学术：基于Mesh和NEMO的天空地网络体系架构研究

Original 2016-09-14 ☞ 信息与电子前沿

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今日荐文的作者为中国电科28所专家黄松华，梁维泰。本篇节选自论文《基于Mesh和NEMO的天空地网络体系架构研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第7卷第3期。下面和小编一起开始学习吧~

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天空地信息网络旨在通过地面、星间、空空及星地、星空、空地链路和信息网络技术，将各类传感器平台、预警指挥平台和武器作战平台及相关信息系统铰链，按照信息资源的最大有效综合利用原则，为战场作战、应急通信或空间探索及时提供全天时、全天候、全方位和无缝覆盖的信息支持与保障。
随着航空、航天技术的不断成熟和地面互联网技术的快速发展，天空地信息网络（简称“天空地网络”）已经由简单的互联互通网络，逐步发展成为体系化应用系统，日益成为实现天空地信息一体化应用的重要手段和支持天空地一体化信息体系作战的物质基础，是国家安全信息基础设施中不可或缺的重要组成部分。

一

1、装备能力

根据美国的全球信息栅格和空军指挥控制星座计划，美军将于2020年为几乎所有天空地平台提供端到端无缝连接能力，使任何用户在任何地点可以按需获取信息。其中，空基信息网络包括星地、星间、星舰链路，通信速率预计可达10~40Gbps。

当前，美军已经完成天基信息网络的演示试验，包括天基平台组网能力、与其他信息系统之间的协同能力，以及带宽资源动态分配能力和分级服务质量保障能力。在空基信息网络方面，美军正在进行传输链路能力扩展建设和局部网络试验阶段。空基信息网络系统都在从数据链到网链互补并存的阶段演进，相关网络技术还在研究过程中，各类空中信息网络系统都构建自己专有的协议，标准规范还未成形。

2、相关技术

在军事领域，是否时刻保持信息的畅通决定着战争的胜负。为了在无线动态环境下实现该目标，需要不断扩展链路能力，包括采用激光链路辅助射频链路、全向链路辅助定向链路实现高带宽、低时延和抗干扰通信；除了正在研究的无线光通信和高带宽射频链路外，在网络架构方面，无线Mesh架构被广泛采用，即基于高速传输链路构建骨干网，各类应用子网自治互联接入骨干网；在移动网络协议实现方面，NEMO也成为异构无缝互联的不二选择，即采用基于IP的网络移动灵活互联方式，实现高动态环境下、异构链路间透明的端到端可靠传输。

（1）无线Mesh架构

（2）网络移动协议

二

天空地网络架构方法

网络组成

天空地网络由动态轨迹可预测的空基骨干网和轨迹不可预测的空基接入子网，以及静态的地基骨干网、准静态的天基骨干网组成，即可分为空间段、空中段和地面段，三者通过天地、空地、空天等各类链路和网络协议连接成一个一体化的互联网络，如图1所示。

图1 天空地信息网络组成

如图2所示，整个天空地网络分三层：上层是静态或准静态的地基骨干网、天基骨干网；中层是动态轨迹可预测的空基骨干网、车载移动网和舰载移动网；底层是轨迹不可预测的空基接入子网，这些网络本身由于地面平台重要性差别和高低配置特性，具有层次化特征。

图2 天空地信息网络层次结构示意

特性分析

（1）业务需求

天空地信息网络强调信息的横向流动、共享和协同，支持情报、指挥、控制一体化运用，满足未来应对突发事件的需求。由于天、空、地目标信息在移动速度、协同频率、传输容量和质量需求上存在差异，未来的天空地信息网络需要为业务系统和用户提供各级各类质量保证的高可靠信息服务。1）高速数据传输能力。2）QoS保障能力。3）业务演进支撑能力。

（2）环境特性

天空地网络所处的环境包括从地面到3.6万千米高程大气外层空间，其空间段、空中段和地面段三个组成部分的环境特性相差较大。

1）空间段组网通信范围横跨平流层、中间层、电离层和逃逸层，通信时延较地面段和空中段明显高出很多，对网络控制和网络传输效率带来极大挑战。

2）空中段组网通信过程中，节点相距太远时会出现通信中断，当飞机盘旋侧飞时机身可能会阻挡无线电波的传播，而且空中节点的高机动特性，节点的加入和离开将导致网络拓扑频繁发生变化。

3）地面段组网包括无线和有线两部分，其中有线组网拓扑结构和传输质量相对稳定，但受到地形限制，使得在物理位置上处于无线覆盖范围内的节点并不一定能够直接通信，同时由于地面无线电波的反射、衍射、多径效应等因素的影响，使得无线数据传输更容易产生比特错误，信道带宽严重低于理论值。

总之，天空地网络运行在一个高误码率、高衰落和干扰严重的无线环境中，节点之间连接链路表现为高延迟、高丢失率，且性能差异比较突出，两个方向传输链路的性能不尽相同，每一部分都有自己特有的环境特性，环境因素特别复杂，因此很难用统一的技术体制解决所有的信息传输问题。

（3）平台特性

除了网络技术相对成熟的地面平台，天空地网络中的通信平台主要包括两类，一类是以卫星为主的航天器，包括高、中、低轨卫星和部分载人航天器等。这类通信平台往往运行稳定，具有自己特定的轨道，相互之问的通信链路具有可预测性。另一类是以大气层飞行器（包括高空飞机和高空气球）为主。这类通信平台往往机动性较强，运动轨迹不稳定，相互之间通信链路会出现不可预测的中断。虽然空基网络是典型的动态移动自组织网络，且其移动要素远大于自组织属性，也就是说，机载网络中节点的移动距离和速度都要超过传统研究的移动自组织网络。

综上，天空地信息网络是一种移动性网络，具有较大的拓扑结构时变性，这种拓扑时变性分为可预测和不可预测两类拓扑变化。如何克服较强拓扑时变性将是天空地网络互联研究中的一个关键问题。另一方面，构建天空地信息网络必须基于目前已有的各类卫星和飞行器通信系统上，而不同时期开发的卫星和飞行器通信系统采用的技术和方法都各不相同，因此天空地信息网络必然是一个异构网络。这种异构性体现在所采用的通信手段、通信体制和数据格式等方面，如何构建一个能够有效兼容目前已有的各种通信方式的天空地信息网络也是一个关键问题。

网络架构设想

（1）网络架构要求
鉴于特殊的业务需求和环境、平台特性，天空地信息网络构建需要满足以下要求：

1）扁平的网络结构。提供类似地面互联网的灵活接入、互联互通互操作与信息服务，成为各类信息系统的通信基础设施。

2）异构兼容性。与通用的互联网TCP/IP协议兼容，支持已有的卫星通信系统之间组网互连，克服网络中的异构性问题，提供通用的端到端超视距远程通信。

3）灵活组网能力。天空地信息网络中的通信平台具有移动性，同时部分平台具有一定的时效性，这会导致网络拓扑结构具有较强的时变性，为了保持网络转发和传输的有效性，天空地信息网络必须支持自组织组网能力，为高机动用户提高不间断的网络通信服务和信息服务，满足实际应用需要。

4）可扩展性。天空地信息网络建设是一个长期的发展过程，需要分步、分阶段实施，在不同时期可能会采用不同的新技术，这就要求天空地信息网络在设计阶段就要考虑可扩展性和开放性，使其既能够满足当前部分应用需求，又能够符合未来应用的长期需求，避免重复建设和投资。

（2）网络架构

与无线Mesh网络类似，天空地信息网络节点的移动性特征与职能开始分化，网络层次越高，节点的处理能力越强、功率越充足，但中层空中骨干网络与各类接入网络移动性都较强，地面和天基骨干网移动性较弱，而无线Mesh网络的层次越高，移动性越弱。因此，这里提出适合天空地信息网络的移动Mesh网络模型，即改变作为网关的Mesh网络骨干节点的低移动性，因此，接入网络发生接入点切换的原因由原来单纯的终端节点或终端网络移动变为兼由空中转发节点的快速移动。

图3 天空地信息网络体系架构

天空地网络具有以下一些特点：

1）多跳无线网络，在保持当前信道容量的情况下，扩展了无线网络的覆盖范围，提供超视距连接；

2）网络结构，具有自组织、自愈和自我管理等自适应能力；

3）网关节点与路由器以及终端节点都具备移动性特征；

4）多种网络接入方式，包括树形与直接端到端；

5）通过移动网关实现各种无线移动网络的集成。

三

关键技术

（1）天空地网络异构兼容技术

（2）天空地网络自适应传输技术

（3）天空地网络QoS路由技术

（4）天空地网络管理技术

（5）天空地网络仿真技术

结束语

以多跳无线连接和路由器移动为特征的移动Mesh架构和NEMO网络互联将成为未来天空地信息网络发展的必然趋势。本文从装备能力和相关技术两方面分析了天空地信息网络的相关工作进展，并基于业务需求、环境特性和平台特性提出天空地信息网络架构要求和基于Mesh/NEMO的体系架构设想，分析相关关键技术发展方向，为未来构建天空地一体化信息网络提供技术参考。