天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步設(shè)想

陸洲 秦智超 張平 （中國電子科技集團公司電子科學研究院）

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)初步設(shè)想

陸洲 秦智超 張平 （中國電子科技集團公司電子科學研究院）

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是國家重要信息基礎(chǔ)設(shè)施，筆者在分析國外天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)系統(tǒng)發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，提出了我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體設(shè)想，并進一步闡述了一體化發(fā)展過程中需重點關(guān)注和解決的幾個問題，可為我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)提供參考。

1 引言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為國家信息化重要基礎(chǔ)設(shè)施，對拓展國家利益、維護國家安全、保障國計民生、促進經(jīng)濟發(fā)展具有重大意義，是我國信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)信息全球覆蓋、寬帶傳輸、軍民融合、自由互聯(lián)的必由之路。

進入新世紀以來，信息已經(jīng)深入到人們生活的方方面面，信息服務(wù)已成為了同水、電和交通等基礎(chǔ)設(shè)施同等重要的社會基本公共服務(wù)，世界各國都把信息化建設(shè)作為重要的發(fā)展戰(zhàn)略，如美國率先提出了“信息高速公路”、“數(shù)字地球”、“智慧地球”、“賽博空間”等概念和建設(shè)計劃。通過“互聯(lián)網(wǎng)+”行動計劃，信息化網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展帶動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟發(fā)展方式轉(zhuǎn)變，促進了文化產(chǎn)業(yè)的繁榮，為“通達民意、匯集民智”提供了前所未有的便利條件，全面提升一個國家在全球的影響力。

近年來，我國信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日新月異，取得了可喜的成績，截至2015年12月底，中國網(wǎng)民規(guī)模達6.88億人，互聯(lián)網(wǎng)普及率達到50.3%。一方面，我國已經(jīng)基本建成了覆蓋全國的地面網(wǎng)絡(luò)，互聯(lián)網(wǎng)和移動通信用戶數(shù)量處于世界領(lǐng)先地位，但在服務(wù)覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)抗毀能力、應(yīng)急保障能力及安全性上還不能滿足國家經(jīng)濟快速發(fā)展、國家利益及安全保障的要求，已成為制約我國信息化建設(shè)后續(xù)發(fā)展的主要瓶頸。另一方面，天基信息設(shè)施具有服務(wù)覆蓋范圍廣、受地面因素影響小、布設(shè)機動靈活等優(yōu)勢，可有效彌補地面網(wǎng)絡(luò)的不足。我國航天技術(shù)發(fā)展取得了巨大成就，截至2015年12月底，我國在軌衛(wèi)星數(shù)量已達150余顆，已經(jīng)初步建成了通信中繼、導航定位、對地觀測等系統(tǒng)。但是，我國天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)發(fā)展很不平衡，呈現(xiàn)“天弱地強”的特征。各衛(wèi)星系統(tǒng)獨自建設(shè)，條塊分割十分明顯，衛(wèi)星數(shù)量嚴重不足，衛(wèi)星類型比較單一。更為突出的是，衛(wèi)星沒有實現(xiàn)空間組網(wǎng)，無法發(fā)揮天基信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化綜合效能。在天地一體方面，目前天地網(wǎng)絡(luò)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃和設(shè)計，尚未實現(xiàn)天地一體化的組網(wǎng)優(yōu)勢，無法形成天地一體的信息服務(wù)能力。

目前，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)正處于從技術(shù)研究向工程建設(shè)過渡的關(guān)鍵時期，其工程建設(shè)存在系統(tǒng)復雜、規(guī)模龐大、建設(shè)周期長、投入巨大以及與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容等諸多問題。本文通過總結(jié)國外相關(guān)系統(tǒng)的建設(shè)經(jīng)驗，提出了我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的總體方案設(shè)想。

2 國外相關(guān)系統(tǒng)分析

經(jīng)過多年的發(fā)展，國外已經(jīng)建成了多個天地一體的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過調(diào)研分析，大致可以歸為三大類：天星地網(wǎng)、天基網(wǎng)絡(luò)、天網(wǎng)地網(wǎng)。

（1）天星地網(wǎng)

天星地網(wǎng)是目前普遍采用的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，包括“國際移動衛(wèi)星”（Inmarsat）、“國際通信衛(wèi)星”（Intelsat）、“寬帶全球衛(wèi)星通信”（WGS）等系統(tǒng)，其特點是天上衛(wèi)星之間不組網(wǎng)，而是通過全球分布的地面站實現(xiàn)整個系統(tǒng)的全球服務(wù)能力。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中衛(wèi)星只是透明轉(zhuǎn)發(fā)通道，大部分的處理在地面完成，所以星上設(shè)備比較簡單，系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)復雜度低，升級維護也比較方便。

國際通信衛(wèi)星－23在軌飛行示意圖

（2）天基網(wǎng)絡(luò)

天基網(wǎng)絡(luò)是另一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，典型的系統(tǒng)有“銥”衛(wèi)星（Iridium）、“先進極高頻”（AEHF）等，其特點是采用星間組網(wǎng)的方式構(gòu)成獨立的天基網(wǎng)絡(luò)，整個系統(tǒng)可以不依賴地面網(wǎng)絡(luò)獨立運行。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弱化了對地面網(wǎng)絡(luò)的要求，把處理、交換、網(wǎng)絡(luò)控制等功能都放在星上完成，提高了系統(tǒng)的抗毀能力，但由此也造成了星上設(shè)備的復雜化，導致整個系統(tǒng)建設(shè)和維護的成本較高。通過調(diào)研分析，我們發(fā)現(xiàn)這種單純的天基網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)從商業(yè)上來說并不算成功，主要是基于軍事上對網(wǎng)絡(luò)極端抗毀性的需求。

美國“下一代銥星”在軌飛行示意圖

（3）天網(wǎng)地網(wǎng)

天網(wǎng)地網(wǎng)介于上述2種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間，以“轉(zhuǎn)型衛(wèi)星”（TSAT）計劃（該計劃已取消，但其網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架值得借鑒。）為典型，其特點是天基和地面兩張網(wǎng)絡(luò)相互配合，共同構(gòu)成天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。在這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，天基網(wǎng)絡(luò)利用其高遠廣的優(yōu)勢實現(xiàn)全球覆蓋，地面網(wǎng)絡(luò)可以不用全球布站，但可以把大部分的網(wǎng)絡(luò)管理和控制功能在地面完成，簡化整個系統(tǒng)的技術(shù)復雜度。

不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較

3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，天星地網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)比較成熟，是目前國外系統(tǒng)建設(shè)的主流選擇，應(yīng)用廣泛，但受我國國情限制，在全球布站有現(xiàn)實的困難，所以難以采用這種架構(gòu)；天基網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在安全性、抗毀性和獨立性方面具有優(yōu)勢，但因為要考慮脫離地面獨立運行，加重了對星上處理和星間信息傳輸能力的要求，導致技術(shù)復雜，系統(tǒng)的建設(shè)和維護成本高，商業(yè)上難以成功；天網(wǎng)地網(wǎng)架構(gòu)通過天地兩張網(wǎng)絡(luò)的配合，充分利用天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋能力及地面豐富的傳輸和處理能力，大大降低了整個系統(tǒng)的技術(shù)復雜度和成本。

綜合考慮之后，我們認為天網(wǎng)地網(wǎng)是比較適合我國國情的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在該天網(wǎng)地網(wǎng)架構(gòu)中，空間網(wǎng)絡(luò)既可作為獨立系統(tǒng)存在，直接面向用戶提供服務(wù)保障，也可作為地面網(wǎng)絡(luò)的補充和增強，以彌補地面網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、抗毀應(yīng)急保障及機動保障能力上的不足。

3 我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)想

相關(guān)工作

我國天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的研究和討論已經(jīng)持續(xù)了10多年，目前已經(jīng)取得了一系列成果。2006年，沈榮駿院士首先提出了我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)的概念及總體構(gòu)想；2007年和2012年，中國宇航學會飛行器測控專業(yè)委員會先后兩次召開學術(shù)年會，對航天互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進行了專題研討；2013－2014年，工業(yè)和信息化部電子科學技術(shù)委員會組織了“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究”重點課題，從發(fā)展戰(zhàn)略、總體方案和關(guān)鍵技術(shù)等3個方面對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)開展研究；2013年和2015年，國內(nèi)先后兩次召開了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的高峰論壇，對凝聚國內(nèi)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究力量并形成統(tǒng)一的認識發(fā)揮了重要作用；2015年，張乃通院士發(fā)表了《對建設(shè)我國“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考》，對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的定位、邊界作了清晰的說明，并提出了網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)的設(shè)想和對建設(shè)工作的建議。

在綜合國內(nèi)相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，筆者提出了對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的理解，并結(jié)合我國國情給出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)初步設(shè)想。

系統(tǒng)方案

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為依托、天基網(wǎng)絡(luò)為拓展，采用統(tǒng)一的技術(shù)架構(gòu)、統(tǒng)一的技術(shù)體制、統(tǒng)一的標準規(guī)范，由天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)互聯(lián)互通而成。天基信息網(wǎng)包括天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)三部分。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成示意圖

天基骨干網(wǎng)由布設(shè)在地球同步軌道的若干骨干節(jié)點聯(lián)網(wǎng)而成，骨干節(jié)點具備寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、路由交換、信息存儲、處理融合等功能，受衛(wèi)星平臺能力的限制，單顆衛(wèi)星無法完成上述全部功能，擬采用多顆衛(wèi)星組成星簇的方式實現(xiàn)多功能綜合。1個天基骨干節(jié)點由數(shù)顆搭載不同功能模塊化載荷的衛(wèi)星組成，包括中繼、骨干、寬帶、存儲、計算等功能模塊化衛(wèi)星，不同衛(wèi)星之間通過近距離無線通信技術(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)和信息交互，協(xié)同工作完成天基骨干節(jié)點的功能。

天基接入網(wǎng)由布設(shè)在高軌或低軌的若干接入節(jié)點所組成，滿足陸、海、空、天等多層次海量用戶的各種網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)需求，形成覆蓋全球（包括兩極地區(qū)）、隨遇接入、按需服務(wù)的接入網(wǎng)絡(luò)。

地基節(jié)點網(wǎng)由多個地面互連的地基骨干節(jié)點組成，地基骨干節(jié)點由信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)運維管理、信息處理、信息存儲及應(yīng)用服務(wù)等功能部分組成，主要完成網(wǎng)絡(luò)控制、資源管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息處理、融合共享等功能，通過地面高速骨干網(wǎng)絡(luò)完成組網(wǎng)，并實現(xiàn)與其他地面系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

參考模型

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)在組成上可分為基礎(chǔ)設(shè)施、通用業(yè)務(wù)系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)3個層次。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)參考模型

基礎(chǔ)設(shè)施層是整個天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)運行的基礎(chǔ)支撐環(huán)境，主要包括空間設(shè)施、地面設(shè)施、安全保密設(shè)施、管理控制設(shè)施等。其中，空間設(shè)施由骨干節(jié)點衛(wèi)星、移動通信衛(wèi)星、寬帶通信衛(wèi)星、中低軌衛(wèi)星及其他商用衛(wèi)星組成。地面設(shè)施由多個電信港、關(guān)口站及相應(yīng)的地面支撐網(wǎng)絡(luò)所組成?？臻g段衛(wèi)星及地面設(shè)施共同構(gòu)成天基網(wǎng)絡(luò)的骨干、接入兩類網(wǎng)絡(luò)平臺，采用“以網(wǎng)絡(luò)為中心、面向服務(wù)、天網(wǎng)地基”的技術(shù)體制，將各類用戶聚合成以網(wǎng)絡(luò)為中心的整體，為天基網(wǎng)絡(luò)提供即插即用、按需服務(wù)、功能重組等能力，提供基礎(chǔ)保障；安全保密設(shè)施、管理控制設(shè)施按功能需求布設(shè)在空間和地面，形成天地一體的安全體系和管理體系。

通用業(yè)務(wù)系統(tǒng)是面向功能領(lǐng)域，依托網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建的服務(wù)系統(tǒng)，集中體現(xiàn)了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)面向服務(wù)的技術(shù)特征。根據(jù)服務(wù)對象、能力及技術(shù)體制的不同，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可提供的基礎(chǔ)服務(wù)主要包括骨干互連、中繼傳輸、寬帶接入、移動通信、寬帶廣播及天基測控等，各類基礎(chǔ)服務(wù)能力如下。

1）骨干互連：工作頻段為Ku、Ka頻段及激光，業(yè)務(wù)速率范圍為8～45Mbit/s；155Mit/s，622Mbit/s；2.5Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持陸基、海基等用戶。

2）中繼傳輸：工作頻段為Ka頻段及激光，業(yè)務(wù)速率范圍為155～622Mbit/s；1.2Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持天基、空基等用戶。

3）寬帶接入：工作頻段為Ku、Ka頻段，業(yè)務(wù)速率范圍為64kbit/s～8Mbit/s。支持空基、陸基、?；扔脩?，支持基于IP的話音、數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)。

4）移動通信：工作頻段為L、S頻段，業(yè)務(wù)速率范圍為2.4～9.6kbit/s；384kbit/s～1Mbit/s。支持空基、陸基、?；扔脩簦С衷捯?、數(shù)據(jù)、短消息、圖像等業(yè)務(wù)。

5）寬帶廣播：工作頻段為Ku頻段，業(yè)務(wù)速率范圍為256kbit/s～100Mbit/s。支持空基、陸基、?；扔脩?，支持基于IP的數(shù)據(jù)、視頻等業(yè)務(wù)。

6）天基測控：工作頻段為S、Ka頻段，業(yè)務(wù)速率范圍為1kbit/s～2Mbit/s。支持天基、空基等用戶。

應(yīng)用系統(tǒng)是基于基礎(chǔ)設(shè)施和業(yè)務(wù)功能系統(tǒng)，面向用戶任務(wù)而構(gòu)建的共用或?qū)I(yè)服務(wù)系統(tǒng)。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可為應(yīng)急指揮、搶險救災(zāi)、遠程教育/醫(yī)療、遠洋航行、航天/航空遙感等各類應(yīng)用或任務(wù)提供通信保障。

發(fā)展路線

由于地面網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)已較為完善和成熟，而天基網(wǎng)絡(luò)還沒有形成體系能力，因此依據(jù)天基網(wǎng)絡(luò)的能力將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展劃分為3個階段。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線圖

（1）天星地網(wǎng)

在近期階段（2020年前后），利用現(xiàn)有的通信衛(wèi)星資源，將地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋不到的地區(qū)通過衛(wèi)星實現(xiàn)延伸，實現(xiàn)對我國國土及周邊地區(qū)的服務(wù)覆蓋。

（2）天網(wǎng)地網(wǎng)

在中期階段（2025年前后），整合、提升天基網(wǎng)絡(luò)資源，逐步建立統(tǒng)一的天基網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建基于高、中、低軌道的天基信息服務(wù)體系，提供全球信息保障能力。

（3）天地融合的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)

在遠期階段（2030年前后），提升天基網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)水平，消除天地網(wǎng)絡(luò)能力差距，逐漸將天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)融合成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，建立一個高可靠、高可用、自主可控的全球信息基礎(chǔ)設(shè)施。

4 需要解決的幾個問題

（1）天地網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)發(fā)展

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)過程中，天地兩個網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)規(guī)劃需要綜合考慮、協(xié)調(diào)發(fā)展。受技術(shù)水平、政策法規(guī)等因素的影響，天基網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展要滯后于地面網(wǎng)絡(luò)，因此需做好天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的頂層規(guī)劃，從技術(shù)發(fā)展、政策支持、資金投入等方面促進天基網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。

（2）系統(tǒng)運營

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為國家的基礎(chǔ)信息設(shè)施，在系統(tǒng)運營上應(yīng)采用集中與分級相結(jié)合的統(tǒng)一管理機制。一方面，技術(shù)上要實現(xiàn)天網(wǎng)和地網(wǎng)資源的融合，具備統(tǒng)一、快捷的資源調(diào)度機制，可根據(jù)任務(wù)保障需求，在天網(wǎng)、地網(wǎng)之間靈活調(diào)配資源，協(xié)同完成任務(wù)保障；另一方面，系統(tǒng)運營不能完全從商業(yè)角度考慮，需要兼顧公益性和商業(yè)性，尤其要考慮到天基網(wǎng)絡(luò)的特殊性，需國家政策及資金上的扶持。

（3）開放與安全

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，天地網(wǎng)絡(luò)是一體的，這就要求天基網(wǎng)絡(luò)具有良好的開放性，支持各類服務(wù)應(yīng)用，支持用戶無感接入或即插即用；另一方面，天基網(wǎng)絡(luò)的空間及電磁的特殊性，易受到攻擊和干擾，而其重要戰(zhàn)略地位又要保證其具備高安全性。因此，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計及建設(shè)初期就要將網(wǎng)絡(luò)及電磁空間安全問題放在首要位置，采用防無線注入的空中接口設(shè)計、自主協(xié)議增強、可信可控交換路由、分級分布星地密碼廣域部署等技術(shù)措施，有效解決網(wǎng)絡(luò)開放性與安全性的沖突問題。

（4）軍民結(jié)合

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是一個覆蓋全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施，是一個兼顧軍民兩用的信息網(wǎng)絡(luò)，在建設(shè)中要充分考慮到軍民用戶不同的信息保障需求，如設(shè)置多級別的信息安全保密等級，以滿足軍用及特殊用戶的信息安全要求；為高機動用戶設(shè)置快捷波束，支持其運動過程中的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)取?/p>

美國“寬帶全球衛(wèi)星通信”衛(wèi)星在軌飛行示意圖

5 結(jié)束語

當前，我國的信息化建設(shè)正處于一個關(guān)鍵的發(fā)展時期，面臨著三網(wǎng)融合、下一代互聯(lián)網(wǎng)過渡、4G/5G移動技術(shù)發(fā)展、賽博空間安全等諸多變革。在此之際，我們應(yīng)抓住國家經(jīng)濟快速發(fā)展、國際地位鞏固提升的歷史機遇，借助我國航天技術(shù)發(fā)展的巨大推動作用，促進天基網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，盡快建設(shè)一個與我國國際地位相符的全球信息基礎(chǔ)設(shè)施。

陸征/本文編輯

Initial Layout of Space－ground Integrated Information Network System