学术：天地一体化天基骨干网络体系架构研究

2016-10-11 ☞ 信息与电子前沿

今日荐文

今日荐文的作者为北京空间信息中继传输技术研究中心专家黄惠明，常呈武。本篇连载自论文《天地一体化天基骨干网络体系架构研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第10卷第5期。下面和小编一起开始学习吧~

随着信息技术的迅猛发展，信息网络技术已经改变了人们的生活方式，并成为推动社会进步的主导力量。为此，各国竞相争取在天基信息网络领域占据优势。

美国国家航空航天局（NASA）与军方相继提出了“空间通信与导航体系结构（SCAN）” 、“转型通信体系”；
2013年1月俄罗斯发布《2013-2020航天活动规划》，强调发展航天技术、研制航天装备、完善航天基础设施；
欧洲国家合作推出“多国天基成像系统”、“伽利略系统”预计在2020年前后投入使用；
日本2013年1月提出《宇宙基本计划》，指导未来5～10年航天发展。

我国空间信息网络领域的研究肇始于国家《高技术研究发展计划纲要》（即“863计划”）。近年来，随着国家利益向全球的拓展和我军“基于信息系统体系作战”理论的提出，空间信息网络日益成为国家、军队决策层和航天领域专家学者共同关注的热点。2013年10月工业与信息化部启动了“天地一体化网络”研究计划，2013年12月，国家基金委启动了“天基综合信息网络”重大研究计划。空间信息网络是什么？空间信息网络发展的规律是什么？我国空间信息网络发展应该走出一条什么样的发展道路？这些都是迫切需要研究回答的问题。

网络的本质是完成信息的交换与共享，由于天地一体化网络承载业务的多样性，以及天地一体化网络大时空、长时延、有中断、多轨道、多类型的特征，天地一体化网络需要解决两个基本的问题：异构网络互联和全网的管理问题。中心作为天链卫星系统的运控总体设计和运行管理单位，依托空天宽带技术重点实验室开展了天基骨干网络体系架构、传输技术和系统应用的研究工作，提出了天地一体化骨干网络体系架构基本构想。

1.关于天地一体化网络体系架构和发展规律的基本认识

研究天地一体化网络的系统结构，必须系统研究各种网络的基本结构和发展现状，从中找出规律性的认识，以期指导天地一体化网络总体发展论证。

1.1地面网络系统的基本结构

从计算机网络理论和地面网络的发展现状来看，网络有两种基本的结构形态，分别是：对等网和主干—接入网。在对等网络（peer-to-peer network）中，各个网络节点的功能是对等的，网络结构是对称的，如图1所示。在主干—接入网络（backbone-access network）中，各个网络节点或子网通过接入网络实现信息的聚合，再接入主干网络进行远域传输分发，如图2所示。

图1 对等网络结构示意图

图2 主干—接入网络结构示意图

1.2卫星网络结构的发展现状

在卫星网络的发展历程中，也存在两种网络架构：对等网络和主干—接入网络。如：“铱”星系统由66颗LEO卫星组成，系统中的每个卫星节点（node）与临近的卫星节点均存在4条星间链路，每个卫星节点均具有接入、处理、路由、分发功能，每个卫星节点的功能相同，网络结构对称，系统具有自洽性，属于典型的对等网络，如图3所示。而美军转型通信卫星TSAT系统，由5颗GEO卫星组成，星间通过激光链路组成10Gbps的骨干网络，与其它目标或子网通过电路交换或分组交换的方式接入，属于典型的主干—接入网络，如图4所示。

图3“铱”星移动通信系统对等网络结构

图4 TSAT系统主干—接入网络结构

1.3天地一体化网络的未来结构

未来的天地一体化网络，将是对等网络和主干—接入网络共存的异构网络。对于具有独立功能的自洽系统，如：低轨卫星通信系统、预警卫星系统、导航定位系统等，可以保持对等网络的模式。而对于大数据的远域传输以及天地一体化网络支持的绝大多数应用模式，将仍然是主干—接入网络为主的模式。如图5所示。

图5 天地一体化网络未来结构示意图

图5中间一层卫星示意为对等卫星网络，但在最外层示意的主干—接入网络中，主干网络接入的子网也可以是自洽的对等网络或者第二级核心子网。因此，未来的天地一体化网络是一个复杂的既包含对等网络也包括主干—接入网络以及二者组合的异构网络。

2.基于GEO高轨卫星的天地一体化天基骨干网络体系架构

2.1基于GEO高轨卫星的天地一体化天基骨干网络系统

基于GEO高轨卫星的天地一体化网络的系统架构，可以分为：总体架构、空天主干网、空天管理网、空天接入网、专业应用网和地面综合网来论述。

2.1.1总体的架构

基于GEO高轨卫星的天地一体化网络是一个由数据网、管理网合二为一的骨干网络，与其它子网、节点直接铰链或通过接入网接入的复杂网络，如图6所示。

图6 基于GEO高轨卫星的天地一体化网络总体架构示意图

2.1.2各部分功能

基于GEO高轨卫星的天地一体化网络由空天主干网、空天管理网、空天接入网、专业应用网和地面综合网组成，各部分主要功能如下

（1）空天主干网：即由GEO高轨卫星之间的星间激光通信链路组成的空天主干网络，完成其它专业应用子网、节点的远域传输分发和信息交换。

（2）空天管理网：即由GEO高轨卫星的SMA数字多波束组成的泛在空间网络，在地球空间1500Km高度以下的范围内实现与LEO各类航天器以及临近空间、空基、地基、海基等高价值目标的无缝连接，完成对各类空天目标的管理。

（3）空天接入网：基于GEO高轨卫星的天地一体化网络有两种接入方式：一是GEO高轨卫星的单址天线、激光天线、Ka相控阵直接与MEO、LEO各类航天器以及临近空间、空基、地基、海基等高价值目标接入，并完成数据汇聚与分发；二是GEO高轨卫星通过单址天线、激光天线、Ka相控阵与天基接入网或各类专业子网的核心节点接入，天基接入网或各类专业子网再进行数据汇聚与交换。

（4）专业应用网：专业应用网是基于GEO高轨卫星的天地一体化网络服务的对象，也是整个网络体系中的成员和有机组成部分，专业应用网是指各种通信子网、预警子网、侦察子网、临近空间子网、空基子网、海基舰队子网、陆基子网及其重要节点。

（5）地面综合网：地面综合网由GEO高轨卫星控制中心、任务规划中心、数据分发中心、用户中心、信关站及其连接的地面网络组成，完成GEO高轨卫星的控制管理、资源分配，用户卫星的天基测控、应急控制和数据分发，应用信息的数据处理，以及信息传输协议的转换。

2.2 基于GEO高轨卫星的天地一体化天基骨干传输网络

2.2.1天地一体化天基骨干传输网络构型设计

基于GEO高轨卫星的天地一体化天基主干网络，是一种激光通信与微波通信相结合的异构网络，考虑到作为空天主干网络的功能和特征，设计如图7所示。

图7 天地一体化天基主干环型网络示意图

考虑激光通信传输距离能力限制，再综合考虑轨位继承和空间组网的需求，在A、B、B'、C中国国内可见的四个GEO轨位的基础上，为了满足全球覆盖的需要，拟在太平洋东部、大西洋西部的赤道上空D、E两个GEO轨位上分别部署1颗激光通信卫星，星间采用激光通信链路，构成6结点空间激光宽带网络。B、B'两个GEO轨位部署2颗全激光链路卫星，满足中国境内仰角大于30度的星地激光通信要求，在A、C两个GEO轨位部署2颗激光/微波混合链路卫星，星地之间通过微波链路落地，D、E两个GEO轨位上主要配置微波载荷，满足多目标应用需求，由于中国境内不可见，通过激光链路分别与A、C两个GEO结点连接，通过邻星进行卫星管理和数据传输。

通过对星间距离分析及对各测站的仰角的分析可以得知，在六节点情况下，各星间的距离都在45000Km左右，对激光终端的要求以及建立星间高速激光环网的难度大大降低；高速数据能通过处于B结点、B´结点的两颗卫星实现激光链路落地，同时也能通过处于A结点、C结点的两颗卫星实现微波落地。

2.2.2天地一体化天基骨干传输网络协议设计

网络体系结构的研究、设计和试验主要围绕网络体系结构的基本要素展开。这些基本要素包括三个方面：

数据传送格式，例如数据格式、标识方式等；
节点转发方式，例如无连接的分组交换方式（共享通信资源方式），面向连接的电路交换或虚电路交换方式（独占通信资源方式）；
路由控制策略，解决如何高效地实现数据的网络传送问题，例如动态路由，组播路由，服务质量控制QoS，采用软件定义技术SDN的可编程路由等。这三个基本要素在不同应用场景中选择不同的技术路线，便构成了不同的网络协议体系和架构。

（1）基于GEO高轨卫星的天基骨干网络协议设计需求

基于GEO高轨卫星的天基骨干网络是一种适应多种平台、多种速率、多种协议的复杂网络系统，其协议体系也必须具有支持异构网络互联、数据汇聚分发能力。基于GEO高轨卫星的天基骨干网络，其传输协议设计需求为：

1)链路类型：可分为微波通信链路、激光通信链路，不同的链路类型主要影响物理层、链路层的协议设计。

微波通信链路：包括SMA多址链路、S频段单址链路、Ka频段单址链路和Ka频段多址链路；
激光通信链路：包括星间激光通信链路、星地激光通信链路。

2)数据类型：从大的方面划分，可分为管理类数据、应用类数据两大类，不同的数据类型主要影响网络层协议。

管理类数据：包括测控数据、位置数据、状态数据、申请数据、广播数据、网管数据等种类；
应用类数据：包括用户前向数据、返向数据。

3)数据速率：可分为低速数据、中高速数据、超高速数据，不同的数据速率主要影响交换方式，从而影响协议设计。

低速数据：指Kbps级的管理类或应用类数据，最高支持速率为100Kbps；
中高速数据：指最高10Mbps级的管理类数据以及最高不大于1Gbps的应用类数据；
超高速数据：指大于1Gbps至几十Gbps级的应用类数据。

4)协议类型：可分为CCSDS、SDH、IP、MPLS等多种协议，不同的协议类型与数据速率、交换方式密切相关，所谓的异构网络主要指不同协议的互联互通。

（2）基于GEO高轨卫星的天基骨干网络协议原型描述

按照网络协议工程理论，n层协议为了向上一层提供服务，必须实现一定的功能。如传输层一般需要实现连接管理、差错控制、流量控制等功能。但基本的协议功能，主要分为两大类：连接管理和数据交换。基于GEO高轨卫星的天基骨干网络，其协议原型如图8所示。

图8 基于GEO高轨卫星的天基骨干网络协议原型示意图

1)在骨干网络上采用WDM波分复用技术，基于激光波长交换完成骨干网的传输和节点分发；

2)在每个激光通信电路上，采用SDH技术，承载基于MPLS的IP汇聚数据或CCSDS子带数据；

3)在每个激光通信电路上，采用SDH技术，承载基于CCSDS的电路交换数据；

4)在协议原型中，IP分组交换与MPLS多协议标签交换之间的接口是空间微波接口，MPLS多协议标签交换、CCSDS子带交换、CCSDS电路交换与SDH之间的接口是空间激光接口。

（3）基于GEO高轨卫星的天基骨干网络协议层次模型

基于GEO高轨卫星的天基骨干网络，为了满足其多种协议异构互联、多种速率汇聚分发的需要，根据网络协议工程连接管理和数据交换的基本功能，设计了以下基于GEO高轨卫星的天基骨干网络协议层次模型，如图9所示。

图9 基于GEO高轨卫星的天基骨干网络协议层次模型示意图

2.3 基于GEO高轨卫星的天地一体化天基小S管理网络

2.3.1天地一体化天基小S管理网络系统设计

天地一体化天基小S管理网，是基于GEO高轨卫星的SMA构建的信令网络，主要思想是基于SMA的全景波束，构建以地球为中心从LEO轨道至地球表面无缝覆盖的信息空间，即信息空间球。实现航天器和高价值空天目标在信息空间中的泛在感知、在线管理和资源动态规划，主要包括基于时分多址的前向多目标控制、基于全景波束的返向多目标感知和基于多维协同的目标移动性管理等研究内容。如图10、11所示。

图10 单颗GEO高轨卫星泛在接入示意图

图11 GEO高轨卫星天地一体化天基小S管理网示意图

2.3.2基于GEO高轨卫星SMA相控阵的空天管理网络协议研究

（1）基于时分多址的前向多目标控制

基于GEO高轨卫星构建的天地一体化天基小S管理网络，前向波束由星上16个阵元通过微波网络合成，目前前向波束只有1个，前向波束的数量与天地一体化网络中需要管理的各种空天目标成员相比，处于不对称状态。由于GEO高轨卫星的SMA只有1至2个前向波束，在进行空天多目标控制管理时有两种策略：一是基于全域广播的资源动态更新，二是基于时分多址的空天目标管理。

1）基于全域广播的资源动态更新

为了便于空天用户平台更好地使用天地一体化宽带网络资源，避免无序申请的冲突，GEO高轨卫星任务规划中心通过GEO高轨卫星SMA前向波束周期性广播GEO高轨卫星系统资源应用情况和空闲窗口，指导空天用户平台进行资源申请，以提高系统资源利用率和用户申请的满足率。帧结构格式如下。

标记

广播地址

控制

系统资源使用计划

CRC

2）基于时分多址的空天目标管理

由于GEO高轨卫星SMA前向波束的数量有限、带宽较窄，同时考虑前向控制数据的低速性、非连续性的特征，采用TDMA（时分多址）方式可以满足空天目标管理需求。TDMA（时分多址）可以分为TDMA/PA（预分配时分多址）、TDMA/DA（按需分配时分多址）。空天目标管理必须同时满足短数据的管理信息和长数据的控制指令的需求，因此本系统采用CA/RDMA（组合访问时分多址方式），此方式是一种同时包括争用方式和固定分配方式的多址访问协议，它由S-ALOHA（时隙多路访问协议）和TDMA/FA(固定分配时分多址)组成，主要用于信道内各类管理信息的异型混合，其中有些需要低延时的交互式管理信息，有些则要求分配专用信道来传输大业务量的控制、指控和语音信息。CA/RDMA（组合访问时分多址方式）具有良好的韧性、均衡的时延和平衡的信道使用方式，比较适合于空天目标管理所需要的交互式管理信息传输以及专用带宽下的控制信息和话音等应用数据传输。CA/RDMA（组合访问时分多址方式）的数据格式如图12、13所示。

载波

恢复

定时

恢复

发射

地址

接收

地址

信息

校验位

图12 ALOHA数据分组格式

图13 TDMA帧结构

TDMA帧由参加卫星通信的各空天目标的分帧组成，每1帧的分帧之间设有保护间隔，以免由于各分帧同步不准确而使各分帧在时间上相互重叠。基准分帧是TDMA帧的时间标准，一个消息分帧由前置码和信息码两大部分组成，前置码也称报头，位于消息分帧的前部，用于保证消息的正确传输。

（2）基于全景波束的返向多目标感知

GEO高轨卫星SMA的返向波束由地面波束形成设备合成，通过仿真分析，在GEO轨道上部署3颗间距相等的卫星、每颗卫星的SMA合成35个波束即能够形成从2000Km高度至地面无缝覆盖的信息空间，可以实现LEO（近地轨道）、临近空间以及空基、地基、海基各类目标随时随地接入的需要，实现各类空天目标的泛在接入。

通过GEO高轨卫星SMA全景波束支持返向多目标感知，为了增加多目标支持能力，通过研究分析，拟采用CDMA码分多址方式，CDMA使用不同的扩频序列，其技术基础是使用一组正交（或准正交）的伪随机噪声序列通过相关处理实现多用户共享频率资源和同时入网的接入功能，相互间影响小，频带重复利用率高，具有扩频通信所固有的抗干扰能力强、抗多径衰落、安全保密性好等优点。关于空天多目标的感知，拟采用目标主动上报机制。上报信息包括网络管理信息和应用类信息。基本格式如下。

报头

类别码

状态

信息

位置

信息

申请

信息

辅助

信息

校验

在网络管理中，空天目标需要周期性上报目标状态信息、位置信息、申请信息和辅助信息。状态信息是指空天目标的系统工作状态是否正常，所给出的一个综合性结论信息；位置信息对于航天器而言，是指航天器的轨道根数、星历，对于非航天器类空天目标，是指其运动轨迹；申请信息是指空天目标需要申请的GEO高轨卫星资源，包括：速率、时段、时延要求、优先级、QOS等信息；辅助信息指前向指令的应答信息、子网信息以及辅助的管理信息等。

基于GEO高轨卫星SMA的应用信息传输，是一种“尽力而为”的网络服务模式，其数据速率根据网络资源的占用程度进行动态调整，这种调整是基于“子信道组合”方式在地面信关站自动完成的。其数据格式为：

报头

信息类别

信息速率

QOS要求

数据

其中的信息类别，主要区分话音、数据、图像，信息速率是指本帧数据传输的速率，QOS针对话音、数据、图像的不同应用，采取不同的数据传输策略。

（3）基于多维协同的目标移动性管理

多维协同控制的核心是需要在多颗星、多个波束，多个用户、多类上下行业务间进行综合协调，其本质上是一种系统内的资源调度以及系统间的协同配置优化问题。

1）波束资源的多维映射

借鉴移动通信资源定义和分配思路，基于GEO高轨卫星SMA多址接入能力，细化GEO高轨卫星资源调度的“粒度”，构建各类用户、业务和星上波束资源的映射关系，该部分是协同控制的基础，主要依托SMA返向波束物理层新波形以及多址接入和业务传输机制的构建，动态建立各类控制信道、业务信道与资源“粒度”的映射关系。

2）GEO高轨卫星信关站与测控系统的高效协同

设计GEO高轨卫星通信信关站与GEO高轨卫星测控系统的高效协同接口，构建通信信关站与卫星测控系统间的资源发布、资源申请、波束控制通路，确保通信系统动态资源调配与卫星波束资源调度的协同。

3）多波束可靠切换高效协同

需建立星间和星内波束切换机制，否则难以保障波束边缘空天目标的业务连续性。

图14 波束切换示意图

波束切换包括星内波束间切换和星间切换两种情况。一般来说，切换过程包括切换测量、切换判决、切换执行三个步骤。通过测量可以获取当前波束以及相邻波束的信号强度。切换判决是是否需要切换以及何时切

换的判决准则，与公众网的切换判决不同，本系统初步拟采用基于地理位置和信号强度相结合的切换控制技术进行切换判决，对于高速运动平台可引入平台方向性信息，以确保切换的实时性和可靠性，其中，空天目标的地理位置可以从空天目标上报的网络管理信息中获取。切换执行是在切换判决满足切换条件时执行切换过程。

3.结语

GEO高轨卫星配置SMA、KaMA、Ka、激光等多种载荷，将支持空天目标的管理和异构网络的互联互通，形成天地一体化天基骨干数传网和天基小S接入管理网，解决空天目标在线管理和信息远域传输的两大难题。在此基础上，发展我国空间激光宽带骨干网络，形成比较完善的天地一体化天基骨干网络体系架构，与地面光纤网络实现融合互通，促进天地一体化网络的高水平发展和进步。