軟件定義的星地組網(wǎng)體系架構(gòu)研究*

魏琳慧 帥家成 劉雨,2 望育梅,2

(1.北京郵電大學(xué)人工智能學(xué)院，北京100876；2.鵬城實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)與通信研究中心，深圳 518000)

0 引言

隨著新興應(yīng)用產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，無(wú)線接入服務(wù)需求也不斷增長(zhǎng)[1]。5G網(wǎng)絡(luò)作為地面網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信的重要組成部分，在很大程度上滿足了人們的服務(wù)需求。然而，由于網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍及容量有限，在偏遠(yuǎn)地區(qū)提供高速率和高可靠性的通信仍存在局限性。近年來(lái)，具有高通量、低時(shí)延等特性的衛(wèi)星得到了廣泛關(guān)注，衛(wèi)星通信已不再僅作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，構(gòu)建一個(gè)星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展趨勢(shì)[2]。

星地融合組網(wǎng)體系作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，采用微波、太赫茲或者激光鏈路進(jìn)行信息傳遞，具備星上處理、星上路由等功能，達(dá)到異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通特性。通過(guò)對(duì)天網(wǎng)和地網(wǎng)的有效融合，并結(jié)合地面網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋等特性，可實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的高效管理。星地融合網(wǎng)絡(luò)可廣泛應(yīng)用于多媒體內(nèi)容分發(fā)、遙感信息觀測(cè)、應(yīng)急救援場(chǎng)景、智慧交通等領(lǐng)域，為用戶提供無(wú)縫、穩(wěn)定的全場(chǎng)景全時(shí)接入服務(wù)[3]。

目前，星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)的研究取得了初步的成果。但是，如何實(shí)現(xiàn)星地組網(wǎng)的動(dòng)態(tài)管理、資源的高效利用、業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度等，為用戶提供定制化的高質(zhì)量服務(wù)保障仍存在著重大挑戰(zhàn)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Networking，SDN)作為一種新型網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)理念，在星地網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)、跨域資源調(diào)度等方面都具有優(yōu)勢(shì)。因此，本文主要關(guān)注星地融合組網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，以及軟件定義的星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)。

1 星地融合網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

由于天基網(wǎng)絡(luò)與地基網(wǎng)絡(luò)之間存在著較大的異構(gòu)性，星地融合網(wǎng)絡(luò)在發(fā)展過(guò)程中將會(huì)遇到諸多問(wèn)題。本章主要介紹星地融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、研究進(jìn)展及技術(shù)挑戰(zhàn)。

1.1 星地組網(wǎng)體系架構(gòu)介紹

星地組網(wǎng)體系架構(gòu)以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為補(bǔ)充和延伸，為各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供智能化的信息保障。星地組網(wǎng)體系架構(gòu)滿足大規(guī)模無(wú)線接入服務(wù)的需求，可為海陸空用戶提供無(wú)縫的網(wǎng)絡(luò)覆蓋(見圖1)。

圖1 星地融合組網(wǎng)架構(gòu)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由各種衛(wèi)星星座組成，包含地球靜止軌道(Geostationary Orbit，GEO)衛(wèi)星和低軌道(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星，可實(shí)現(xiàn)全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋、泛在連接等功能。GEO衛(wèi)星之間通過(guò)星間鏈路(Inter-Satellite Link，ISL)連接，構(gòu)成了衛(wèi)星骨干網(wǎng)，3顆GEO衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全球覆蓋。LEO衛(wèi)星的部署進(jìn)一步擴(kuò)大了衛(wèi)星骨干網(wǎng)的覆蓋范圍，LEO衛(wèi)星星座能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域覆蓋。衛(wèi)星多采用Ku和Ka頻段通信；衛(wèi)星上搭載的星上處理載荷實(shí)現(xiàn)在軌計(jì)算；衛(wèi)星通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)接入地面網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)傳送到地面管理中心。此外，海事衛(wèi)星(Inmarsat)終端、衛(wèi)星電話等用戶設(shè)備可以直接接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

地面網(wǎng)絡(luò)具有低時(shí)延、低功耗等特點(diǎn)，為用戶提供高速的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。地面管理中心具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和信息交換。星地組網(wǎng)體系架構(gòu)中的數(shù)據(jù)處理主要依賴于地面管理中心。蜂窩網(wǎng)絡(luò)可為用戶的移動(dòng)終端提供低時(shí)延服務(wù)。個(gè)人筆記本電腦和手機(jī)等用戶設(shè)備通過(guò)無(wú)線接入點(diǎn)接入互聯(lián)網(wǎng)。具有高速計(jì)算、存儲(chǔ)能力的云平臺(tái)用于海量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，通過(guò)將計(jì)算能力卸載到網(wǎng)絡(luò)邊緣，在很大程度上降低了任務(wù)下發(fā)的時(shí)延。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相輔相成，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要為海洋、偏遠(yuǎn)地區(qū)、應(yīng)急場(chǎng)景等區(qū)域提供網(wǎng)絡(luò)覆蓋；通過(guò)與衛(wèi)星的協(xié)同覆蓋，地面網(wǎng)絡(luò)主要為城市中人口密集區(qū)域提供穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)覆蓋。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)對(duì)比情況如表1所示。星地融合網(wǎng)絡(luò)需要滿足多樣化的用戶需求，為終端提供智能化的接入服務(wù)。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活管理是亟需解決的問(wèn)題。

表1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的性能參數(shù)對(duì)比

1.2 研究進(jìn)展及挑戰(zhàn)

衛(wèi)星通信業(yè)界對(duì)星地融合組網(wǎng)的探索已接近20年[4]。21世紀(jì)初，美國(guó)軍方提出的轉(zhuǎn)型衛(wèi)星通信系統(tǒng)(Transformational Satellite，TSAT)[5]由5顆GEO衛(wèi)星構(gòu)成，利用激光通信、星載路由等形成空間高速數(shù)據(jù)骨干網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)高容量的信息共享，從而將美軍全球信息網(wǎng)格(Global Information Grid，GIG)延伸到缺乏地面基礎(chǔ)設(shè)施的區(qū)域。2005年，歐盟提出的“面向全球通信的綜合空間基礎(chǔ)設(shè)施(Integrated Space Infrastructure for Global Communication，ISICOM)”計(jì)劃[6]旨在解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的融合。ISICOM的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)部分由3顆GEO衛(wèi)星組成，還考慮了高空平臺(tái)(High Altitude Platform，HAP)、無(wú)人機(jī)等節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，通過(guò)激光通信、射頻接入和波束成形等關(guān)鍵技術(shù)，促進(jìn)了星地融合一體化的進(jìn)程。

由于傳播延遲低，LEO衛(wèi)星星座受到了極大的關(guān)注。銥星(Iridium)[7]由66顆LEO衛(wèi)星組成，在780 km的軌道高度運(yùn)行以提供全球覆蓋。全球星(Globalstar)[8]由48顆LEO衛(wèi)星組成，軌道高度為1414 km，可為終端用戶提供傳播和處理延遲小于300 ms的無(wú)縫覆蓋。此外，美國(guó)太空探索技術(shù)公司(SpaceX)發(fā)射的“星鏈”(Starlink)[9]衛(wèi)星星座計(jì)劃使用由1.2萬(wàn)顆LEO衛(wèi)星組成的網(wǎng)絡(luò)提供低成本接入服務(wù)。

第三代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project，3GPP)作為通信標(biāo)準(zhǔn)的制定組織之一，從R15標(biāo)準(zhǔn)開始就為空間網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化作出貢獻(xiàn)。R15 TR.22.822[10]討論了5G與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合時(shí)的多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等，定義了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含的透明衛(wèi)星(沒(méi)有星載處理能力)、再生衛(wèi)星(具有星載處理能力)兩種功能。此外，由歐盟資助、歐洲16家組織機(jī)構(gòu)聯(lián)合成立了5G網(wǎng)絡(luò)和地面衛(wèi)星(Satellite and Terrestrial Network for 5G，SaT5G)組織[11]，旨在建立即插即用式的衛(wèi)星通信解決方案，以加速5G在各種地理?xiàng)l件下的部署。2018年，受歐盟“地平線2020(Horizon2020)”和韓國(guó)項(xiàng)目資助，由10家公司共同參與的“5G衛(wèi)星和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的靈活集成(5G-ALLSTAR)”項(xiàng)目立項(xiàng)，旨在設(shè)計(jì)、開發(fā)、評(píng)估和試驗(yàn)基于多址的多連通技術(shù)，結(jié)合蜂窩和衛(wèi)星接入技術(shù)，支持無(wú)縫、可靠和無(wú)處不在的寬帶服務(wù)。

由于星地組網(wǎng)融合體系架構(gòu)的異構(gòu)性，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)之間存在天然的屏障，如何實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的資源管理、信息高效傳輸是個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。此外，衛(wèi)星星座拓?fù)涞母邉?dòng)態(tài)變化，以及星間鏈路、星地鏈路由于距離較長(zhǎng)，在傳輸過(guò)程中難免遭遇到氣候因素影響等原因，導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間連接不穩(wěn)定。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)端到端的路由尋址、業(yè)務(wù)切換，仍需要考慮時(shí)延、抖動(dòng)、服務(wù)質(zhì)量等因素的影響。因此，星地組網(wǎng)體系架構(gòu)在發(fā)展建設(shè)過(guò)程中所面臨的問(wèn)題與挑戰(zhàn)仍需重視。

2 軟件定義的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

SDN作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離，提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活管理與智能化控制，引入SDN技術(shù)，可進(jìn)一步提高星地組網(wǎng)體系架構(gòu)的資源管理能力。軟件定義的星地組網(wǎng)體系架構(gòu)，將星地組網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)分成數(shù)據(jù)平面、控制平面和應(yīng)用平面3個(gè)邏輯層次，具體如圖2所示。通過(guò)部署控制器，利用鏈路發(fā)現(xiàn)協(xié)議進(jìn)而獲取星地融合網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)視圖，為海量數(shù)據(jù)訪問(wèn)提供了一個(gè)潛在的解決方案，保證了網(wǎng)絡(luò)的智能化和可靠性。

圖2 基于SDN的星地融合組網(wǎng)邏輯層次結(jié)構(gòu)

2.1 星地SDN組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)分析

傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)反饋到地面站的信息，進(jìn)行計(jì)算預(yù)測(cè)和切換管理，存在較大的時(shí)延，也無(wú)法及時(shí)應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)狀況。SDN采用星上分布式控制器劃分多個(gè)子網(wǎng)，避免了切換時(shí)頻繁信令交換帶來(lái)的傳輸時(shí)延，能更好地適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高時(shí)延、高動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)基于擁塞節(jié)點(diǎn)與其周邊節(jié)點(diǎn)的情況進(jìn)行流量調(diào)度，其分布式負(fù)載均衡的方式往往只能對(duì)局部進(jìn)行改善，缺乏對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)全局流量的均衡。SDN技術(shù)可以獲得全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，通過(guò)控制器的負(fù)載均衡，易于制定全局最優(yōu)的流量策略。

將SDN的思想引入星地組網(wǎng)體系架構(gòu)中，通過(guò)控制器集中收集融合網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)和鏈路的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)一步獲取網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，可掌握整個(gè)星地網(wǎng)絡(luò)的變化情況。各異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成數(shù)據(jù)平面，完成數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)等功能。數(shù)據(jù)平面包含無(wú)線感知模塊，用于感知移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中終端設(shè)備生成的數(shù)據(jù)。此外，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，可保證所有數(shù)據(jù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的安全傳輸。采集到的數(shù)據(jù)最終通過(guò)南向接口傳輸?shù)娇刂破矫妗？刂破矫姘渴鹪诘孛婢W(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的控制器?？刂破矫嫦逻_(dá)控制信令，對(duì)各網(wǎng)絡(luò)中所配置的控制器進(jìn)行集中管理、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)現(xiàn)等，很大程度上提高了網(wǎng)絡(luò)的更新和配置性能?？刂破鹘y(tǒng)一收集網(wǎng)絡(luò)信息并計(jì)算路由策略，數(shù)據(jù)平面的衛(wèi)星根據(jù)收到的路由策略進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)，大大降低了底層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的計(jì)算壓力，減少了網(wǎng)絡(luò)中的信令交換開銷。應(yīng)用平面主要為各種應(yīng)用提供定制的程序接口，實(shí)現(xiàn)了用戶對(duì)于各種業(yè)務(wù)的需求。

相比傳統(tǒng)的星地融合網(wǎng)絡(luò)，基于SDN的星地融合網(wǎng)絡(luò)具有高度可控性。通過(guò)控制平面可以獲得星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)的全局視圖，并實(shí)時(shí)獲取網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，從而進(jìn)行星上路由計(jì)算等功能。而在數(shù)據(jù)平面中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)如LEO衛(wèi)星，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)操作，很大程度緩解了星上開銷。同時(shí)，SDN控制器的跨域資源管理解決了由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性帶來(lái)的資源調(diào)度問(wèn)題。簡(jiǎn)而言之，SDN推進(jìn)了星地融合網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。SDN數(shù)控分離、軟件可編程思想使得衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)平面設(shè)備要求降低，可將更多的資源集中于數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)在星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中部署多種形態(tài)的SDN控制器，通過(guò)南、北向接口將應(yīng)用平面的請(qǐng)求發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，在數(shù)據(jù)平面采用集中的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)流處理，在控制器中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分層控制，從根本上提高了資源管理和調(diào)度的能力。

2.2 多域SDN的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

為最大限度地發(fā)揮SDN技術(shù)在星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的作用，國(guó)內(nèi)外研究人員已經(jīng)提出了許多軟件定義的星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)。SDN控制器具備制定全局路由策略和執(zhí)行智能流量卸載等功能，其部署位置對(duì)于星地組網(wǎng)性能有著重要影響。基于SDN控制器部署的空間地理位置可將星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)劃分為單層部署和多層部署兩種方案。表2對(duì)不同控制器部署方案的性能進(jìn)行了對(duì)比。

表2 不同控制器部署方案對(duì)比

2.2.1 單層控制器部署

單層控制器部署方案是指在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或地面網(wǎng)絡(luò)中部署控制器。地面站具有強(qiáng)大的計(jì)算和存儲(chǔ)能力，單層的地面控制器垂直部署方案通過(guò)主控制器獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)控制器的共享網(wǎng)絡(luò)信息，并將網(wǎng)絡(luò)信息傳遞到其他控制器中。主控制器是控制器信息交換的樞紐，承擔(dān)所有控制器之間的通信工作，并具有全部網(wǎng)絡(luò)信息。而其他從控制器掌握部分網(wǎng)絡(luò)信息，但彼此之間并不互相通信，主從控制器之間相互配合，從而實(shí)現(xiàn)更高效的網(wǎng)絡(luò)管理和路由路徑更新。此外，還有一種單層的地面控制器水平部署方案。相比于垂直方式，水平方式中不存在主控制器，所有分布式控制器彼此平等，相互之間存在通信鏈路以便互相通信，且每一個(gè)控制器均具有全網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅰ?/p>

Feng等人提出的SDN-SatArc[12]架構(gòu)將控制器部署在多個(gè)地面站中，設(shè)計(jì)了基于SDN的衛(wèi)星和地面融合組網(wǎng)方式。HetNet[13]與FRBSN[14]架構(gòu)通過(guò)在地面控制中心部署SDN控制器用于獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并向數(shù)據(jù)平面發(fā)送指令，解決網(wǎng)絡(luò)中資源分配的問(wèn)題。Yang等人提出的SDSN[15]架構(gòu)也將控制器部署在地面，在地面控制站對(duì)LEO衛(wèi)星下發(fā)控制命令時(shí)，要通過(guò)GEO衛(wèi)星對(duì)控制指令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)后再統(tǒng)一配置給LEO衛(wèi)星，這樣提高了LEO衛(wèi)星的入網(wǎng)效率，使天基網(wǎng)的組網(wǎng)方式更加靈活。

除了將控制器部署在地面之外，GEO能夠與網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行控制中心保持連接，也可以利用星間鏈路與低軌衛(wèi)星保持通信，適合作為控制平面實(shí)體。最早提出的軟件定義的星地組網(wǎng)架構(gòu)OpenSAN[16]將GEO衛(wèi)星設(shè)置為控制層，主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)平面的規(guī)則，并監(jiān)測(cè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)(連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)流量、不同流動(dòng)狀態(tài))等。與傳統(tǒng)的衛(wèi)星監(jiān)控系統(tǒng)相比，OpenSAN減少了地面站的數(shù)量，簡(jiǎn)化了控制流程。

此外，還可以在LEO衛(wèi)星中部署控制器。LEO衛(wèi)星能夠覆蓋全球，完成基礎(chǔ)的接入和轉(zhuǎn)發(fā)功能，不需要過(guò)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。由于LEO衛(wèi)星的高度動(dòng)態(tài)性，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓^快，控制器一般是動(dòng)態(tài)地分布在所有LEO衛(wèi)星中，通過(guò)LEO衛(wèi)星控制器收集網(wǎng)絡(luò)信息并下達(dá)控制指令。

2.2.2 多層控制器部署

多層控制器部署方案是近年來(lái)采用較多的控制器部署方式，多層控制器部署方案集合了單層控制器部署方案的優(yōu)點(diǎn)。首先，具有地面控制器的高計(jì)算能力，也可以實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)衛(wèi)星的全面覆蓋；其次，GEO與LEO控制器使地面與衛(wèi)星的通信變得更加易于管理；同時(shí)，由于天基網(wǎng)擁有自己的控制器，從而減少了衛(wèi)星與地面的頻繁通信，也緩解了時(shí)延造成的信息傳輸不可靠問(wèn)題。但是，多層控制器方案使得控制節(jié)點(diǎn)增多，增加了網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性，當(dāng)控制節(jié)點(diǎn)數(shù)目增加和動(dòng)態(tài)性增強(qiáng)時(shí)，控制節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行同步以維護(hù)全局網(wǎng)絡(luò)視圖，這也會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。

Li等人提出的SERvICE[17]架構(gòu)將控制器部署在地面數(shù)據(jù)中心、衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)和GEO衛(wèi)星上，控制器主要負(fù)責(zé)將GEO衛(wèi)星收集的網(wǎng)絡(luò)信息傳送至地面管理中心，在維護(hù)網(wǎng)絡(luò)全局視圖和流量控制等方面具有優(yōu)勢(shì)。Shi等人提出的MLSTIN[18]架構(gòu)分別在GEO衛(wèi)星、HAP和地面網(wǎng)絡(luò)中部署控制器?？缬騍DN控制器通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)行為，進(jìn)而管理網(wǎng)絡(luò)資源；通過(guò)東西向接口與各域其他控制器通信，交換聚集的控制信息；通過(guò)層次化的控制器部署模式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的集中控制。

表3將現(xiàn)有基于SDN的星地組網(wǎng)體系架構(gòu)中控制器的部署位置進(jìn)行了對(duì)比。

表3 現(xiàn)有架構(gòu)中SDN控制器部署位置對(duì)比

3 應(yīng)用前景

星地組網(wǎng)體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合，為海陸空用戶提供了一個(gè)無(wú)縫的信息服務(wù)，可滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)刻、任何地點(diǎn)通信的需求。基于SDN的星地網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)資源共享、靈活網(wǎng)絡(luò)管理等方面有優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)方案，滿足不同業(yè)務(wù)流程的需求，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 視頻傳輸業(yè)務(wù)

受新冠肺炎疫情的影響，人們對(duì)高質(zhì)量視頻的需求不斷增加。用戶的極速增長(zhǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能提出了更高的要求，也給網(wǎng)絡(luò)信息傳輸帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。視頻業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延、帶寬、吞吐量等服務(wù)質(zhì)量指標(biāo)要求較高，受限于網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍，地面通信系統(tǒng)無(wú)法在全球任一地方提供高質(zhì)量的視頻傳輸業(yè)務(wù)。此外，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)動(dòng)速度較快，星間切換頻繁，容易出現(xiàn)信息擁塞、鏈路失效等網(wǎng)絡(luò)故障，因此在星地網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)端到端的視頻業(yè)務(wù)傳輸面臨重大挑戰(zhàn)。

在基于SDN的星地融合組網(wǎng)架構(gòu)中，將視頻業(yè)務(wù)存儲(chǔ)到網(wǎng)絡(luò)的云服務(wù)器中，通過(guò)SDN技術(shù)獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)。當(dāng)用戶發(fā)起視頻業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，由云服務(wù)器響應(yīng)用戶的請(qǐng)求，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況及請(qǐng)求的視頻業(yè)務(wù)是否已緩存到云服務(wù)器中，位于地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的控制器實(shí)時(shí)依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，調(diào)整視頻業(yè)務(wù)的傳輸路徑。此外，地面站可以與多個(gè)衛(wèi)星同時(shí)建立連接，創(chuàng)建多個(gè)視頻傳輸?shù)淖恿?，使用多條衛(wèi)星鏈路進(jìn)行傳輸，有效地提高傳輸吞吐量。當(dāng)衛(wèi)星與地面站進(jìn)行切換時(shí)，使用備份子流可以保證通信不中斷，在保障用戶服務(wù)質(zhì)量的前提下，高效地將視頻業(yè)務(wù)傳輸?shù)接脩艚K端。

3.2 遙感觀測(cè)任務(wù)

在應(yīng)急場(chǎng)景如火災(zāi)、地震中，地面網(wǎng)絡(luò)常發(fā)生故障等問(wèn)題，地面通信的基礎(chǔ)設(shè)施很容易遭到嚴(yán)重破壞，需要依靠衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)觀測(cè)信息的傳輸。由于基于SDN的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不受地理?xiàng)l件的約束，可以實(shí)現(xiàn)高效的跨域資源協(xié)作分發(fā)。當(dāng)通信的距離較遠(yuǎn)時(shí)，相較于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)和高軌衛(wèi)星星座，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有較低的接入時(shí)延。

遙感衛(wèi)星實(shí)時(shí)獲取到對(duì)地遙感數(shù)據(jù)后，需要將其經(jīng)由星地鏈路傳輸?shù)降孛娴闹笓]中心。將遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳回地球站是一個(gè)跨域協(xié)同、復(fù)雜多變的資源分配問(wèn)題。遙感觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)載荷有限，并缺少完整的端到端鏈路，導(dǎo)致通信機(jī)會(huì)轉(zhuǎn)瞬即逝。在短時(shí)間內(nèi)完成觀測(cè)任務(wù)的信息傳輸，可以很大程度上輔助救援。為協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源并充分利用星上載荷，有些觀測(cè)數(shù)據(jù)可以在衛(wèi)星上進(jìn)行信息的實(shí)時(shí)處理，減少了星地鏈路的傳輸時(shí)延。在基于SDN的星地融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，通過(guò)SDN技術(shù)對(duì)整個(gè)星地網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃最短路由策略，遙感數(shù)據(jù)會(huì)以最快速度傳回到地面站。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了軟件定義的星地組網(wǎng)體系架構(gòu)的相關(guān)研究進(jìn)展?；赟DN的星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)具有共享網(wǎng)絡(luò)資源、靈活管理網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。SDN控制器的部署位置，對(duì)于星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)的管理方式、網(wǎng)絡(luò)性能都有著重要影響。隨著多類型業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，為滿足用戶更為靈活的網(wǎng)絡(luò)接入方式，需要構(gòu)建一個(gè)高可靠、可控的星地融合組網(wǎng)體系架構(gòu)。