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专题丨软件定义的星地组网体系架构研究
作者简介
魏琳慧
北京邮电大学在读博士研究生，主要从事天地一体化信息网络、软件定义网络、多媒体传输技术等方面的研究工作。
帅家成
北京邮电大学在读硕士研究生，主要从事天地一体化信息网络、软件定义网络等方面的研究工作。
刘 雨
通信作者。北京邮电大学人工智能学院副教授，鹏城实验室网络与通信研究中心副教授，长期从事天地一体化信息网络、压缩感知、分布式源编码等方面的研究工作。
望育梅
北京邮电大学人工智能学院副教授，鹏城实验室网络与通信研究中心副教授，长期从事多媒体信号处理、无线多媒体传输和分布式视频编码等方面的研究工作。
论文引用格式：
魏琳慧, 帅家成, 刘雨, 等. 软件定义的星地组网体系架构研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):47-54.
∗基金项目：国家重点研发计划项目（No.2019YFB1803103）、北京邮电大学博士生创新基金项目（No.CX2021113）资助
软件定义的星地组网体系架构研究*
魏琳慧1 帅家成1 刘雨1,2 望育梅1,2
（1. 北京邮电大学人工智能学院，北京 100876；2. 鹏城实验室网络与通信研究中心，深圳 518000）
摘要：星地融合组网是未来网络的发展趋势，但是卫星星座拓扑的高动态变化，端到端的业务传输仍存在挑战。软件定义网络作为解决网络动态管理的重要技术，近些年来被应用于星地网络中。介绍了现有的软件定义网络的星地组网体系架构，研究了控制器部署位置对组网体系架构的影响。此外，分析了软件定义星地组网架构的应用前景。
关键词：星地融合组网；软件定义网络；体系架构
中图分类号：TN927. 2 文献标识码：A
引用格式：魏琳慧, 帅家成, 刘雨, 等. 软件定义的星地组网体系架构研究[J]. 信息通信技术与政策, 2021,47(9):47-54.
doi：10.12267/j.issn.2096-5931.2021.09.008
0 引言
随着新兴应用产业蓬勃发展，无线接入服务需求也不断增长[1]。5G网络作为地面网络无线通信的重要组成部分,在很大程度上满足了人们的服务需求。然而，由于网络覆盖范围及容量有限，在偏远地区提供高速率和高可靠性的通信仍存在局限性。近年来，具有高通量、低时延等特性的卫星得到了广泛关注，卫星通信已不再仅作为地面网络的补充。将卫星网络与地面网络的优势相结合，构建一个星地融合组网体系架构是未来网络的重要发展趋势[2]。
星地融合组网体系作为一种新型网络架构，采用微波、太赫兹或者激光链路进行信息传递，具备星上处理、星上路由等功能,达到异构网络的互联互通特性。通过对天网和地网的有效融合，并结合地面网络低时延和卫星网络广覆盖等特性，可实现异构网络资源的高效管理。星地融合网络可广泛应用于多媒体内容分发、遥感信息观测、应急救援场景、智慧交通等领域,为用户提供无缝、稳定的全场景全时接入服务[3]。
目前，星地融合组网体系架构的研究取得了初步的成果。但是，如何实现星地组网的动态管理、资源的高效利用、业务的灵活调度等，为用户提供定制化的高质量服务保障仍存在着重大挑战。软件定义网络（Software-Defined Networking，SDN）作为一种新型网络设计理念，在星地网络的状态监测、跨域资源调度等方面都具有优势。因此，本文主要关注星地融合组网的发展趋势，以及软件定义的星地融合组网体系架构。
1 星地融合网络发展趋势
由于天基网络与地基网络之间存在着较大的异构性，星地融合网络在发展过程中将会遇到诸多问题。本章主要介绍星地融合网络体系架构、研究进展及技术挑战。
1.1 星地组网体系架构介绍
星地组网体系架构以地面网络为基础，卫星网络为补充和延伸，为各种网络应用提供智能化的信息保障。星地组网体系架构满足大规模无线接入服务的需求，可为海陆空用户提供无缝的网络覆盖（见图1）。
卫星网络由各种卫星星座组成，包含地球静止轨道（Geostationary Orbit，GEO）卫星和低轨道（Low Earth Orbit，LEO）卫星，可实现全球网络覆盖、泛在连接等功能。GEO卫星之间通过星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）连接，构成了卫星骨干网，3颗GEO卫星即可实现网络的全球覆盖。LEO卫星的部署进一步扩大了卫星骨干网的覆盖范围，LEO卫星星座能实现目标区域覆盖。卫星多采用Ku和Ka频段通信；卫星上搭载的星上处理载荷实现在轨计算；卫星通过卫星网关接入地面网络，将数据传送到地面管理中心。此外，海事卫星（Inmarsat）终端、卫星电话等用户设备可以直接接入卫星网络。
地面网络具有低时延、低功耗等特点，为用户提供高速的网络接入服务。地面管理中心具有强大的计算能力，提供数据存储和信息交换。星地组网体系架构中的数据处理主要依赖于地面管理中心。蜂窝网络可为用户的移动终端提供低时延服务。个人笔记本电脑和手机等用户设备通过无线接入点接入互联网。具有高速计算、存储能力的云平台用于海量数据的实时处理，通过将计算能力卸载到网络边缘，在很大程度上降低了任务下发的时延。
卫星网络与地面网络相辅相成,优势互补。卫星网络主要为海洋、偏远地区、应急场景等区域提供网络覆盖；通过与卫星的协同覆盖，地面网络主要为城市中人口密集区域提供稳定的网络覆盖。卫星网络和地面网络的性能参数对比情况如表1所示。星地融合网络需要满足多样化的用户需求，为终端提供智能化的接入服务。在异构网络中，实现网络资源的灵活管理是亟需解决的问题。表1 卫星网络和地面网络的性能参数对比
1.2 研究进展及挑战卫星通信业界对星地融合组网的探索已接近20年[4]。21世纪初，美国军方提出的转型卫星通信系统（Transformational Satellite，TSAT）[5]由5颗GEO卫星构成，利用激光通信、星载路由等形成空间高速数据骨干网，实现高容量的信息共享，从而将美军全球信息网格（Global Information Grid，GIG）延伸到缺乏地面基础设施的区域。2005年，欧盟提出的“面向全球通信的综合空间基础设施（Integrated Space Infrastructure for Global Communication，ISICOM）” 计划[6]旨在解决未来网络通信系统的融合。ISICOM 的卫星网络部分由3颗GEO卫星组成，还考虑了高空平台（High Altitude Platform，HAP）、无人机等节点的设计，通过激光通信、射频接入和波束成形等关键技术，促进了星地融合一体化的进程。
由于传播延迟低，LEO卫星星座受到了极大的关注。铱星（Iridium）[7]由66颗LEO卫星组成，在780 km的轨道高度运行以提供全球覆盖。全球星（Globalstar）[8]由48颗LEO卫星组成，轨道高度为1414 km，可为终端用户提供传播和处理延迟小于300 ms的无缝覆盖。此外，美国太空探索技术公司（SpaceX）发射的“星链”（Starlink）[9]卫星星座计划使用由1.2 万颗LEO卫星组成的网络提供低成本接入服务。
第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）作为通信标准的制定组织之一，从R15标准开始就为空间网络标准化作出贡献。R15 TR.22.822[10]讨论了5G与卫星网络融合时的多个应用场景、相关网络架构等，定义了卫星网络包含的透明卫星（没有星载处理能力）、再生卫星（具有星载处理能力）两种功能。此外，由欧盟资助、欧洲16家组织机构联合成立了5G网络和地面卫星（Satellite 5G，SaT5G）组织[11]，旨在建立即插即用式的卫星通信解决方案，以加速5G在各种地理条件下的部署。2018年，受欧盟“地平线2020（Horizon2020）”和韩国项目资助，由10家公司共同参与的“5G卫星和蜂窝网络的灵活集成（5G-ALLSTAR）”项目立项，旨在设计、开发、评估和试验基于多址的多连通技术，结合蜂窝和卫星接入技术，支持无缝、可靠和无处不在的宽带服务。
由于星地组网融合体系架构的异构性，卫星网络与地面网络之间存在天然的屏障，如何实现异构网络之间的资源管理、信息高效传输是个关键问题。此外，卫星星座拓扑的高动态变化，以及星间链路、星地链路由于距离较长，在传输过程中难免遭遇到气候因素影响等原因，导致卫星网络之间连接不稳定。在卫星网络中实现端到端的路由寻址、业务切换，仍需要考虑时延、抖动、服务质量等因素的影响。因此，星地组网体系架构在发展建设过程中所面临的问题与挑战仍需重视。
2 软件定义的星地融合网络架构
SDN作为一种新型的网络技术，实现了控制平面与数据平面的分离，提升了网络的灵活管理与智能化控制，引入SDN技术，可进一步提高星地组网体系架构的资源管理能力。软件定义的星地组网体系架构，将星地组网体系结构分成数据平面、控制平面和应用平面3个逻辑层次，具体如图2所示。通过部署控制器，利用链路发现协议进而获取星地融合网络的全局状态视图，为海量数据访问提供了一个潜在的解决方案，保证了网络的智能化和可靠性。
2.1 星地SDN组网的优势分析传统卫星通信网络是根据卫星节点反馈到地面站的信息，进行计算预测和切换管理，存在较大的时延，也无法及时应对网络中的突发状况。SDN采用星上分布式控制器划分多个子网，避免了切换时频繁信令交换带来的传输时延，能更好地适应卫星网络高时延、高动态的特点。传统的卫星通信网络基于拥塞节点与其周边节点的情况进行流量调度，其分布式负载均衡的方式往往只能对局部进行改善，缺乏对卫星通信网络全局流量的均衡。SDN技术可以获得全局网络拓扑，通过控制器的负载均衡，易于制定全局最优的流量策略。
将SDN的思想引入星地组网体系架构中，通过控制器集中收集融合网络中节点和链路的实时状态，进一步获取网络的全局视图，可掌握整个星地网络的变化情况。各异构通信网络构成数据平面，完成数据处理、转发等功能。数据平面包含无线感知模块，用于感知移动网络中终端设备生成的数据。此外，通过对数据进行安全监测，可保证所有数据在异构网络中的安全传输。采集到的数据最终通过南向接口传输到控制平面。控制平面包含部署在地面网络和卫星网络的控制器。控制平面下达控制信令，对各网络中所配置的控制器进行集中管理、网络拓扑发现等，很大程度上提高了网络的更新和配置性能。控制器统一收集网络信息并计算路由策略，数据平面的卫星根据收到的路由策略进行信息转发，大大降低了底层卫星节点的计算压力，减少了网络中的信令交换开销。应用平面主要为各种应用提供定制的程序接口，实现了用户对于各种业务的需求。
相比传统的星地融合网络，基于SDN的星地融合网络具有高度可控性。通过控制平面可以获得星地融合组网体系架构的全局视图，并实时获取网络状态，从而进行星上路由计算等功能。而在数据平面中，网络节点如LEO卫星，只负责数据转发操作,很大程度缓解了星上开销。同时，SDN控制器的跨域资源管理解决了由于卫星网络和地面网络的异构性带来的资源调度问题。简而言之，SDN推进了星地融合网络的发展。SDN数控分离、软件可编程思想使得卫星通信网络数据平面设备要求降低，可将更多的资源集中于数据平面转发。通过在星地融合网络架构中部署多种形态的SDN控制器，通过南、北向接口将应用平面的请求发送到网络设备中，在数据平面采用集中的方式进行数据流处理，在控制器中实现网络的分层控制，从根本上提高了资源管理和调度的能力。
2.2 多域SDN的星地融合网络架构为最大限度地发挥 SDN技术在星地融合网络架构中的作用，国内外研究人员已经提出了许多软件定义的星地融合组网体系架构。SDN控制器具备制定全局路由策略和执行智能流量卸载等功能，其部署位置对于星地组网性能有着重要影响。基于SDN控制器部署的空间地理位置可将星地融合组网体系架构划分为单层部署和多层部署两种方案。表2对不同控制器部署方案的性能进行了对比。表2 不同控制器部署方案对比
2.2.1 单层控制器部署单层控制器部署方案是指在卫星网络或地面网络中部署控制器。地面站具有强大的计算和存储能力，单层的地面控制器垂直部署方案通过主控制器获取整个网络内控制器的共享网络信息，并将网络信息传递到其他控制器中。主控制器是控制器信息交换的枢纽，承担所有控制器之间的通信工作，并具有全部网络信息。而其他从控制器掌握部分网络信息，但彼此之间并不互相通信，主从控制器之间相互配合，从而实现更高效的网络管理和路由路径更新。此外，还有一种单层的地面控制器水平部署方案。相比于垂直方式，水平方式中不存在主控制器，所有分布式控制器彼此平等，相互之间存在通信链路以便互相通信，且每一个控制器均具有全网的拓扑信息。
Feng等人提出的SDN-SatArc[12]架构将控制器部署在多个地面站中，设计了基于SDN的卫星和地面融合组网方式。HetNet[13]与FRBSN[14]架构通过在地面控制中心部署SDN控制器用于获取整个网络状态并向数据平面发送指令，解决网络中资源分配的问题。Yang等人提出的SDSN[15]架构也将控制器部署在地面，在地面控制站对LEO卫星下发控制命令时，要通过GEO卫星对控制指令进行转发后再统一配置给LEO卫星，这样提高了LEO卫星的入网效率，使天基网的组网方式更加灵活。
除了将控制器部署在地面之外，GEO能够与网络运行控制中心保持连接，也可以利用星间链路与低轨卫星保持通信，适合作为控制平面实体。最早提出的软件定义的星地组网架构OpenSAN[16]将GEO卫星设置为控制层，主要负责转发数据平面的规则，并监测卫星网络的状态（连接状态、网络流量、不同流动状态）等。与传统的卫星监控系统相比，OpenSAN减少了地面站的数量，简化了控制流程。
此外，还可以在LEO卫星中部署控制器。LEO卫星能够覆盖全球，完成基础的接入和转发功能，不需要过于复杂的结构。由于LEO卫星的高度动态性，其网络拓扑变化较快，控制器一般是动态地分布在所有LEO卫星中，通过LEO卫星控制器收集网络信息并下达控制指令。
2.2.2 多层控制器部署多层控制器部署方案是近年来采用较多的控制器部署方式，多层控制器部署方案集合了单层控制器部署方案的优点。首先，具有地面控制器的高计算能力，也可以实现控制器对卫星的全面覆盖；其次，GEO 与LEO 控制器使地面与卫星的通信变得更加易于管理；同时，由于天基网拥有自己的控制器，从而减少了卫星与地面的频繁通信，也缓解了时延造成的信息传输不可靠问题。但是，多层控制器方案使得控制节点增多，增加了网络的动态性，当控制节点数目增加和动态性增强时，控制节点需要进行同步以维护全局网络视图，这也会增加网络的时延。
Li等人提出的SERvICE[17]架构将控制器部署在地面数据中心、卫星网关和GEO卫星上，控制器主要负责将GEO卫星收集的网络信息传送至地面管理中心，在维护网络全局视图和流量控制等方面具有优势。Shi等人提出的MLSTIN[18]架构分别在GEO卫星、HAP和地面网络中部署控制器。跨域SDN控制器通过动态调节网络行为,进而管理网络资源；通过东西向接口与各域其他控制器通信,交换聚集的控制信息；通过层次化的控制器部署模式来实现对网络的集中控制。表3将现有基于SDN的星地组网体系架构中控制器的部署位置进行了对比。表3 现有架构中SDN控制器部署位置对比
3 应用前景
星地组网体系架构实现了多种异构网络的融合，为海陆空用户提供了一个无缝的信息服务，可满足未来网络在任何时刻、任何地点通信的需求。基于SDN的星地网络在网络资源共享、灵活网络管理等方面有优势，可根据应用场景设计控制系统方案，满足不同业务流程的需求，具有非常广阔的应用前景。
3.1 视频传输业务受新冠肺炎疫情的影响，人们对高质量视频的需求不断增加。用户的极速增长对网络性能提出了更高的要求，也给网络信息传输带来巨大的挑战。视频业务对于时延、带宽、吞吐量等服务质量指标要求较高，受限于网络容量和覆盖范围，地面通信系统无法在全球任一地方提供高质量的视频传输业务。此外，由于卫星网络运动速度较快，星间切换频繁，容易出现信息拥塞、链路失效等网络故障，因此在星地网络中实现端到端的视频业务传输面临重大挑战。
在基于SDN的星地融合组网架构中，将视频业务存储到网络的云服务器中，通过SDN技术获取网络拓扑状态。当用户发起视频业务请求时，由云服务器响应用户的请求，根据当前网络状况及请求的视频业务是否已缓存到云服务器中，位于地面网络和卫星网络的控制器实时依据网络状态，调整视频业务的传输路径。此外，地面站可以与多个卫星同时建立连接，创建多个视频传输的子流，使用多条卫星链路进行传输，有效地提高传输吞吐量。当卫星与地面站进行切换时，使用备份子流可以保证通信不中断，在保障用户服务质量的前提下，高效地将视频业务传输到用户终端。
3.2 遥感观测任务在应急场景如火灾、地震中，地面网络常发生故障等问题，地面通信的基础设施很容易遭到严重破坏，需要依靠卫星网络实时观测信息的传输。由于基于SDN的卫星网络不受地理条件的约束，可以实现高效的跨域资源协作分发。当通信的距离较远时，相较于传统地面网络和高轨卫星星座，低轨卫星网络具有较低的接入时延。
遥感卫星实时获取到对地遥感数据后，需要将其经由星地链路传输到地面的指挥中心。将遥感卫星数据传回地球站是一个跨域协同、复杂多变的资源分配问题。遥感观测网络节点载荷有限，并缺少完整的端到端链路,导致通信机会转瞬即逝。在短时间内完成观测任务的信息传输，可以很大程度上辅助救援。为协调网络资源并充分利用星上载荷，有些观测数据可以在卫星上进行信息的实时处理，减少了星地链路的传输时延。在基于SDN的星地融合网络架构中，通过SDN技术对整个星地网络规划最短路由策略，遥感数据会以最快速度传回到地面站。
4 结束语
本文介绍了软件定义的星地组网体系架构的相关研究进展。基于SDN的星地融合组网体系架构具有共享网络资源、灵活管理网络的优势，具有非常广阔的应用前景。SDN控制器的部署位置，对于星地融合组网体系架构的管理方式、网络性能都有着重要影响。随着多类型业务的爆发式增长，为满足用户更为灵活的网络接入方式，需要构建一个高可靠、可控的星地融合组网体系架构。
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Research on integrated satellite and terrestrial network architecture based on software-defined networking
WEI Linhui1, SHUAI Jiacheng1, LIU Yu1,2, WANG Yumei1,2
(1. School of Artificial Intelligence, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876, China; 2. Research Center of Networks and Communications, Peng Cheng Laboratory, Shenzhen 518000, China)
Abstract: The integrated satellite and terrestrial network is the development trend of future networks. Since the highly dynamic changes in the satellite constellation topology, there exist challenges in end-to-end service transmission. As an important technology for solving network dynamic management, software-defined networking has been applied to integrated satellite and terrestrial network in recent years. The existing integrated satellite and terrestrial network architectures based on software-defined networking are introduced, in which the deployment strategies of the controllers are studied. In addition, the application prospects of the software-defined integrated satellite and terrestrial network are analyzed.Keywords: integrated satellite and terrestrial network; software-defined networking; architecture
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第9期
主办：中国信息通信研究院
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