天地一体化网络中卫星通信港控制架构与路由技术研究

张 杰，郁小松

(北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100086)

天地一体化网络中卫星通信港控制架构与路由技术研究

张 杰，郁小松

(北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京 100086)

通过分析天地一体化骨干网络发展趋势及其约束条件，提出了卫星通信港的概念，阐述了其基本特点，并分析了目前面临的诸多挑战。针对卫星通信港的管理控制问题，提出了软件定义卫星通信港的体系架构，通过对地面网络、卫星网络等不同子网进行分层控制，承载海陆空各种类型节点的连接请求，最终满足不同用户的信息传输需求；同时，提出了以卫星通信港为核心骨干网的天地一体化网络路由策略，为提高网络的运行效率和承载能力提供了新的解决思路。

天地一体化网络；卫星通信港；软件定义组网

0 引言

随着航天航空技术的发展，以及空间网络在应急通信和军事通信中的优势，天地一体化网络逐渐成为各国的研究热点。在具有强大信息支持能力的天地一体化网络构建中，天基骨干网络的构建既是其难点，也是重点。科学家们将具有广覆盖特点的卫星网络和具有小时延特性的地面通信网络相结合，构成了天地一体化网络[1]。天地一体化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、陆地及海洋等自然空间，为天基、空基、陆基及海基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施，其在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输及航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程、大时延可靠传输，从而将人类科学、文化、生产活动拓展至空间、远洋，乃至深空[2-5]。

天地一体化网络从物理形态上可分为天基网络、空基网络和陆基网络；这3种类型的网络既能够实现独立工作，也能够完成互联互通[2-3]。其中，天基网络由高空卫星组成，与空基和陆基网络构成分层网络结构，在空基网络无法直接与地面指挥中心进行通信时，可提供路由迂回；在陆基网络中，节点可采用典型的网状型网络结构互联，也可通过天基网络节点实现远程中继，使区域覆盖网络接入骨干交换网。

1 天地一体化网络发展现状

近年来，天地一体化信息网络发展逐渐升温，国内外也一直在开展包括同步轨道、中低轨道、平流层以及地面等多层次、立体化的天地一体化信息网络系统的研究及系统建设，关键技术不断取得突破[5]。铱星公司计划发射下一代卫星，支持移动通信、数据传输、对地观测、空间环境观测和GPS导航增强等功能，将成为天地一体化网络系统的重要支撑；全球星公司也完成了第二代全球星的部署，实现了全球中低纬度移动通信业务；Google X实验室部署了气球计划，利用数以千计的平流层气球，组成环绕全球的气球网络，为特定地区提供快速稳定的Wi-Fi网络。

按照天地一体化网络结构，可以把天地一体化信息网络系统归为3大类：天星地网、天基网络和天网地网[6]。其中，天星地网是指在星上进行透明转发，在地面进行全球布站组网；天基网络是指卫星进行空间组网，系统可以不依赖地面网络独立运行；而天网地网是指空间和地面都要进行组网，天基地基2张骨干网络优势互补，天地互为备份。对于天网地网，随着星间链路技术的不断成熟，可充分利用天地一体化网络的广域覆盖能力和地面丰富的处理和传输能力，值得在我国推广部署。

基于天网地网的网络架构，我国加紧了网络基础设施建设的步伐，预计到2020年前后，将初步建成空间主干网，实现与地面网络的有效融合，同时支持包括天、空、地、海等子网的接入，以及少量重点用户节点的直接接入，具体包括至少3颗GEO网络主干卫星，以验证空间主干组网技术；预计在2030年前后，将初步建成天地一体化网络，实现深入融合，提升空间主干网络的接入能力和抗毁能力，并对其进行实际部署，不断扩大接入子网的数量和规模，提升对重点用户直接接入的范围，实现全球个人移动、宽带通信、空间信息实时回传、航空器状态全程监控、远洋航行、应急救援及空间探索等各领域的服务与应用。

2 卫星通信港的概念和特点

天地一体化网络主要分为地域网络和空域网络。一般来讲，空域网络主要由卫星系统构成，可以分为3类：低轨道卫星通信系统(LEO)、中轨道卫星通信系统(MEO)以及高轨道卫星通信系统(GEO)。低轨道卫星主要作为空天地一体化网络中信息承载和传输的中继，具有较小的传输时延和功耗，但其覆盖范围较小，且低轨道卫星之间的通信链路会因为卫星节点的运动而切换，网络中断概率大；中轨道卫星通信系统(MEO)相对于低轨道卫星而言覆盖的地球面积更大，因而传输时延也更长；高轨道卫星通信系统(GEO)指地球同步卫星所组成的卫星通信系统，其具有较大的链路损耗，虽然其可与关口地球站进行稳定持续通信，也可与所有低轨道在轨卫星保持通信连接，但其具有较大的通信时延。

在建设天基骨干网过程中，GEO系统中的同步轨道通信卫星由于具备多方面优势，如开设快速、广域覆盖、广播高效及常态持续等，受到广泛关注和重视。基于同步轨道高轨卫星构建核心网，采用基于激光的电路交换，构建高速稳定可靠的天基骨干核心网，其他侦查探测、数据汇聚、融合处理等各类子网或者高速节点，与核心网采用分组交换、虚电路交换及电路交换等形式直接相连或通过接入网络互连。

然而，由于轨位资源受限，同步轨道卫星数量相对较少；同时，卫星通信能力受平台载荷约束，为了增强同步轨道卫星的功能，该轨位上的卫星势必将以“卫星通信港”的方式为用户提供服务。所谓“卫星通信港”，是指空间多颗分布在同一轨道位置或者不同轨道位置上的不同类型的卫星，通过星间高速链路互联，相互协同以实现单星难以完成的功能，并能在部分卫星失效或者故障时快速自愈恢复的卫星群体集合。在卫星通信港内部，可采用激光链路进行通信；卫星通信港之间则可采用激光链路或者无线链路进行通信。卫星通信港通过采用多星共轨组合的方式，不仅大大提升了轨位效率，其不同星间协同工作也增强了卫星通信平台的功能。另外，通过在轨卫星的自愈重构，还能实现通信的快速响应。总之，卫星通信港具备以下特点：

① 局部性：空间通信距离较短，信息作用范围有限；② 静态性：同步轨道位置固定，物理链路基本不变；③ 简单性：底层拓扑结构简单，星间路由网状互联；④ 一体性：港间通过网关通信，港内处理分工协作；⑤ 可靠性：网关功能动态迁移，通信能力安全保护。

基于卫星通信港的天地一体化网络是未来发展的必然趋势，但目前其部署还面临着诸多挑战，存在许多关键技术急需攻克。其一，卫星通信港作为天地一体化网络的核心骨干网之一，需要接入涵盖陆、海、空、天等各种类型的网络节点，连接的用户数量巨大，需求各异，简繁不一，传送的信息类型差异也很大，所有这些因素将造成卫星通信港的网络架构设计和管理控制异常复杂；其二，由于涉及到多种网络(地面网络和其他空间网络)和多类节点(地面节点和其他空间节点)的接入，该网络的路由技术需要采用增强的路由策略和路由算法，以实现多种类型路由信息的统一转发和承载，同时克服其他节点与卫星通信港动态连接所带来的技术挑战。

3 卫星通信港控制架构设计

天地一体化网络结构异常复杂，拓扑动态变化。因此，本文提出合理的网络控制架构，对提高整个天地一体化网络的管理和运行效率非常关键[7-9]。本文拟借鉴软件定义网络(SDN)的技术思路，将软件定义的概念引入天地一体化网络中。SDN是一种新型网络架构，它将网络的控制平面与数据平面分离，将网络设备和资源虚拟化，从而实现底层硬件的可编程化，完成对资源的按需调配[8]。针对上述卫星通信港的结构特点，本文拟从任务层、网络层及连接层等不同视角，利用SDN手段实现网络的统一控制，完成通信港内部及通信港与其他地面子网/空间子网信息的综合承载，同时达到网络功能、网络协议和链路传输等不同层面的动态可编程重构。这样，不仅可以推动空间任务共担与分工协同，还可以充分利用港内节点和链路资源，使得港内集中式控制效率更高，增加网络部署的灵活性。软件定义卫星通信港网络控制架构如图1所示。

首先，在通信港内部的同步轨道卫星上配置集中式控制器，分别对天地一体化网络中的子网(包括地面子网和空间子网等)进行集中式控制；同时，在卫星通信港内部构建一个统一控制中心，并将所有的控制器连接到统一的控制中心上，从而实现多层空间卫星网络的统一智能管控。

图1 软件定义卫星通信港网络控制架构

由于各层配置的集中式控制器跟本层的卫星节点都进行互联，这样就避免了各层所有节点和同一个集中式控制器连接带来的组网问题，同时保持各个层面的相对独立性和强异构特性。各子网的集中控制器掌握本网络拓扑信息，并与卫星通信港统一控制中心相连，由统一控制中心控制网络全局。在上述控制架构中，卫星通信港作为天地一体化信息网络的骨干网，需要连接多个异构分布式网络；与此同时，空间任务具有时变性，空间接入网络中卫星节点的数量、种类以及星间通信链路带宽等都可能实时发生变化。如何设计复杂天地一体化网络环境下的软件定义控制机制，制定高效、合理及安全的动态组网规则，完成天地一体化网络异构组网任务与需求，实现天地一体化网络组网元素、拓扑结构和链路带宽等多维度可重构的组网目标，是目前面临的关键问题之一。

另外，虽然卫星通信港的拓扑相对静止，不具备时变特征，但是由于涉及到多种网络和多类节点的接入，既有位于各种轨道的卫星节点，也有地面网络节点，不同节点/链路的信息传输性能差异较大，其通信协议必然异常复杂。此外，由于卫星通信港网络的特殊性，地面网络的寻址与路由技术不能直接用于卫星通信港网络，需要采用新型的增强路由策略，这是卫星通信港面临的另一个关键难题。

4 卫星通信港路由策略

卫星通信港是天地一体化信息网络的核心骨干，其连接着各种类型的其他空间子网。基于卫星通信港的天地一体化路由策略的设计，既需要处理空间子网拓扑及链路的实时变化，又要考虑到通信港内部资源的局限性，因此其成为天地一体化网络中另一个复杂的科学难题。国内外对天地一体化网络路由协议及路由算法方面已有相关研究，且在不断发展[10-13]。从现有的路由控制策略来看，较成熟的路由策略可分为确定性路由和随机性路由2大类。确定性路由是基于卫星节点运动的周期性和可预测性，利用网络拓扑结构和图论信息预知节点的运动状态和空间通信网络的拓扑结构。确定性路由需要大量的网络拓扑结构信息、网络链接时序图和节点的运动规律，对卫星节点由于自身故障或者外界干扰所带来的拓扑变化缺乏应对能力。随机性路由抛弃了卫星节点运动的周期性和可预测性这一特点，不依赖于拓扑知识，它基于泛洪机制，每个节点都进行消息的存储和转发，直到网络中所有节点都收到路由消息为止。这种路由策略完全无法控制或是预知时延，且其采用的泛洪机制在网络中产生了太多同一消息的副本，大大增加了网络开销，并占用了较多的带宽。

通过将确定性路由与随机性路由相结合，不仅使得网络可应对卫星节点的拓扑变化，还可降低网络的泛洪开销，其具体实现方案如下：首先，可利用卫星运动具有周期性的规律构建各个在轨卫星之间及卫星与地面节点之间的相遇概率信息表格，这些信息表格为路由的建立提供了依据。表格内的信息并不是一成不变，而是根据卫星的运动变化情况由卫星通信港统一控制中心进行周期性搜集与计算，并分发至全网各个节点。为了使路由算法的可扩展性更好，同时避免泛洪机制带来的巨大开销，可由节点相遇概率信息表格查找到当前与消息发送端相遇概率最大的源卫星节点，通过卫星通信港统一控制中心构建全网卫星节点连接时序图，同时根据连接时序图寻路构建拓扑路由表；最后，按照所选定的路由算法(如最短经算法、KSP算法及负载均衡路由算法等)寻找出最佳路径并传递消息。在整个路由过程中，卫星通信港统一控制中心始终查询空间网络拓扑是否更新，如果存在拓扑更新，则相应更新节点连接时序图并在全网范围内进行泛洪。该路由控制策略流程如图2所示。

图2 卫星通信港网络路由控制策略流程

5 结束语

天地一体化信息网络是将天域网络作为地域网络的延伸，从而构建出来的覆盖空天地的一体化网络系统。本文针对天地一体化网络中的同步轨道骨干网，提出了卫星通信港的新型概念，同时提出了基于软件定义可重构的控制体系架构，可提高天地一体化网络整体组网效率，增加地面和空间子网部署的灵活性；针对卫星通信港与天地一体化网络中其他空间子网连接所面临的拓扑动态与时间/状态依赖问题，提出了卫星通信港中混合确定路由与随机路由的新型策略，不仅使天地一体化网络可应对拓扑变化，还可降低网络的泛洪负载，提高网络运行效率。

[1] 沈荣骏.我国天地一体化航天互联网构想[J].中国工程科学,2006,8(10)：19-30.

[2] 黄惠明,常呈武.天地一体化天基骨干网络体系架构研究[J].中国电子科学研究院学报,2015,10(5)：460-467.

[3] 张乃通,赵康僆,刘功亮.对建设我国“天地一体化信息网络”的思考[J].中国电子科学研究院学报，2015,10(3)：223-230.

[4] 刘立祥.天地一体化网络[M].北京：科学出版社,2015.

[5] 李贺武,吴 茜,徐 恪,等.天地一体化网络研究进展与趋势[J].科技导报,2016,34(14)：95-106.

[6] 陆 洲,秦智超,张 平.天地一体化信息网络系统初步设想[J].国际太空,2016(7)：20-25.

[7] Bertaux L.Software Defined Networking and Virtualization for Broadband Satellite Networks[J].IEEE Communications Magazine,2015,53(3)：54-60.

[8] 陈 晨,谢珊珊,张潇潇,等.聚合SDN控制的新一代空天地一体化网络架构[J].中国电子科学研究院学报,2015,10(5)：450-454.

[9] TANG Zhu,ZHAO Bao-kang,YU Wan-rong,et al.Software Defined Satellite Networks：Benefits and Challenges[C]∥Computing,Communications and IT Applications Conference(ComComAp),Beijing,2014：127-132.

[10] 任 丹,朱晨光,雷 宁.卫星网路由控制策略[J].哈尔滨铁道科技,2007(1)：19-21.

[11] Alagoz F,Korcak O,Jamalipour A.Exploring the Routing Strategies in Next-generation Satellite Networks[J].IEEE Wireless Communications,2007,14(3)：79-88.

[12] 卢 勇,赵有健,孙富春,等.卫星网络路由技术[J].软件学报,2014(5)：1085-1100.

[13] 王金海,尹 波,王旭阳.多星组网路由交换架构技术研究[J].无线电工程,2015,35(6)：1-3.

Control and Routing of Satellite Communication Port in Integrated Space-ground Networks

ZHANG Jie,YU Xiao-song

(State Key Laboratory of Information Photonics and Optical Communications,Beijing University of Posts and Telecommunications,Beijing 100876,China)

This paper analyzes the development trend and constraints of integrated space-ground backbone network,and proposes the concept of satellite communication port.Its basic characteristics are described in detail and its challenges are analyzed.In order to solve the problems of management and control of satellite communication port,a software-defined architecture of satellite communication port is proposed.By controlling the different subnets of terrestrial network and satellite network in different layers,the connection requests of various types of nodes can be satisfied,and the information transmission requirements from different users can also be satisfied.Meanwhile,a routing strategy in the backbone network of satellite communication port is proposed,which provides a new way to improve the efficiency and transmission capability of satellite communication network.

integrated space-ground network;satellite communication port;software-defined networking

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.02.01

张 杰，郁小松.天地一体化网络中卫星通信港控制架构与路由技术研究[J].无线电通信技术,2017,43(2)：01-05.

2016-12-20

可信网络通信协同创新中心预研基金项目(500401321)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

张 杰(1972—)，男，博士，教授，博士生导师，北京邮电大学信息光子学与光通信研究院副院长，同名国家重点实验室代表性学术成果的带头人。目前担任中国通信学会高级会员，中国电机工程学会电力通信专业委员会委员等。曾任十五863计划3Tnet重大专项战略论证报告起草专家和光网络分项任务专家、十二五863计划全光网重点项目编写组组长。主要研究方向：下一代智能光网络、空天地一体化网络、光与无线融合网络等，主持和参加国家自然科学基金、973计划、863计划等科研项目20余项，获国家技术发明奖2项，省部级科技奖励(含中国通信学会科学技术奖)一等奖3项、二等奖与三等奖各1项，北京市教学成果奖1项；曾担任多个国际会议分会主席、技术程序委员会委员等。国务院政府特殊津贴获得者，荣获茅以升北京青年科技奖、北京市优秀教师、信息产业部信息产业科技创新先进工作者、教育部新世纪优秀人才支持计划、北京市科技新星计划等，被评为北京高校青年教师师德先进个人。郁小松(1986—)，男，讲师，博士后，先后参与多项国家及省部级科研课题，包括国家自然科学基金、863计划、973计划等，同时参与多项业界研究机构和企业的产学研合作项目。已在国内外重要学术期刊及会议上发表SCI/EI检索论文60余篇，获得多项授权国家发明专利，并提交多项IETF国际标准文稿建议。担任IEEE/OSA SCI学术期刊及国际会议审稿专家，发表学术成果被引用200余次。主要研究方向：未来光网络(包括灵活栅格光网络及空分复用光网络)组网与控制技术、天地一体化网络组网与控制技术，以及软件定义光网络相关关键技术等。

TN915

A

1003-3114(2017)02-01-5