“星融網(wǎng)”體系結(jié)構(gòu)與核心技術(shù)初探

◎中國航天科技集團(tuán)公司第十二研究院 顧升高 王葉茵 葛慧

航天技術(shù)的不斷進(jìn)步為信息技術(shù)的發(fā)展注入了強(qiáng)大動力，提供了廣闊空間。實(shí)現(xiàn)從“數(shù)字地球”到“數(shù)字宇宙”的跨越也因此變得更加可行。以系統(tǒng)工程思想為引領(lǐng)，充分利用各類衛(wèi)星資源，融合天基、空基、地基網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建突破傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——“星融網(wǎng)”適逢其時，非常必要，技術(shù)可行。

一、“星融網(wǎng)”提出的背景

目前，互聯(lián)網(wǎng)是地球上規(guī)模最大、覆蓋最廣、資源最多的計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)。每天有數(shù)以億計(jì)的人們在全球的各個地方、各種領(lǐng)域使用著互聯(lián)網(wǎng)。毋庸置疑，互聯(lián)網(wǎng)已是當(dāng)今人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡囊徊糠?，越來越深刻地影響著人們生活、學(xué)習(xí)以及生活方式，甚至整個社會的進(jìn)程。

盡管如此，隨著人們對實(shí)時互聯(lián)互通要求的持續(xù)增長，以及信息技術(shù)尤其是天基信息系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)出越來越多的局限性和不適應(yīng)性。一是網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和內(nèi)容分布的不均衡。在發(fā)達(dá)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)齊全，信息更新速度快，然而由于傳統(tǒng)的地面鏈路難以覆蓋高山、海洋、海島等一些復(fù)雜地形，導(dǎo)致傳輸信息難，抗自然災(zāi)害能力差，邊遠(yuǎn)地區(qū)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施相對稀少，無法達(dá)到完全覆蓋，同時在航空以及海洋上也同樣缺乏網(wǎng)絡(luò)條件；二是網(wǎng)絡(luò)速度和用戶日益增長的帶寬需求之間的不對等?；ヂ?lián)網(wǎng)大規(guī)模商用，導(dǎo)致信息數(shù)據(jù)量爆炸性增長，使得互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)阻塞，內(nèi)容分發(fā)、傳遞速度慢等諸多問題頻發(fā)；三是遠(yuǎn)程接入不易，過于依賴光纖網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行鏈接。盡管“光纖網(wǎng)絡(luò)”帶寬較大，對信號損耗極低，傳輸保密性好，難以竊聽，但光纖質(zhì)地脆弱，容易折斷，連接困難，價格昂貴。

因此，運(yùn)用系統(tǒng)工程的思想，充分利用天基、空基、地基信息系統(tǒng)的優(yōu)勢，從更高的起點(diǎn)上規(guī)劃和建立一種替代性顛覆式全球互聯(lián)互通網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫。“星融網(wǎng)”正是基于這樣的需求而提出的一種新型的未來全球全域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

“星融網(wǎng)”以天基網(wǎng)絡(luò)為主體，將覆蓋全球的多種類型衛(wèi)星融入其中，同空域和地面多種通信平臺建立連接，形成一體化大容量信息網(wǎng)絡(luò)，整合天、空、地多種網(wǎng)絡(luò)資源共同為用戶提供高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)接入。

二、相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)前，世界各國在天基互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域紛紛提出、布局或?qū)嵤┒囗?xiàng)計(jì)劃。

美國衛(wèi)訊公司的下一代大容量寬帶衛(wèi)星 ViaSat-2，于2017年6月1日成功發(fā)射，該衛(wèi)星主要用于提供高容量的寬帶通信和廣泛的覆蓋，通過與地面基站相互配合提供更高速度的固定和移動寬帶服務(wù)。ViaSat-2的總吞吐容量大約為 350Gbit/s，能夠以25Mbit/s的速率為250萬用戶提供寬帶服務(wù)，Viasat-3的“三星”計(jì)劃也已公布，每顆衛(wèi)星預(yù)計(jì)容量將達(dá)1 Tbit/s，從 2019 年開始覆蓋全球，服務(wù)目標(biāo)定位于亞太地區(qū)，與ViaSat-1和ViaSat-2共同完成全球范圍服務(wù)。

“星融網(wǎng)”系統(tǒng)應(yīng)用示意

歐洲O3b公司運(yùn)營寬帶星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)O3b系統(tǒng)，是世界上第一個中軌道通信星座，有“空中光纖”之稱，由互聯(lián)網(wǎng)巨頭谷歌推動，旨在“為地球上另外 30 億人提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)”，致力于為地面通信不方便達(dá)到的區(qū)域提供網(wǎng)絡(luò)接入。該系統(tǒng)由12顆衛(wèi)星構(gòu)成初始星座，單星質(zhì)量低于700kg，設(shè)計(jì)壽命10年，運(yùn)行于8062km的中圓軌道，采用星形組網(wǎng)方式，能夠覆蓋南北緯45°范圍內(nèi)的全球所有地方。O3b星座系統(tǒng)可以為亞洲、非洲、南美洲和大洋洲地區(qū)提供遠(yuǎn)程通話和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，低時延加上高容量Ka頻段資源，O3b星座系統(tǒng)提供的新型遠(yuǎn)程信息交互服務(wù)的速度可以達(dá)到與光纖網(wǎng)絡(luò)同等的程度。

OneWeb公司自2000年以來一直致力于通過衛(wèi)星提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)，并啟動世界上最大的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃。OneWeb計(jì)劃用非地球靜止衛(wèi)星軌道（Nongeostationary Satellite Orbit，簡稱NGSO）技術(shù)發(fā)射720顆低地球軌道衛(wèi)星，以提供全球高速寬帶。目標(biāo)是到2022年為每一個目前不連網(wǎng)的學(xué)校提供互聯(lián)網(wǎng)接入，到2027年彌合數(shù)字鴻溝。據(jù)悉，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，簡稱FCC）已授權(quán)OneWeb，批準(zhǔn)其在美國使用其衛(wèi)星提供互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。One Web的第一代低軌星座設(shè)計(jì)方案，包含648顆在軌衛(wèi)星與234顆備份衛(wèi)星，總數(shù)達(dá)882顆，工作頻段為Ku 頻段，單星吞吐量大于 6 Gbit/s，系統(tǒng)總吞吐量 5 Tbit/s左右。這些衛(wèi)星將被均勻放置在不同的極地軌道面上，距離地面僅1200公里左右。衛(wèi)星以高速圍繞地球運(yùn)動，不同的衛(wèi)星不斷交替出現(xiàn)在某個區(qū)域的上空，從而保障該區(qū)域內(nèi)的信號覆蓋。如果計(jì)劃進(jìn)展順利，該星座將在2019年開始運(yùn)作。

太空探索公司（SpaceX）發(fā)布了Stream 互聯(lián)網(wǎng)星座計(jì)劃。在2017年5月表示計(jì)劃從2019年開始建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，到2024年建立起由大量近地小衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)，從太空向地球提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。從申報(bào)的情況來看，衛(wèi)星數(shù)量達(dá)4000多顆，使用Ku和Ka頻段，運(yùn)行在 43 個軌道面。此外，SpaceX還通過美國無線電通信委員會（FCC）向ITU申報(bào)了6～8顆Ku頻段試驗(yàn)星，首發(fā)星MicroSat-1a和MicroSat-1b預(yù)計(jì)壽命1年，運(yùn)行在軌道傾角為86.6°、軌道高度為625 km的圓軌道。

全球展開互聯(lián)網(wǎng)太空競賽時，中國的衛(wèi)星發(fā)展也在火速跟進(jìn)當(dāng)中。為了推動中國寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，《中國制造2025》中，明確提出“發(fā)展新型衛(wèi)星等空間平臺與有效載荷、空天地寬帶互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，形成長期持續(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”。

2016年8月6日，我國成功發(fā)射天通一號01星，該星是我國首顆S頻段移動通信衛(wèi)星，將與地面移動通信系統(tǒng)共同構(gòu)成移動通信網(wǎng)絡(luò)，為中國及周邊、中東、非洲等相關(guān)地區(qū)，以及太平洋、印度洋大部分海域的用戶提供語音、短信及最高384kbit/s的互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。

2016年11月1日，中國首次啟動“全球?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)”計(jì)劃，屆時不僅隨時隨地享受高速互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，傳輸價格也將顯著下降。中國航天科技集團(tuán)公司所屬中國長城工業(yè)集團(tuán)有限公司與香港亞太通信衛(wèi)星有限公司、亞太衛(wèi)星寬帶通信(深圳)有限公司，在珠海航展上簽署了《全球?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)采購意向書》及亞太6D衛(wèi)星在軌交付合同。全球?qū)拵l(wèi)星通信系統(tǒng)的首發(fā)星是亞太6D寬帶通信衛(wèi)星，將于2019年前發(fā)射使用，該衛(wèi)星采用東方紅四號增強(qiáng)型平臺，是目前“東四”系列衛(wèi)星中設(shè)計(jì)最復(fù)雜、技術(shù)最先進(jìn)的一顆。

2017年4月12日，我國首顆Ka頻段高通量衛(wèi)星“實(shí)踐十三號”發(fā)射升空。該星通信總?cè)萘窟_(dá)20Gbps，可同是接入30萬個用戶，超過我國之前所有研制發(fā)射的通信衛(wèi)星容量總和，被譽(yù)為“超級空中路由器”，真正意義上實(shí)現(xiàn)了我國自主通信衛(wèi)星的寬帶應(yīng)用，標(biāo)志著我國衛(wèi)星通信進(jìn)入高通量時代。據(jù)悉在未來3年，中國將利用“實(shí)踐十三號”高通量通信衛(wèi)星組成高寬帶移動通信系統(tǒng)，覆蓋大部分地區(qū)和近海海域，使得在高鐵、飛機(jī)、遠(yuǎn)洋郵輪等地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋相對薄弱的區(qū)域高速上網(wǎng)也成為現(xiàn)實(shí)。中星18號衛(wèi)星計(jì)劃于2019年發(fā)射，滿足“一帶一路”沿線國家和地區(qū)覆蓋，提供衛(wèi)星Ku常規(guī)通信業(yè)務(wù)、Ka寬帶通信業(yè)務(wù)和Ka廣播通信試驗(yàn)服務(wù)。

總觀全球，目前寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展處于基礎(chǔ)建設(shè)起步階段。雖已有一定的衛(wèi)星資源基礎(chǔ)，但尚未與空域、地面網(wǎng)絡(luò)建立穩(wěn)定的鏈接并提供高質(zhì)量的服務(wù)。因此，目前“星融網(wǎng)”的研究與發(fā)展的迫切需求與關(guān)鍵問題在于如何科學(xué)設(shè)計(jì)和構(gòu)建這一網(wǎng)絡(luò)。

“星融網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初步設(shè)計(jì)

三、星融網(wǎng)的體系架構(gòu)設(shè)想

科學(xué)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)“星融網(wǎng)”是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，“星融網(wǎng)”節(jié)點(diǎn)類型眾多，在天、空、地運(yùn)行的不同節(jié)點(diǎn)的功能、接入傳輸?shù)哪芰﹀漠?，使其成為一個高度異構(gòu)、動態(tài)復(fù)雜的巨系統(tǒng)。

“星融網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由天基、空基、地基三部分網(wǎng)絡(luò)融合組成。其中，天基網(wǎng)絡(luò)包含天基主干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)兩部分，天基主干網(wǎng)由高軌衛(wèi)星組成，通過無線通信技術(shù)建立高容量星間鏈路、星地鏈路實(shí)現(xiàn)星間、星地互聯(lián)，提供全球覆蓋高速數(shù)據(jù)傳輸和信息交互；天基接入網(wǎng)由高軌、中軌或低軌衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)構(gòu)建，完成數(shù)據(jù)端到端快速傳輸，滿足各層次網(wǎng)絡(luò)用戶的接入需求?？栈W(wǎng)絡(luò)主要以高空平臺、臨近空間浮空器、航空器等為載體，共同組建高速、靈活全天候的空域傳輸網(wǎng)絡(luò)，連接天基和地基起到承上啟下的作用。地基網(wǎng)絡(luò)主要以地面?zhèn)鹘y(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)為核心面向用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)，同時配套衛(wèi)星地面數(shù)據(jù)中心收發(fā)并綜合處理衛(wèi)星傳回的海量數(shù)據(jù)。

“星融網(wǎng)”以天基網(wǎng)絡(luò)為主體，融入空基、地基網(wǎng)絡(luò)，充分利用衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋范圍廣、通信容量大、機(jī)動靈活等優(yōu)勢，拓展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)范圍，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。同時，“星融網(wǎng)”是一個高度綜合性、立體化的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，融合多種功能，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動態(tài)可變，信息交換一體化，完全打破了原有獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享的壁壘，綜合有效地利用各種資源，為用戶提供全方位的網(wǎng)絡(luò)支持。

四、核心問題

隨著寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，全球互聯(lián)互通的需求從地面網(wǎng)絡(luò)拓展到空基網(wǎng)絡(luò)乃至天基網(wǎng)絡(luò)，并且呈現(xiàn)出“異構(gòu)化、無縫化、寬帶化”的發(fā)展趨勢，即通過多網(wǎng)融合實(shí)現(xiàn)在不同網(wǎng)絡(luò)之間自動切換隨意接入，提供隨時隨地全覆蓋的高質(zhì)量高水平通信，滿足人們寬帶接入享受高速上網(wǎng)?！靶侨诰W(wǎng)”正是運(yùn)用系統(tǒng)工程理論方法，以天基系統(tǒng)為基礎(chǔ)，統(tǒng)籌天空地網(wǎng)絡(luò)資源，滿足全球全域網(wǎng)絡(luò)接入需求，支持實(shí)時采集、傳輸、處理海量數(shù)據(jù)，為各種環(huán)境條件下的用戶提供全面覆蓋、機(jī)動靈活、安全可靠的一體化互聯(lián)互通服務(wù)。

與現(xiàn)有的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)相比，“星融網(wǎng)”的應(yīng)用環(huán)境更復(fù)雜，應(yīng)用范圍更廣闊，該網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的技術(shù)特點(diǎn)也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的難度。其核心技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

“星融網(wǎng)”是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)，總體架構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞決定了系統(tǒng)的可靠性、易用性、抗毀性。在系統(tǒng)構(gòu)成中，“星融網(wǎng)”包含了天、空、地多種網(wǎng)絡(luò)中各種類型節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置、分布以及相互關(guān)系如何按需設(shè)計(jì)；在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，拓?fù)鋭討B(tài)多變，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)如何融合連通快速切換；在功能服務(wù)中，面向不同用戶、終端、業(yè)務(wù)、應(yīng)用場景，網(wǎng)絡(luò)接入和信息傳輸如何按需調(diào)整，這些都在不同程度上影響著整個網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃與設(shè)計(jì)，需要在頂層設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考量。因此，在構(gòu)建“星融網(wǎng)”的過程中，需要綜合運(yùn)用系統(tǒng)工程的方法，從整個網(wǎng)絡(luò)的角度進(jìn)行全方位、多層次地統(tǒng)籌設(shè)計(jì)，從而保證 “星融網(wǎng)”一體化網(wǎng)絡(luò)合理有效的應(yīng)用。

（二）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)變化

“星融網(wǎng)”各層網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)具有移動性，例如，航天、航空相關(guān)平臺節(jié)點(diǎn)相對地面高速移動，地面節(jié)點(diǎn)用戶時常變換，衛(wèi)星、地面站、用戶終端之間無法建立固定的鏈接關(guān)系。節(jié)點(diǎn)空間位置頻繁發(fā)生變化，不同網(wǎng)絡(luò)之間規(guī)模差異巨大，增加了網(wǎng)絡(luò)的不規(guī)則性、不確定性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變得動態(tài)復(fù)雜。 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)變化會導(dǎo)致傳輸鏈路誤碼率加大，鏈路傳輸時延增加，鏈路中斷率升高，最終造成數(shù)據(jù)丟失、資源消耗、傳輸效率降低。并且，動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵β酚刹呗缘母咝砸彩且淮罂简?yàn)，已有的動態(tài)路由算法雖適用于地面環(huán)境，但對于拓?fù)渥兓瘶O快的星座則顯得不太適用。因此，應(yīng)當(dāng)在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，面向“星融網(wǎng)”開展多層立體式動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和適用于大時空尺度的高效路由策略研究。

（三）互聯(lián)互通數(shù)據(jù)融合

“星融網(wǎng)”主要是對天、空、地多種網(wǎng)絡(luò)融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的多維度采集，集中式處理，綜合化應(yīng)用。目前天、空、地網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)種類繁多，拓?fù)鋭討B(tài)變化強(qiáng)，每個網(wǎng)絡(luò)相對獨(dú)立，功能專用，網(wǎng)絡(luò)之間空間跨度大，缺少適用于所有網(wǎng)絡(luò)的通信規(guī)則和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，并且海量數(shù)據(jù)之間存在不同網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的壁壘。隨著對多維綜合信息資源需求的日益提升，任何單一維度上的信息利用都無法滿足全方位的需求，只有將現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行融合，才有利于實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋、信息互聯(lián)互通。因此，應(yīng)當(dāng)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)相互之間的連接方式、接入管理、高速交換、資源管理等技術(shù)上進(jìn)行針對性研究。

（四）網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)保障中的問題

“星融網(wǎng)”是一種跨天、空、地的多層次分布式網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)具有高度開放性和異構(gòu)性，從而使得它更容易受到竊聽、假冒、干擾、信息重放、物理損傷等手段的攻擊和破壞。一方面，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、地面站等基礎(chǔ)設(shè)施直接暴露在自然環(huán)境中，網(wǎng)絡(luò)傳輸鏈路對外開放，諸多不可抗自然因素以及人為或電磁信號干擾都會不同程度地影響數(shù)據(jù)傳輸甚至中斷，導(dǎo)致數(shù)據(jù)面臨被竊取、泄露的威脅。另一方面，攻擊者很容易利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)動態(tài)接入的特性冒充合法身份接入到網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行病毒植入、偽造路由消息等惡意操作，極大地破壞網(wǎng)絡(luò)安全性。因此，為了保障整體網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行，需要加強(qiáng)對“星融網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)和安全技術(shù)研究，滿足網(wǎng)絡(luò)融合條件下端到端跨域安全傳輸。

五、結(jié)束語

我國航天事業(yè)的發(fā)展為“星融網(wǎng)”建設(shè)奠定了良好基礎(chǔ)，全球全域互聯(lián)互通的迫切需求為“星融網(wǎng)”的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。

新時代，新征程，新機(jī)遇。深入論證，統(tǒng)籌規(guī)劃，分步實(shí)施“星融網(wǎng)”對構(gòu)建我國自主可控的網(wǎng)絡(luò)體系，推進(jìn)網(wǎng)信事業(yè)發(fā)展邁向新高度具有重要意義，我們要抓住機(jī)遇，迅速啟動，搶占先機(jī)。