能夠應對衛星網絡高動態、低可靠性、管理復雜等因素[3]。另外，技術的快速迭代發展也要求低軌信息網絡具備持續演進的能力。

本文首先對國內外低軌星座網絡的發展現狀進行了概述，涉及網絡空間、天地融合以及先進衛星3個領域，接著對近年來天基網絡的愿景與發展趨勢進行研判。在此基礎上，提出與地面移動通信系統融合的軟件定義全云化星座網絡架構。基于軟件定義網絡(Software-Defined Network, SDN)與網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)技術實現網絡架構的可編程性，并利用5G中網絡功能抽象與解耦的思想以及去中心化的思想設計了全云化的網絡架構，具有高抗毀、易于擴展、支持多業務承載與持續演進的特性。

2 低軌信息網絡相關技術發展現狀

2.1 空間網絡領域

21世紀進入第2個10年，低軌星座在10余年的沉寂后進入第2次發展熱潮。Starlink, Oneweb,Lightspeed等低軌巨型星座的出現為天基網絡提供了全新選項，可通過幾百至上萬顆不等的衛星提供全球范圍的低時延寬帶接入以及超過高軌衛星的接入速率。以低軌巨型星座和混合網絡架構為特征的網絡呈現快速發展趨勢，海量衛星通常分層部署在多個軌道高度，采用以低傾角星座為主、兼顧通過少量近極地軌道衛星實現全球覆蓋的部署方式[4]。同時，星間鏈路的部署已十分普遍，特別是激光星間鏈路技術的發展極大提升了衛星之間數據交換能力[5]，使得低軌星座網絡得以徹底獨立于地面網絡，實現海量數據的“不落地”傳輸。低軌信息網絡由此正在實現從“天星地網”向全球通信、移動互聯網等多功能復合的天地一體網絡躍升。

低軌信息網絡的高效信息傳輸離不開網絡體制協議的支撐?？臻g網絡發展至今，已形成了如IP協議上星(IP over Satellite, IPoS)、空間通信協議(Space Communications Protocol Specifications,SCPS)、時延容忍網絡(Delay Tolerant Networks,DTN)等幾類主流協議。TCP/IP協議體系起源于計算機網絡。然而傳統TCP協議難以適應較長時延、較高誤碼率的衛星信道，采用TCP性能增強代理的方式可以大大提高傳輸性能，然而打破了端到端傳輸原則，可能帶來潛在的安全風險[6]。針對空間環境通信特點，國際空間數據系統咨詢委員會基于TCP/IP針對空間通信中長時延、高誤碼等鏈路特性制定和開發了SCPS通信協議規范[7]，可針對空間信道特點提供端到端的數據傳輸。DTN[8]是一種適用于深空通信的通信架構，具有容忍延遲、中斷的特性，通過引入束層并采用了存儲轉發機制和托管傳輸機制，以應對鏈路長延遲或頻繁中斷的通信環境，從而面對深空大時延、低可靠的場景時可保證傳輸穩定可達。

2.2 天地融合領域

伴隨地面移動通信從第5代(5G)向第6代(6G)發展，以“非地面網絡”(Non-Terrestrial Network,NTN)為代表的新型天地融合移動通信架構研究逐步深化。國際電信聯盟(International Telecommunication Union, ITU)提出了衛星與5G融合的4類場景。第3代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)組織在5G網絡設計之初就已將衛星接入納入考慮，在R16非地面網絡中定義了8個增強移動寬帶場景和2個海量機器類通信場景，提出了支持非地面網絡的空中接口方案，預計在R17版本完成第1階段標準化工作[9]。歐洲5G衛星地面網絡項目(Satellite and Terrestrial network for 5G, SaT5G)、韓國KT-SAT等公司基于寬帶通信衛星實現了機載視頻通信、混合5G回傳及5G邊緣云服務等演示[10,11]，聯發科聯合國際海事衛星組織完成了基于高軌衛星的5G物聯網試驗[12]。移動通信與衛星的結合已經成為全球衛星與網絡跨界融合的熱點，構建空天地海一體化網絡已經成為6G白皮書及展望的重要共識。

基于空間網絡的云網融合和智能技術應用正在逐步部署。亞馬遜將其亞馬遜網絡服務(Amazon Web Services, AWS)與衛星地面站相結合，構建了全球衛星信息云服務，實現對海量對地觀測數據的處理[13]。微軟正在為航天工業擴展移動云計算數據中心服務，連接SpaceX公司的Starlink系統和SES公司的O3b互聯網衛星[14]。美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)正在通過 Blackjack[15]項目支持空間智能處理在軌應用，實現任務自主調度。

以SDN與NFV技術為特征的天地融合網絡正逐步被提出。SDN與NFV已被應用于地面5G網絡，通過將轉發與控制分離、硬件與軟件解耦的理念，使5G網絡具備開放可編程、靈活可擴展的特性[16]。Ferrús等人[17]以5G為背景，提出在衛星地面段中引入SDN/NFV技術，實現星地間網絡資源管理能力和業務敏捷性的提升。Sheng等人[18]進一步將衛星也納入SDN-NFV技術的范疇，通過NFV將衛星資源池化并由地面控制中心統一規劃，再利用SDN的集中控制特性進行衛星-地面網絡的全局最優配置。

2.3 先進衛星領域

通信技術發展帶動了衛星技術進步。高軌高通量衛星通過Ku/Ka及更高頻段已經可以實現Tbps量級的單星容量，用于提供大容量高靈活度的衛星網絡接入服務。國際上，最新一代高軌高通量衛星Viasat-3即將在2022年進行部署[19]，我國也在2020年完成第2顆高軌高通量衛星亞太6D衛星的發射部署，實現了超過第5代海事衛星的服務能力。其中平臺高承載與載荷靈活已經成為新一代高通量衛星的重要特征，先進相控陣天線和星上處理技術在歐洲量子通信衛星進行了商業化實踐，并將在未來新型衛星中實現廣泛應用。高通量通信技術在高軌衛星的成熟應用也加速了低軌衛星的寬帶化進程。

激光星間通信技術同樣極具前景，被視作低軌星座組網的基礎。國際上，該技術已從試驗階段走向實用階段，歐洲和日本正在部署激光星間鏈路數據中繼衛星，小型化Gbps量級激光終端正在開展低軌試驗驗證[20]。Starlink已完成帶有星間鏈路衛星的在軌驗證，并表示將在后續組網衛星上搭載激光星間鏈路[21]。國內方面，實踐十三號衛星已于2017年實現在40000 km的星地距離上進行高達5 Gbps的高速率通信，我國高軌技術試驗衛星實踐二十號于2019年的成功發射為下一代高通量衛星建設完成了技術驗證。

3 低軌信息網絡愿景與發展趨勢

隨著運載、衛星、通信、計算等技術的蓬勃發展，以低軌巨型星座為代表的低軌信息網絡相比傳統星座發生了深刻變化，呈現出星座巨型化、網絡寬帶化、星間組網化、應用多樣化的特點。因此，傳統的星座設計、協議體制等難以滿足新型低軌信息網絡的發展。本節對未來低軌信息網絡的愿景與發展趨勢進行分析。

3.1 低軌信息網絡愿景

以航天強國、網絡強國為牽引，以移動通信、互聯網、物聯網以及寬帶專網等功能需求為驅動力，低軌信息網絡的目標是形成全球覆蓋、天地一體、多業務承載、持續演進、安全可控的天基通用信息網絡基礎設施，網絡愿景如圖1所示[1,22]。移動通信與移動互聯網作為使人與人連接的基礎功能，可實現全球任意兩點之間、多點之間的寬帶通信，以及具備高速率、低時延的互聯網訪問能力，使得信息與網絡服務不再受到地域限制。不僅僅是個人互聯網訪問，全球寬帶互聯能力將大大促進教育醫療、文化娛樂、科考保障、搶險救災等行業應用更遠、更廣、更深入的發展。物聯網將人與人的通信擴展到人與物、物與物之間，通過低軌信息網絡實現全球設備的智能協同，真正做到“萬物互聯”，為智慧城鄉、環境監測、綜合交通、公共安全、農林牧漁的信息化發展提供互聯保障。不同行業、不同場景下用戶對網絡的服務能力需求差異較大，低軌信息網絡可將其網絡能力組織成為滿足特定用戶需求的寬帶專網，并實現專網間的邏輯隔離，做到業務的高效靈活、安全可控傳輸，為國防、政企等行業賦能。

圖1 低軌信息網絡愿景

3.2 低軌信息網絡發展趨勢

(1)多業務承載的寬帶網絡?；诘蛙壭畔⒕W絡愿景，未來低軌網絡將不再是為某種特定應用服務的專用系統，而是面向多用戶、多業務類型承載的天基通用網絡基礎設施。在此背景下，低軌網絡的寬帶化是實現以上需求的先決條件，也是目前低軌信息網絡最為顯著的特征之一。目前主流組網方案采用激光星間鏈路+微波星地鏈路的模式，Starlink, Lightspeed等星座都在其規劃中采用了此類方案。激光通信技術具有抗干擾能力強、傳輸速率高等技術優勢，且星間的空間環境規避了大氣湍流、云層遮擋等不利因素，其特點與空間高速信息傳輸的需求相契合。另外，空間激光通信載荷具備體積小、質量輕、功耗低等工程優勢，適合小型LEO衛星搭載。而在空間微波通信方面，Ku/Ka頻段通信技術已十分成熟，并逐步向著Q/V、毫米波等更高頻段發展[23]。以上兩方面為低軌信息網絡的寬帶化組網奠定了硬件基礎，隨著技術的進一步發展，可期待將天基網絡帶寬再提升一到兩個數量級。

(2)網絡的軟件定義。多業務承載對低軌信息網絡的業務靈活部署能力提出了很高的要求，因此需要網絡具備較強的可編程性，特別是網絡架構的可編程性。對于這一點，軟件定義網絡的靈活可編程特點可以很好地適應未來低軌信息網絡的網絡在軌重構、架構在軌重構以及業務靈活部署要求，實現有限資源的最大化利用[24]。SDN將網絡的控制功能從邏輯上集中到SDN控制器，從而獲得了對全網資源實時管理、全局規劃、靈活調配的能力。與此同時，NFV的思路將底層的網絡能力通用化，將網元由特定設備抽象為虛擬的服務能力，使服務與具體設備解耦，為資源的靈活調配奠定基礎。

(3)星地的融合。地面移動通信網絡的覆蓋范圍基本涵蓋了人口密集地區。然而在海洋、沙漠、山地等地區，基站的部署與維護成本很高，難以進行全面覆蓋。相反，低軌信息網絡擁有廣域覆蓋的優勢，同時容量分布過于平均，熱點地區服務能力不足的問題也十分明顯。因此從服務特性來看，地面移動通信網絡與低軌信息網絡各有所長，互為補充。從架構角度出發，與5G的融合將重新定義衛星通信網絡架構，使其具備網元功能抽象化、靈活部署的特點，從而針對承載的不同業務按需部署網元。同時，與5G融合的低軌星座網絡將擁有對地面現有網絡的前向與后向兼容性，使衛星網絡可隨地面移動通信網絡共同演進[25]。

(4)云智能集成。未來低軌信息網絡巨大的衛星數量給系統的管理及應用帶來很多挑戰。運行管理方面，目前對每顆衛星進行單獨測控的方式過于繁瑣，在大規模星座下數據量急劇上升，人力難以完成，且缺乏對網絡整體把控的能力。系統應用方面，隨著網元的模塊化，星座信息傳輸、任務與網元編排、多星協同等多模塊協作任務都面臨大量的組合優化問題。因此，未來低軌信息網絡需要智能化手段實現大量衛星的管控、網絡業務的編排、故障診斷等系統運行管理功能。而智能所需要的強大的計算與存儲能力離不開云的支撐。計算云與存儲云的加入大大補充了低軌衛星所短缺的計算與存儲能力，同時依托于低軌星座網絡的大容量、低時延通信與NFV的虛擬化技術，可實現“本地數據-全球計算-本地應用”的去中心化服務模式，提升網絡的魯棒性與可擴展性。

4 軟件定義全云化星座網絡架構

4.1 設計理念

基于上述的低軌星座網絡愿景與發展趨勢，本節相應地提出了基于衛星5G融合技術與SDN+NFV技術的“全云化”網絡架構，如圖2、圖3所示。架構設計理念如下：

圖2 軟件定義星座網絡系統示意圖

圖3 軟件定義星座網絡架構

(2)網絡功能抽象化與解耦。為實現資源的高效利用以及網絡的可擴展性，需要將星座網絡中的接入、傳輸、計算、存儲、核心網等功能抽象為服務能力，且各能力間邏輯解耦，彼此之間通過邏輯接口調用，形成自治的功能云。根據軟件定義思想，將功能云的內部劃分為控制平面與業務平面。對內，控制平面對本功能云的池化資源進行管理與編排，形成靈活高效的服務能力；對外，控制平面通過5G服務化架構與其他功能云的控制平面互聯，通過開放的應用程序接口(Application Programming Interface, API)對業務以及其他功能云提供保障服務質量(Quality of Service, QoS)的服務。

(3)實體去中心化與邏輯集中。作為天基網絡基礎設施，低軌信息網絡的可靠運行不能寄希望于1臺或少數幾臺設備的正常運轉。而軟件定義架構下的控制平面通常部署于實體控制器中，這使得網絡面臨單點故障風險。因此，本架構中各個功能云均采用邏輯集中但實體分散的分布式架構，各實體間通過低軌星座網絡相互連接。網絡的控制平面可以部署于任意一臺經過鑒權且具備相應能力的接入設備，甚至可以按不同功能分散部署于多臺設備，實現“邏輯有中心，物理無中心”，確保網絡的魯棒性。通過在星座網絡承載云協議中加入互聯保障層，實現接入設備與衛星網絡間的移動性屏蔽，以及提供保障傳輸可靠性的端到端控制平面隧道連接，為5G服務化架構提供底層互聯基礎。

4.2 架構的實體組成

軟件定義低軌星座網絡從實體組成上可以分為空間段、地面段、用戶段3部分，如圖2所示。借鑒5G網絡的“三朵云”網絡架構[16]，網絡采用了基于軟件定義(SDN)和網絡功能虛擬化(NFV)的全云化架構，將網絡的承載、接入、計算、存儲等功能進行虛擬化，并由邏輯集中的控制平面統一管控。系統各組成詳細描述如下。

(1)空間段。系統空間段由低軌衛星星座、星間鏈路及星地鏈路構成，3者構成具有按需接入、QoS路由、靈活組網等能力的接入云與承載云，形成內部拓撲對用戶及其他功能云不可見的虛擬化服務黑盒。從用戶角度出發，由于低軌星座網絡衛星數量龐大，呈現出多層網狀網絡的特點，且處于持續的運動中，用戶往往不能觀察到網絡在時-空-頻中的全貌，從而難以判斷如何選星、接入、路由以滿足業務的服務質量要求。從網絡運行角度出發，低軌星座網絡雖然有著驚人的總接入帶寬與總網絡容量，卻有著較低的容量密度，且由于業務需求在時間、空間的不均勻性，極易發生嚴重的局部擁塞，造成網絡利用率低下。接入與承載的云化可將底層的接入、路由、資源管理等操作對用戶屏蔽，由網絡控制平面集中配置，對外僅提供滿足服務質量的業務接口，簡化服務復雜性。同時，由軟件定義技術帶來的集中控制能力可以實現全網資源的統一調配與管理，做到星座資源的最大化利用。

云化的空間段以低軌衛星星座為實體，星座構型通常由Walker星座描述，包括Walker-Star和Walker-Delta兩類構型。依據各自特點，前者重點考慮實現包含兩極的全球信號覆蓋，后者則重點考慮為業務密集地區提供更大的接入容量與網絡容量。此外，超大帶寬的星間、星地傳輸能力是空間段云化的基礎。衛星間采用激光星間鏈路彼此連接，衛星對地采用Ka, Q/V甚至更高頻段的微波鏈路。

(2)地面段。軟件定義星座網絡的地面段由分布于全球各地的地面信關站和計算存儲設備構成，后者通過前者接入衛星網絡。地面信關站可通過Ka, Q/V波束接入衛星網絡，且認為單個信關站可通過多個波束接入可視仰角范圍內的多顆衛星。從功能上劃分，地面段包括核心網云、計算云、存儲云3個功能云，以及衛星網絡與外部網絡的接口。其中功能云均通過虛擬化手段部署于通用化的計算存儲設備中，而無需建設專用設施，從而實現功能的可遷移性與去中心化。

④布井方案，根據抽水試驗成果及論證范圍內現有開采井實際開采情況確定設計單井涌水量，并根據設計單井涌水量及作物最大灌水定額計算單井控制規模，提出布井方案，計算影響半徑，分析抽水是否產生干擾。

位于地面段的核心網云繼承于5G核心網，是低軌星座與地面移動通信網絡融合架構的核心。核心網云通過信關站實現與衛星網絡的連接，其中的虛擬網元按需部署于連接到信關站的通用計算存儲設備之中，位于不同實體的網元通過星座網絡進行交互。由于虛擬網元可以在任意網絡通用設備上生成、釋放與遷移，因此具有較強的可擴展性及抗毀性。核心網云主要承擔用戶及業務的管理功能，以先進的地面移動通信核心網為基礎，具備與現有網絡的天然兼容性，可輕松實現與已有網絡的高效互聯互通，同時實現衛星網絡與地面網絡的共同演進，為將來6G系統中全網多域融合發展奠定基礎。

地面段的另一大特點為全云化的計算與存儲。由于當前低軌衛星星上計算存儲資源不足，因此采用星上轉發+地面計算存儲的方式協同完成網絡的云智能集成。計算方面，由于星上計算資源受限，衛星網絡通過接入分布于全球各地的計算資源，實現對星座網絡的計算能力擴展。當空間段面臨大計算量任務時，衛星可就近對地面計算資源進行請求調用，地面完成計算后將結果返回至對應衛星。此外，衛星網絡還可利用其全球覆蓋、大帶寬、低時延的優勢，將全球接入的計算資源進行連接與整合，實現高度可擴展的云計算功能。存儲方面，低軌星座網絡數據具有顯著的本地化特征，且數據量大、調用頻繁。由于低軌星座衛星與地面頻繁切換，伴隨著大量數據的反復轉移，占用有限的星間鏈路資源，因此存儲功能不適合星上實現。由此，軟件定義星座網絡采用在應用區域附近設置邊緣存儲云的方式，通過衛星網絡進行數據的訪問，以盡可能少的跳數實現數據的上傳及下載，降低訪問時延的同時節約鏈路資源。

值得一提的是，由于目前衛星星上計算資源不足[26]，因此考慮將核心網云與計算云部署于地面。隨著空間技術的不斷發展，當算力滿足需求時，核心網云與計算云也可以分布地部署于星上，進一步降低控制平面時延，同時提高星座自主運行程度。對于存儲云，由于低軌星座網絡與地面頻繁切換的特點，僅考慮將星座網絡自身信息存儲于星上，以實現星座不依賴地面的自主運行。而用戶、業務相關信息則存儲于地面邊緣存儲云。

(3)用戶段。系統的用戶段由各類衛星終端組成。衛星終端的種類包括星載、機載終端、企業終端、個人終端、中繼終端等。值得一提的是，由于星座的寬帶化需求，星地鏈路采用Ka,Q/V等高頻信號。由電磁波自由空間傳輸損耗可知，路徑損耗與頻率的平方成正比，因此需要盡可能地提升天線增益使星地通信等效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power, ERIP)滿足需求。相控陣天線在星地鏈路的應用可以實現窄波束的精準指向，實現高增益；同時波束數量及切換的靈活性均大大提升，可以同時實現多顆衛星的迅速接入。然而，這一方案導致手機、個人計算機等終端由于尺寸限制難以配備相控陣天線，其配備的全向天線難以與衛星直接通信，因此需要各種類型的衛星終端進行中繼。常用的中繼方式包括通過信號塔進行區域中繼、通過無人機進行移動中繼等。終端的接入、選星、波束分配由控制平面統一管理，終端只對控制平面分配給自身的網絡資源可見。終端對外部網絡的訪問同樣需要經過控制平面授權，再通過控制平面分配的網絡資源由衛星網絡直接連接至距離最近的外部網絡接口。

4.3 網絡架構

全云化的軟件定義低軌星座網絡系統架構如圖3所示。架構采用全云化設計，將系統依照網絡功能分為5類功能云：核心網云、接入云、承載云、計算云和存儲云。功能云內采用業務與控制分離、集中控制的軟件定義化架構，每個功能云分為控制平面和業務平面?？刂破矫娌捎没诜盏募軜嫞煌W絡功能的控制平面通過5G服務化架構(HTTP REST等協議)相互連接，并通過API訪問的形式獲取所需的服務，形成邏輯集中的“控制云”。業務平面方面，各功能云內采用虛擬化技術，將連接到網絡的波束、頻率、帶寬、計算、存儲等資源進行虛擬化并加以編排，由控制平面進行調用。網絡的管理平面在控制云之上，作為控制云的北向API，管理維護上層應用對下層網絡功能的調用。

核心網云負責低軌星座網絡用戶與業務的管理，包括接入鑒權、會話管理、信息管理、移動性管理、計費、網絡切片管理、與其他網絡互聯互通等功能。同時，核心網作為業務開展的核心，起到總領、協同其他功能云共同滿足用戶需求的作用。核心網云獲取用戶接入、會話、信息等業務請求，對業務進行分解，并通過服務化API接口調用相應網絡功能。例如，將星地接入部分交由接入云完成，將星間網絡端到端路由交由承載云完成，將用戶身份、位置等信息存儲交由存儲云完成，將復雜計算、網絡切片編排交由計算云完成等。

接入云負責星座與地面站、終端之間的連接管理，包括波束調度、地面站/終端選星、頻譜資源調配等功能。由于頻譜、波束資源具有地域性，因此根據業務所在地區，設置邊緣集中控制模塊，將該分區上方衛星、頻率、波束等資源進行集中管理，再由分布式控制器或系統級接入控制器集中調度，實現星地靈活高效接入。

承載云是實現低軌星座網絡互聯、高效可靠傳輸和端到端服務質量保證的功能云，更是起到將不同功能云之間在物理上連接起來的作用。承載云控制面獲取從核心網云輸入的路由信息，包括起始衛星、目的衛星、時延帶寬QoS需求等參數，通過其控制平面計算路由路徑(可調用計算云)，并將結果下發至相關衛星。同時，承載云利用分段路由(Segment Routing, SR)、虛擬局域網(Virtual Local Area Network, VLAN)、區分服務(Differentiated Service, DiffServ)、路徑保護等技術途徑實現具有QoS保障的端到端路由。

計算云與存儲云為網絡提供海量計算與存儲能力，賦能系統的網絡意圖驅動、網絡智能化接入、全網高效QoS路由編排等高計算能力需求功能，以及本地化用戶注冊、位置管理、邊緣內容分發等高存儲能力需求功能。計算云與存儲云首先通過NFV手段將計算與存儲資源和硬件設備解耦，資源統一由編排模塊管理；再根據核心網云提出的需求由邊緣控制器或系統級接入控制器集中調度，計算結果或數據請求由衛星網絡回傳至請求方。

全云化的網絡架構設計具備以下優勢：

(1) 可靠性優勢。虛擬化技術可以通過將網絡底層資源抽象為邏輯上的功能，使網絡功能不依賴于特定底層設備，同時具備可遷移性。以虛擬化為基礎，功能網元可實現物理上的去中心化，即將網元遷移或備份至任意地點符合要求的物理設備中，并通過低軌星座接入網絡，避免出現因單臺設備故障而造成網絡功能缺失。

(2) 業務靈活承載優勢。網元的虛擬化與云化使其可以按需部署于任意滿足要求的白盒設備，由此可根據業務需求對各網云，尤其是核心網云的網元功能進行按需架構與剪裁，實現網絡架構的可編程。因此，網絡可根據承載業務類型靈活進行網絡架構部署，使網絡滿足現有甚至未來的多類型業務承載需求。

(3) 可擴展性優勢。網絡架構與地面移動通信網絡相融合，邏輯上采用5G服務化架構連接各網元，物理上采用低軌衛星網絡連接地面段及用戶段各實體。一方面，新的網元可通過接入服務化架構成為網絡的一部分，實現服務能力上的可擴展；另一方面，低軌信息網絡也會隨著地面移動通信網絡一同演進，從軟件層面完成功能、服務的新舊交替，實現技術上的可擴展。

4.4 全云化的互聯保障

低軌星座網絡通過建立互聯保障層將網絡底層資源無縫連接在一起，形成網絡的功能云，如圖4所示。由于架構采用去中心化設計，網絡的底層接入、計算、存儲等資源可分布于全球各地，因此需要低軌星座網絡將其互聯并整合為抽象的網絡功能。然而，相比于地面網絡，低軌星座的高動態性與低可靠性給數據的高效交互帶來很大挑戰。

圖4 互聯保障層示意圖

互聯保障層是底層資源與上層功能間的鉸鏈層，同時是衛星網絡全云化的重要手段。其主要作用為對上層屏蔽網絡底層的移動性，并為底層虛擬化資源之間提供具有可靠性保障的端到端連接，從而保障控制平面網元對全球任意位置業務平面網元的實時控制。

在移動性屏蔽方面，采用身份位置分離的網絡編址方法，并在網絡設備ID與其地理位置間建立映射，使路由僅在位置與位置之間進行，從而屏蔽了網絡的移動性。在業務端到端傳輸方面，采用面向連接的L2VPN/L3VPN路由實現網絡設備間的按需專線連接。通過部署多條不同路由路徑的備用連接，并采用雙向轉發檢測(BFD)的路徑心跳監測手段實時監測路徑連接狀態，實現亞秒級的故障發現及備份倒換。在控制平面信令可靠傳輸方面，采用基于雙層SDN(DLSDN)的帶內控制技術[3]，上層控制模塊在控制器和業務平面網元之間維護若干條端到端的帶內控制路徑，從而對下層控制器屏蔽網絡拓撲變化；而下層控制模塊利用上層控制模塊提供的控制路徑作為“管道”和業務平面網元交互控制信令。通過上述手段，互聯保障層可以屏蔽衛星網絡底層的拓撲變化，在各虛擬化網元之間提供穩定可靠的邏輯連接。

4.5 基于意圖驅動的網絡自主管理

由于低軌信息網絡多節點、多用戶、多業務類型的特點，傳統基于人工的配置難以實現網絡的高效管理。因此，未來低軌星座網絡需要基于意圖驅動的智能化管理手段對網絡進行自動化管理，將人從運行管理的環路中解放出來。

網絡的意圖驅動能力位于網絡的管理平面，是網絡操作系統功能的一部分。意圖驅動由意圖感知、策略制定與策略執行3個步驟組成，如圖5所示。首先，感知模塊收集并感知全網的意圖，并將模糊的意圖明確為具體的功能要求或指標需求。意圖的來源包含但不限于新業務的部署、網絡運行管理、底層的資源編排與優化等。其次，策略制定模塊將功能要求或指標要求轉化為可實施的具體策略，并通過意圖的優先級對策略的實施進行全局編排，使得盡可能多的意圖得到滿足。最后，策略執行模塊將制定好的策略下發到對應的功能云加以執行。可見，未來由意圖驅動的網絡可以實現網絡的全流程自主管理，而人只需要進行關鍵的決策即可，極大提升網絡的運行管理效率。

圖5 低軌信息網絡意圖驅動示意圖

5 未來低軌信息網絡技術：挑戰與展望

盡管低軌星座網絡的去中心化與軟件定義化是大勢所趨，但從近期來看架構的實施仍面臨技術上的較大挑戰。尤其是目前空間網絡虛擬化、靈活組網、智能化、資源管理等技術尚不具備支撐全云化與去中心化的能力，衛星平臺及載荷技術的差距也制約了網絡與智能新技術應用。因此本文對需要面對的技術挑戰進行了初步的列舉。

星座網絡云化控制平面技術?？刂破矫媸擒浖x低軌星座網絡高效運行的核心所在，需要在低軌星座的高動態、多業務、大連接場景下對網絡資源進行實時監控與動態調配，保障服務質量的同時提高網絡的利用率。同時根據網絡去中心化需求，控制平面同樣需要實現云化部署。由此，需要重點關注：星座接入網、承載網云化技術，網絡功能快速遷移技術，網絡互聯保障技術，分布式控制平面技術等。

高性能分布式智能云腦技術。云智能集成是實現高可靠敏捷空間信息體系的重要基礎，利用部署于天、空、地的分布式高性能計算與智能處理技術，實現空間多節點計算、存儲資源彈性一體化管理與調度，實現在線數據處理生成，支持空間信息服務能力創新。需要關注：分布式靈活智能云腦技術、面向服務的網絡計算通信存儲多維協同技術、意圖驅動的自動化網絡運行管理技術。

靈活甚高通量星地通信技術。采用多點波束和頻率復用的高通量衛星已經成為推動衛星互聯網行業發展的變革技術。隨著互聯網應用的發展，面向衛星與地面通信的深度融合，市場對衛星通信提出了更快速率、更大容量和更高性價比的需求，Tbps量級的甚高通量通信衛星是未來空間網絡化發展的重要趨勢，因此需要關注毫米波乃至太赫茲頻段應用于星地鏈路的可能性。

甚高速率星間激光通信與處理交換技術。高速激光通信是未來空間網絡高速組網的核心技術基礎。未來低軌信息網絡發展要求更高通信速率、更小星載終端規模和全新的在軌光處理與交換。因此需要突破：Tbps以上小型化星間激光終端技術、星載抗輻照大規模光處理技術、高動態星間激光鏈路捕獲與跟蹤技術等。

在軌可重構的網絡化衛星技術。由于衛星更新換代速度遠遠慢于新業務需求的出現速度及通信、網絡技術演進速度，衛星的在軌重構是實現全業務承載與持續演進的必要條件。承載、計算、存儲的云化部署也要求衛星提供可虛擬化的通用硬件平臺，可通過網絡進行業務部署、軟件更新及資源調配。因此需要突破：星上處理交換載荷白盒化技術、處理交換載荷高容錯技術、星上資源池化技術等。

6 結論

正值這千星萬星齊暉的“大航天時代”，低軌系統的發展引發了未來的天基網絡形態質的變化，為發展太空網絡帶來了新的機遇與挑戰。在此背景下，本文從空間網絡、天地融合以及先進衛星3個領域對發展現狀進行了概述，提出了低軌信息網絡的愿景，并將網絡發展趨勢歸納為多業務承載、軟件定義、星地融合和云智能集成4方面?；谶@一趨勢，本文對未來低軌星座網絡的組網架構進行了暢想，基于網絡架構可編程、網絡功能抽象解耦以及實體去中心化3大設計理念，提出了全云化的軟件定義低軌星座網絡架構。該架構通過將接入、傳輸、計算、存儲資源虛擬化形成便于調配的業務平面，并通過互聯保障層提供屏蔽移動性、保障可靠性與QoS的邏輯連接，以方便集中控制或功能云間的相互調用，使資源實體做到物理分散而邏輯集中；由靈活部署的核心網功能與各功能云的集中控制模塊構成邏輯集中的控制平面，統籌各個功能云子層資源，形成服務能力；最終由意圖驅動的管理平面進行網絡意圖感知，并完成資源分配策略的制定與執行，形成網絡的自動化管理能力。最后，本文對未來低軌信息網絡進行了展望，列舉了實現全云化星座網絡架構需重點關注的網絡與衛星關鍵技術。