天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)初步考慮

張平+秦智超+陸洲

摘要：認(rèn)為天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)（ISTIN）的核心。在分析全球典型系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國(guó)國(guó)情提出了一種新的天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——天地雙骨干。同時(shí)，綜合考慮天地鏈路信道特征和星上處理能力約束，提出了激光/微波混合傳輸、電路和分組混合交換等技術(shù)體制，為系統(tǒng)建設(shè)提供參考。

關(guān)鍵詞：ISTIN；骨干互聯(lián)系統(tǒng)；天地雙骨干

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-6868 （2016） 04-0024-005

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為國(guó)家信息化重要基礎(chǔ)設(shè)施，對(duì)拓展國(guó)家利益，維護(hù)國(guó)家安全，保障國(guó)計(jì)民生，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重大意義，是中國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)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。

近年來(lái)，中國(guó)信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)日新月異，取得了可喜的成績(jī)，互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信用戶(hù)數(shù)量處于世界領(lǐng)先地位[1]。相比地面網(wǎng)絡(luò)，天基網(wǎng)絡(luò)具有服務(wù)覆蓋范圍廣，受地面因素影響小，布設(shè)機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)勢(shì)，在空間信息傳輸、應(yīng)急救援、航空運(yùn)輸、遠(yuǎn)洋航行、空間探索等領(lǐng)域發(fā)揮不可或缺的作用。但是，中國(guó)天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)發(fā)展很不平衡，呈現(xiàn)“天弱地強(qiáng)”的特征。

中國(guó)航天技術(shù)發(fā)展取得了巨大成就[2-3]，根據(jù)美國(guó)憂(yōu)思科學(xué)家聯(lián)盟（UCS）網(wǎng)站上的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4]，截至2015年12月底，中國(guó)在軌衛(wèi)星數(shù)量已達(dá)177顆，預(yù)計(jì)到2020年在軌衛(wèi)星數(shù)量將超過(guò)200顆。天基方面，中國(guó)已經(jīng)初步建成了通信中繼、導(dǎo)航定位、對(duì)地觀測(cè)等系統(tǒng)，但各衛(wèi)星系統(tǒng)獨(dú)自建設(shè)，條塊分割十分明顯，衛(wèi)星數(shù)量嚴(yán)重不足，衛(wèi)星類(lèi)型比較單一，更為突出的是，衛(wèi)星沒(méi)有實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)，無(wú)法發(fā)揮天基信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化綜合效能。

天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)作為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的核心，一方面起到了互聯(lián)各類(lèi)天基信息系統(tǒng)的作用，通過(guò)天地雙骨干架構(gòu)實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)在天地兩個(gè)層面的互聯(lián)互通和一體化融合；另一方面作為一張全球覆蓋的寬帶信息網(wǎng)絡(luò)，為陸、海、空、天等各類(lèi)重點(diǎn)用戶(hù)提供寬帶接入和數(shù)據(jù)中繼服務(wù)。

1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)工作

1.1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)概述

近年來(lái)，隨著空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是星間鏈路的出現(xiàn)，空間信息系統(tǒng)開(kāi)始向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，并朝著與地面網(wǎng)絡(luò)融合成天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的趨勢(shì)發(fā)展。為此，世界各國(guó)都在積極地開(kāi)展總體架構(gòu)方面的研究，包括組網(wǎng)架構(gòu)、協(xié)議體系和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等。

全球的其他一些國(guó)家在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)研究和系統(tǒng)建設(shè)方面具有領(lǐng)先地位，既建成了銥星、先進(jìn)極高頻（AEHF）等空間組網(wǎng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提出了行星際網(wǎng)絡(luò)（IPN）、轉(zhuǎn)型通信衛(wèi)星系統(tǒng)（TSAT）等天地一體化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想，又開(kāi)展了一系列的空間技術(shù)試驗(yàn)，包括太空路由器（IRIS）等[5-8]。

中國(guó)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)了十多年，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中國(guó)天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)的概念[9]及總體構(gòu)想；2007年和2012年，中國(guó)宇航學(xué)會(huì)飛行器測(cè)控專(zhuān)業(yè)委員會(huì)先后兩次召開(kāi)學(xué)術(shù)年會(huì)，對(duì)航天互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了專(zhuān)題研討；2013—2014年，工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)委員會(huì)組織了“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究”重點(diǎn)課題，從發(fā)展戰(zhàn)略、總體方案和關(guān)鍵技術(shù)等3個(gè)方面對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展研究[10]；2013年和2015年，中國(guó)先后兩次召開(kāi)了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的高峰論壇，對(duì)凝聚中國(guó)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(rèn)識(shí)發(fā)揮了重要作用；2015年，張乃通院士發(fā)表了《對(duì)建設(shè)我國(guó)“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考》一文[11]，對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的定位、邊界做了清晰的說(shuō)明，并提出了網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)的設(shè)想和對(duì)建設(shè)工作的建議。

在綜合相關(guān)研究工作的基礎(chǔ)上，我們提出了對(duì)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的理解：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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，由天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)互聯(lián)互通而成。如圖1所示，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(diǎn)網(wǎng)3部分。

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(diǎn)聯(lián)網(wǎng)而成，骨干節(jié)點(diǎn)具備寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼、路由交換、信息存儲(chǔ)、處理融合等功能，受衛(wèi)星平臺(tái)能力的限制，單顆衛(wèi)星無(wú)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(shí)現(xiàn)多功能綜合。一個(gè)天基骨干節(jié)點(diǎn)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(chǔ)、計(jì)算等功能模塊化衛(wèi)星，不同衛(wèi)星之間通過(guò)近距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)和信息交互，協(xié)同工作完成天基骨干節(jié)點(diǎn)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(diǎn)所組成，滿(mǎn)足陸、海、空、天多層次海量用戶(hù)的各種網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)需求，包括語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、寬帶多媒體等業(yè)務(wù)。

地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)由多個(gè)地面互連的地基骨干節(jié)點(diǎn)組成，地基骨干節(jié)點(diǎn)由信關(guān)站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理、信息處理、信息存儲(chǔ)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(guò)地面高速骨干網(wǎng)絡(luò)完成組網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)與其他地面系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

1.2 典型系統(tǒng)分析

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，全球的其他一些國(guó)家已經(jīng)建成了多個(gè)天地一體的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，包括同步軌道、中低軌道的各類(lèi)衛(wèi)星系統(tǒng)，平流層的氣球和無(wú)人機(jī)、地面信關(guān)站等組成部分，如圖2所示。

通過(guò)調(diào)研分析，可以將各類(lèi)不同的信息系統(tǒng)按照網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)大致歸為三大類(lèi)：天星地網(wǎng)、天基網(wǎng)絡(luò)、天網(wǎng)地網(wǎng)，如表1所示。

（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Inmarsat、全球?qū)拵l(wèi)星系統(tǒng)（WGS），其特點(diǎn)是天上衛(wèi)星之間不組網(wǎng)，而是通過(guò)全球分布的地面站實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jiǎn)單，系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)復(fù)雜度低，升級(jí)維護(hù)也比較方便。

（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)有銥星、AEHF等，其特點(diǎn)是采用星間組網(wǎng)的方式構(gòu)成獨(dú)立的天基網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)系統(tǒng)可以不依賴(lài)地面網(wǎng)絡(luò)獨(dú)立運(yùn)行。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)弱化了對(duì)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(fù)雜化，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)和維護(hù)的成本較高。通過(guò)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(lái)說(shuō)并不算成功，主要是基于軍事上對(duì)網(wǎng)絡(luò)極端抗毀性的相關(guān)需求。

（3）天網(wǎng)地網(wǎng)

天網(wǎng)地網(wǎng)介于上述兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間，以TSAT計(jì)劃為典型，其特點(diǎn)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(yuǎn)、廣的優(yōu)勢(shì)實(shí)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(jiǎn)化整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度。

3種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)總結(jié)如下：天星地網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)比較成熟，是目前全球一些國(guó)家系統(tǒng)建設(shè)的主流選擇，獲得應(yīng)用廣泛，但受中國(guó)國(guó)情限制，在全球布站有現(xiàn)實(shí)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(dú)立性等方面有優(yōu)勢(shì)，但因?yàn)橐紤]脫離地面獨(dú)立運(yùn)行，加重了對(duì)星上處理和星間信息傳輸能力的要求，導(dǎo)致技術(shù)復(fù)雜，系統(tǒng)的建設(shè)和維護(hù)成本高，商業(yè)上難以成功；天網(wǎng)地網(wǎng)架構(gòu)通過(guò)天地兩張網(wǎng)絡(luò)的配合，充分利用天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋能力和地面豐富的傳輸和處理能力，大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度和成本。

綜合考慮之后，我們認(rèn)為天網(wǎng)地網(wǎng)是比較適合中國(guó)國(guó)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(dú)立系統(tǒng)存在，直接面向用戶(hù)提供服務(wù)保障，又可以作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充和增強(qiáng)，以彌補(bǔ)地面網(wǎng)絡(luò)在覆蓋范圍、抗毀應(yīng)急保障以及機(jī)動(dòng)保障能力上的不足。

2 天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)想

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)起到了核心的作用，具備寬帶接入、骨干互連和中繼傳輸?shù)裙δ埽譃榭臻g段、地面段和用戶(hù)端3部分，如圖3所示。

天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)需要保持穩(wěn)定可靠，所以其空間段一般由比較穩(wěn)定的同步軌道衛(wèi)星組成，通過(guò)星間和星地高速鏈路提供高速骨干傳輸通道[12]。同步軌道（GEO）衛(wèi)星距離地面約36 000 km，軌道周期與地球自轉(zhuǎn)周期恰好相同，所以與地面保持相對(duì)靜止，并且覆蓋范圍廣，是實(shí)現(xiàn)空間骨干網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。如圖3所示，其空間段部分涵蓋了天基骨干網(wǎng)和部分天基接入網(wǎng)的設(shè)施。

地面段是為了支撐系統(tǒng)運(yùn)行所必要的一些基礎(chǔ)設(shè)施，主要包括網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中心（NCC）、衛(wèi)星運(yùn)行中心（SCC）、地面信關(guān)站（GW）等。同時(shí)，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，通過(guò)地面光纖網(wǎng)絡(luò)將各類(lèi)地面設(shè)施連接起來(lái)構(gòu)成地基節(jié)點(diǎn)網(wǎng)，與空間段的天基骨干網(wǎng)構(gòu)成天地雙骨干架構(gòu)。

用戶(hù)段是天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象，按照所處位置可以分為天基、空基、?；⒙坊?，按照服務(wù)類(lèi)型又可分為骨干互連、中繼傳輸、寬帶接入等。骨干互連的主要功能是為大型網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間提供干線(xiàn)傳輸服務(wù)，服務(wù)對(duì)象包括地面關(guān)口站和大型的網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點(diǎn)等；中繼傳輸?shù)闹饕δ苁翘峁?shù)據(jù)中繼服務(wù)，服務(wù)對(duì)象是動(dòng)態(tài)性比較強(qiáng)的航天器或航空器；寬帶接入的主要功能是為廣域范圍內(nèi)的重點(diǎn)用戶(hù)提供寬帶信息服務(wù)，服務(wù)對(duì)象主要包括飛機(jī)、高鐵、船舶等。

2.2 傳輸體制

天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)涉及到多種傳輸鏈路，包括天基骨干節(jié)點(diǎn)之間的骨干鏈路、天基骨干節(jié)點(diǎn)與地基骨干節(jié)點(diǎn)之間的骨干鏈路、天基骨干節(jié)點(diǎn)與用戶(hù)間的星地寬帶通信鏈路、天基骨干節(jié)點(diǎn)與低軌星座的星間互聯(lián)鏈路等，各種鏈路傳輸體制需要針對(duì)其空間距離、信道特征、傳輸容量等鏈路特性及平臺(tái)能力等因素綜合考慮設(shè)計(jì)。天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)傳輸體制如圖4所示。

（1）天基骨干互聯(lián)鏈路

天基骨干節(jié)點(diǎn)間距離在29 000～68 000 km內(nèi)變化，鏈路空間距離跨度大，帶來(lái)的空間鏈路損耗也較大，因此可以考慮采用激光鏈路，最高傳輸速率不低于5 Gbit/s。

（2）天地骨干互聯(lián)鏈路

天基骨干節(jié)點(diǎn)與地基骨干節(jié)點(diǎn)間的距離在36 000～42 000 km內(nèi)變化，傳輸距離大，并且受大氣影響，因此可以考慮采用激光/微波混合傳輸?shù)捏w制：在大氣環(huán)境良好時(shí)采用激光傳輸，當(dāng)大氣環(huán)境不適于激光傳輸時(shí)改用微波傳輸，激光傳輸?shù)乃俾什坏陀? Gbit/s，微波傳輸?shù)乃俾什坏陀?22 Mbit/s。

（3）星地寬帶通信鏈路

星地鏈路空間的距離一般在會(huì)40 000 km左右，自由空間損耗大；另外大氣層對(duì)激光鏈路影響較大，星地寬帶通信鏈路主要采用Ka、Ku微波鏈路，根據(jù)天線(xiàn)及衛(wèi)星平臺(tái)承載能力，星地鏈路考慮配置多點(diǎn)波束和相控陣跳變點(diǎn)波束。

（4）天基骨干節(jié)點(diǎn)與低軌星座的星間互聯(lián)鏈路

天基骨干節(jié)點(diǎn)與低軌星座的鏈路主要實(shí)現(xiàn)高速的網(wǎng)絡(luò)互連，傳輸容量要求高，考慮以激光鏈路為主，星間最高傳輸速率不低于5 Gbit/s。

2.3 交換體制

從目前中國(guó)的外星上交換方式技術(shù)發(fā)展來(lái)看，目前天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)可以參考借鑒的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式主要有以下兩種：分組交換和電路交換。

（1）分組交換

分組交換主要是指基于IP的數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式，需要星上具備較強(qiáng)的處理能力。分組交換具有較好的業(yè)務(wù)接入能力，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的適應(yīng)能力強(qiáng)、帶寬資源動(dòng)態(tài)復(fù)用/利用率高等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于多波束多端口的復(fù)雜交換要求而言，因采用數(shù)字技術(shù)而復(fù)雜度大大降低。與電路交換方式相比，其系統(tǒng)資源利用率更高，信息交換的靈活性提高系統(tǒng)上下行鏈路可以采用不同的技術(shù)體制，有助于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善系統(tǒng)整體性能。另外星上再生處理避免了上行鏈路的干擾和噪聲累積，可以改善系統(tǒng)誤碼性能。

（2）電路交換

電路交換主要是指星上透明轉(zhuǎn)發(fā)方式，包括微波的信道和子帶交換、激光的波長(zhǎng)交換等。相比分組交換，電路交換具有交換容量大、格式透明、處理簡(jiǎn)單、功耗低等優(yōu)勢(shì)。隨著未來(lái)空間激光通信技術(shù)的逐漸成熟[13-15]，天基骨干網(wǎng)的傳輸速率將達(dá)到10 Gbit/s，交換容量將可以達(dá)到100 Gbit/s量級(jí)，光交換技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)大容量交換的理想選擇。

從不同交換體制特點(diǎn)來(lái)看，單一交換方式難以滿(mǎn)足多樣化應(yīng)用的需求，因此可以考慮采用一種折中的方案，在星上同時(shí)可以支持兩種交換方式共存。

·光交換主要支持骨干節(jié)點(diǎn)之間的互連以及大容量節(jié)點(diǎn)（比如高分衛(wèi)星）的接入，實(shí)現(xiàn)高速骨干互聯(lián)和中繼傳輸功能；

·分組交換方式主要支持對(duì)星間有通信需求的寬帶用戶(hù)，采用與地面網(wǎng)絡(luò)兼容的路由協(xié)議，實(shí)現(xiàn)天地一體的路由組網(wǎng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)目前正處于技術(shù)研究向工程建設(shè)的關(guān)鍵時(shí)期，天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)作為其核心，承擔(dān)著構(gòu)建中國(guó)空間信息基礎(chǔ)設(shè)施的重任。文章中，我們?cè)诳偨Y(jié)其他一些國(guó)家天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)發(fā)展經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，基于中國(guó)國(guó)情提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)天基寬帶骨干互聯(lián)系統(tǒng)的初步設(shè)想，并從體系架構(gòu)、傳輸體制、交換體制等方面展開(kāi)了重點(diǎn)論述，為后續(xù)實(shí)際系統(tǒng)的建設(shè)提供技術(shù)支撐和參考。

參考文獻(xiàn)

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