天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考

孙晨华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考

孙晨华

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

近年来，太空(或称为天基)和网络空间成为全球新一轮竞争热点。随着我国天地一体化信息网络工程被列为重大专项，行业内对以天基为重点的天地一体化信息网络的关注度达到新高。天基传输网络因其天然的天地一体化特征、信息的承载平台等特征，成为天地一体化信息网络的重要抓手。给出了立足天基传输网络，发展天地一体化信息网络的相关问题和下一步研究重点及建议思路，可为后续研究工作开展提供参考。

天基传输网络；天地一体化信息网络；天基信息网络；天基接入网；天基骨干网

0 引言

目前，抢占空天信息竞争制高点、发展相关新兴产业成为发达国家的又一次战略机遇。我国经济、政治和军事处于复杂国际环境中距世界舞台中心最近时期。总体上看，天基信息系统建设成就突出，但没有完全摆脱技术追赶和试验应用型发展状态，系统仍立足本土服务，天地融合技术水平、服务能力、产业链发展与发达国家相比差距较大，与国家“一带一路”战略和大国地位不协调。因此，找准、弥补天基信息系统的薄弱环节，发展天地一体化信息网络，提高天地一体服务能力，实现信息系统伴随“一带一路”走出去战略十分必要[1]。天地一体化信息网络工程重大专项正是在此背景下提出。

地面信息网络和天基信息网络经过多年发展，从天地一体化角度来看，基础和不足并存。如何在摸清基础、找准不足的情况下进行天地一体化信息网络创新、优化设计是关键问题。摸清基础方面，重点对现有天基传输网络的天地一体化特征进行分析理解，对天地一体化信息网络概念内涵及与天基传输网络的关系进行分析理解；找准不足方面，重点是准确地识别尚未突破的关键技术。

1 天基传输网络的天地一体化特征

1.1 天基传输网络

通常想到的天基传输网络是卫星通信网络，广义上，天基传输网络包括卫星通信[2]、卫星中继[3]和遥感类卫星的星-地传输网络[4]。卫星通信网络指地球上的无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站而构成的通信网络(也称卫星通信系统)，是天基传输网络的核心组成，称为网络更强调点对多点、多点对多点能力。卫星中继网络是航天器与地面终端站之间利用人造卫星作为中继站进行测控和数传信息传输的网络。获取类卫星星-地传输链路指卫星与地面接收站之间的传输链路。

1.2 天基传输网络的天地一体化特征

卫星通信网络、卫星中继网络和获取类卫星星-地传输网络从不同侧面呈现出天地一体化特征。

1.2.1 卫星通信网络的泛星多专网特征

泛星多专网指应用专网不依赖某颗特定卫星，同一个网络可依托不同卫星构建，是目前卫星通信领域规模最大、最常用且用户最多的一类网络，广播电视网络、VSAT网可基于多个卫星的C、Ku等频段、透明转发器构建[5]。采用弯管转发方式，网络由位于陆、海、空各类地表用户的终端和站型构建。除频段、功率外，网络多址方式、协议和信令等核心体制与卫星无关，且这类网络均可实现与地面固定网、移动网的互联互通，具有典型的天地一体化特征。

1.2.2 卫星通信网络的多星一网特征

这类网络主要指全球服务卫星通信网，通过地面互联的关口站将工作于多颗卫星上的用户构成全球一网，典型的有INMARSAT[6]、INTELSAT[7]、美军军事宽带和窄带卫星通信系统。INMARSAT空间段有5颗以上卫星，全球部署多个关口站，系统无论有多少用户，只有一张网络。INTELSAT空间段有50多颗卫星，地面同样具有全球通联一张网络。INMARSAT和INTELSAT有所不同，前者多颗卫星采用相同技术体制(同一代系统)，全球一个一级网络控制中心，是实实在在一张网；后者采用多家公司、不同体制VAST网，通过互联和服务集成为一张运营网。美军宽带和窄带卫星通信系统空间段均有多颗卫星，星间无传输链路，通过位于全球的九大电信港，实现全球用户的随遇接入和互连互通，如图1所示。

图1 国外典型卫星通信网络

1.2.3 卫星通信网络的天地成网特征

这类系统主要有2类：卫星位于同步轨道的系统和低轨星座系统。典型特征是卫星之间通过星间链路构成天网，地面各用户之间构成地网。同步轨道的典型系统是美军的AEHF系统[8]，该系统通过星间链路构成天网，其目的是安全抗毁，不依赖于任何地面关口站，可实现近全球范围内任何用户间的随时通，从目前发展看，这类系统因受星上载荷处理能力限制，用户容量较小。低轨星座的典型系统是铱星系统，有60～80颗位于800 km左右轨道的卫星通过星间链路构成网络，地面用户之间通过卫星节点构成地面应用网络。

1.2.4 卫星通信网络的单星、单网特征

主要有个人移动通信系统和大容量宽带卫星通信系统2类，这类系统通常星上采用多波束天线，用户链路透明铰链转发至馈电链路，成千上万甚至上百万用户与地面关口站构成一张应用网络，不同部门用户的网络通过虚拟子网设置实现信息隔离。

1.2.5 遥感卫星的星-地链路/地-地网络特征

遥感类卫星将星上传感器获得的数据按照可视窗口，直接传送到地面接收站，多个接收站数据则通过地面网络传送到数据中心，因此具有星-地链路/地-地网络的天地一体化特征。

1.2.6 中继卫星的星-星-地链路/地-地网络特征

中继卫星为航天器(也称用户星)提供测控和数据中继传输服务。航天器获得的数据经与中继星之间的链路、中继星与地面终端站之间的链路传送至地面终端站后，再通过地面网络传送到各数据中心，系统具有明显的天地一体化特征。

2 天地一体化信息网络与天基传输网络

2.1 天地一体化信息网络思想

长期以来，天地一体化信息网络作为一种思想从信息系统顶层角度被提出并渗透到各系统实施中。

2.1.1 美军提出的全球信息栅格(GIG)是天地一体化信息网络思想的典型体现

美军基于网络中心战及军事转型需要，于2000年提出GIG项目，利用天基骨干网、地面国防信息基础设施，把预警探测、情报、指挥控制、后勤保障和作战单元融合在一起，强调天空地一体、统一服务，使任何士兵、武器单元都能及时获取战场信息，最终实现基于天地一体化信息的全谱优势。

2.1.2 美国各天基信息体系的独立发展中融合了天地一体化信息网络思路

2004年，美国制定了一体化对地观测系统(IEOS)计划，提出天地一体化整体框架，构建了空间侦察监视体系。美国GPS系统作为一个高精度、全天候、全球性的导航定位系统，在不同行业实现了天地一体化信息融合应用。此外，美军持续发展以WGS、AEHF和MUOS为主的军事卫星通信体系，在全球范围内为战场指挥官及作战单元提供到GIG的随遇接入能力。

2.1.3 我国信息系统建设逐步融合天地一体化思路

我国近年提出了构建天空地一体化信息网络的目标，各卫星工程建设过程中，不仅重视卫星技术和发展，也关注地面应用、运控系统的技术发展和应用效能，注重与地面网络和信息系统的融合应用。

2.2 天地一体化信息网络相关定义

随着天地一体化信息网络思路的渗透，天基信息系统的关注度日益提高，行业内提出了多种天地一体化信息网络相关定义。

2.2.1 天地一体化信息网络

定义1：天地一体化信息网络是由多颗不同轨道、不同种类和不同性能的卫星形成星座覆盖全球，通过星间、星地链路将地面、海上、空中和深空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合，以IP为信息承载方式、采用智能高速星上处理、交换和路由技术，面向光学、红外多光谱等信息，按照信息资源最大有效综合利用原则，进行信息准确获取、快速处理和高效传输的一体化高速宽带大容量信息网络，即天基、空基和陆基一体化综合网络。

定义2：(工信部电子科技委网络与通信专业组)天地一体化信息网络是以地面网络为基础，以空间网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地和海洋等自然空间，为天基、空基、陆基和海基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施[9]。

定义3：(天地一体化信息网络重大工程)天地一体化信息网络是维护和拓展国家核心安全利益，实现全球互联互通的重大信息基础设施，是以天基网络为主体，地面网络为基础，可支持陆、海、空、天各类用户随遇接入、按需服务的信息网络[10]。

2.2.2 天基信息网络

天基信息网络(自然科学基金)是以天基平台(同步或中、低轨道卫星和空间站等)或空基平台(如平流层气球、有人或无人飞机等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统[11]。

空间信息网络(某专业组)是以航天器为载体进行信息获取、传输和处理的网络系统；是通过星间、星地链路连接在一起的不同轨道、种类、特征的卫星、星座及相应地面基础设施所组成的网络，以及由其所支持的指挥、控制、通信与其他各种应用系统的集合。

2.2.3 定义内涵的理解及与天基传输网络的关系

天地一体化信息网络有广义和狭义2种理解。广义上讲，是天空地各类信息系统的集合；狭义上讲，是基于天基和地基传输网络，集成各类信息服务能力的系统，包括天基传输网络、地面传输网络和栅格化服务网络。天地一体化信息网络重大工程应是基于狭义的天地一体化信息网络(如2.2.1节的定义3所界定)开展。本文后面所提到的天地一体化信息网络是狭义的天地一体化信息网络。

天基信息网络是包含了天基信息获取、天基传输及天基时空基准网络在内的所有天基网络的综合，天基传输网络是其重要组成部分，如图2所示。

图2 天地一体化/天基信息网络组成

3 天地一体化信息网络研究重点

3.1 顶层设计

天地一体化信息网络是以天基传输网络、地面传输网络和天基信息服务为核心构成的网络，地面传输网络相对成熟，因此研究重点是天基传输网络和天基信息服务能力构建等内容。顶层设计方面重点包括系统架构、阶段性指标体系等研究内容。

3.1.1 以全球覆盖天基传输网络为核心的天地一体化信息网络架构

目前，已有多种从不同角度提出的天地一体化信息网络架构，如图3、图4和图5所示。

图3 天地一体化信息网络架构-Ⅰ

图3是沈荣骏院士提出的构建综合星间、星地及地面互联互通网络的我国天地一体化航天互联网构想[12]，有机整合与航天器有关的数据接收、传输分发和运行控制等资源，向多种用户提供多类信息，实现信息共享和统筹建设。该架构可理解为航天器子网+地面接入网+空间接入网+主干网架构，是从航天测控网角度提出的，未涵盖用户量较大的卫星通信和地面通信网络及用户。

图4是本研究团队从通信网络角度提出的包括高轨、低轨通信星座(可延伸到外太空)、地面固定通信网、机动通信网以及统一服务、各类应用和用户的天地一体化信息网络架构。强调了服务、应用的天地深度融合，可能对航天测控网、遥感获取类卫星用户的特殊性体现不够[13]。

图4 天地一体化信息网络架构-Ⅱ

图5给出了天地一体化信息网路重大工程课题组提出的天地双骨干网+天基接入网架构。

图5 天地一体化信息网络架构-Ⅲ

天基骨干网由天基骨干节点通过星间链路互联而成，地面骨干网由地基节点通过光纤链路互联而成；天基接入网由满足移动、固定应用的多种轨道节点构成，不同天基接入网服务的用户群可通过天基或地基骨干节点实现互通。该架构仍有多个方面需深入研究：① 天基网络覆盖距离远，较多应用可实现用户间一跳可达通信，是否需要经过天基骨干网转接或何种情况下需要通过骨干网转接需进一步研究；② 天基骨干网要实现与地面骨干网可比拟的能力，需要强大的星上处理和信息交换能力，根据目前星上处理能力情况，仍需走很长的路。因此，按照这类架构构建的网络，天地双骨干是能力不平衡的，而接入网的相当一部分用户也无法经过天基骨干网实现互联。

3.1.2 阶段性指标体系研究

天地一体化信息网络的能力和技术状态不是一成不变，而是不断发展。尤其是与卫星平台相关的能力指标，因卫星(例如同步轨道)研制周期较长，能力更新较慢，其能力指标需阶段性、渐进性提升。天地一体化信息网络指标体系不易细化的原因还包括：量化需求的提出、可能的技术能力评估等均受多方面限制；诸如骨干节点数量、各节点波束配置、境外卫星覆盖区的容量设计、同时工作的用户数、业务模型、支持的任务模型以及不同场景下的抗干扰能力等指标的提出和确定受到技术水平和需求两方面制约，需持续、深入开展深化和量化研究。

3.1.3 组网及协议技术

天地一体化组网协议研究受到高度关注，地面网络协议主要涉及互联网和移动网协议，目前已有成熟应用的协议体系，也有一些新的协议正在研究。因此，天地一体化信息网络工程需关注的是与天基组网相关的协议，即站在天基的角度研究天基组网和天地组网协议。目前，已提出了针对同步轨道应用的CCSDS/DTN/IP融合增强协议体系[14]，面向航天器基本采用CCSDS协议，高动态情况下采用DTN协议[15]，面向广大陆、海、空用户(也统称地表用户)，采用IP增强协议实现宽带组网应用，采用专用协议或地面移动网增强协议实现窄带移动系统应用，这些协议在天基传输网络(尤其是卫星通信网络)中的产品研制中已广泛实现。最近提出了基于内容的协议(CCN)[16]，但是否适合天基网络、适合何种天基网络需进一步研究。对于低轨星座，由于载荷受到处理能力限制且卫星相对运动，其组网协议需进一步研究。组网方面，目前基于SDN[17]的思路从某种角度来讲更适合天基网络，可以将复杂的控制面由地面关口站等节点实现，降低星上处理压力。

3.2 载荷技术

载荷技术主要包括射频天线技术、星间数据传输技术和超大容量星载路由交换技术等[18]。

3.2.1 高速数据传输、超大容量星载交换

星间、星地高速数据传输和超大容量交换是骨干组网的核心。目前，星间激光链路相关的载荷技术还未完全成熟，星地高速激光链路可用度、可用性也正处于研究过程中，传统的Ku、Ka频段所支持的带宽已不能满足骨干网节点到地面关口站数十Gbps的高速传输需求。星上交换方面，经过多年发展，已具备一定的处理能力，但从未来发展看，天地双骨干方式要求天基骨干节点需达到上T的交换能力[19]。

3.2.2 星上高性能计算技术

星上高性能计算处理能力是实现天基组网、减少对地面依赖的必要条件。近来，美国计算机协会《通信》杂志以及IEEE刊发了多篇有关空间计算的文献[20]，认为当前大部分卫星星上处理能力较弱，数据处理和分析主要依赖地面节点(主要是地面数据处理中心)。随着在轨处理技术的发展和组网技术的突破，在轨卫星独立完成数据处理和传输成为可能，这种情况下，多种不同卫星可通过空间直接组网，各类终端和卫星可构成复杂的分布式网络，不经地面转接就可实现信息交互。如果星上处理能力不能支持星上直接生成产品，包括获取类卫星、通信类卫星、中继类卫星基于天基组网的必要性就大打折扣，因为在这种情况下，获取类卫星获取的信息直接或经中继卫星转发到地面，地面数据中心处理后形成产品再经卫星通信网络和地面网络进行分发是合理的，而获取类卫星获取的信息即使通过天基通信卫星节点发送给各类用户，信息也是不可用的，也是不合理的。

3.3 地面系统及产品技术

天地一体化信息网络以解决天基薄弱环节为重点，并不意味着只解决天基相关问题，地面系统及产品是天基系统不可或缺的组成。在各项卫星工程中通常设置卫星系统、应用系统、运控系统、火箭系统、测控系统和发射场系统等六大系统，其中四大系统为地面系统，对系统应用发挥长期效能的是地面应用和运控系统。

在星上处理能力不足以达到与地面信息处理与计算能力相当的很长一段时期内，地面系统及相关产品的能力直接影响着天地一体化信息网络应用水平及效能。据有关资料报道，2015年全球航天业支出(可理解为市场情况)为：卫星服务1 274亿美元，地面设备1 059亿美元，卫星制造166亿美元，发射行业54亿美元，政府项目800亿美元，而其中商业通信和民用/军用通信占比分别为37%和14%，地球观测服务14%，导航7%，研发12%，军事监控8%，科学研究5%，气象3%，可见通信服务占50%，而地面系统站比40%以上。因此，在天地一体化信息网络工程实施过程中，应把地面系统建设及产品产业化作为重点。

地面系统主要包括应用系统和运控系统。应用系统包括关口站和数据服务中心、各类用户终端；运控系统包括网络控制中心和测控中心等；产品包括芯片、终端、射频、天线、服务软件和数据等。关口站的处理能力不仅要求越来越高，而且要达到运营级，既要求高可靠又要求好的用户体验。目前，我国卫星通信领域的军品几乎全部实现自主可控，民商用领域则是国外产品占据主要市场，要提升全产业链市场竞争力，产品必须达到技术新、成本低、可靠性高、用户体验好等要求，从目前发展看，仍需在细节上进行深化、优化。

4 结束语

天地一体化是信息系统顶层设计的重要指导思想之一，天地一体化信息网络重大工程的实施，必将信息系统顶层设计、天地融合设计推向新高度，将实现我国信息系统服务能力的跨越式提升。本文深入剖析了天基传输网络、天基信息网络以及天地一体化信息网络的概念与内涵，并对其特征进行了分析，在此基础上给出了天地一体化信息网络的研究现状以及后续重点和关键问题，可为后续研究提供参考。

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孙晨华 女，(1964—)，研究员，中国电子科技集团公司第五十四研究所副总工程师，中国电子科技集团公司首席专家。长期从事卫星通信系统总体设计和新技术研发、新装备研制，在卫星通信系统总体设计、体制研究和工程设计等方面具有丰富经验。多年来，主持或承担了多个国家及军队重点项目研制，涵盖FDMA、CDMA和TDMA等多种体制的卫星通信系统，主持完成了我国第一个MF-TDMA卫星通信系统研制，填补了国内空白。曾获国家科技进步奖二等奖2项，军队科技进步奖一等奖1项，国防科技进步奖一等奖2项、三等奖1项。

Research Status and Problems for Space-based Transmission Network and Space-ground Integrated Information Network

SUN Chen-hua

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

In recent years,space and network space has become the hot spots of the global completion.With the space-ground integrated network engineering listed in the national key projects,the focus on space-ground integrated information network has reached a new height.Because of the natural features of space-ground integration and information bearing,the space-based transmission network becomes an important starting point of space-ground integrated information network.This paper proposes the related problems,research emphases and recommendation of the next step for development of space-ground integrated information network based on spaced-based transmission network,which provides reference to subsequent research.

space-based transmission network; space-ground integrated information network; space-based information network; spaced-based access network; spaced-based backbone network

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.01.01

孙晨华.天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考[J].无线电工程,2017,47(1):1-6.

2016-11-09

国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA015701)。

TN927

A

1003-3106(2017)01-0001-06