混合自适应网络——提高美军卫星通信系统弹性的商业解决方案

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转自：电科小氙

作者：电科小氙

2019年1月，Viasat公司发布白皮书，介绍了其通过混合自适应网络（HAN）在近对等威胁环境中实现泛在、弹性、安全连接的解决方案。

近年来，商用卫星通信系统的性能、弹性和可负担性快速提升，商业卫星通信也正越来越多地支持美军关键军事作战行动。美国国防部一直在通过“探路者”项目和一些试验项目加强对商用卫星通信系统性能的了解，并探索如何将这些能力纳入到其卫星通信体系架构内。在美国国防部的组织下，多家商业公司正对空间、地面、用户等多个层面的发展构想展开论证。而混合自适应网络就是Viasat公司独有的一种解决方案。它由商业卫星通信网络、军用卫星通信网络或二者混合构成，采用混合自适应网络管理、开放式标准网络接口、多模用户终端等先进技术将各网络分层构成一个多网络生态系统，提供更高的弹性，并允许用户在多个网络之间无缝漫游。它将使美军从基于采办的竞争向基于市场的竞争的转变，提高空间系统弹性并对空间和网络入侵形成威慑。

1 背景

为了在全球竞争中保持领先，商业领域在技术创新上的速度和投资力度都已经超过了军方。目前，私营部门显然引领着通信与网络安全领域的技术发展。

以往，美国国防部都是通过美军专门构建的卫星系统提供的“带宽池”来满足其卫星通信需求，并且通过临时租用商业卫星带宽的方法加以补充。此外，按照美国国防部的流程，要求作战人员需根据作战需求在执行任务之前30天以上生成“卫星接入请求/网关接入请求”，然后按照优先次序等待许可。

而在私营卫星通信行业，这种通过专用卫星或带宽租赁实现的传统带宽采购模式正在被一种端到端的“卫星通信即服务”（Satcom as a Service）模式所快速取代。“卫星通信即服务”模式允许从端到端卫星所有者、运营商和服务提供商那里直接采购无限宽带数据并以临时方式运行。在这种新的市场模式下，端到端卫星所有者、运营商和服务提供商能以市场可负担的定价将无限宽带服务定向提供给消费者、企业和政府市场。这种市场和业务模式的变化正在促使私营卫星系统快速提高性能、弹性和可负担性。

当前卫星通信网络发展迅速，卫星能力从提供约5Gbps速率、支持数百或数千用户发展到至2020年能提供1Tbps以上容量、同时支持数千万用户的水平，在大约15年间提高了3个数量级。到2020年代，商业卫星通信系统能提供的吞吐量将达到10Tbps或100Tbps。

而美国国防部目前使用的这一代卫星通信系统，包括租用Ku波段、宽带全球卫星系统（WGS）和先进极高频（AEHF）系统，采用的都是上世纪90年代或本世纪初的设计，与当前部署的私营系统设计相比至少落后了三代。相反，私营系统经过了多次升级换代，体现了持续市场驱动下的设计和能力改进。

2 混合自适应网络（HAN）

基于对国防部定制卫星系统与商业卫星系统的对比分析，为了切实提高美军空间系统弹性并对空间和网络入侵形成威慑，Viasat公司建议美国国防部应即刻采用混合自适应组网架构（如图1所示），实现定制系统和私营系统之间的无缝漫游。

图1 混合自适应网络使政府能将多个独立网络作为一个单一通信系统使用

混合自适应网络由作战人员能够同时接入的多个通信网络组成，这在概念上类似于移动设备用户在多个蜂窝网之间自由漫游而不会丢失连接。构成HAN的传输网络可以是商业通信网络，专门建设的军事通信网络或综合利用两种网络。

这些网络可以分布于不同高度的轨道上，运行于多个频段上，提供独立的地面基础设施，并采用不同的网络管理和网络防御实现方法。所有这些因素均增强了HAN的多样性，消除了单点故障和/或攻击。HAN的用户有机地分布在多个传输网络上，敌方很难针对其通信能力实现服务收集、利用或拒止。这种多网络弹性提供了震慑能力，用户很容易在通信网络间机动，增加了对手进攻所需的时间、工作量和成本。

2.1 混合自适应网络整体弹性性能分析

为了尽可能提高任务保障能力，整体网络架构必须对组成端到端通信网络的全套系统进行通盘考虑。弹性和任务保障可被视作用多种方式、从多个层级进行衡量的分层概念。各卫星通信网络因其系统和网络属性不同而有不同级别的弹性。将各网络进行分层可以构成一个不存在单一共同特征或攻击向量的多网络生态系统。从终端用户角度来讲，其目标是要快速接入一个网络之网络，这个网络中在任一特定时间和特定位置可以有多种传输选择，包括可以选择单颗卫星上的多个转发器或波束、某个私营供应商提供的多颗卫星、多个不同私营供应商提供的多个卫星通信网络、以及政府（AEHF、WGS、租赁Ku频段等）与多个私营卫星网络的组合。通过将不同属性（如轨道、频率、波束大小、波形、网关、组网协议、网络管理和地面网络）的异构网络融为一个统一的分层运行环境，混合自适应网络架构能实现整体任务保障的最大化。

由于空间、地面和网络域中的威胁具有动态性，因而没有哪种单一系统能够全面防御一切可能威胁向量。按照规定的弹性能力对单个系统进行评分，可以为评估现有和新兴网络属性提供一个全面参考。从理论上讲，没有一个网络能实现100%弹性，因此，将多个网络黏合成一个混合网络可以在最大程度上实现整体弹性，针对一切可能的威胁向量，混合自适应网络总比任何单一网络的弹性更高。

2.2 混合自适应网络架构

要部署一个富有弹性的全球综合网络，其关键基础设施需要采用这样一种系统：（a）允许用户跨私营和定制网络进行漫游；（b）为运营商提供用户管理和服务协调能力，并具有能针对问题进行响应的态势感知工具。为了跨多个分层为用户有效提供服务，需要设计一个能满足以下目标的平台：

（1）私营和定制网络均应能够报告用于威胁（包括网络、EMI和运行中断）检测的必要度量指标；

（2）令运营商能够根据每个任务的特定需求选择网络，并且对网络进行定制来满足单个任务/作战人员需求；

（3）提供使用户能够在混合自适应网络内的私营和定制网络之间无缝漫游的必要基础设施；

（4）允许灵活采用先进的新型服务网络，能够有效添加性能和弹性能力。

基于上述目标，图2中显示的系统架构和关键组成部分是实现混合自适应网络的基本要素，而该混合自适应网络具有下列特性：

图2 混合自适应网络能够将多个独立网络用作一个单一通信系统

» 网络层标准化接口：采用网络层标准化接口显然比要求与调制解调器或波形指标兼容更加经济。此外，它还能允许私营领域持续进行创新，不断改进卫星通信技术。用户通过网络而非单条链路彼此连接。这一点在应对本地或有限对手攻击时非常重要：受到不利影响的最终用户可以迁移到新的成员网络，同时保持与其它用户的连接，而无需迫使其它用户跟着进行迁移。

» 企业管理系统：提供实时可视化和态势感知处理、以及使操作员可对多个战区和部署地范围内的用户和通信进行管理的工具。企业管理系统类似于一个包括光纤、电缆、Wi-Fi、蜂窝传输网络的全球ISP的网络管理系统，是一个端到端服务监控系统，而非一个分系统控制器的集合。

» 转换代理：用于将标准化网络接口与各个定制和私营网络中使用的格式桥接起来。利用转换代理维持运行，让国防部能对用户进行管理，并且能够获得现有服务网络中现成可用的必要态势感知信息，而不会增加额外的设计负担或抑制私营领域的创新。

» 未来多网络终端：若能支持多种模式和多个频段，则用户可跨不同传输网络（包括定制和私营网络）进行无缝操作，并进一步创建一个具有抗拥塞、抗运行中断（包括空间和地面）、抗有意和无意干扰以及网络威胁的端到端网络。私营领域已开始提供多网络终端，特别是针对需要无缝全球漫游能力的飞机和海上平台，未来将继续进行地面终端的创新，不断降低成本和尺寸等指标。在有在案项目负责定义、采购和装备定制多网络终端之前，私营领域会响应市场需求开发并提供更多的多网络终端。

2.3 标准化接口

利用与各组成网络之间的标准化接口，可以跨多个分离卫星网络实现协调和可视性，这个标准化接口可为最终用户实现无缝操作、迁移和可用性。在网络层而不是在终端或波形级实现接口标准化，有利于将未来网络快速纳入到联合混合自适应网络中。该接口（见图3）让企业网络管理器可对混合自适应网络中的各个网络进行查询以申请服务、或针对每个汇报或推荐自身当前能力的网络进行能力查询。通过该接口交换的信息将为企业网络管理器提供必要的信息，使其能基于特定任务要求和网络能力为各用户操作选择合适的网络。

图3 网络层采用标准化接口可实现对定制和私营网络的访问，无需重新定义企业管理

在服务网络内部标准格式与标准化接口之间集成一个转换代理，能使多个网络与企业网络管理系统实现互操作，从而便于由一个集中式运行设施对用户和服务管理进行协调。

接口设计应当既灵活又具有扩展性，能够快速集成不同的网络架构，实现基于市场的竞争，从而确保美国国防部能以当前的市场价采用最新的技术成果。为了尽可能提高互操作性，接口应当采用基于现有或新兴商业或政府标准的开放标准。在网络级（而非波形或终端级）实现兼容性和互操作性有利于在快速采用新能力的同时促进持久的、基于市场的竞争，避免“厂商锁定”（指局限于某一或某些特定厂商）。不限定终端或波形指标将进一步促进商业领域的技术进步。随后，作战人员可以利用这些技术创新应对不利条件或新行动和任务，而如果缺少这些技术，那么在这些情况下服务可用性会受到限制。

2.4 企业网络管理器

要使混合自适应网络得以运行，需要引入一个全面的管理系统，使用户能够根据任务需要在网络之间进行无缝漫游。对于在全球范围和高密度区域性战场中运行的异构网络来说，用户为实现任务保障会有不同的防护和容量需求，必须有一个集中式企业网络管理系统对各个传输网络进行协调和管理。设计一个对全球用户群进行管理的网络管理器，需要包括以下要素：

» 网络管理器平台必须既敏捷又有弹性。为了适应不断发展的任务需求和不断变化的战场环境，网络管理器必须具有可扩展性，能支持向混合自适应网络添加其它私营和国防部网络。由于拥有灵活的架构，当有新的先进技术进入市场后，无需对网络管理器平台进行重新定义，因为它能容纳任何数量的全球服务网络。

» 实时态势感知度量指标报告和相关工具必须为全球环境内的威胁探测及战略性响应提供可视性和基础设施。服务网络提供的信息和度量指标使操作员能够在战时任务中做出明智决策，在军事作战过程中确保通信不受影响。

» 可在应用和管理能力中利用私营领域的投资。许多私营服务提供商拥有跨多种资产和网络进行服务管理的操作工具和基础设施。未来企业管理系统应当利用这些现有和新兴的混合管理技术进行网络选择、态势感知监控、度量指标报告和分析、以及战场情报共享。

2.5 “卫星通信即服务”采办 

采用“卫星通信即服务”采办模式，可以使美国国防部最大限度地控制“运行效果”，并且最节约成本，因为这种模式提供了可以定制的一系列网络，可根据任务的确切需求（弹性、容量、移动性、主动网络防御等）在全球范围内提供服务。它将使作战人员可从混合自适应网络中的任何服务提供商网络访问全球服务设施。这种弹性选项将使美国国防部能够不断以更经济的每Mbps成本利用私营领域提供的创新技术和可用容量。此外，由于这种架构避免了“厂商锁定”，美国国防部将不再受到既有系统和漫长采办周期的限制，而是可以动态灵活地采购那些能提供未来任务所需能力的网络服务。随着下一代系统能力的不断提高和成本的不断下降，当2020年代中期未来的商业大容量卫星系统开始提供服务后，每比特价格会进一步降低，美国国防部也会因此而受益。

利用服务提供商和最终用户之间的服务等级协议（SLA），政府用户要满足特定任务需要有广泛的服务选择。美国国防部可通过SLA在网络级采购“卫星通信即服务”作为混合自适应网络的一部分。在混合自适应网络架构内，卫星通信企业合作伙伴可以打包提供支持服务、网络基础设施和多模终端等能力来满足作战人员特定的SLA要求。这样就无需临时与多家卫星通信提供商进行合同协商。签定一份带有关于所需性能、弹性、保障和威慑力的SLA选项的企业级合同，将减少成本、缩短交付时间以及降低实现运行效果的复杂度。

在采购“卫星通信即服务”过程中，需要控制的问题从研发、试验与评估（RDT&E）设计指标和测试程序变成了SLA框架内嵌入的所需的“运行效果”。在SLA框架中纳入“运行效果”是为了确保作战人员能够获得理想或是需要的作战能力。运行效果应当不仅限于数据率、承诺峰值、最少使用率等，还应当包括不利条件下的有保障任务性能或运行可用性、支持流动作战的可扩展性以及针对不同任务重要性的优先排序。

2.6 持续性能改善

利用混合自适应组网，无需花费额外费用改造底层系统基础设施，就能不断采纳最新的技术和能力。每当有私营公司的新型卫星通信服务投入使用，只要这种服务具有符合标准化接口的转换层，就可引入到企业管理系统中，无需进行架构改动。采用新网络和能力只涉及终端互操作性问题，不用对多个网络进行重新定义。

美国国防部如能迅速采取行动，开发一个与私营网络集成和互操作的企业管理平台，就能以最少的集成工作量添加或互换网络。通过创建标准化接口，可以使私营供应商实现转换代理，提供私营网络所用格式与标准化接口之间的桥接。添加新的私营供应商只需终端具有互操作性，不需要对企业管理平台架构进行重新设计。对于需要额外性能或弹性能力的区域或部署地，系统能动态支持新网络加入该区域，并支持混合网络中已有的服务提供商添加其它或升级的SLA。总之，这一架构可为国防部提供实现持续性能改善能力。

2.7 带给作战人员的优势

混合自适应网络架构可在竞争和拥塞作战环境中为作战人员提供高保障数据交付服务。采用混合自适应网络的作战人员拥有多种通信选择，要对所有这些通信选择都进行干扰，对手需要以多个国防部定制及私营卫星通信网络为目标，并且这些网络采用的抗干扰技术、卫星段、地面段、波束设计、轨道情况及频段各不相同。此外，某些网络采用了极窄的点波束，这就要求对手部署的干扰机要对每条波束都进行干扰。通过创建一个综合、无缝、在网络层进行连接的混合网络，不同的用户群可跨越不同传输网络进行工作，从而使对手很难对整个任务进行干扰。

混合自适应网络的汇聚分层结构可通过以下途径对地面、空间和网络域入侵形成威慑：

· 分散：跨多个受保护网络进行高价值任务的分离或路由；

· 多样：多种网络、频率、运营商；多种替代能力（态势感知、指挥控制、PNT、蓝军跟踪等）

· 分发：在多种国防部和私营卫星通信网络上进行路由，无单点故障

· 欺骗：任务可以在多种网络上以公开、隐蔽、甚至战时的备用模式运行

· 保护：强化、异构的网络可快速发展以适应威胁和市场需求

· 扩散：可跨越多个国防部和私营网络实现任务

采用混合自适应网络可实现的另一关键特性是：能够应对人口密集区域用户容量需求高度集中的业务激增场景（如城市战）。由于现代私营大容量卫星通信网络都设计为可为一个较小地理覆盖范围内的数百万用户服务，因此它们都能在可能的战时状态下满足业务激增需求。当前设计网络时采用的技术创新包括：采用非常小的点波束，积极进行频率复用，在单个区域内集中多个空间资产，以及能够动态分配容量。在未来将要部署的系统中，这些技术还会得到进一步增强。这种弹性与由多种受控服务网络组成的混合网络相结合，可为最终用户提供分层的卫星通信选择，确保用户能够拥有支持其当前和未来任务需求所需的通信容量。针对不同任务和用户需求，可对混合自适应网络中可用网络的选择进行动态定制。

总之，混合自适应网络可能是在任一任务区域内满足50Gbps预期宽带容量需求的唯一途径。

3 业界建议

基于上述分析，Viasat公司认为美国国防部应把重点放在创建一种多层通信网络平台上，这个平台应当极具弹性、更为经济、可扩展、并能够促进卫星网络服务提供商之间的市场竞争。可以采取以下措施，通过一些试验和演示项目实现上述目标：

· 即刻在作战环境（包含射频、网络和动能竞争性威胁）中对私营卫星通信服务和技术进行详尽的量化评估。

· 改变试验性采办模式，实现“卫星通信即服务”。灵活的采办能快速获得私营领域投向市场的先进技术，采用服务等级协议（SLA）规定必要的“运行效果”、能力以及应对当前及未来威胁的对抗措施。

· 即刻扩展现有能力，纳入用于构建混合网络框架的私营卫星通信服务。

· 部署多网络终端，它们能支持现有和新兴网络，通过对额外私营网络的访问来提高作战人员通信的整体弹性。采用多网络终端有助于即刻摆脱对租赁Ku波段的依赖。前文分析证明，采用租赁Ku波段是最昂贵、且面对对手是最不利的，会给作战人员带来不必要的风险。

· 通过部署一个政府企业管理系统，即刻实现可扩展的混合自适应网络架构。这个政府企业管理系统能通过集成转换代理实现与国防部定制系统和私营系统的紧密连接，从而得以快速采用私营卫星通信系统。

另外还建议混合自适应网络应通过一个网络级的开放式标准接口来确保互操作性。这一方式在最大程度上激发私营领域创新能力的同时，又能使政府快速、经济地向混合网络添加新的传输层。以往一次性的基于采办的竞争会导致“厂商锁定”，使项目和技术成本高昂且性能不佳，而采用上述方法，渴望参与混合网络的网络提供商会在国防部业务上面临持续的、基于市场的竞争，从而使美国国防部能够经济地采用私营领域的创新技术成果。

4 结语

Viasat公司认为，随着技术的进步和威胁的发展，美国国防部正面临两种选择：一是继续发展当前国防部卫星通信体系，这将进一步妨碍国防部持久任务的实现，并给作战人员带来风险；另一种选择则是采用混合自适应网络方式，这将有助于持久任务的实现，提高多域作战中作战人员的卫星通信性能，增强面对当前及未来威胁的弹性，并提高系统可负担性。

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