天地一体化信息网络系统初步设想

陆洲 秦智超 张平 （中国电子科技集团公司电子科学研究院）

天地一体化信息网络系统初步设想

陆洲 秦智超 张平 （中国电子科技集团公司电子科学研究院）

天地一体化信息网络是国家重要信息基础设施，笔者在分析国外天地一体化信息网络相关系统发展情况的基础上，提出了我国天地一体化信息网络系统的总体设想，并进一步阐述了一体化发展过程中需重点关注和解决的几个问题，可为我国天地一体化信息网络的建设提供参考。

1 引言

天地一体化信息网络作为国家信息化重要基础设施，对拓展国家利益、维护国家安全、保障国计民生、促进经济发展具有重大意义，是我国信息网络实现信息全球覆盖、宽带传输、军民融合、自由互联的必由之路。

进入新世纪以来，信息已经深入到人们生活的方方面面，信息服务已成为了同水、电和交通等基础设施同等重要的社会基本公共服务，世界各国都把信息化建设作为重要的发展战略，如美国率先提出了“信息高速公路”、“数字地球”、“智慧地球”、“赛博空间”等概念和建设计划。通过“互联网+”行动计划，信息化网络的发展带动了传统产业结构调整和经济发展方式转变，促进了文化产业的繁荣，为“通达民意、汇集民智”提供了前所未有的便利条件，全面提升一个国家在全球的影响力。

近年来，我国信息网络建设日新月异，取得了可喜的成绩，截至2015年12月底，中国网民规模达6.88亿人，互联网普及率达到50.3%。一方面，我国已经基本建成了覆盖全国的地面网络，互联网和移动通信用户数量处于世界领先地位，但在服务覆盖范围、网络抗毁能力、应急保障能力及安全性上还不能满足国家经济快速发展、国家利益及安全保障的要求，已成为制约我国信息化建设后续发展的主要瓶颈。另一方面，天基信息设施具有服务覆盖范围广、受地面因素影响小、布设机动灵活等优势，可有效弥补地面网络的不足。我国航天技术发展取得了巨大成就，截至2015年12月底，我国在轨卫星数量已达150余颗，已经初步建成了通信中继、导航定位、对地观测等系统。但是，我国天基信息网、互联网、移动通信网发展很不平衡，呈现“天弱地强”的特征。各卫星系统独自建设，条块分割十分明显，卫星数量严重不足，卫星类型比较单一。更为突出的是，卫星没有实现空间组网，无法发挥天基信息系统的网络化综合效能。在天地一体方面，目前天地网络缺乏统一规划和设计，尚未实现天地一体化的组网优势，无法形成天地一体的信息服务能力。

目前，天地一体化信息网络正处于从技术研究向工程建设过渡的关键时期，其工程建设存在系统复杂、规模庞大、建设周期长、投入巨大以及与现有网络兼容等诸多问题。本文通过总结国外相关系统的建设经验，提出了我国天地一体化信息网络的总体方案设想。

2 国外相关系统分析

经过多年的发展，国外已经建成了多个天地一体的信息网络系统，通过调研分析，大致可以归为三大类：天星地网、天基网络、天网地网。

（1）天星地网

天星地网是目前普遍采用的一种网络结构，包括“国际移动卫星”（Inmarsat）、“国际通信卫星”（Intelsat）、“宽带全球卫星通信”（WGS）等系统，其特点是天上卫星之间不组网，而是通过全球分布的地面站实现整个系统的全球服务能力。在这种网络结构中卫星只是透明转发通道，大部分的处理在地面完成，所以星上设备比较简单，系统建设的技术复杂度低，升级维护也比较方便。

国际通信卫星－23在轨飞行示意图

（2）天基网络

天基网络是另一种网络结构，典型的系统有“铱”卫星（Iridium）、“先进极高频”（AEHF）等，其特点是采用星间组网的方式构成独立的天基网络，整个系统可以不依赖地面网络独立运行。这种网络结构弱化了对地面网络的要求，把处理、交换、网络控制等功能都放在星上完成，提高了系统的抗毁能力，但由此也造成了星上设备的复杂化，导致整个系统建设和维护的成本较高。通过调研分析，我们发现这种单纯的天基网络结构从商业上来说并不算成功，主要是基于军事上对网络极端抗毁性的需求。

美国“下一代铱星”在轨飞行示意图

（3）天网地网

天网地网介于上述2种网络结构之间，以“转型卫星”（TSAT）计划（该计划已取消，但其网络构架值得借鉴。）为典型，其特点是天基和地面两张网络相互配合，共同构成天地一体化信息网络。在这种网络结构下，天基网络利用其高远广的优势实现全球覆盖，地面网络可以不用全球布站，但可以把大部分的网络管理和控制功能在地面完成，简化整个系统的技术复杂度。

不同网络结构比较

3种网络架构中，天星地网架构技术比较成熟，是目前国外系统建设的主流选择，应用广泛，但受我国国情限制，在全球布站有现实的困难，所以难以采用这种架构；天基网络架构在安全性、抗毁性和独立性方面具有优势，但因为要考虑脱离地面独立运行，加重了对星上处理和星间信息传输能力的要求，导致技术复杂，系统的建设和维护成本高，商业上难以成功；天网地网架构通过天地两张网络的配合，充分利用天基网络的广域覆盖能力及地面丰富的传输和处理能力，大大降低了整个系统的技术复杂度和成本。

综合考虑之后，我们认为天网地网是比较适合我国国情的天地一体化信息网络的网络结构。在该天网地网架构中，空间网络既可作为独立系统存在，直接面向用户提供服务保障，也可作为地面网络的补充和增强，以弥补地面网络在覆盖范围、抗毁应急保障及机动保障能力上的不足。

3 我国天地一体化信息网络系统设想

相关工作

我国天地一体化信息网络相关的研究和讨论已经持续了10多年，目前已经取得了一系列成果。2006年，沈荣骏院士首先提出了我国天地一体化航天互联网的概念及总体构想；2007年和2012年，中国宇航学会飞行器测控专业委员会先后两次召开学术年会，对航天互联网相关技术进行了专题研讨；2013－2014年，工业和信息化部电子科学技术委员会组织了“天地一体化信息网络体系架构研究”重点课题，从发展战略、总体方案和关键技术等3个方面对天地一体化信息网络开展研究；2013年和2015年，国内先后两次召开了天地一体化信息网络的高峰论坛，对凝聚国内天地一体化信息网络相关研究力量并形成统一的认识发挥了重要作用；2015年，张乃通院士发表了《对建设我国“天地一体化信息网络”的思考》，对天地一体化信息网络的定位、边界作了清晰的说明，并提出了网络基本架构的设想和对建设工作的建议。

在综合国内相关研究工作的基础上，笔者提出了对天地一体化信息网络的理解，并结合我国国情给出了天地一体化信息网络的系统初步设想。

系统方案

天地一体化信息网络是以地面网络为依托、天基网络为拓展，采用统一的技术架构、统一的技术体制、统一的标准规范，由天基信息网、互联网和移动通信网互联互通而成。天基信息网包括天基骨干网、天基接入网、地基节点网三部分。

天地一体化信息网络系统组成示意图

天基骨干网由布设在地球同步轨道的若干骨干节点联网而成，骨干节点具备宽带接入、数据中继、路由交换、信息存储、处理融合等功能，受卫星平台能力的限制，单颗卫星无法完成上述全部功能，拟采用多颗卫星组成星簇的方式实现多功能综合。1个天基骨干节点由数颗搭载不同功能模块化载荷的卫星组成，包括中继、骨干、宽带、存储、计算等功能模块化卫星，不同卫星之间通过近距离无线通信技术实现组网和信息交互，协同工作完成天基骨干节点的功能。

天基接入网由布设在高轨或低轨的若干接入节点所组成，满足陆、海、空、天等多层次海量用户的各种网络接入服务需求，形成覆盖全球（包括两极地区）、随遇接入、按需服务的接入网络。

地基节点网由多个地面互连的地基骨干节点组成，地基骨干节点由信关站、网络运维管理、信息处理、信息存储及应用服务等功能部分组成，主要完成网络控制、资源管理、协议转换、信息处理、融合共享等功能，通过地面高速骨干网络完成组网，并实现与其他地面系统的互联互通。

参考模型

天地一体化信息网络在组成上可分为基础设施、通用业务系统和应用系统3个层次。

天地一体化信息网络参考模型

基础设施层是整个天地一体化信息网络运行的基础支撑环境，主要包括空间设施、地面设施、安全保密设施、管理控制设施等。其中，空间设施由骨干节点卫星、移动通信卫星、宽带通信卫星、中低轨卫星及其他商用卫星组成。地面设施由多个电信港、关口站及相应的地面支撑网络所组成。空间段卫星及地面设施共同构成天基网络的骨干、接入两类网络平台，采用“以网络为中心、面向服务、天网地基”的技术体制，将各类用户聚合成以网络为中心的整体，为天基网络提供即插即用、按需服务、功能重组等能力，提供基础保障；安全保密设施、管理控制设施按功能需求布设在空间和地面，形成天地一体的安全体系和管理体系。

通用业务系统是面向功能领域，依托网络基础设施构建的服务系统，集中体现了天地一体化信息网络面向服务的技术特征。根据服务对象、能力及技术体制的不同，天地一体化信息网络可提供的基础服务主要包括骨干互连、中继传输、宽带接入、移动通信、宽带广播及天基测控等，各类基础服务能力如下。

1）骨干互连：工作频段为Ku、Ka频段及激光，业务速率范围为8～45Mbit/s；155Mit/s，622Mbit/s；2.5Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持陆基、海基等用户。

2）中继传输：工作频段为Ka频段及激光，业务速率范围为155～622Mbit/s；1.2Gbit/s，5Gbit/s，10Gbit/s。支持天基、空基等用户。

3）宽带接入：工作频段为Ku、Ka频段，业务速率范围为64kbit/s～8Mbit/s。支持空基、陆基、海基等用户，支持基于IP的话音、数据、视频等业务。

4）移动通信：工作频段为L、S频段，业务速率范围为2.4～9.6kbit/s；384kbit/s～1Mbit/s。支持空基、陆基、海基等用户，支持话音、数据、短消息、图像等业务。

5）宽带广播：工作频段为Ku频段，业务速率范围为256kbit/s～100Mbit/s。支持空基、陆基、海基等用户，支持基于IP的数据、视频等业务。

6）天基测控：工作频段为S、Ka频段，业务速率范围为1kbit/s～2Mbit/s。支持天基、空基等用户。

应用系统是基于基础设施和业务功能系统，面向用户任务而构建的共用或专业服务系统。天地一体化信息网络可为应急指挥、抢险救灾、远程教育/医疗、远洋航行、航天/航空遥感等各类应用或任务提供通信保障。

发展路线

由于地面网络的建设已较为完善和成熟，而天基网络还没有形成体系能力，因此依据天基网络的能力将天地一体化信息网络的发展划分为3个阶段。

天地一体化信息网络的发展路线图

（1）天星地网

在近期阶段（2020年前后），利用现有的通信卫星资源，将地面网络覆盖不到的地区通过卫星实现延伸，实现对我国国土及周边地区的服务覆盖。

（2）天网地网

在中期阶段（2025年前后），整合、提升天基网络资源，逐步建立统一的天基网络，构建基于高、中、低轨道的天基信息服务体系，提供全球信息保障能力。

（3）天地融合的统一网络

在远期阶段（2030年前后），提升天基网络的技术水平，消除天地网络能力差距，逐渐将天基网络和地面网络融合成统一的网络，建立一个高可靠、高可用、自主可控的全球信息基础设施。

4 需要解决的几个问题

（1）天地网络协调发展

在天地一体化信息网络的建设过程中，天地两个网络的建设规划需要综合考虑、协调发展。受技术水平、政策法规等因素的影响，天基网络的发展要滞后于地面网络，因此需做好天地一体化信息网络的顶层规划，从技术发展、政策支持、资金投入等方面促进天基网络的建设。

（2）系统运营

天地一体化信息网络作为国家的基础信息设施，在系统运营上应采用集中与分级相结合的统一管理机制。一方面，技术上要实现天网和地网资源的融合，具备统一、快捷的资源调度机制，可根据任务保障需求，在天网、地网之间灵活调配资源，协同完成任务保障；另一方面，系统运营不能完全从商业角度考虑，需要兼顾公益性和商业性，尤其要考虑到天基网络的特殊性，需国家政策及资金上的扶持。

（3）开放与安全

在天地一体化信息网络中，天地网络是一体的，这就要求天基网络具有良好的开放性，支持各类服务应用，支持用户无感接入或即插即用；另一方面，天基网络的空间及电磁的特殊性，易受到攻击和干扰，而其重要战略地位又要保证其具备高安全性。因此，天地一体化信息网络在设计及建设初期就要将网络及电磁空间安全问题放在首要位置，采用防无线注入的空中接口设计、自主协议增强、可信可控交换路由、分级分布星地密码广域部署等技术措施，有效解决网络开放性与安全性的冲突问题。

（4）军民结合

天地一体化信息网络是一个覆盖全球的信息基础设施，是一个兼顾军民两用的信息网络，在建设中要充分考虑到军民用户不同的信息保障需求，如设置多级别的信息安全保密等级，以满足军用及特殊用户的信息安全要求；为高机动用户设置快捷波束，支持其运动过程中的高速数据传输等。

美国“宽带全球卫星通信”卫星在轨飞行示意图

5 结束语

当前，我国的信息化建设正处于一个关键的发展时期，面临着三网融合、下一代互联网过渡、4G/5G移动技术发展、赛博空间安全等诸多变革。在此之际，我们应抓住国家经济快速发展、国际地位巩固提升的历史机遇，借助我国航天技术发展的巨大推动作用，促进天基网络的快速发展，尽快建设一个与我国国际地位相符的全球信息基础设施。

陆征/本文编辑

Initial Layout of Space－ground Integrated Information Network System