区块链技术下的全维抗毁卫星通信系统探讨

赵晓晶

（航天恒星科技有限公司，北京 100195）

0 引 言

随着卫星通信的广泛应用，积极探索区块链技术下的全方位抗破坏性卫星通信系统对未来的卫星发展有重要意义。与移动或固定地面通信技术相比，卫星通信的载体是人造地球卫星，在实际应用中有着庞大的系统。应用先进的区块链技术对卫星通信系统进行改造与优化，能够有效提高卫星通信系统的抗毁性，让通信系统更加可靠。

1 卫星通信系统的局限性

卫星通信系统的示意如图1所示。卫星通信是一种在微波频段上进行无线信息传输的方法，卫星通信系统由一颗卫星和对应的地面站构成，以统一的通信协议和频率资源为基础，不同的地面站将信息传输到卫星中进行传输工作，以实现信息交互。其中，卫星通信系统有以下几个方面的局限性：（1）无线传输，频率受限，系统数据传输率较低；（2）数据传输可靠性较差；（3）无线信道导致其受外界干扰较大，如频率越高的系统受降雨影响越大；（4）卫星轨道位置有限，无法不受限制地部署卫星数量；（5）距离远，需要足够大的增益，导致发射接收设备较大（天线）；（6）卫星通信一般使用在偏僻的地方，通信资费比一般通信资费高[1]。

图1 卫星通信系统

2 区块链技术

区块链技术在过去10年中的发展速度非常快，其数据组织的不变性框架以及区块链网络的数据规划和维护方法是区块链技术发展的主要驱动力。从数据组织方面来讲，区块链技术使用各种标准加密技术来加密具有伪用户身份和标签的资产交易进行有效链接，以证明资产所有权[2]。

区块链将交易定义为区块，组合加密连接到上一个交易目录以维护交易顺序。同时，通过开放网络区块链创造性地解决了重复交易的问题。与传统的一致性机制相比，区块链一致性机制可以确保大量不受信任节点之间全局账本数据状态的一致性，无需身份验证，只需较少的消息传输工作量。从这个意义上讲，区块链可以被视为网络的通用存储，将网络看做节点的分布式虚拟机。此外，区块链网络为在分布式应用中执行面向事务的指令提供了通用平台，如自由组织网络编排以及P2P资源事务。

区块链随着信息技术的快速优化发展逐渐趋于成熟，并投入了实际应用中，这是未来互联网发展的新趋势。目前，它主要用于金融和货币部门。在由中央银行主导的现代货币体系中，货币由国家中央银行发行和集中管理，在区块链的条件下，货币以数字形式存在于互联网上。与中央银行的网络节点存在明显的差异，所有节点都存储账簿以显示每个网络节点的实际货币状况，系统算法实现了外币的折算和调整。基于区块链的系统结构如图2所示，为“去中心化”架构，即系统中没有中心结，即使系统中的某些节点损坏，也可以继续正常工作。

图2 基于区块链的系统组成

3 抗毁卫星通信系统的必要性

20世纪40年代，美国首次在其军事信息技术中引入可靠性概念，这一概念的出现对人们产生了巨大的影响。人们对电子产品和能源系统质量的评估依据主要是基于其可靠性。在卫星通信中，单个卫星是一个包含各种科学信息和技术的复杂系统，集成了各种尖端科学技术，其可靠性受到多种因素的影响[3]。同时，随着人类社会的不断进步和经济的快速发展，对系统的可靠性要求越来越高，导致系统的发展越来越复杂，对可靠性的影响也在逐步提高。然而，在众多的可靠性威胁因素中，损伤抗力是最为重要的因素之一。一旦通信卫星遭到摧毁丧失通信功能，则可能危及国家安全，因此研究基于抗毁性的卫星通信系统具有重要意义。

4 区块链技术下的全维抗毁卫星通信系统

4.1 基于区块链的卫星通信系统理想构想

参照区块链技术框架，由卫星以及地面站作为系统节点，应用现代新型数据库替换掉传统资源数据库，使用通信协议取代智能合约，可以构建一个完整的卫星通信系统，大幅度提高系统的抗毁能力[4]。如果卫星或地面站损坏，卫星通信系统可以继续正常工作。基于区块链的卫星通信系统组成如图3所示。

图3 基于区块链的卫星通信系统组成

4.2 用区块链改造卫星通信系统

在完整的全维抗毁卫星通信系统中，没有设置中心站，因为每个系统节点都可以称为中心站，只有损毁系统中的所有节点，才能致使整个系统停止运行，即只要系统中存在一个可用节点，系统都能够实现正常运行。区块链技术框架在卫星通信系统中的应用主要有以下发展方向。第一，节点的大数据[5]。如果卫星或地面站部署系统需要操作和维护管理记录库、资源数据库以及通信协议才能正常工作，则必然会导致大量数据存储在所有卫星和地面站节点中。第二，系统去中心化。以去中心化为核心，即系统不需应用到控制中心就可正常运行。第三，智能信息传输。所有卫星和用户站构成一个综合系统，用户站智能地选择匹配卫星和频率资源，并根据其他站和服务类型智能地设置自己的参数。第四，智能故障处理。科学应用冗余系统资源以及节点大数据，制定系统应急预案，完善通信协议，实现系统和错误节点的智能处理。

4.3 卫星通信系统的抗毁性

目前，人类使用的网络拓扑结构通常比较复杂，而全联通网络结构紧凑，具有极强的抗毁性，这是经过多年实践得出的结果。即使单个节点损坏，网络应用程序也不会失去连接，能够保证正常的通信功能，同时网络中的不同节点可以实现任意连接。虽然它已被证明是最实用的，抗毁性也最高，但在实践中中的应用成本很高。目前，通过提高研究力度能够大幅度提高通信卫星的抗毁性。在整个全联通网络中，随意两个节点都可以进行多路径连接，完成正常的运行，这充分证明了在网络抗毁性构建的过程中充分利用网络路径应用的可行性。同时，将节点间最短路径有效地应用于抗毁模型的构建中。在确定全国联通网络最强抗毁能力的基础上，对上述结构差异进行量化分析，确定抗毁能力指数。众所周知，网络的邻接矩阵允许评估网络中不同节点的实际连接，从而确定网络节点的实际应用状况，因此可以使用邻接矩阵计算网络的抗毁性[6]。

5 卫星通信系统进行区块链改造

5.1 技术框架改造

（1）用于运行维护管理的数据库。基于当前的通信记录库，实现了同一级几点参数的变更记录数量，在运维管理记录库中能够记录所有相关系统的状态变更以及运行日志目标。（2）资源数据库。构建完善的系统运行资源数据，全面利用所有系统运行相关数据。（3）通信协议。对基本协议进行全面综合设计，避免了由于信道不足导致的系统阻塞、信道短缺等隐患。在通信设置之前、期间以及之后，细化和整理系统中两个或多个通信方之间的交互机制，制定合理的系统应急预案，以自适应通信场景，无需人工参与[7]。

5.2 卫星和地面站改造

在实现中心站功能的理念下，系统中的每个卫星或地面站都必须进行整体的结构框架改造，这导致后续将出现两个方面的问题。一方面，系统站小型化和便携性的发展趋势可以促进地面站发射功率、接收品质因数以及数据库存数量不能与中心站实际需求相匹配；另一方面，由于卫星节点的特殊宇宙空间位置，节点的存储容量和处理能力受到限制，不适合提供大数据和高速数据处理。

解决方案主要有数据分类和数据分层次部署两点。数据可分为系统类、卫星类以及地面站用户类3类。与系统类相比，卫星类减少了地面站的大部分数据，大幅度降低了对存储和处理能力的要求[8]。数据分层次部署是利用系统数据提供既有中心站、区域站、固定站、非移动运输站以及箱式站，所有通信卫星必须提供卫星数据，移动传输站、便携站、手持站必须提供地面站用户数据。

5.3 关键技术升级

根据卫星通信系统无人值守自动运行的要求，对关键技术进行改进，主要包括以下几个方面。

5.3.1 同步系统

（1）链路层的同步算法。现有的卫星通信系统主要包括时分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）两种多址方式，可以独立联网的单个系统不能使用多个访问方法。系统集成的第一步是建立不同接入方式的同步机制。（2）卫星同步机制。为地面站建立卫星-卫星协商机制，双方都不知道星标的状况下可以与同一颗卫星通信。（3）参数同步机制。建立通信参数自适应调整机制，如果站类型与接收参数不一致，则自适应的调整参数以实现通信连接[9]。

5.3.2 基本协议算法

（1）基本的操作和维护算法，系统的传输通道和应用通道从现有的单一传输通道和固定数量的应用通道切换到自适应机制。（2）通信连接算法，它根据卫星可利用资源、端到端站点和信息传输服务的类型定义频点、信道带宽等参数，参数整定方法可以通过提前规划和信息传输质量的强化学习来实现。（3）错误恢复算法，包括系统错误恢复和节点错误恢复，利用已有的规划方法和改进的差错恢复质量学习方法，实现了差错恢复算法。当系统广播信号因敌人攻击而消失时，其他节点可以立即发送广播信号，这是整个反破坏卫星通信系统的核心。

5.3.3 智能硬件改造

根据不同站点类型的数据交付类别计算数据存储和处理能力需求，并更新现有地面站。如果现有卫星不能满足转换条件，则需要对后续卫星进行改造，以逐步实现智能转换的目标[10]。

6 结 论

现代信息技术飞速发展，信息创新能力大幅度提升，卫星通信系统和技术得到了广泛应用，区块链本质上是一个分布式数据库，可以在没有第三方的情况下安全地更新其状态。将区块链技术引入卫星通信系统能够实现系统抗毁性能的大幅度提高，降低通信资源的分配和服务成本，支持多种分布式应用，实现卫星通信系统与区块链技术的高质量融合。