天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

梁宗闖+陶瀅+高梓賀

摘要：從天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，在詳細(xì)研究了全球天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)依據(jù)國(guó)家現(xiàn)實(shí)需求，遵循近期、中遠(yuǎn)期漸進(jìn)的路線演進(jìn)。同時(shí)認(rèn)為在天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，必須解決網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、衛(wèi)星星座、空間與星地一體化組網(wǎng)、傳輸、網(wǎng)絡(luò)管理與安全等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)；現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

隨著信息通信技術(shù)和產(chǎn)品的逐漸成熟，人們“無(wú)處不在”的通信理想正在變成現(xiàn)實(shí)。以多媒體通信為代表的網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)和新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)及爆炸式增長(zhǎng)，對(duì)互聯(lián)網(wǎng)接入傳輸能力提出了更高的要求，寬帶互聯(lián)網(wǎng)已成為人類文明進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展的最有力平臺(tái)[1]。在此背景下，中國(guó)有必要建設(shè)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)，與地面寬帶網(wǎng)絡(luò)、第5代移動(dòng)通信（5G）系統(tǒng)等互聯(lián)融合，從而形成空天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)一步滿足用戶對(duì)全球無(wú)縫覆蓋的寬帶服務(wù)和移動(dòng)保障的相關(guān)需求。

建立天基信息網(wǎng)絡(luò)的概念由來(lái)已久，美國(guó)早在19世紀(jì)90年代就提出了天基綜合信息網(wǎng)的基本概念。不過(guò)，由于美國(guó)具有全球布站能力并擁有強(qiáng)大的地面網(wǎng)絡(luò)和天基資源，因此該概念并沒有在現(xiàn)實(shí)中廣泛應(yīng)用，這從美國(guó)轉(zhuǎn)型衛(wèi)星計(jì)劃（TSAT）下馬可見一斑[2]。歐洲也提出了構(gòu)建“面向全球通信的綜合空間基礎(chǔ)設(shè)施（ISICOM）”的設(shè)想，不過(guò)也沒有進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)施[3]。

而對(duì)中國(guó)而言，由于不具備全球建站的能力，因此只能在空間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間具備寬帶互聯(lián)能力的基礎(chǔ)上，構(gòu)建空間信息傳輸高速公路，通過(guò)天基網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)空間信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，促進(jìn)空間信息系統(tǒng)的能力升級(jí)，實(shí)現(xiàn)體系化、融合化發(fā)展。因此，在19世紀(jì)90年代，中國(guó)也提出了研究和建設(shè)中國(guó)天基綜合信息網(wǎng)的設(shè)想，并在此后進(jìn)行了一系列相關(guān)的專項(xiàng)研究，并且取得了一些顯著成果，為建立中國(guó)天基綜合信息網(wǎng)提供了一定的理論基礎(chǔ)[4]。

與天基綜合信息網(wǎng)類似，天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)將不同軌道、多種類型衛(wèi)星以及地面應(yīng)用終端等進(jìn)行寬帶的互聯(lián)互通，有機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)優(yōu)化、功能完備的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并與新一代互聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)通信網(wǎng)等互聯(lián)互通，為陸、海、空、天各類用戶提供廣域覆蓋、高速傳輸、異構(gòu)互聯(lián)、綜合應(yīng)用以及移動(dòng)和固定接入等信息服務(wù)。不過(guò)，從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的角度，通信中繼類衛(wèi)星將是天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的核心與基礎(chǔ)，其他各類衛(wèi)星（如導(dǎo)航、遙感等）可獨(dú)立組網(wǎng)，并作為數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)提供方按需接入天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)，因此從某種意義上講，天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)創(chuàng)新的概念。

文章中，我們首先分析國(guó)際上與天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)直接相關(guān)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，然后詳細(xì)介紹中國(guó)當(dāng)前衛(wèi)星通信中繼系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀以及與天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)項(xiàng)目的規(guī)劃與研究進(jìn)展。在此基礎(chǔ)上，提出天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展路線與發(fā)展構(gòu)想以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中有待發(fā)展的核心技術(shù)問(wèn)題。

1 全球天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

根據(jù)業(yè)務(wù)劃分，與天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)直接相關(guān)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體上包括衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)、衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)三大類。

衛(wèi)星固定通信系統(tǒng)包括寬帶系統(tǒng)、固定/直播衛(wèi)星系統(tǒng)等，一般采用C、Ku、Ka等頻段，提供寬帶通信、固定通信、電視直播等服務(wù)。當(dāng)前，衛(wèi)星寬帶通信的需求最為旺盛，在軌、在研數(shù)量快速增長(zhǎng)。美國(guó)衛(wèi)訊公司計(jì)劃于2016年搭載SpaceX公司重型獵鷹火箭發(fā)射的下一代大容量寬帶衛(wèi)星ViaSat-2，整星的容量大概為350 Gbit/s，可為250萬(wàn)用戶提供最高可達(dá)25 Mbit/s的寬帶服務(wù)。同時(shí)，Viasat-3的“三星”計(jì)劃也已經(jīng)公布，單星容量將達(dá)1 Tbit/s。此外，中軌衛(wèi)星寬帶通信星座發(fā)展平穩(wěn)，作為世界第一個(gè)中圓軌道通信星座，目前由12星構(gòu)成的O3b系統(tǒng)到2018年星座衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)到20顆，其單星容量也達(dá)到12 Gbit/s [5]。

衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)包括移動(dòng)通信系統(tǒng)和移動(dòng)多媒體廣播系統(tǒng)，一般采用L、S等頻段，提供移動(dòng)通信、移動(dòng)多媒體廣播和移動(dòng)數(shù)據(jù)采集等服務(wù)。目前，高軌移動(dòng)通信寬帶化發(fā)展趨勢(shì)明顯：2015年8月發(fā)射的Inmarsat-5 F3衛(wèi)星可面向陸地、海洋和航空的小口徑的一些終端提供下行50 Mbit/s的傳輸速率；未來(lái)，Inmarsat公司基于Ka波段的第5代寬帶移動(dòng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)，將實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信向大容量、高帶寬方向發(fā)展；低軌通信衛(wèi)星星座更是百花齊放：一網(wǎng)公司的Oneweb系統(tǒng)計(jì)劃發(fā)展由648顆衛(wèi)星組成的低軌衛(wèi)星星座，工作頻段為Ku頻段，單星吞吐量大于8 Gbit/s，系統(tǒng)總吞吐量5～10 Tbit/s，系統(tǒng)建成后，可向偏遠(yuǎn)地區(qū)用戶提供50 Mbit/s的互聯(lián)網(wǎng)寬帶接入服務(wù)，時(shí)延僅為20～30 ms；下一代銥星系統(tǒng)也在快速推進(jìn)[6-8]。

數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)衛(wèi)星主要為航天器等空間用戶、飛機(jī)等特殊空基用戶提供測(cè)控、大容量數(shù)據(jù)中繼傳輸?shù)确?wù)。目前，各國(guó)的數(shù)據(jù)中繼通信系統(tǒng)開始更新?lián)Q代。美國(guó)跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星（TDRS）數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展至第3代，通過(guò)Ka頻段提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更好的系統(tǒng)靈活性。歐洲也在發(fā)展獨(dú)立的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，采用激光通信新技術(shù)提供更高的傳輸能力[9]。

根據(jù)上述分析，雖然更多是采用星地網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的方式，全球的衛(wèi)星通信系統(tǒng)總體上都在朝著寬帶互聯(lián)的方向發(fā)展。而具有星間鏈路的下一代銥星系統(tǒng)、可為遙感類衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)以及Cisco公司路由器搭載等系統(tǒng)與試驗(yàn)則對(duì)中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)提供了有益的借鑒[10-12]。

1.1 下一代銥星系統(tǒng)

下一代銥星系統(tǒng)由泰雷茲-阿萊尼亞航天公司研制，計(jì)劃采購(gòu)72顆衛(wèi)星和9顆備份星，預(yù)計(jì)首飛時(shí)間為2016年。系統(tǒng)將采用星上IP交換技術(shù)，構(gòu)建更高傳輸速率和靈活分配帶寬的寬帶網(wǎng)絡(luò)，L頻段下行速率可達(dá)1.5 Mbit/s，而Ka頻段下行速率可達(dá)8 Mbit/s，同時(shí)星座衛(wèi)星將搭載COM DEV和Harris公司的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AIS）有效載荷，以及一系列來(lái)自美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）的科學(xué)有效載荷（GEOScan）。

1.2 數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)

美國(guó)TDRS-K、L兩顆星分別于2013年和2014年發(fā)射，另外兩顆TDRS-M、N星計(jì)劃于2017年開始部署，新一代衛(wèi)星增強(qiáng)了衛(wèi)星通信能力和靈活性，并允許更高的數(shù)據(jù)速率，可同時(shí)提供S頻段、C頻段、Ku頻段和Ka頻段服務(wù)能力，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為300 Mbit/s。此外，美航宇局還利用“月球大氣與塵埃環(huán)境探測(cè)器”探月衛(wèi)星開展的激光通信試驗(yàn)，為包括激光通信在內(nèi)的下一代數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)開發(fā)提供技術(shù)儲(chǔ)備。

2016年，歐洲數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)（EDRSS）計(jì)劃的首顆激光通信衛(wèi)星EDRS-A由俄羅斯“質(zhì)子”火箭發(fā)射升空，采用激光通信技術(shù)，通過(guò)兩顆地球靜止軌道（GEO）衛(wèi)星為近地軌道航天器與地面控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)中繼，通信速率達(dá)1.8 Gbit/s，第二顆衛(wèi)星EDRS-C計(jì)劃于2017年中期發(fā)射。

1.3 NASA的IRIS計(jì)劃

美國(guó)于2009年發(fā)射衛(wèi)星的Intelsat-14上搭載了Cisco公司的18400路由器，用于開展太空互聯(lián)網(wǎng)路由器（IRIS）計(jì)劃，測(cè)試空間IP路由技術(shù)，驗(yàn)證Web、網(wǎng)絡(luò)電話（VoIP）和其他基于IP應(yīng)用的用戶是否可直接通過(guò)空間路由器進(jìn)行通信。該路由器連接了星上一個(gè)C波段和兩個(gè)Ku波段波束，組成IP空間路由系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)了星上的“全I(xiàn)P”化。

Cisco 18400空間路由器包括了路由處理器（RPE）和調(diào)制解調(diào)器接口（MIC）兩個(gè)部分，其中，MIC采用軟件無(wú)線電（SDR）結(jié)構(gòu)，支持多個(gè)射頻（RF）接口，使得地面終端可以配置更小的天線；RPE支持完全的Cisco IOS軟件服務(wù)，采用與地面因特網(wǎng)相同的IPv4/v6互聯(lián)協(xié)議及開放式最短路徑優(yōu)先（OSPF）（改進(jìn)）/邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與地面Internet路由器完全對(duì)等的功能，并可以通過(guò)更新星上軟件來(lái)增加網(wǎng)絡(luò)的靈活性，支持VoIP、IP安全（IPsec）等業(yè)務(wù)。此外，2011年5月，美國(guó)空軍的GEO-1衛(wèi)星也搭載了IRIS路由器。

2 中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)研究進(jìn)展

在衛(wèi)星通信方面，目前中國(guó)在軌10顆通信衛(wèi)星頻率多集中于C、Ku頻段，覆蓋集中于中國(guó)國(guó)土及亞太地區(qū)，主要滿足民商用通信、廣播電視、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)需求。研制的中星16、中星18將搭載Ka頻段通信載荷，滿足“一帶一路”沿線國(guó)家和地區(qū)覆蓋；S頻段移動(dòng)通信衛(wèi)星將滿足更廣泛的需求。在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星方面，中國(guó)已經(jīng)建成一代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球表面覆蓋率為78%，對(duì)300 km以上高度的空間飛行器覆蓋率100%；第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星會(huì)有更上乘的表現(xiàn)。

為了推動(dòng)中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，中國(guó)《民用空間基礎(chǔ)設(shè)施中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》明確提出：2020年通信衛(wèi)星將在軌20余顆，2025年通信衛(wèi)星將實(shí)現(xiàn)在軌25顆左右，滿足全球覆蓋需求。而在2016年國(guó)務(wù)院提出推進(jìn)的《中國(guó)制造2025》中，在航天裝備方面也明確提出了“發(fā)展新型衛(wèi)星等空間平臺(tái)與有效載荷、空天地寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，形成長(zhǎng)期持續(xù)穩(wěn)定的衛(wèi)星遙感、通信、導(dǎo)航等空間信息服務(wù)能力”[13-14]。

在上述大背景下，國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、中國(guó)工程院等也均開展了與天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的研究工作。

2.1 國(guó)家自然科學(xué)基金委

面向中國(guó)服務(wù)遠(yuǎn)洋航行、應(yīng)急救援、導(dǎo)航定位、航空運(yùn)輸、航天測(cè)控等重大應(yīng)用，基金委于2012年啟動(dòng)《空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)》重大研究計(jì)劃，開展空間信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，通過(guò)新理論、新方法探索，從根本上解決現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋能力有限、網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和協(xié)同應(yīng)用能力弱的問(wèn)題，向下支持對(duì)地觀測(cè)的高動(dòng)態(tài)、寬帶實(shí)時(shí)傳輸，向上支持深空探測(cè)的超遠(yuǎn)程、大時(shí)延可靠傳輸。

2.2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程

國(guó)家“十三五”規(guī)劃中啟動(dòng)“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)工程”科技創(chuàng)新重大工程，整合各方建議，涵蓋了天基系統(tǒng)、5G、芯片等電子與信息類內(nèi)容，并以空間裝備為主體，彌補(bǔ)重要不足和短板。航天科技集團(tuán)公司提出了天基骨干網(wǎng)加天基接入網(wǎng)的空間段總體發(fā)展構(gòu)想，其中天基骨干網(wǎng)作為國(guó)家空間基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建空間信息高速公路；天基接入網(wǎng)中高軌移動(dòng)通信聚焦中國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)國(guó)家安全重點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)多用途融合范例實(shí)現(xiàn)移動(dòng)接入；低軌移動(dòng)通過(guò)采用商業(yè)運(yùn)營(yíng)，滿足符合國(guó)家利益的全球覆蓋，并通過(guò)柔性構(gòu)架支持商業(yè)利益拓展。

2.3 空間信息技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略研究

2016年，中國(guó)工程院?jiǎn)?dòng)了空間信息技術(shù)發(fā)展總體戰(zhàn)略研究，著眼于構(gòu)建中國(guó)新一代空間信息網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)絡(luò)化、一體化為指導(dǎo)，以天基互聯(lián)網(wǎng)為核心，以各類資源共享應(yīng)用為目的，在不用在全球建專用地面站網(wǎng)條件的支持下，實(shí)現(xiàn)不間斷的廣域天基信息獲取、處理、融合和傳輸。通過(guò)謀劃、明確空間信息技術(shù)發(fā)展路線圖，分析關(guān)鍵技術(shù)及重大應(yīng)用，為推動(dòng)戰(zhàn)略新興技術(shù)的系統(tǒng)創(chuàng)新和重大實(shí)踐，促進(jìn)中國(guó)工程科技更好地服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式、服務(wù)國(guó)家宏觀決策、推動(dòng)創(chuàng)新型國(guó)家建設(shè)做出貢獻(xiàn)。

3 天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展展望

3.1 天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)路線

隨著技術(shù)推動(dòng)和需求牽引的雙重作用，作為未來(lái)天基系統(tǒng)信息流轉(zhuǎn)的核心，天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)將得到迅猛發(fā)展。而為了支持多系統(tǒng)融合，面向用戶提供綜合性服務(wù)，天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)將在多個(gè)獨(dú)立建設(shè)的天基系統(tǒng)基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展起來(lái)，并將經(jīng)歷從分立系統(tǒng)到體系綜合的復(fù)雜過(guò)程，因此必須依據(jù)中國(guó)實(shí)際情況按步驟循序漸進(jìn)發(fā)展。

預(yù)計(jì)天基信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展路線將按照近期、中遠(yuǎn)期漸進(jìn)的路線演進(jìn)：

（1）近期（2025年）。立足現(xiàn)狀，面向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，針對(duì)國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中明確的建設(shè)需求，通過(guò)構(gòu)建必要的星間鏈路，推進(jìn)衛(wèi)星通信、中繼系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)，補(bǔ)齊短板，建設(shè)初級(jí)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)；

（2）中遠(yuǎn)期（2025年-）。隨著天基通信、獲取、導(dǎo)航等功能系統(tǒng)逐步完善，利用星間與星地網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)天基信息網(wǎng)絡(luò)的空間貫通。在大多數(shù)衛(wèi)星具備星上智能化處理和自主化能力的基礎(chǔ)上，建設(shè)與地面網(wǎng)絡(luò)完全融合的天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)，提供全球化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能靈活和安全可靠的服務(wù)。實(shí)現(xiàn)全球覆蓋、隨遇服務(wù)、機(jī)動(dòng)靈活、差異化、安全可靠、管理協(xié)調(diào)，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、綜合化、一體化。

3.2 天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展構(gòu)想

與地面網(wǎng)絡(luò)類似，目前業(yè)界普遍認(rèn)為天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)將由天基骨干網(wǎng)絡(luò)和天基接入網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成。其中，前者作為天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的骨干，主要負(fù)責(zé)包括寬帶數(shù)據(jù)通信、遙感信息傳輸?shù)仍趦?nèi)的高速寬帶的信息交換和轉(zhuǎn)發(fā)，具備數(shù)據(jù)分發(fā)和一定數(shù)據(jù)處理能力，具有寬帶高速、自主運(yùn)行、全球覆蓋、高可靠性等特點(diǎn)；后者負(fù)責(zé)各類地基、空基等移動(dòng)用戶的接入與組網(wǎng)傳輸。因此在各發(fā)展階段，需要密切圍繞“骨干接入結(jié)合”的方式推進(jìn)。

（1）構(gòu)建星間鏈路，推進(jìn)衛(wèi)星通信、中繼系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)

由于未來(lái)的天基骨干網(wǎng)絡(luò)將主要由當(dāng)前的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、寬帶通信衛(wèi)星等發(fā)展而成，因此近期需要推動(dòng)面向全球覆蓋、具備星間組網(wǎng)能力的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)以及具備星間高速傳輸鏈路的數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；對(duì)于天基接入網(wǎng)絡(luò)，需要以高軌、中/低軌衛(wèi)星通信星座網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建，滿足用戶覆蓋和移動(dòng)性接入需求。此外，為保障天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的有效應(yīng)用、管理與安全，需要同時(shí)研發(fā)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)智能融合應(yīng)用終端，實(shí)現(xiàn)功能完備的網(wǎng)絡(luò)管理和網(wǎng)絡(luò)安全。

對(duì)于近期階段建設(shè)的天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)，需要開展空間節(jié)點(diǎn)互聯(lián)、信息實(shí)時(shí)回傳、信息廣域分發(fā)等通用服務(wù)示范以及陸、海、空、天各類用戶隨域接入、無(wú)感切換、按需服務(wù)等功能示范，全面驗(yàn)證網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)、技術(shù)體制、服務(wù)能力。

（2）天基信息網(wǎng)絡(luò)空間貫通，建成天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)

在中遠(yuǎn)期，隨著天基通信、獲取、導(dǎo)航等功能系統(tǒng)逐步完善以及關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的攻克與應(yīng)用，一方面，需要在推進(jìn)與豐富網(wǎng)絡(luò)體系與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的基礎(chǔ)上完善天基骨干網(wǎng)絡(luò)與接入網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，即在立足寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)融合的前提下建設(shè)功能完備的天基骨干節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)與面向全球無(wú)縫覆蓋的高/中/低軌星座網(wǎng)絡(luò)；另一方面，在為獲取類衛(wèi)星預(yù)留充足組網(wǎng)資源的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)獲取衛(wèi)星數(shù)據(jù)的按需實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)接入，在擁有導(dǎo)航接收能力的同時(shí)為導(dǎo)航定位精度提升等提供支持。此外，為支持更廣泛的商業(yè)、民用、專業(yè)等各類應(yīng)用，需要優(yōu)化地面基礎(chǔ)設(shè)施部署，將天基信息獲取節(jié)點(diǎn)、地面數(shù)據(jù)中心、地面專業(yè)處理與服務(wù)節(jié)點(diǎn)、綜合應(yīng)用節(jié)點(diǎn)以及用戶終端節(jié)點(diǎn)虛擬整合，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息產(chǎn)品及軟件、存儲(chǔ)、計(jì)算等資源有序共享，實(shí)現(xiàn)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)與新一代互聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無(wú)縫連接，開發(fā)型譜化的智能融合應(yīng)用終端，保證異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的有效管理與安全。

在實(shí)現(xiàn)天基信息網(wǎng)絡(luò)的空間貫通與地面有效服務(wù)的前提下，對(duì)于中遠(yuǎn)期階段的天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)，需要進(jìn)一步開展全球移動(dòng)寬帶通信、遙感信息快速獲取等多種隨需服務(wù)，全面推廣應(yīng)用服務(wù)，達(dá)到為各類用戶提供全時(shí)、全域的天基信息服務(wù)能力。

4 天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)

為推動(dòng)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，根據(jù)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)路線與發(fā)展設(shè)想分析，需要考慮攻克網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、星座軌道設(shè)計(jì)、組網(wǎng)技術(shù)、傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理與安全技術(shù)等5個(gè)主要方向的關(guān)鍵技術(shù)，形成系列化的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

4.1 網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)指對(duì)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的總體設(shè)計(jì)，包括物理和信息兩個(gè)層次。對(duì)于物理層面，主要設(shè)計(jì)組成三維動(dòng)態(tài)拓?fù)涞男l(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量、分布、位置、功能規(guī)劃及其相互關(guān)系，以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展能力和拓?fù)渲貥?gòu)的可能范圍等內(nèi)容?？紤]到天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的空間分布所帶來(lái)的多尺度特性，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)取決于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)對(duì)地/對(duì)空覆蓋、工作頻段等多方面的指標(biāo)要求。對(duì)于信息層面，需要在明確天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)模式與服務(wù)支持能力的基礎(chǔ)上，確定信息傳輸類型與需求以及各類信息流程。天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)體系設(shè)計(jì)既要繼承已有空間功能系統(tǒng)，又要面向未來(lái)有所創(chuàng)新，以此來(lái)滿足全球覆蓋、寬帶高速、靈活接入、自主運(yùn)行、天地一體等能力需求。

4.2 星座軌道設(shè)計(jì)

星座軌道設(shè)計(jì)是對(duì)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座構(gòu)型、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)頻率/軌道、星間/星地互聯(lián)鏈路等的總體設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，既要面向功能系統(tǒng)的服務(wù)范圍和服務(wù)對(duì)象做“設(shè)計(jì)”，又需要結(jié)合頻率、軌位等實(shí)際的一些情況做“安置”優(yōu)化。

從網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)所處軌道位置來(lái)看，由于GEO衛(wèi)星對(duì)地靜止，衛(wèi)星間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎鄬?duì)固定，往往成為構(gòu)建天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)的首要選擇；而在天基接入網(wǎng)方面，由于不同軌道的接入網(wǎng)提供不同覆蓋范圍、傳輸速率、業(yè)務(wù)支持等功能，因此其星座軌道需要按需設(shè)計(jì)。

4.3 組網(wǎng)技術(shù)

組網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)互聯(lián)的基礎(chǔ)，為使信息在天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間多跳傳輸，組網(wǎng)技術(shù)必須具備高效、靈活、可擴(kuò)展、智能化等特點(diǎn)。

組網(wǎng)技術(shù)具體又包括了接入管理、空間路由、高速交換、組網(wǎng)協(xié)議、天地互聯(lián)、資源管理調(diào)度等技術(shù)。以接入管理為例，由于天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)為不同用戶提供服務(wù)，不同終端、不同業(yè)務(wù)，以及不同服務(wù)等級(jí)對(duì)基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入能力要求不同，因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，研究按需寬帶接入、隨遇移動(dòng)接入等技術(shù)。

4.4 傳輸技術(shù)

傳輸鏈路是實(shí)現(xiàn)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)信息交互的橋梁，更高速率、高大帶寬、更高效率是永恒追求。星間、星地的高速數(shù)據(jù)傳輸鏈路目前可通過(guò)微波、激光等多頻段實(shí)現(xiàn)。其中，在高速微波傳輸技術(shù)方面，為實(shí)現(xiàn)數(shù)Gbit/s的高速傳輸，核心技術(shù)主要包括超高速高頻譜效率傳輸體制、多載波超高速調(diào)制解調(diào)算法、空間信息網(wǎng)絡(luò)協(xié)作傳輸技術(shù)等；在高速激光傳輸及多址技術(shù)方面，核心技術(shù)主要包括相干激光調(diào)制、多制式數(shù)字解調(diào)、兼容有/無(wú)信標(biāo)光的快速捕獲與高精度跟蹤、基于光學(xué)相控陣的光多址接入技術(shù)等。另外，隨著傳輸理論、材料、工藝等不斷進(jìn)步，新型傳輸技術(shù)亦將為傳輸技術(shù)帶來(lái)重大變革。

4.5 網(wǎng)絡(luò)管理與安全技術(shù)

針對(duì)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化，服務(wù)對(duì)象復(fù)雜，用戶需求多樣，服務(wù)質(zhì)量分級(jí)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、穩(wěn)定、高效的網(wǎng)絡(luò)管理與安全保障即是網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的基礎(chǔ)，也是基本要求。因此，必須面向空天地網(wǎng)絡(luò)融合，在地面管控系統(tǒng)實(shí)施全網(wǎng)集中管控的背景下，按照衛(wèi)星組網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)星載網(wǎng)絡(luò)星上自主管控以補(bǔ)充地面區(qū)域地面站不足。同時(shí)，考慮到天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)面臨的開放性的衛(wèi)星鏈路、不穩(wěn)定的信號(hào)傳輸、移動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等帶來(lái)的更多的安全威脅，需要深入研究和解決網(wǎng)絡(luò)中所傳輸信息的機(jī)密性、完整性，提升網(wǎng)絡(luò)本身的抗攻擊能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

文章從天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的概念出發(fā)，在詳細(xì)分析全球天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀與研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)路線與發(fā)展構(gòu)想，并明確提出網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過(guò)程中必須解決的五大技術(shù)問(wèn)題。

天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程。在推進(jìn)過(guò)程中，需要結(jié)合用戶需求、現(xiàn)有能力以及已有重大工程論證成果，在分析中國(guó)天基寬帶互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展基本條件的基礎(chǔ)上，在技術(shù)攻關(guān)成果的推動(dòng)下，統(tǒng)籌軍隊(duì)、部委、行業(yè)等應(yīng)用需求，循序推進(jìn)實(shí)施。

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