时间敏感空间信息网络关键技术研究

杨 辉，白 巍，张 杰

(北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876)

时间敏感空间信息网络关键技术研究

杨 辉，白 巍，张 杰

(北京邮电大学 信息光子学与光通信国家重点实验室，北京100876)

空间信息网络已经成为当前航空航天领域的重要研究方向之一,随着空间信息技术的发展和空间通信需求增强，以时间敏感型业务为代表的新业务不断涌现。针对时间敏感业务的服务保障需求，提出了时间敏感空间信息网络技术架构，在此架构基础上，从业务、网络与资源等3个层面对其关键技术展开分析，最后对时间敏感空间信息网络技术进行总结与未来发展展望。

空间信息网络；时间敏感；资源多维化；非对称链路；业务驱动；时变网络

0 引言

随着空间信息技术的进一步发展和通信需求的不断增强，新业务尤其是时间敏感型业务的不断涌现，卫星通信系统作为空间信息网络的重要组成部分，以其大容量数据传输及广播特性适合多媒体业务的传送，能够为用户提供宽带接入服务。为了满足时敏业务应用的需要，必须进一步研究有效的资源分配策略以满足应用服务质量。相对于地面网络来说，卫星网络带宽资源和计算资源极为有限，拓扑结构频繁变化，需要更为有效的业务管理和路由维护策略以充分利用空间资源，同时满足对各类业务的服务质量要求。

空间信息网络的通信资源主要包括频率资源(信道带宽、子载波分配等)、时隙资源(业务时隙数量、保护时间长度等)、空间资源(天线极化方向、天线角度及数量等)。空间信息网络资源管理的目标是在资源有限的前提下，兼顾公平性原则，尽可能在保障用户最基本业务所需资源的情况下，考虑不同等级业务的服务质量需求，合理配置资源。满足卫星通信中的服务质量关键技术包括物理层传输技术、数据链路层接入技术与资源管理技术、网络层路由技术、传输协议及移动性管理等[1-2]。

1 时间敏感空间信息网络的关键技术概述

随着信息技术的发展，通信主体正逐步由人-人通信到人-物通信，再到物-物通信，业务对时间维度的需求正随着通信主体的转变而变得愈加敏感。尤其在空间信息网络中时，由于其面向用户与业务的特殊性，空间信息网络中的时敏业务正日益增多，时间敏感空间信息网络的建立显得尤为重要，已成为空间信息网络的重要发展方向之一。

为了实现时间敏感的空间信息网络，从业务层面、网络层面和资源层面3个角度对现有空间信息网络展开探索与推动，如图1所示。业务层面建立时敏业务模型，分析业务特性，并根据业务特性提出相应的业务保障机制，对空间信息网络提出新的业务需求，并以此作为网络新技术的驱动。而网络层则在业务层的驱动下，建立高度适配的网络控制架构，结合空间信息网络拓扑变化等特性与时敏业务的业务需求，对时变网络拓扑技术及该场景下路由技术展开研究，满足业务层的需求。资源层则对多维化空间信息网络资源进行挖掘与分析，统合一切可用网络资源，探索上下行非对称信道共享等资源共享技术，提高对资源的利用率，并最终将多维化、可共享化的资源通过网络虚拟化技术映射到网络层面，支撑网络层面控制技术及策略，实现网络层对资源的有效控制。

图1 时敏空间信息网络技术架构

2 业务层面

时敏业务是时敏空间信息网络的主体，时敏业务的需求与特性是时敏空间信息网络建立与发展的主要驱动力量。因此，为了实现时敏空间信息网络，在空间信息网络中，业务层面主要以时敏业务的需求与特性研究为主，并基于时敏业务需求设计有效的业务保障机制。

2.1 时敏业务模型

为了服务时敏业务并建立时敏空间信息网络，首先分析时敏业务需求，并建立时敏业务模型，根据其模型设计时敏业务识别技术。现有的业务模型主要在延时需求和带宽需求两方面对网络服务提出要求[3]。而时敏业务的主要需求在于其对于时间的敏感性，需要在传输过程中尽可能减少不必要的时间损耗，以保障信息传输的超低延时需求。时延的主要来源不仅是传输时延，也包括设备处理时延。传输时延由传输该业务的信道带宽决定，由于时敏业务的特殊性，与其他业务相比实验要求更为严格，因此，时敏业务具有最高的业务级别，在信道带宽资源的分配上需要绝对的保障。在系统处理延时方面，也需要对计算资源进行相应的分配。

由于时敏业务通常来自于特殊用户，如金融、军事方面等，相对于其延时特性，业务的安全性、可靠性和生存性更为重要，尤其在可靠性、安全性和生存性较弱的空间信息网络中，时敏业务需要对其提出更高的要求。综上所述，时敏业务模型不仅需要满足传输延时和带宽需求，还需要对设备处理速度、计算资源进行考虑，并提供可靠性、安全性和生存性方面保障。

2.2 业务保障机制

针对时敏业务延时、带宽和可靠性等方面的服务质量需求，需要设计有效的时敏业务保障机制。由于空间信息网络中多种业务共享网络资源，因此需要在业务保障机制中，对资源的分配也同样需要相应的分配算法，同时为了满足时敏业务的低延时需求，在设备计算资源上也同样需要设计相应的分配算法。因此，业务保障机制还可以根据业务资源的类型分为设备内部资源调度与设备间资源调度。设备内部资源调度主要针对业务对设备的计算、存储等资源的使用进行调度，而设备间资源调度则主要是网络资源如频谱路由等资源。由于时敏业务对延时要求的特殊性，它具有在空间信息网络中所需资源最优先被满足的权力，在设备内部调度与设备间调度中，相对于其他种类业务，时敏业务都将有最优先的资源使用权利，包括计算存储资源和网络资源。在时敏空间信息网络的业务保障机制中，时敏业务将得到网络的最优服务，而对该业务保障机制的支持，则需要网络层面与资源层面的技术支持。

3 网络层面

网络层面的相关技术，将为业务层面与资源层面建立必要连接，并实现3个层面技术的控制与联动，维持整个时敏空间信息网络的正常运行。时敏空间信息网络业务层面主要包括网络控制技术、网络拓扑技术以及路由策略的设计。

3.1 网络控制技术

空间信息网络主要包括地面网络和高中低轨道卫星网络，卫星是其网络主体，由于卫星围绕地球在一条椭圆的轨道上做圆周运动，除了地球同步卫星，大部分卫星相对于地面处于时刻运行的状态，并且不同轨道上的卫星由于其轨道不同，也都处于相对运动状态。因此，不同于一般性地面网络，空间信息网络具有较为突出的实时移动特性，并且卫星网络间相对移动模型相对复杂，时变的拓扑结构是空间信息网络的主要内容。有效的网络控制将使网络更加灵活、更加智能化地为时敏业务调配网络资源，因此需要对网络控制技术进行探索。

采用分布式的控制方式通常需要各个卫星协作完成控制，而在时变拓扑环境下，各卫星间存在着相对移动特性，卫星间通信随时都有通信联络通断的可能，卫星间彼此的相互探测需要实时更新状态，更会大幅浪费设备的计算处理资源。而卫星间的运行相对运行位置模型又十分复杂，在现有的卫星中存在着大量早期卫星，其处理能力相对较弱，无法完成对全网拓扑的实时更新，因此一些在地面通信网络的优秀分布式控制技术无法发挥其作用。

而集中式的网络控制架构，采用SDN等技术[3-4]，则可以通过在集中式控制器中建立卫星运行模型，时刻确定每一颗卫星的准确位置。并且，对各个卫星的内部处理能力没有要求，主要策略及算法等由控制器完成，最终，各个卫星只需按照控制器的要求，完成自己的基础行为与功能，就可以实现网络功能，服务于时敏业务。因此，集中式网络控制架构更适合空间信息网络，在时敏空间信息网络中建立集中式控制架构，将使网络控制功能更加灵活，有效调度时敏业务所需资源。图2为时敏卫星信息网络集中式控制架构图，不同轨道卫星分别通过不同的卫星控制机进行集中式的控制，3个域的控制器与地面网络总控制器连接，实现全体空间网络的控制。由此实现了时敏空间信息网络的集中式控制架构。

图2 时敏空间信息网络控制架构

3.2 时变网络拓扑技术

在空间信息网络中，卫星相对地面网络具有移动特性，如图3所示，根据网络中节点类型，将网络拓扑中位置不变的网络部分称为固定拓扑域，而卫星所在拓扑范围由于其位置的时变性，属于时变拓扑域，由此形成了空间信息网络具有较突出的移动特性[5]。当图3(a)中卫星运行至图3(b)中所在位置时，由于地面天线与卫星位置较远，部分无线链路已经断开，而此时在终端的无限链路中的业务将全部被阻塞，空间信息网络的可靠性得不到保障，而时敏业务不仅仅需要超低的延时性能保障，由于其服务用户的特殊性，网络可靠性显得尤为重要。在普通网络环境下，为了提升网络可靠性通常采用业务备用路径保护、业务路径恢复等技术，但需要占用较多资源，并且增加了业务时延，不利于时敏业务的有效传输。

图3 空间信息网络拓扑时变性

由于上述原因，在时敏空间信息网络中对可靠性的保障迫在眉睫。从空间信息网络移动特性出发，基于集中式控制架构的时变网络拓扑技术，将成为解决可靠性问题的可行方案之一。由于卫星运行位置模型的复杂性与卫星处理能力的不足，不可能在全部微型设备上设置卫星位置移动模型。而集中式的网络控制架构，为卫星移动模型提供了天然的载体，网络中的控制器具有大量的计算处理存储资源，适用于处理卫星移动模型，通过建立所属区域的卫星移动模型，控制器可以掌握所属域内卫星各个时刻位置，由此建立各个时间点的时变拓扑图，并根据时变拓扑完成网络工作。而对链路通断的准确预测也将为空间信息网络中时敏业务的可靠性保障提供有效支撑。

3.3 业务驱动的路由策略

在时敏空间信息网络中，通过网络控制技术提供整体集中式控制架构，时变网络拓扑技术提供了具有实时性的有效的拓扑信息。在上述2种技术的支持下，为了保障时敏业务的服务质量，需要进一步设计传输策略，其中路由策略将成为影响时敏业务服务质量的关键因素。

时敏业务在延时、带宽以及可靠性等方面都提出了较为苛刻的需求，为了满足其业务的高质量服务要求，路由策略需要从时敏业务的实际需求出发，形成时敏业务驱动的路由策略。路由策略主要被部署在控制器中，当有时敏业务需要服务时，业务请求将被发送至控制器，根据全局的拓扑情况以及资源情况为该业务分配路径与传输资源。时敏业务驱动的路由策略首先需要考虑其传输时延，为了达到时延要求，需要选择最短路径，减少传输时间，其次需要根据其带宽需求，结合全局网络资源为其选择网络资源充足的有效路径，最后结合时变网络拓扑模型，保障其在传输期间不出现链路中断情况或提前设置好备用链路进行快速倒换，对可靠性做出保障。由此，在网络与资源层面技术协同下，对业务保障机制提供有效支持。

4 资源层面

在空间通信网络中，网络资源种类丰富，且具有多种维度，可以对网络层面、业务层面和时敏业务的服务质量保障技术提供有效的支持，通过对资源的多维化管理、虚拟化技术以及资源共享技术的研究，将推进时敏空间信息网络的建立。

4.1 资源多维化

空间信息网络中的卫星节点之间，卫星与各种航天器、地面终端之间的数据通信都是通过无线链路实现的。空间信息网络资源包括时、频、空资源，呈现多维化态势。时间敏感空间信息网络中的资源主要指无线资源中的信道资源，其管理的目的是呼叫准入控制和波束切换管理过程中对频率资源实时动态并按需分配，具体是由星上处理模块中的无线资源管理器集中式管理并同意分配信道资源。对于多媒体业务需采用流量控制技术，结合卫星链路特点进行分组调度，满足不同业务的QoS需求，实现对频率资源的最优使用[6-7]。尤其是当卫星采用多波束天线时，能够将卫星在地面的覆盖区划分成多个波束小区，并结合正交极化的重用原则及波束角度分离的频率重用原则在不同的波束覆盖范围内重用相同的频率，实现频率复用，无需提高带宽就可提高整个网络的容量。

由于空间信息网络中可以提供不同类型的宽带多媒体业务，但是卫星本身的资源是有限的，而且由于卫星的运动性就要求业务传输在其可视时间窗口内实行。考虑到有的业务对时延较敏感，且对时间准确度有较高的要求，即用户要求及时、准确地完成信息传输，因此要实现此类业务的QoS保证必须对空间信息网络资源进行有效的调度与管理。对于时间敏感空间信息网络资源的调度问题，需要考虑不同类型资源(时、频和空)的共享原则及时敏业务特点建立相关的多维时变资源模型。

4.2 资源虚拟化

空间信息网络资源的虚拟化目的是充分、灵活地利用时空频资源，提高其利用效率。时频资源处理主要是指从某个时间内的宽带信号中分离出子信道，或者将多个窄带子信道合成一个宽带信号，而空间资源主要指的是多波束的覆盖[8-9]。在空间信息网络资源的虚拟化过程中，需要考虑如何根据业务的需要灵活调整子信道的时频空尺度。时间尺度指帧长/突发长度，频域尺度指带宽，而空间尺度则指波束的覆盖情况。

在空间网络资源虚拟化过程中要充分考虑空间信息网络,尤其是卫星网络的组网方式。采用基于透明转发的多星组网，即天星地网方式，可以降低卫星技术难度，充分利用地面成熟的网络技术，但是需要全球部署信关站。而根据我国的实际情况，不具备在境外部署大型卫星接入站点的基础与实力，因此无法采用该方式进行卫星网络组网。近年来，随着星上处理技术的成熟，采用基于星上处理和星间链路组网方式成为可能。星间资源，包括链路资源的虚拟化也是需要研究的一个方向，虚拟拓扑及虚拟节点的研究能够有效屏蔽卫星网络的拓扑动态特性[3]。

在空间信息网络中，时间虚拟化策略[10]的基本思想[11-12]是，通过利用卫星网络运行的周期性及可预测性，将系统运行的周期划分为多个时间片段。通常星际链路连通或断开发生在离散的时间点，而在2个相邻的离散时间点组成的时间片内，卫星网络的拓扑结构可以视为固定不变的。而且当这个时间片足够小时，可以认为各链路的代价也是不变的。时间虚拟化策略对卫星系统周期的分割应采用不等长时间片划分的方法来适应星间链路切换时间间隔非等长的特点，以避免在时间片内存在过多的星间链路断开，不能很好地满足时敏业务的传输需求，保证其传输质量。

在空间信息网络中，对于多波束卫星通信系统而言，动态的子载波和功率资源分配方式是根据用户的信道增益信息，自适应地为每个波束内的用户分配资源，使得所有的信道资源可以被各个波束的用户使用，具有较高的信道利用率。由于无线信道具有时变特性，且通信业务呈现多样性特点，使得这种动态分配方式能更满足突发性时敏业务的传输需求。在多层多波束卫星通信系统中，可以将同轨道平面的多个卫星按照一定的原则进行虚拟化，能够进一步提高星上无线资源的利用率，且能更好地保证时敏业务的QoS。同时，由于卫星的姿态变化直接导致星载点波束天线的指向发生偏移，从而改变点波束的覆盖区域，降低通信质量。因此在空间信息网络卫星系统资源的虚拟化过程中，为了保证服务质量需考虑卫星姿态控制。

4.3 上下非对称信道共享

地面终端设备通过天线将相关的上行链路波束发射到卫星设备，而卫星设备经过简单处理后通过下行链路波束传送到相关的地面终端。但是空间信息网络存在上下行链路带宽不对称的特点，即卫星设备到地面终端的前向信道带宽要远大于地面终端到卫星设备的反向信道带宽。上下行不对称有可能造成反向信道带宽较窄，增加了延时，从而使前向信道可用带宽受到限制。

上下行非对称信道共享技术的提出是为了有效解决信道资源在时间和空间上利用的不均衡，提高信道资源利用率。在时间敏感空间信息网络中，在保证时敏业务对信道资源使用优先权的基础上，允许其他类型的业务与其共享信道资源，从而使信道资源得以充分利用。同时，需要注意的是由于业务接入模式的不同，空闲的频谱块出现的时间、中心频率及带宽等都不尽相同，加上其他类型业务的需求也各不相同，因此频谱共享需要考虑空闲频谱块的接入和使用规则，提高其使用效率，满足业务的不同需求。与信道共享并存的技术是信道切换技术，当时敏业务所占用的信道质量变差，只能放弃该信道时，为了保证其服务质量，需要切换到其他空闲信道继续传输。需要注意的是，在信道切换之前，需要先对其他的空闲频谱块进行评估，再选择当前最优的空闲频谱块进行切换操作。

5 结束语

随着空间信息网络的飞速发展，对时敏业务的服务质量保障已成为空间信息网络发展迫切需要解决的问题，时敏空间信息网络的建立势在必行。本文提出了建立时敏业务空间信息网络的技术发展架构，从业务、网络以及资源3个层面分析了时敏业务的系统需求，并对各层面技术的发展需求进行了总结与归纳。

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doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.03

Research on Key Technologies of Time Sensitive Space Information Network

YANG Hui,BAI Wei,ZHANG Jie

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

Space information network has become one of the hot topics researched in the field of aeronautics and astronautics.With the development of space information technology and the increase of space communication requirements,new services represented by time-sensitive traffic are emerging.For service demand of the time sensitive traffic,this paper first proposes a technical architecture for time sensitive space information network.Based on this architecture,its key technologies from three aspects including service,network and resource have been analyzed.Finally,the time sensitive space information network technologies and the future development prospects are summarized.

space information network;time-sensitive;multi-dimensional resource;non-symmetric link;service driven;time-varying network

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.02

杨 辉,白 巍,张 杰.时间敏感空间信息网络关键技术研究[J].无线电通信技术,2017,43(3):08-12.

[YANG Hui, BAI Wei, ZHANG Jie. Research on Key Technologies of Time Sensitive Space Information Network[J].Radio Communications Technology, 2017,43(3):08-12.]

2016-12-09

国家自然科学基金项目(61501049)

杨 辉(1987—)，男，讲师，硕士生导师，工学博士，主要研究方向：空间信息网络、光通信、光载无线网络、软件定义组网和网络安全等。白 巍(1988—)，男，博士生，主要研究方向：光载无线网络、接入网等。

TN913.6

A

1003-3114(2017)03-08-5