天地一体化网络中卫星通信港控制架构与路由技术研究

姜立军

（解放军93015部队，黑龙江 佳木斯 154000）

0 引 言

近年来，我国航天航空技术发展较为迅速，空间网络技术突显出极强的优势，天地一体化网络的重要程度也在不断的上升。天地一体化网络具有强大的信息支持能力，天空基地骨干网络的构建是其建设的重点。天地一体化网络的本质即是将具有全覆盖性质的卫星网络与具备小时延特性的地面通信网络进行有机的融合。换言之，天地一体化网络是以地面网络为基础，以空间网络为有效的拓展，其构成涉及天、陆、海等自然空间，为天空基地、空间基地、陆地面基地以及海洋基地等关联客户的各项活动提供精准的信息支持。天地一体化网络一般被应用于导航定位、航空运输以及应急救援等重大工作，可支持实时或大时延可靠传输等工作。天地一体化网络可细分为天空基地网络、空间网络与陆基网络三个类别，不同的网络依赖天地一体化网络的连接可有效实现关联相通。其中，天空基地网络以高空卫星为核心，与空间基地、陆地面基地网络的分层网络相比，可充分满足陆游迂回的需求[1]。而在陆基网络中，节点的部分需要采用网状结构形式进行连接，同时也可使用天空基地网络中的节点完成远程的中继任务，以此全面促进区域间覆盖性网络同骨干性交换网络的连接。

1 当前我国天地一体化网络发展情况

当前，我国致力于开展涉及同步轨道、中低轨道、平流层以及地面等多层次的全面信息网络系统的构建，并已取得显著成效。依照网络结构，可将天地一体化信息网络系统具体分为天星地网、天空基地网络与天网地网三个类别。其中，天星地网主要指在星上开展透明的转发活动，并在地面开展全球地面组网。地面信息港是天地网络信息交互枢纽，实现多源信息的统一存储、管理、融合、处理和共享，为各类用户提供对天地一体化网络信息资源的统一访问和综合应用，是国家一体化大数据服务体系的重要组成部分。天空基地网络则是指通过卫星进行空间组网，此时，天空基地网络系统可以脱离地面网络开展运行。天网地网涉及的内容则更为广泛，无论是空间还是地面都要进行系统的组网[2]，天空基地与地面基地两部分骨干网络各具优势，融合运用可以促进两网互补，加大优势。

鉴于天网地网的网络架构具备显著的优势，我国对网络基础设施的构建给予了足够的重视，预计在十年之内，即可建立起空间主干网络，同时实现主干网络与地面网络的融合，确保天网地网的网络架构实现天空、空中、陆地以及海洋等各部分网络的统一接入，做到只接入少部分的用户节点。在20年内，我国有望构建较为完备的天地一体化网络，实现子网络的融合运用。从而有效提升空间主干网络的接入能力和稳定性能，此外，也可实现接入子网数量及规模的拓展，增大可接入的用户范围，实现大范围的移动通信、空间信息等应用。

2 卫星通信港

天地一体化网络主要涉及地域网络与空域网络两个方面，可具体细分为高轨道卫星信息系统、中轨道卫星信息系统以及低轨道卫星信息系统三类。其中，高轨道卫星通信系统主要指由地球同步卫星组成的卫星通信系统，其缺陷在于运行时会产生较多的链路损耗，优势则在于可轻松实现与地球站的稳定持续通信。低轨道卫星在空间一体化网络中发挥着基础性的作用，可以充分实现信息的承载与传输，且传输时延和功耗较小，但其覆盖范围较为狭窄，且一旦出现卫星节点运动情况，通信链路极易发生移动切换，造成网络中断概率增大的问题。相较于低轨道卫星，中轨道卫星通信系统的覆盖率更大，传输时延也得到有效的延长。值得注意的是，高轨道卫星通信系统可与关口地球站进行持续稳定的通信连接，同时也可实现与低轨道在轨卫星的通信，只是在此过程中通信时延始终存在。

在当前天空基地骨架网络的建设完善过程中，高轨道型卫星通信系统使用的同步轨道通信卫星更具现代化意义，更能满足当前发展的需要。高轨道卫星通信系统凭借覆盖区域广阔、开设更为快速以及广播高效等优势，受到了较为全面的使用。针对当前同步轨道高轨卫星构建的中枢网络系统，若全面使用激光型电路交换系统，可构建出一个趋于稳定、持续高效的以天空基地为骨架的中枢网络系统，其余部分的分线网络与高速节点在接入组网络时，应当在核心网之间采用虚电路交换、分组交换或电路交换等形式进行。此外，同步轨道卫星的数量会受到外界因素的限制，且当前轨道资源有限，建设大量同步轨道的卫星几乎是不可能完成的，会导致卫星发挥的效果大大降低[3]。为使同轨道卫星发挥最大效能，需要建设同轨道卫星信息站。具体来说，即是在同一空间内的同一轨道位置或不同轨道位置之上布置数量较多的各类卫星，通过卫星之间的高速紧密连接，充分实现单个卫星难以实现的各项复杂功能。同时，当其中一个卫星出现事故时，可以快速完成自我修复，且当修复完成后，能够快速与总卫星群汇合。当前，在卫星通信港中一般采用两种方式完成通信。第一种是采用光束作为通信线路，这种有线线路相对较为稳定。在条件苛刻的情况下，也可以采用无线网络通信方式。在卫星通信港中，通常采用多个卫星在同一轨道连接组合的方法，一方面有效提升轨位置间卫星的运行和连接效率，另一方面也有效拓展卫星协调工作的具体能力，开辟全新的卫星通信平台。当前卫星通信平台具备如下性能：

（1）可靠性，即在卫星通信港中，网关功能时常会产生动态迁移，更能确保通信安全，提升通信能力；

（2）静态性，即在卫星通信港中，各同步轨道的位置分别固定，物理链路的基本状态不会发生过多变化；

（3）一体性，即卫星通信港通常利用网关通信实现内部运行，从而实现通信港内部的分工协作处理；

（4）局部性，即在卫星通信港中空间的通信距离普遍较短，且信息的作用范围受到限制；

（5）简单性，即卫星通信港的底层拓扑结构较为简单，卫星普遍通过网状结构实现互相连接。

分析当前卫星通信港天地一体化网络建设情况，可看出天地一体化网络是社会发展与时代进步的必然产物，但当前其仍然存在着一系列的问题，在未来的应用过程中仍然面临着许多挑战，需要相关工作人员不断完善关键技术。首先，卫星通信港属于天地一体化网络的核心骨干网络，可以充分实现天空、陆地、海域以及空中等自然空间网络节点的连接，确保连接用户数量的增多，从而实现不同用户的不同需求，另外，通过天地一体化网络进行传输的信息种类各不相同，这一系列的因素都会造成卫星通信港网络架构设计及其控制管理程序复杂性的提升；其次，卫星通信港中的天地一体化网络涉及到地面网络和其他空间网络与地面节点和其他空间节点之间的连接，在此网络中应用的路由器数应当采取路由策略与路由算法实现不同种类路由信息的转发，克服其他节点与卫星通信岗连接的技术性问题。

3 卫星通信港的控制架构设计

天地一体化网络的内部结构交错繁杂，且动态变化明显，为充分确保天地一体化网络运行的有序性，需从完善网络控制架构入手，不断提升天地一体化网络的效率和管理水平。在架构设计环节，应利用软件定义网络的关键技术思路，将软件定义网络与天地一体化网络相融合。软件定义网络属于现代化的网络架构类型，可通过分别开展网络控制平面与数据平面运营，充分实现天地一体化网络中的设备与资源虚拟化运营，并以此为基础编辑底层硬件，实现对网络系统内部资源的调配应用。具体来说，涉及如下步骤。

首先，应在卫星通信港内部的同步轨道卫星中匹配相应的集中式控制器，实现对天地一体化网络中地面子网与空间子网的集中控制，同时也可实现对卫星通信港内部构件的统一控制，并将各部分的控制器统一连接至一个控制中心，实现对网络多层空间的同步智能监管。

其次，即便卫星通信港的拓扑停止运行，当其他网络或节点接入卫星时，不同节点之间的信息传输性能也存在一定差异，且通信协议的复杂性也会有所增加。此外，卫星通信港网络具备一定的特殊性，会导致地面网络通常不能与卫星通信港直接连接，为此需要不断完善路由策略。

4 卫星通信港的路由策略分析

在天地一体化信息网络中，卫星通信港处于核心骨干地位，可使一些细小的空间子网联系在一起。分析卫星通信港的天地一体化路由策略，可看出相关人员不仅需要处理好空间子网与链路变化的关系，也必须充分考虑到卫星通信港内部各类资源的限制性，正是由于这种种因素的存在[4]，最终导致天地一体化网络的复杂性日益增高。路由策略可细分为确定性路由与随机性路由两种。其中，确定性路由是立足于卫星节点运动的周期性运行，需要大量的网络拓扑结构作为支撑，其最大的缺陷在于当出现故障或受到外界因素影响时，表现出的应对能力较弱。随机性路由则摒弃了卫星节点运动中的周期性特质，无需依赖拓扑知识

实现信息的存储及转发应用，从而确保每个网络节点都能够接收到相应的路由消息。通过将确定性路由与随机性路由融合应用，一方面可确保网络系统无需受到卫星节点拓扑变化的恶性影响，另一方面也可在一定程度上减少网络运行过程中的泛供开销。具体来说，应当以卫星的运行规律作为路由建立的根本依据，并通过卫星通信港实现对全网卫星节点连接的统一控制，同时应根据卫星节点的连接时序图构建相应的拓扑路由表，定期更新节点连接时序中的拓扑内容。

5 结 论

随着天地一体化信息网络的不断发展进步，卫星通信港应运而生。控制体系架构的出现有效提升天地一体化网络的组网效率，带动地面与空间子网部署的灵活运行。卫星通信港的运用更是实现了确定路由与随机路由的有机融合，一方面可以有效应对拓扑变化，另一方面也可以降低空地一体化网络的泛洪负载，在未来的发展过程中，应得到进一步的推广应用。