天地一體化網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信港控制架構(gòu)與路由技術(shù)研究

姜立軍

（解放軍93015部隊(duì)，黑龍江 佳木斯 154000）

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)航天航空技術(shù)發(fā)展較為迅速，空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突顯出極強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要程度也在不斷的上升。天地一體化網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的信息支持能力，天空基地骨干網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建是其建設(shè)的重點(diǎn)。天地一體化網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)即是將具有全覆蓋性質(zhì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與具備小時(shí)延特性的地面通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有機(jī)的融合。換言之，天地一體化網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，以空間網(wǎng)絡(luò)為有效的拓展，其構(gòu)成涉及天、陸、海等自然空間，為天空基地、空間基地、陸地面基地以及海洋基地等關(guān)聯(lián)客戶的各項(xiàng)活動(dòng)提供精準(zhǔn)的信息支持。天地一體化網(wǎng)絡(luò)一般被應(yīng)用于導(dǎo)航定位、航空運(yùn)輸以及應(yīng)急救援等重大工作，可支持實(shí)時(shí)或大時(shí)延可靠傳輸?shù)裙ぷ?。天地一體化網(wǎng)絡(luò)可細(xì)分為天空基地網(wǎng)絡(luò)、空間網(wǎng)絡(luò)與陸基網(wǎng)絡(luò)三個(gè)類(lèi)別，不同的網(wǎng)絡(luò)依賴天地一體化網(wǎng)絡(luò)的連接可有效實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)相通。其中，天空基地網(wǎng)絡(luò)以高空衛(wèi)星為核心，與空間基地、陸地面基地網(wǎng)絡(luò)的分層網(wǎng)絡(luò)相比，可充分滿足陸游迂回的需求[1]。而在陸基網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)的部分需要采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行連接，同時(shí)也可使用天空基地網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)完成遠(yuǎn)程的中繼任務(wù)，以此全面促進(jìn)區(qū)域間覆蓋性網(wǎng)絡(luò)同骨干性交換網(wǎng)絡(luò)的連接。

1 當(dāng)前我國(guó)天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展情況

當(dāng)前，我國(guó)致力于開(kāi)展涉及同步軌道、中低軌道、平流層以及地面等多層次的全面信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的構(gòu)建，并已取得顯著成效。依照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可將天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具體分為天星地網(wǎng)、天空基地網(wǎng)絡(luò)與天網(wǎng)地網(wǎng)三個(gè)類(lèi)別。其中，天星地網(wǎng)主要指在星上開(kāi)展透明的轉(zhuǎn)發(fā)活動(dòng)，并在地面開(kāi)展全球地面組網(wǎng)。地面信息港是天地網(wǎng)絡(luò)信息交互樞紐，實(shí)現(xiàn)多源信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)、管理、融合、處理和共享，為各類(lèi)用戶提供對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)信息資源的統(tǒng)一訪問(wèn)和綜合應(yīng)用，是國(guó)家一體化大數(shù)據(jù)服務(wù)體系的重要組成部分。天空基地網(wǎng)絡(luò)則是指通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行空間組網(wǎng)，此時(shí)，天空基地網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以脫離地面網(wǎng)絡(luò)開(kāi)展運(yùn)行。天網(wǎng)地網(wǎng)涉及的內(nèi)容則更為廣泛，無(wú)論是空間還是地面都要進(jìn)行系統(tǒng)的組網(wǎng)[2]，天空基地與地面基地兩部分骨干網(wǎng)絡(luò)各具優(yōu)勢(shì)，融合運(yùn)用可以促進(jìn)兩網(wǎng)互補(bǔ)，加大優(yōu)勢(shì)。

鑒于天網(wǎng)地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備顯著的優(yōu)勢(shì)，我國(guó)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建給予了足夠的重視，預(yù)計(jì)在十年之內(nèi)，即可建立起空間主干網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)主干網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的融合，確保天網(wǎng)地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)天空、空中、陸地以及海洋等各部分網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一接入，做到只接入少部分的用戶節(jié)點(diǎn)。在20年內(nèi)，我國(guó)有望構(gòu)建較為完備的天地一體化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)子網(wǎng)絡(luò)的融合運(yùn)用。從而有效提升空間主干網(wǎng)絡(luò)的接入能力和穩(wěn)定性能，此外，也可實(shí)現(xiàn)接入子網(wǎng)數(shù)量及規(guī)模的拓展，增大可接入的用戶范圍，實(shí)現(xiàn)大范圍的移動(dòng)通信、空間信息等應(yīng)用。

2 衛(wèi)星通信港

天地一體化網(wǎng)絡(luò)主要涉及地域網(wǎng)絡(luò)與空域網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)方面，可具體細(xì)分為高軌道衛(wèi)星信息系統(tǒng)、中軌道衛(wèi)星信息系統(tǒng)以及低軌道衛(wèi)星信息系統(tǒng)三類(lèi)。其中，高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要指由地球同步衛(wèi)星組成的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其缺陷在于運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生較多的鏈路損耗，優(yōu)勢(shì)則在于可輕松實(shí)現(xiàn)與地球站的穩(wěn)定持續(xù)通信。低軌道衛(wèi)星在空間一體化網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著基礎(chǔ)性的作用，可以充分實(shí)現(xiàn)信息的承載與傳輸，且傳輸時(shí)延和功耗較小，但其覆蓋范圍較為狹窄，且一旦出現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況，通信鏈路極易發(fā)生移動(dòng)切換，造成網(wǎng)絡(luò)中斷概率增大的問(wèn)題。相較于低軌道衛(wèi)星，中軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)的覆蓋率更大，傳輸時(shí)延也得到有效的延長(zhǎng)。值得注意的是，高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)可與關(guān)口地球站進(jìn)行持續(xù)穩(wěn)定的通信連接，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)與低軌道在軌衛(wèi)星的通信，只是在此過(guò)程中通信時(shí)延始終存在。

在當(dāng)前天空基地骨架網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)完善過(guò)程中，高軌道型衛(wèi)星通信系統(tǒng)使用的同步軌道通信衛(wèi)星更具現(xiàn)代化意義，更能滿足當(dāng)前發(fā)展的需要。高軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)憑借覆蓋區(qū)域廣闊、開(kāi)設(shè)更為快速以及廣播高效等優(yōu)勢(shì)，受到了較為全面的使用。針對(duì)當(dāng)前同步軌道高軌衛(wèi)星構(gòu)建的中樞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，若全面使用激光型電路交換系統(tǒng)，可構(gòu)建出一個(gè)趨于穩(wěn)定、持續(xù)高效的以天空基地為骨架的中樞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其余部分的分線網(wǎng)絡(luò)與高速節(jié)點(diǎn)在接入組網(wǎng)絡(luò)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在核心網(wǎng)之間采用虛電路交換、分組交換或電路交換等形式進(jìn)行。此外，同步軌道衛(wèi)星的數(shù)量會(huì)受到外界因素的限制，且當(dāng)前軌道資源有限，建設(shè)大量同步軌道的衛(wèi)星幾乎是不可能完成的，會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星發(fā)揮的效果大大降低[3]。為使同軌道衛(wèi)星發(fā)揮最大效能，需要建設(shè)同軌道衛(wèi)星信息站。具體來(lái)說(shuō)，即是在同一空間內(nèi)的同一軌道位置或不同軌道位置之上布置數(shù)量較多的各類(lèi)衛(wèi)星，通過(guò)衛(wèi)星之間的高速緊密連接，充分實(shí)現(xiàn)單個(gè)衛(wèi)星難以實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)復(fù)雜功能。同時(shí)，當(dāng)其中一個(gè)衛(wèi)星出現(xiàn)事故時(shí)，可以快速完成自我修復(fù)，且當(dāng)修復(fù)完成后，能夠快速與總衛(wèi)星群匯合。當(dāng)前，在衛(wèi)星通信港中一般采用兩種方式完成通信。第一種是采用光束作為通信線路，這種有線線路相對(duì)較為穩(wěn)定。在條件苛刻的情況下，也可以采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信方式。在衛(wèi)星通信港中，通常采用多個(gè)衛(wèi)星在同一軌道連接組合的方法，一方面有效提升軌位置間衛(wèi)星的運(yùn)行和連接效率，另一方面也有效拓展衛(wèi)星協(xié)調(diào)工作的具體能力，開(kāi)辟全新的衛(wèi)星通信平臺(tái)。當(dāng)前衛(wèi)星通信平臺(tái)具備如下性能：

（1）可靠性，即在衛(wèi)星通信港中，網(wǎng)關(guān)功能時(shí)常會(huì)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)遷移，更能確保通信安全，提升通信能力；

（2）靜態(tài)性，即在衛(wèi)星通信港中，各同步軌道的位置分別固定，物理鏈路的基本狀態(tài)不會(huì)發(fā)生過(guò)多變化；

（3）一體性，即衛(wèi)星通信港通常利用網(wǎng)關(guān)通信實(shí)現(xiàn)內(nèi)部運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)通信港內(nèi)部的分工協(xié)作處理；

（4）局部性，即在衛(wèi)星通信港中空間的通信距離普遍較短，且信息的作用范圍受到限制；

（5）簡(jiǎn)單性，即衛(wèi)星通信港的底層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，衛(wèi)星普遍通過(guò)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)互相連接。

分析當(dāng)前衛(wèi)星通信港天地一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況，可看出天地一體化網(wǎng)絡(luò)是社會(huì)發(fā)展與時(shí)代進(jìn)步的必然產(chǎn)物，但當(dāng)前其仍然存在著一系列的問(wèn)題，在未來(lái)的應(yīng)用過(guò)程中仍然面臨著許多挑戰(zhàn)，需要相關(guān)工作人員不斷完善關(guān)鍵技術(shù)。首先，衛(wèi)星通信港屬于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的核心骨干網(wǎng)絡(luò)，可以充分實(shí)現(xiàn)天空、陸地、海域以及空中等自然空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接，確保連接用戶數(shù)量的增多，從而實(shí)現(xiàn)不同用戶的不同需求，另外，通過(guò)天地一體化網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?shù)男畔⒎N類(lèi)各不相同，這一系列的因素都會(huì)造成衛(wèi)星通信港網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及其控制管理程序復(fù)雜性的提升；其次，衛(wèi)星通信港中的天地一體化網(wǎng)絡(luò)涉及到地面網(wǎng)絡(luò)和其他空間網(wǎng)絡(luò)與地面節(jié)點(diǎn)和其他空間節(jié)點(diǎn)之間的連接，在此網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的路由器數(shù)應(yīng)當(dāng)采取路由策略與路由算法實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)路由信息的轉(zhuǎn)發(fā)，克服其他節(jié)點(diǎn)與衛(wèi)星通信崗連接的技術(shù)性問(wèn)題。

3 衛(wèi)星通信港的控制架構(gòu)設(shè)計(jì)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)交錯(cuò)繁雜，且動(dòng)態(tài)變化明顯，為充分確保天地一體化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的有序性，需從完善網(wǎng)絡(luò)控制架構(gòu)入手，不斷提升天地一體化網(wǎng)絡(luò)的效率和管理水平。在架構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，應(yīng)利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)思路，將軟件定義網(wǎng)絡(luò)與天地一體化網(wǎng)絡(luò)相融合。軟件定義網(wǎng)絡(luò)屬于現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)類(lèi)型，可通過(guò)分別開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)控制平面與數(shù)據(jù)平面運(yùn)營(yíng)，充分實(shí)現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備與資源虛擬化運(yùn)營(yíng)，并以此為基礎(chǔ)編輯底層硬件，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)內(nèi)部資源的調(diào)配應(yīng)用。具體來(lái)說(shuō)，涉及如下步驟。

首先，應(yīng)在衛(wèi)星通信港內(nèi)部的同步軌道衛(wèi)星中匹配相應(yīng)的集中式控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)中地面子網(wǎng)與空間子網(wǎng)的集中控制，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星通信港內(nèi)部構(gòu)件的統(tǒng)一控制，并將各部分的控制器統(tǒng)一連接至一個(gè)控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)多層空間的同步智能監(jiān)管。

其次，即便衛(wèi)星通信港的拓?fù)渫Ｖ惯\(yùn)行，當(dāng)其他網(wǎng)絡(luò)或節(jié)點(diǎn)接入衛(wèi)星時(shí)，不同節(jié)點(diǎn)之間的信息傳輸性能也存在一定差異，且通信協(xié)議的復(fù)雜性也會(huì)有所增加。此外，衛(wèi)星通信港網(wǎng)絡(luò)具備一定的特殊性，會(huì)導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)通常不能與衛(wèi)星通信港直接連接，為此需要不斷完善路由策略。

4 衛(wèi)星通信港的路由策略分析

在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星通信港處于核心骨干地位，可使一些細(xì)小的空間子網(wǎng)聯(lián)系在一起。分析衛(wèi)星通信港的天地一體化路由策略，可看出相關(guān)人員不僅需要處理好空間子網(wǎng)與鏈路變化的關(guān)系，也必須充分考慮到衛(wèi)星通信港內(nèi)部各類(lèi)資源的限制性，正是由于這種種因素的存在[4]，最終導(dǎo)致天地一體化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性日益增高。路由策略可細(xì)分為確定性路由與隨機(jī)性路由兩種。其中，確定性路由是立足于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的周期性運(yùn)行，需要大量的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為支撐，其最大的缺陷在于當(dāng)出現(xiàn)故障或受到外界因素影響時(shí)，表現(xiàn)出的應(yīng)對(duì)能力較弱。隨機(jī)性路由則摒棄了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)中的周期性特質(zhì)，無(wú)需依賴拓?fù)渲R(shí)

實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)及轉(zhuǎn)發(fā)應(yīng)用，從而確保每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都能夠接收到相應(yīng)的路由消息。通過(guò)將確定性路由與隨機(jī)性路由融合應(yīng)用，一方面可確保網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)無(wú)需受到衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)拓?fù)渥兓膼盒杂绊?，另一方面也可在一定程度上減少網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過(guò)程中的泛供開(kāi)銷(xiāo)。具體來(lái)說(shuō)，應(yīng)當(dāng)以衛(wèi)星的運(yùn)行規(guī)律作為路由建立的根本依據(jù)，并通過(guò)衛(wèi)星通信港實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)連接的統(tǒng)一控制，同時(shí)應(yīng)根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的連接時(shí)序圖構(gòu)建相應(yīng)的拓?fù)渎酚杀恚ㄆ诟鹿?jié)點(diǎn)連接時(shí)序中的拓?fù)鋬?nèi)容。

5 結(jié) 論

隨著天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展進(jìn)步，衛(wèi)星通信港應(yīng)運(yùn)而生?？刂企w系架構(gòu)的出現(xiàn)有效提升天地一體化網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)效率，帶動(dòng)地面與空間子網(wǎng)部署的靈活運(yùn)行。衛(wèi)星通信港的運(yùn)用更是實(shí)現(xiàn)了確定路由與隨機(jī)路由的有機(jī)融合，一方面可以有效應(yīng)對(duì)拓?fù)渥兓?，另一方面也可以降低空地一體化網(wǎng)絡(luò)的泛洪負(fù)載，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)得到進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。