區(qū)塊鏈技術(shù)下的全維抗毀衛(wèi)星通信系統(tǒng)探討

趙曉晶

（航天恒星科技有限公司，北京 100195）

0 引 言

隨著衛(wèi)星通信的廣泛應(yīng)用，積極探索區(qū)塊鏈技術(shù)下的全方位抗破壞性衛(wèi)星通信系統(tǒng)對未來的衛(wèi)星發(fā)展有重要意義。與移動(dòng)或固定地面通信技術(shù)相比，衛(wèi)星通信的載體是人造地球衛(wèi)星，在實(shí)際應(yīng)用中有著龐大的系統(tǒng)。應(yīng)用先進(jìn)的區(qū)塊鏈技術(shù)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行改造與優(yōu)化，能夠有效提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗毀性，讓通信系統(tǒng)更加可靠。

1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的局限性

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的示意如圖1所示。衛(wèi)星通信是一種在微波頻段上進(jìn)行無線信息傳輸?shù)姆椒?，衛(wèi)星通信系統(tǒng)由一顆衛(wèi)星和對應(yīng)的地面站構(gòu)成，以統(tǒng)一的通信協(xié)議和頻率資源為基礎(chǔ)，不同的地面站將信息傳輸?shù)叫l(wèi)星中進(jìn)行傳輸工作，以實(shí)現(xiàn)信息交互。其中，衛(wèi)星通信系統(tǒng)有以下幾個(gè)方面的局限性：（1）無線傳輸，頻率受限，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸率較低；（2）數(shù)據(jù)傳輸可靠性較差；（3）無線信道導(dǎo)致其受外界干擾較大，如頻率越高的系統(tǒng)受降雨影響越大；（4）衛(wèi)星軌道位置有限，無法不受限制地部署衛(wèi)星數(shù)量；（5）距離遠(yuǎn)，需要足夠大的增益，導(dǎo)致發(fā)射接收設(shè)備較大（天線）；（6）衛(wèi)星通信一般使用在偏僻的地方，通信資費(fèi)比一般通信資費(fèi)高[1]。

圖1 衛(wèi)星通信系統(tǒng)

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)在過去10年中的發(fā)展速度非常快，其數(shù)據(jù)組織的不變性框架以及區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)規(guī)劃和維護(hù)方法是區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)力。從數(shù)據(jù)組織方面來講，區(qū)塊鏈技術(shù)使用各種標(biāo)準(zhǔn)加密技術(shù)來加密具有偽用戶身份和標(biāo)簽的資產(chǎn)交易進(jìn)行有效鏈接，以證明資產(chǎn)所有權(quán)[2]。

區(qū)塊鏈將交易定義為區(qū)塊，組合加密連接到上一個(gè)交易目錄以維護(hù)交易順序。同時(shí)，通過開放網(wǎng)絡(luò)區(qū)塊鏈創(chuàng)造性地解決了重復(fù)交易的問題。與傳統(tǒng)的一致性機(jī)制相比，區(qū)塊鏈一致性機(jī)制可以確保大量不受信任節(jié)點(diǎn)之間全局賬本數(shù)據(jù)狀態(tài)的一致性，無需身份驗(yàn)證，只需較少的消息傳輸工作量。從這個(gè)意義上講，區(qū)塊鏈可以被視為網(wǎng)絡(luò)的通用存儲，將網(wǎng)絡(luò)看做節(jié)點(diǎn)的分布式虛擬機(jī)。此外，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為在分布式應(yīng)用中執(zhí)行面向事務(wù)的指令提供了通用平臺，如自由組織網(wǎng)絡(luò)編排以及P2P資源事務(wù)。

區(qū)塊鏈隨著信息技術(shù)的快速優(yōu)化發(fā)展逐漸趨于成熟，并投入了實(shí)際應(yīng)用中，這是未來互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新趨勢。目前，它主要用于金融和貨幣部門。在由中央銀行主導(dǎo)的現(xiàn)代貨幣體系中，貨幣由國家中央銀行發(fā)行和集中管理，在區(qū)塊鏈的條件下，貨幣以數(shù)字形式存在于互聯(lián)網(wǎng)上。與中央銀行的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存在明顯的差異，所有節(jié)點(diǎn)都存儲賬簿以顯示每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際貨幣狀況，系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)了外幣的折算和調(diào)整?；趨^(qū)塊鏈的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，為“去中心化”架構(gòu)，即系統(tǒng)中沒有中心結(jié)，即使系統(tǒng)中的某些節(jié)點(diǎn)損壞，也可以繼續(xù)正常工作。

圖2 基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)組成

3 抗毀衛(wèi)星通信系統(tǒng)的必要性

20世紀(jì)40年代，美國首次在其軍事信息技術(shù)中引入可靠性概念，這一概念的出現(xiàn)對人們產(chǎn)生了巨大的影響。人們對電子產(chǎn)品和能源系統(tǒng)質(zhì)量的評估依據(jù)主要是基于其可靠性。在衛(wèi)星通信中，單個(gè)衛(wèi)星是一個(gè)包含各種科學(xué)信息和技術(shù)的復(fù)雜系統(tǒng)，集成了各種尖端科學(xué)技術(shù)，其可靠性受到多種因素的影響[3]。同時(shí)，隨著人類社會的不斷進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，導(dǎo)致系統(tǒng)的發(fā)展越來越復(fù)雜，對可靠性的影響也在逐步提高。然而，在眾多的可靠性威脅因素中，損傷抗力是最為重要的因素之一。一旦通信衛(wèi)星遭到摧毀喪失通信功能，則可能危及國家安全，因此研究基于抗毀性的衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有重要意義。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)下的全維抗毀衛(wèi)星通信系統(tǒng)

4.1 基于區(qū)塊鏈的衛(wèi)星通信系統(tǒng)理想構(gòu)想

參照區(qū)塊鏈技術(shù)框架，由衛(wèi)星以及地面站作為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，應(yīng)用現(xiàn)代新型數(shù)據(jù)庫替換掉傳統(tǒng)資源數(shù)據(jù)庫，使用通信協(xié)議取代智能合約，可以構(gòu)建一個(gè)完整的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，大幅度提高系統(tǒng)的抗毀能力[4]。如果衛(wèi)星或地面站損壞，衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以繼續(xù)正常工作。基于區(qū)塊鏈的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成如圖3所示。

圖3 基于區(qū)塊鏈的衛(wèi)星通信系統(tǒng)組成

4.2 用區(qū)塊鏈改造衛(wèi)星通信系統(tǒng)

在完整的全維抗毀衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，沒有設(shè)置中心站，因?yàn)槊總€(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)都可以稱為中心站，只有損毀系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)，才能致使整個(gè)系統(tǒng)停止運(yùn)行，即只要系統(tǒng)中存在一個(gè)可用節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)正常運(yùn)行。區(qū)塊鏈技術(shù)框架在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用主要有以下發(fā)展方向。第一，節(jié)點(diǎn)的大數(shù)據(jù)[5]。如果衛(wèi)星或地面站部署系統(tǒng)需要操作和維護(hù)管理記錄庫、資源數(shù)據(jù)庫以及通信協(xié)議才能正常工作，則必然會導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)存儲在所有衛(wèi)星和地面站節(jié)點(diǎn)中。第二，系統(tǒng)去中心化。以去中心化為核心，即系統(tǒng)不需應(yīng)用到控制中心就可正常運(yùn)行。第三，智能信息傳輸。所有衛(wèi)星和用戶站構(gòu)成一個(gè)綜合系統(tǒng)，用戶站智能地選擇匹配衛(wèi)星和頻率資源，并根據(jù)其他站和服務(wù)類型智能地設(shè)置自己的參數(shù)。第四，智能故障處理?？茖W(xué)應(yīng)用冗余系統(tǒng)資源以及節(jié)點(diǎn)大數(shù)據(jù)，制定系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案，完善通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和錯(cuò)誤節(jié)點(diǎn)的智能處理。

4.3 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗毀性

目前，人類使用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，而全聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊湊，具有極強(qiáng)的抗毀性，這是經(jīng)過多年實(shí)踐得出的結(jié)果。即使單個(gè)節(jié)點(diǎn)損壞，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序也不會失去連接，能夠保證正常的通信功能，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的不同節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)任意連接。雖然它已被證明是最實(shí)用的，抗毀性也最高，但在實(shí)踐中中的應(yīng)用成本很高。目前，通過提高研究力度能夠大幅度提高通信衛(wèi)星的抗毀性。在整個(gè)全聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)中，隨意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行多路徑連接，完成正常的運(yùn)行，這充分證明了在網(wǎng)絡(luò)抗毀性構(gòu)建的過程中充分利用網(wǎng)絡(luò)路徑應(yīng)用的可行性。同時(shí)，將節(jié)點(diǎn)間最短路徑有效地應(yīng)用于抗毀模型的構(gòu)建中。在確定全國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)最強(qiáng)抗毀能力的基礎(chǔ)上，對上述結(jié)構(gòu)差異進(jìn)行量化分析，確定抗毀能力指數(shù)。眾所周知，網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣允許評估網(wǎng)絡(luò)中不同節(jié)點(diǎn)的實(shí)際連接，從而確定網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際應(yīng)用狀況，因此可以使用鄰接矩陣計(jì)算網(wǎng)絡(luò)的抗毀性[6]。

5 衛(wèi)星通信系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)塊鏈改造

5.1 技術(shù)框架改造

（1）用于運(yùn)行維護(hù)管理的數(shù)據(jù)庫?；诋?dāng)前的通信記錄庫，實(shí)現(xiàn)了同一級幾點(diǎn)參數(shù)的變更記錄數(shù)量，在運(yùn)維管理記錄庫中能夠記錄所有相關(guān)系統(tǒng)的狀態(tài)變更以及運(yùn)行日志目標(biāo)。（2）資源數(shù)據(jù)庫。構(gòu)建完善的系統(tǒng)運(yùn)行資源數(shù)據(jù)，全面利用所有系統(tǒng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)。（3）通信協(xié)議。對基本協(xié)議進(jìn)行全面綜合設(shè)計(jì)，避免了由于信道不足導(dǎo)致的系統(tǒng)阻塞、信道短缺等隱患。在通信設(shè)置之前、期間以及之后，細(xì)化和整理系統(tǒng)中兩個(gè)或多個(gè)通信方之間的交互機(jī)制，制定合理的系統(tǒng)應(yīng)急預(yù)案，以自適應(yīng)通信場景，無需人工參與[7]。

5.2 衛(wèi)星和地面站改造

在實(shí)現(xiàn)中心站功能的理念下，系統(tǒng)中的每個(gè)衛(wèi)星或地面站都必須進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)框架改造，這導(dǎo)致后續(xù)將出現(xiàn)兩個(gè)方面的問題。一方面，系統(tǒng)站小型化和便攜性的發(fā)展趨勢可以促進(jìn)地面站發(fā)射功率、接收品質(zhì)因數(shù)以及數(shù)據(jù)庫存數(shù)量不能與中心站實(shí)際需求相匹配；另一方面，由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的特殊宇宙空間位置，節(jié)點(diǎn)的存儲容量和處理能力受到限制，不適合提供大數(shù)據(jù)和高速數(shù)據(jù)處理。

解決方案主要有數(shù)據(jù)分類和數(shù)據(jù)分層次部署兩點(diǎn)。數(shù)據(jù)可分為系統(tǒng)類、衛(wèi)星類以及地面站用戶類3類。與系統(tǒng)類相比，衛(wèi)星類減少了地面站的大部分?jǐn)?shù)據(jù)，大幅度降低了對存儲和處理能力的要求[8]。數(shù)據(jù)分層次部署是利用系統(tǒng)數(shù)據(jù)提供既有中心站、區(qū)域站、固定站、非移動(dòng)運(yùn)輸站以及箱式站，所有通信衛(wèi)星必須提供衛(wèi)星數(shù)據(jù)，移動(dòng)傳輸站、便攜站、手持站必須提供地面站用戶數(shù)據(jù)。

5.3 關(guān)鍵技術(shù)升級

根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)無人值守自動(dòng)運(yùn)行的要求，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，主要包括以下幾個(gè)方面。

5.3.1 同步系統(tǒng)

（1）鏈路層的同步算法。現(xiàn)有的衛(wèi)星通信系統(tǒng)主要包括時(shí)分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，F(xiàn)DMA）兩種多址方式，可以獨(dú)立聯(lián)網(wǎng)的單個(gè)系統(tǒng)不能使用多個(gè)訪問方法。系統(tǒng)集成的第一步是建立不同接入方式的同步機(jī)制。（2）衛(wèi)星同步機(jī)制。為地面站建立衛(wèi)星-衛(wèi)星協(xié)商機(jī)制，雙方都不知道星標(biāo)的狀況下可以與同一顆衛(wèi)星通信。（3）參數(shù)同步機(jī)制。建立通信參數(shù)自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制，如果站類型與接收參數(shù)不一致，則自適應(yīng)的調(diào)整參數(shù)以實(shí)現(xiàn)通信連接[9]。

5.3.2 基本協(xié)議算法

（1）基本的操作和維護(hù)算法，系統(tǒng)的傳輸通道和應(yīng)用通道從現(xiàn)有的單一傳輸通道和固定數(shù)量的應(yīng)用通道切換到自適應(yīng)機(jī)制。（2）通信連接算法，它根據(jù)衛(wèi)星可利用資源、端到端站點(diǎn)和信息傳輸服務(wù)的類型定義頻點(diǎn)、信道帶寬等參數(shù)，參數(shù)整定方法可以通過提前規(guī)劃和信息傳輸質(zhì)量的強(qiáng)化學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)。（3）錯(cuò)誤恢復(fù)算法，包括系統(tǒng)錯(cuò)誤恢復(fù)和節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤恢復(fù)，利用已有的規(guī)劃方法和改進(jìn)的差錯(cuò)恢復(fù)質(zhì)量學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)了差錯(cuò)恢復(fù)算法。當(dāng)系統(tǒng)廣播信號因敵人攻擊而消失時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)可以立即發(fā)送廣播信號，這是整個(gè)反破壞衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心。

5.3.3 智能硬件改造

根據(jù)不同站點(diǎn)類型的數(shù)據(jù)交付類別計(jì)算數(shù)據(jù)存儲和處理能力需求，并更新現(xiàn)有地面站。如果現(xiàn)有衛(wèi)星不能滿足轉(zhuǎn)換條件，則需要對后續(xù)衛(wèi)星進(jìn)行改造，以逐步實(shí)現(xiàn)智能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)[10]。

6 結(jié) 論

現(xiàn)代信息技術(shù)飛速發(fā)展，信息創(chuàng)新能力大幅度提升，衛(wèi)星通信系統(tǒng)和技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用，區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)分布式數(shù)據(jù)庫，可以在沒有第三方的情況下安全地更新其狀態(tài)。將區(qū)塊鏈技術(shù)引入衛(wèi)星通信系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)抗毀性能的大幅度提高，降低通信資源的分配和服務(wù)成本，支持多種分布式應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信系統(tǒng)與區(qū)塊鏈技術(shù)的高質(zhì)量融合。