天地一体化信息网络
天地一体化信息网络（天地网）是由天基与地基网络融合而成的宽带大容量网络基础设施。地基网络指由地面站网络、互联网和移动通信网络等组成的地球表面网络，资源相对丰富但覆盖有限。天基网络由各类航天器组成，包括通信卫星（不同层次、不同轨道）、信息获取卫星（SRA、气象和对地观测等）、导航卫星（如北斗、GPS）以及临近空间飞行器、各种无人侦察机等。我国目前已经初步建成了各自独立的通信中继、导航定位、对地观测等卫星系统。由于卫星系统没有空间组网，无法发挥天基网络综合效能，同时由于我国卫星系统地面建站受到限制，因而自主建设天地一体化信息网络迫在眉睫[1, 2]。
国内外现状
空间网络架构
从系统结构上，天地网可以分为三种类型。
●天星地网
卫星之间没有星间链路，卫星互联必须通过地面网络完成。这类网络复杂度较低，已得到了一定的商业应用，但是系统灵活度有限，网络资源、通信速率都受到限制。目前国内外卫星系统的链路主要采用“天星地网”结构。
●天基网络
天基网络中的每颗卫星都有网络交换或路由功能。这类网络主要用于军事领域。美国先进的极高频军用通信卫星系统(AEHF)采用的是毫米波星间链路实现空间组网，可为各类人员提供联合、互操作能力。民用铱星系统也实现了天基网络。谷歌(Google)和脸书(Facebook)2013年起也分别推出了各自的热气球计划和无人机计划，拟在空基层提供全球互联网接入服务[2]。
●天网地网
天网地网利用的是天基网络实现的全球覆盖。第一个天网地网项目是美国2004年实施的转型卫星通信系统(TSAT)计划，拟通过5颗同步卫星的星间链路，为美军提供太空、空中、陆地、海洋的一体化服务。欧洲的“一体化全球通信的综合空间基础设施”，计划成为一个基于IP、结合微波和光链路的大容量空间通信网络。但目前还没有成功的应用案例。
现有主要卫星系统
从功能上看，已有的卫星系统有四种。
●中继卫星系统
美国的中继卫星系统主要有跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)和军方卫星数据系统(SDS)；俄罗斯也建设了民用中继卫星系统“射线”和军用中继卫星系统“急流”；欧洲太空局的数据中继卫星系统(EDRS)主要进行移动通信、光通信和数据中继试验。“天链”系列是我国比较完备的同步轨道中继卫星系统。
●气象卫星系统
美国的气象卫星系统有独立运行的军用“国防气象卫星计划”和民用“诺阿”系统；欧洲有“MSG”气象卫星系列；俄罗斯部署了“流星(Meteor)”极轨气象卫星系列。我国的“风云”系列有极轨和静止轨道两种气象卫星系统，已应用到气象、水文、航空、航海等领域。
●遥感卫星系统
美国在轨的高分辨率遥感卫星系统有GeoEye-1、Ikonos-2、Orbiew-2、Quickbird-2和Wordview-1/2/3，以及陆地遥感卫星系统系列和EOS系列。欧盟有法国的SPOT和Pleiades卫星系统、意大利的军民两用“地中海周边观测小卫星星座系统”、欧空局的ERS地球资源卫星和对地观测卫星系列的ENVISAT卫星。Resurs-DK是俄罗斯对地观测系统的主干。
●导航卫星系统
相比于美国的全球定位系统、俄罗斯的格洛纳斯系统(GLONASS)、欧盟的伽利略定位系统(Galileo)，我国的北斗卫星导航系统打破了传统导航卫星系统业务单一的现状，将提供导航和宽带通信双重业务，初步实现对导航与数据业务的综合支持。
我国天地网发展趋势
实现天网地网的高度融合是我国天地一体化网络发展的必然趋势，基本途径是一星多用、多星组网和多网协同。
自2006年沈荣骏院士提出我国天地一体化航天互联网概念及总体构想以来，我国在天地一体化网络建设方面加快了步伐。2015年，张乃通院士提出了“天地一体化信息网络”基本设想。2016年3月，吴曼青院士进一步提出了“天地一体化信息网络”的总体架构。2017年3月，闵士权研究员设计了“多层轨道天地一体化通信遥感导航网络方案”。这些设想得到国家有关部门的重视，推动了我国空间网络的建设发展。
我国天地网建设存在的问题
虽然我国已经建立了中继、遥感、气象等比较完整的卫星体系，但在覆盖能力和通信能力上与欧美强国相比仍有较大的差距。目前我国的相关研究与建设工作主要存在以下问题：
1. “烟囱林立”。尽管我国已陆续发射了100多颗不同类型的卫星，但这些卫星（系统）都是定制开发，独立使用，功能单一，尚不能满足一星多用的需求。
2. 天星地网。由于技术条件和发展阶段的限制，多数在轨应用卫星不具备星间链路功能，主要采用的是天星地网架构，彼此间相互独立，不能满足多星组网的需求。
3. 天地分离。已有相关研究和系统，侧重于解决空间网络在组网、传输和在轨处理等方面问题，并没有关注卫星网络和地面网络的一体化管理，不满足天地融合的需求。
4. 覆盖有限。只有同步轨道通信卫星，只能覆盖中国领土、领海和周边地区，不能满足新时期国家利益以及建设海洋强国对全球信息覆盖的需求。
5. 窄带单一。目前的空间通信研究和系统主要支持语音、短消息、邮件收发等窄带业务，不支持宽带多媒体传输。
6. 接入受限。现有的卫星系统采用地球站连接卫星，移动终端主要通过同步卫星进行语音服务。由于我国对地球站的控制有限，这些接入方式制约了随时随地的信息服务。
建设天地网面临的技术挑战
1. 多种架构融合：屏蔽网络异构性
由于我国缺少分布全球的地面站，各空间节点互联需要通过空间组网实现，设计一个能融合天基、地基多种网络架构，涵盖高低轨卫星、临近空间平台、地面节点等多层次以及综合应用的空间网络结构，通过星间、星地链路将地面、海洋和空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合，是实现天地一体化网络必须解决的第一个难点[2]。
2. 多种协议互通：实现数据在天地网络之间无缝传送
天地网络运行在不同的协议上，形成的异构网络需要进行多次协议转换，为天地一体信息网络的融合带来了难以克服的挑战。
3. 灵活管理网络：对分离自治的天地网络进行按需管控
天地网的目标是综合空、天、地各类网络和系统的各自优势，基于一体化网络全球覆盖和全局协作能力，对天地多维信息进行高效处理，需要以可扩展的方式，对各异构网络进行高效统一管理与资源调配。
4. 屏蔽时空动态：实现连续数据传输
空间网络立体多层次、拓扑动态变化强、空间跨度大，地面网络节点随机运动。因此，天地网的不同组成部分在网络拓扑稳定性方面差异巨大，给天地一体化数据传输稳定性带来了新的挑战。
关键技术
为了应对上述挑战，需要着重解决以下几个关键技术难点。
软件定义架构
为了实现天网、地网的高度融合，“天网地网”架构是天地一体化网络的必然选择。
1. 基于软件定义网络(SDN)的天地网架构
SDN为异构网络操作与管理提供了良好的技术手段[3]。我们提出了多层次SDN控制器部署与网络管理方案，见图1。
●在同步卫星和地面骨干网同时部署控制器，这些扁平式控制器处于网络顶层，在分别调度同步卫星网与地面骨干网资源的同时，管理中轨卫星控制器。
●中轨卫星层(MEO)部署第2级控制器，在调度中轨卫星网络资源的同时，管理低轨卫星控制器。
●低轨卫星层(LEO)部署第3级控制器，调度低轨卫星网络和平流层飞行器网络资源。
2. SDN控制器设计
上述天地网架构中，同一层次控制器采用扁平分布式多控制器架构。SDN控制器部署在互不相交的网络区域，每个控制器管辖着自己负责的网络区域，地位相同，逻辑上集中控制，所有控制器掌握相同的全局视图。同时，跨层控制器进行层次化管控，上层控制器控制本层网络节点和下层控制器。因此，控制器之间需要高效协作。
3. 负载均衡的资源调度
由于人类活动的群聚特性，天地网络负载呈现出地理上的不均匀和时间上的突发性，导致网络性能下降甚至局部拥塞。因此，动态控制网络流量是天地网必须解决的另一个关键技术。我们研究实现了SDN网络负载均衡调度算法，在流量不均衡场景下，通过控制器动态重调度业务流，提高了网络带宽利用率[4]。
互联互通协议
1. 现有协议簇
针对空间链路多样性，CCSDS定义了4类空间数据链路协议。AOS用于高速率、大容量、多用户的上行/下行数据传输；TM用于低速下行链路；TC用于低速上行链路；Proximity-1用于中等速率上行／下行链路。随后提出的IP over CCSDS协议，使得IP包能够在卫星之间快速传输。
为克服星际通信中可能出现的中断、延迟、低信道质量等挑战，延迟容忍网络(Delay Tolerant Networks, DTN)在 TCP/IP的应用层和传输层之间引入了一个束协议层(Bundle)，使用保管转发机制，实现透明传输。
图1 基于SDN的一体化天地网络架构
2. 面向天地网的协议设计思考
TCP/IP具有很多优势和基础，受到广泛认同。但是，空间网络直接使用IP协议将会受到多方面的挑战。第一，TCP/IP假定在传输session中，源端和目的端始终存在一条连通的链路；第二，传统IP技术要求节点在传输session中必须位于其IP网络。但是，天地网无法满足这些要求。因此，天地网协议应该融合IP over CCSDS和DTN的精华，基于IP实现天基、空基、地基网络层的互联，实现对上层应用的透明和下层异构结构的隔离。具体来说，在网络层统一使用扩展的IP协议；在链路层，星地链路采用IP over CCSDS；地面移动网络、互联网采用各自的链路协议，星间链路采用动静结合的频谱分配机制。最后，采用DTN的Bundle机制，克服空间断续连接带来的问题。
随遇接入技术
基于天地、空基、地基网络状况与业务需求，“随遇接入”卫星或地面网络，这是未来天地网的基本使用场景。需要解决的关键问题有两点：
1. 天地网接入协议
空间节点稀疏和业务突发性增加了接入的难度，需要综合考虑节点移动性、空间节点覆盖范围、业务质量要求和网络切换带来的开销等因素，设计融合按需与随机机制的MAC协议。其基本原则是，对持续时间长、传输总量大的业务使用按需分配的多址接入；对持续时间短的突发性业务使用随机接入。提出高效的编解码算法和冲突时的轻量重传机制，考虑到重传过程带来的弱尾效应，设计规则与随机结合的副本构造机制。在此基础上，研究移动性管理方案，提供透明切换(handover)服务。
2. 多层空基接入
在时延、网络阻塞、网络抗毁性等方面，多层卫星动态接入比单层卫星接入具有更优的性能，具有高频谱效率和能量利用率的标准化空中接口是实现系统随遇接入的关键。首先，定义用户与基站、用户与空间网络、天地网络基站之间三类网络接口，地面用户和空间网络用户之间的节点保持现有的空中接口不变。其次，提出基于轻量级哈希函数的双向快速认证协议，实现用户的快速接入，以满足业务容忍的切换时延为目标，设计链路载波模式和帧结构。
天地协同传输技术
为了提升天地一体化网络整体容量和适变能力，天地网传输应以天地协同为核心，高效利用多种异构网元。
1. 一体化立体传输机制
为了实现天地立体传输，高效分配网络资源，研究一体化立体传输机制。涉及的关键技术包括：
●透明立体传输机制。结合异构网络的特性进行柔性的网络传输机制调整，减少传输层协议在网关的显式转换带来的开销。
●协作增益模型。针对天地网络在拓扑动态性、通信覆盖范围等方面的差异，研究天地网多层次协作传输及其联合设计方法，提出协作传输的增益模型，定量表达其性能提升。
●乱序与带宽资源的分配问题。研究SDN控制器中基于到达时间的流调度方法和耦合各条子流情况的窗口调整方法，以保持带宽公平分配。
2. 多路径路由算法
基于数据传输源节点与目的节点位置、地面与天基网络可用资源状态，设计天基与地面网络协同传输技术。涉及的关键技术包括：
●状态更新。地面和卫星节点向同层SDN控制器定时反馈节点的计算、存储、网络等资源信息，链路误码率、连通性等状态也会在控制器及时更新。高层卫星周期性地收集路由信息进行路由重计算，并将路由表下发到低层卫星。
●立体路由算法。一是天地网络同时传输部分流量，二是选择天基或地基网络单独传输。为此，需要提出协同数学模型，以及自适应的映射机制。通过自适应机制，向用户屏蔽传输细节，即用户不知道具体的传输途径，他们关心的只是传输质量是否得到满足。
多层次动态性控制
不同高度卫星、空基各类飞行器、地面网络呈现出不同的运动规律。为了解决天地网在大覆盖范围、高动态断续条件下数据传输的时空连续性支持问题，需要研究动态图模型，对不同层次的空中节点分别进行运动建模与控制。
针对高、中、低轨各类卫星，基于刻画其周期性运动规律的动力学方程，可以得到不同时刻各节点的精确位置，提出节点级、轨道级以及星座级的卫星网络覆盖模型。结合不同卫星的通信条件（如发射功率、天线数量），建立可见时间窗口计算模型。考虑卫星轨道特性、网络服务需求，分析拓扑离散化条件，在可见时间区间内构建相对稳定的卫星网络拓扑。为了解决节点失效导致连通性下降的问题，需要研究预防性拓扑重构机制，通过选择冗余节点增加拓扑抗毁性。
针对平流层飞行器与地面移动节点，考虑其运动轨迹的随机性，需要基于动态图理论来刻画其运动规律。并联合考虑可用性、功率等因素，研究稳定高效拓扑的构建方法。
结语
天基网络与地基网络具有各自的优势，天地一体化信息网络将按照“一星多用、天网地网”架构，在未来的信息基础设施中扮演越来越重要的作用。网络使用将从地球站接入为主演变为随遇接入。路由方式将从最短路径为主转向综合考虑网络资源和应用需求。传输业务将由语音、短消息为主扩展到多业务宽带传输。传输服务将从尽力而为转向更加注重传输质量、业务区分和负载均衡。
参考文献
[1] 张乃通, 赵康僆, 刘功亮. 对建设我国“天地一体化信息网络”的思考[J]. 中国电子科学研究院学报, 2015, 10(3): 223-230.
[2] 李贺武, 吴茜, 徐恪等. 天地一体化网络研究进展与趋势[J]. 科技导报, 2016, 34(14): 95-106.
[3] Zhang N, Zhang S, Yang P, et al. Software Defined Space-Air-Ground Integrated Vehicular Networks: Challenges and Solutions[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(7): 101-109.
[4] Tang F, Yang L T, Li J, et al. A Dynamical and Load-Balanced Flow Scheduling Approach for Big Data Centers in Clouds[J]. IEEE Transactions on Cloud Computing, 2016, preprint.
京公网安备 11010802032778号