天地一体化信息网络天基宽带骨干互联系统初步考虑

总结如下：天星地网架构技术比较成熟，是目前全球一些国家系统建设的主流选择，获得应用广泛，但受中国国情限制，在全球布站有现实的困难，所以难以采用这种架构；天基网络架构在安全性、抗毁性和独立性等方面有优势，但因为要考虑脱离地面独立运行，加重了对星上处理和星间信息传输能力的要求，导致技术复杂，系统的建设和维护成本高，商业上难以成功；天网地网架构通过天地两张网络的配合，充分利用天基网络的广域覆盖能力和地面丰富的传输和处理能力，大大降低了整个系统的技术复杂度和成本。

综合考虑之后，我们认为天网地网是比较适合中国国情的天地一体化信息网络的网络结构。在该天网地网架构中，空间网络既可作为独立系统存在，直接面向用户提供服务保障，又可以作为地面网络的补充和增强，以弥补地面网络在覆盖范围、抗毁应急保障以及机动保障能力上的不足。

2 天基宽带骨干互联系统设想

2.1 系统架构

在天地一体化信息网络中，天基宽带骨干互联系统起到了核心的作用，具备宽带接入、骨干互连和中继传输等功能，分为空间段、地面段和用户端3部分，如图3所示。

天基宽带骨干互联系统需要保持稳定可靠，所以其空间段一般由比较稳定的同步轨道卫星组成，通过星间和星地高速链路提供高速骨干传输通道[12]。同步轨道（GEO）卫星距离地面约36 000 km，轨道周期与地球自转周期恰好相同，所以与地面保持相对静止，并且覆盖范围广，是实现空间骨干网络的理想选择。如图3所示，其空间段部分涵盖了天基骨干网和部分天基接入网的设施。

地面段是为了支撑系统运行所必要的一些基础设施，主要包括网络运行中心（NCC）、卫星运行中心（SCC）、地面信关站（GW）等。同时，为了提高整个系统的可靠性，通过地面光纤网络将各类地面设施连接起来构成地基节点网，与空间段的天基骨干网构成天地双骨干架构。

用户段是天基宽带骨干互联系统服务的对象，按照所处位置可以分为天基、空基、海基、路基等，按照服务类型又可分为骨干互连、中继传输、宽带接入等。骨干互连的主要功能是为大型网络节点间提供干线传输服务，服务对象包括地面关口站和大型的网络汇聚节点等；中继传输的主要功能是提供数据中继服务，服务对象是动态性比较强的航天器或航空器；宽带接入的主要功能是为广域范围内的重点用户提供宽带信息服务，服务对象主要包括飞机、高铁、船舶等。

2.2 传输体制

天基宽带骨干互联系统涉及到多种传输链路，包括天基骨干节点之间的骨干链路、天基骨干节点与地基骨干节点之间的骨干链路、天基骨干节点与用户间的星地宽带通信链路、天基骨干节点与低轨星座的星间互联链路等，各种链路传输体制需要针对其空间距离、信道特征、传输容量等链路特性及平台能力等因素综合考虑设计。天基宽带骨干互联系统传输体制如图4所示。

（1）天基骨干互联链路

天基骨干节点间距离在29 000～68 000 km内变化，链路空间距离跨度大，带来的空间链路损耗也较大，因此可以考虑采用激光链路，最高传输速率不低于5 Gbit/s。

（2）天地骨干互联链路

天基骨干节点与地基骨干节点间的距离在36 000～42 000 km内变化，传输距离大，并且受大气影响，因此可以考虑采用激光/微波混合传输的体制：在大气环境良好时采用激光传输，当大气环境不适于激光传输时改用微波传输，激光传输的速率不低于5 Gbit/s，微波传输的速率不低于622 Mbit/s。

（3）星地宽带通信链路

星地链路空间的距离一般在会40 000 km左右，自由空间损耗大；另外大气层对激光链路影响较大，星地宽带通信链路主要采用Ka、Ku微波链路，根据天线及卫星平台承载能力，星地链路考虑配置多点波束和相控阵跳变点波束。

（4）天基骨干节点与低轨星座的星间互联链路

天基骨干节点与低轨星座的链路主要实现高速的网络互连，传输容量要求高，考虑以激光链路为主，星间最高传输速率不低于5 Gbit/s。

2.3 交换体制

从目前中国的外星上交换方式技术发展来看，目前天基宽带骨干互联系统可以参考借鉴的技术实现方式主要有以下两种：分组交换和电路交换。

（1）分组交换

分组交换主要是指基于IP的数据包存储转发方式，需要星上具备较强的处理能力。分组交换具有较好的业务接入能力，对网络拓扑结构变化的适应能力强、带宽资源动态复用/利用率高等优点。对于多波束多端口的复杂交换要求而言，因采用数字技术而复杂度大大降低。与电路交换方式相比，其系统资源利用率更高，信息交换的灵活性提高系统上下行链路可以采用不同的技术体制，有助于对系统进行优化设计，改善系统整体性能。另外星上再生处理避免了上行链路的干扰和噪声累积，可以改善系统误码性能。

（2）电路交换

电路交换主要是指星上透明转发方式，包括微波的信道和子带交换、激光的波长交换等。相比分组交换，电路交换具有交换容量大、格式透明、处理简单、功耗低等优势。随着未来空间激光通信技术的逐渐成熟[13-15]，天基骨干网的传输速率将达到10 Gbit/s，交换容量将可以达到100 Gbit/s量级，光交换技术将是实现大容量交换的理想选择。

从不同交换体制特点来看，单一交换方式难以满足多样化应用的需求，因此可以考虑采用一种折中的方案，在星上同时可以支持两种交换方式共存。

·光交换主要支持骨干节点之间的互连以及大容量节点（比如高分卫星）的接入，实现高速骨干互联和中继传输功能；

·分组交换方式主要支持对星间有通信需求的宽带用户，采用与地面网络兼容的路由协议，实现天地一体的路由组网。

3 结束语

天地一体化信息网络目前正处于技术研究向工程建设的关键时期，天基宽带骨干互联系统作为其核心，承担着构建中国空间信息基础设施的重任。文章中，我们在总结其他一些国家天地一体化网络系统发展经验的基础上，基于中国国情提出了天地一体化信息网络天基宽带骨干互联系统的初步设想，并从体系架构、传输体制、交换体制等方面展开了重点论述，为后续实际系统的建设提供技术支撑和参考。

参考文献

[1] 中国互联网络信息中心. 第37次中国互联网络发展状况统计报告[R]. 北京： CNNIC， 2016

[2] 张庆伟. 发展中的中国航天[J]. 中国航天， 2007 （8）： 3-10

[3] 国务院新闻办公室. 白皮书： 2011年中国的航天[J]. 中国航天，2012 （1）： 6-13

[4] Union of Concerned Scientists. UCS Satellite Database [EB/OL]. [2016-01-01]. http：//www.ucsusa.org/nuclear_weapons_and_global_security/solutions/space-weapons/ucs-satellite-database.html

[5] FLORIO M A， FISHER S J， MITTAL S， et al. Internet Routing in Space： Prospects and Challenges of the IRIS JCTD [C]// in Proceeding of IEEE Military Communications Conference， USA： IEEE， 2007： 1-6. DOI： 10.1109/MILCOM.2007.4455284

[6] PULLIAM J， ZAMBRE Y， KARMARKAR A， et al. TSAT Network Architecture[C]// in Proceeding of IEEE Military Communications Conference （MILCOM 2008）， USA： IEEE， 2008：1-7. DOI： 10.1109/MILCOM.2008.4753508

[7] JOHNSON J D， CONNARY J A， THOMPSON J， et al. Internet Routing in Space NMS Architecture[C]// in Proceeding of IEEE Aerospace Conference， USA： IEEE， 2009：1-11

[8] ENRIQUE G， CUEVAS H A， ESIEY B H， et al. Assessment of the Internet Protocol Routing in Space—Joint Capability Technology Demonstration [J]. Johns Hopkins APL Technical Digest， 2011， 30（2）： 89-102

[9] 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（10）： 19-30

[10] 中国计算机协会. CCF 2014—2015中国计算机科学技术发展报告[M]. 北京： 机械工业出版社， 2015

[11] 张乃通， 赵康， 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

[12] 张平， 秦智超， 陆洲. 面向空间信息传输的骨干网络容量模型 [J]. 中国电子科学研究院学报， 2016， 11（1）： 67-72

[13] VINCENT W S. Free-Space Optical Communications [J]. Journal of Lightwave Technology， 2006， 24（12）： 4750-4762

[14] HOPMAN P， BOETTCHER P W， CANDELL L M， et al. An End-to-End Demonstration of a Receiver Array Based Free-Space Photon Counting Communications Link[C]// in Proceeding of SPIE 6304， Free-Space Laser Communications VI， IEEE： USA， 2006： 1-13. doi：10.1117/12.682845

[15] SEEL S， KAMPFNER H， HEINE F， et al. Space-to-Ground Bidirectional Optical Communications Link at 5.6 Gbps and EDRS Connectivity Outlook[C]// in Proceeding of IEEE Aerospace Conference ， USA： IEEE， 2011：5-12

推荐访问:互联 信息网络 骨干 天地 天基