天地一体化信息网络中天基卫星网络架构设计

FENG Jianyuan;LI Jie;PANG Lixin;ZHOU Zhicheng

【摘 要】为了充分利用各种空间设施资源,提基信息网络覆盖与传输能力,分别从天基信息网络体系架构和逻辑功能架构角度进行了系统性设计.与以往天基网络的设计不同,该设计更注重各类卫星网络的深度融合应用,为此将网络虚拟化技术引入天基卫星网络.同时,还提出了解决新架构下卫星组网难题的方法,将电磁涡旋、卫星灵活载荷和边缘计算技术设计到天基网络.仿真表明,所提出的架构能有效提升频谱利用率和减少卫星网络信令开销. 【期刊名称】《电讯技术》 【年(卷),期】2019(059)007 【总页数】5页(P775-779)

【关键词】天地一体化信息网络;卫星网络;架构设计;虚拟化;卫星协同 【作 者】FENG Jianyuan;LI Jie;PANG Lixin;ZHOU Zhicheng 【作者单位】 【正文语种】中 文

【中图分类】TN915;TN927 1 引 言

天地一体化信息网络[1]通过融合天基卫星通信网络、空基飞行器通信网络、地基通信网络，实现天、空、地三网协同，达到全球覆盖、随处接入、按需服务、安全

可信全球网络连通的目标。

天地一体化信息网络包含三张网：第一张网是由各类卫星组成的天基信息网络，将空间中的通信、导航、遥感卫星组成一张协同网络作为空间信息基础设施；第二张网是由各类飞行器组成的空基通信网络，包括各类飞机、飞艇、热气球以及无人机等，空基网络多用于中继来沟通天基和地基网络；第三张网是由陆地通信网构成的地基网络，包括陆地蜂窝网和无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)等[2]。

这三张网中，天基网络和地基网络分别构成天、地的骨干网络，是天地一体化信息网络中重要组成部分，空基网络在天、地骨干网间起中继传输作用，是骨干网络的辅助部分。由于技术起步晚，我国天基网络设施建设还不够完善，通信容量缺口较大，覆盖范围仍需进一步加强。因此，推进天地一体化信息网络的重中之重是建设和完善天基网络[3]。 2 天基网络建设思路与方案 2.1 天基网络的组成

天地一体化信息网络中的天基网络是一个混合异构的卫星网络，简要概括其特点就是高、中、低轨卫星结合，通、导、遥卫星协同。

卫星按照距离地球高度分为中、低轨道卫星和高轨道卫星，不同卫星系统相互。天基信息网络则同时纳入各轨道卫星，形成一个高低轨道相配合的混合卫星网络，以解决以往单纯某一轨道卫星系统各自存在的不足。从天基通信角度看，高轨通信卫星主流采用地球静止轨道，其时延大，无法覆盖两极地区，通信容量有限[4]；中低轨通信卫星星座对地运动，其链路不够稳定，用户终端成本较高，网络组网成本高昂，且从实际运营来看，因低轨星座规模较大，而我国卫星频率、轨位等网络资料国际协调处于后发地位，卫星轨位和频率资源紧张[5]。然而，高低轨卫星优劣势具有很强互补性。高轨卫星广覆盖的特点能有效解决中低轨卫星星座通信不稳

定的问题，而数量繁多的中低轨通信卫星能够提供较大的通信容量。因此，打破两种通信卫星网络各自的体系，实现高中低轨卫星联合组网，是天基网络的趋势。 除了实现不同轨道高度上通信卫星的联合组网，还应将我国现有各类型卫星融合入天基网络中来，包括通信、导航和遥感卫星。通信卫星完成语音和数据传输，导航卫星负责定位服务，遥感卫星提供对地观测信息。导航卫星和遥感卫星虽然不是为通信而设计，但却是天基信息网络的重要组成部分，能够感知和获取地面环境信息，从而为天基通信网络资源的重构和分配提供依据[6]。 2.2 天基信息网络体系架构设计

新架构将天基网络分为天基骨干网(核心网)和天基接入网，如图1所示。 图1 天基信息网络体系架构

图1中，地球静止轨道卫星由于覆盖面积大、通信链路稳定可靠，作为天基网络的骨干核心网，用来联通网络中各个卫星节点。地球静止轨道卫星组成的天基骨干核心网除了承担骨干网数据传输(包括星间和星地)、保证通信稳定覆盖以外，还负责与地面交换控制天基网络各卫星节点的控制信令，用以调整和重配置天基网络，调配天基网络资源。

中低轨卫星距离地球较近，信号衰减较小，信道质量较好，同时由于卫星数量较多，所能提供的数据传输容量也大于地球静止轨道卫星，是作为天基接入网的理想选择，其作用类似陆地蜂窝基站，是用户接入网络的接入点[7]。

导航卫星、遥感卫星则组成了天基感知网，导航卫星提供用户终端所处的位置，用以调配地区通信资源和决策就近接入天基网的策略，同时基于用户的地理位置提供诸如轨迹监控、遇险救援、经营调度等服务；遥感卫星则对全球降雨、降雪等恶劣天气进行观测，用于天基网络资源的调度，将恶劣天气对卫星信号衰减的影响降到最低，还可以配合导航卫星提供全球指定位置图像观测信息，供天基网络分配资源到重点地区时参考。

为了实现多轨道卫星结合、通导遥卫星协同的设计，在天基网络中采用以下技术克服组网难题。

(1)天基骨干网星间链路采用电磁涡旋传输技术

电磁涡旋是利用不同轨道角动量来区分电磁波的复用技术[8]。轨道角动量是继频率、时间、幅度、相位、空间、极化方向之外新的可复用的维度。由于轨道角动量以本征值区分，而波束轨道角动量的本征值理论上有无穷多个，所以电磁涡旋相对于其他复用维度，突出优势是其复用潜力是无穷的。电磁涡旋传输对环境要求比较高，但太空中接近真空的环境给其传播提供了理想的条件。此外，虽然电磁涡旋传输对方向性要求高，但地球静止轨道卫星之间相对静止，满足其传播方向性强的要求。因此，电磁涡旋是天基骨干网络理想的星间链路传输技术。 (2)卫星采用灵活载荷设计

不同于传统通信卫星，天基信息网络要实现按需服务的目标，其星上载荷需要具有灵活性[9-10]，要灵活分配，具有可重构能力。灵活载荷技术让卫星具有调整各波束功率分配的能力，卫星波束功率大意味着波束的容量大。在卫星总发射功率一定条件下分配各波束功率对调节卫星通信资源非常重要。卫星灵活载荷设计能够使卫星在整个使用寿命中，可以根据用户的需求有针对性地服务目标群体，同时避免了卫星资源浪费，提升了卫星资源使用效率。 (3)天基网络边缘计算

天基网络采用天基骨干网和天基接入网组合设计，天基骨干网络会承载地球静止轨道卫星和部分低轨卫星星座网的数据传输任务，其数据传输压力将非常巨大，在传统的卫星网络设计下，天基骨干网会有较大阻塞甚至瘫痪的风险。本设计引入卫星网络边缘计算[11]应对该问题。

卫星网络的边缘计算是利用图1天基接入网中的低轨卫星作为天基网络的边缘节点，将不需要全局处理(主要是网络资源调配和网络切换)的信息计算和处理任务交

给卫星网络边缘节点，让数据不再需要上传入天基骨干网进行处理，从而大大减轻了天基骨干网的传输、计算压力，同时大大缩短了数据在卫星网络中的传输路径长度，降低了信息时延。

2.3 天基信息网络逻辑功能架构设计

天基网络融合了高中低不同轨道的卫星和通信、导航、遥感各种类型的卫星，如果不对网络逻辑架构重新设计，那么天基网络仅仅是多种卫星简单地放在一起，彼此网络仍然互相。为了真正实现多类型卫星融合组网，天基网络的各类型卫星资源需要打通网络物理接口、网络协议和网络管理的互联互通，使之成为有机统一的网络。要实现这个目标，天基网络的逻辑架构必须重新设计，支持关键的功能——网络重构功能[12]。

网络重构的核心是将卫星网络的实体进行功能抽取，屏蔽不同类型卫星网络的物理差别，形成一个虚拟统一的卫星网络资源池来进行各类型资源的无差别统一调度，从而实现整个卫星网络的虚拟化控制和高度融合[13]，其本质是由物理分离的网络向统一的逻辑功能网络转变。新的天基网络逻辑架构设计按照图2所示方案实施。 图2 天基信息网络逻辑架构图

天基信息网络逻辑架构划分为数据平面(包括天基骨干网、天基接入网)、认知平面、虚拟化控制平面三个逻辑功能平面。 (1)认知平面

认知平面由各类导航卫星、遥感卫星、卫星测控系统组成。卫星网络虚拟化控制需要实现对资源的灵活管控和共享，这需要获取卫星网络的状态信息[14]，包括数据业务类型、可用卫星节点和其位置、用户位置、无线空口资源、传播环境信息、用户业务QoS要求等。认知平面可以从天基骨干网和天基接入网获取网络状态信息，并将所获得的网络中业务服务和可分配的无线资源信息提供给虚拟控制平面，为控制平面划分网络切片、实现资源共享提供参考。另一方面，认知平面收集天基接入

网资源和位置的信息，根据业务特征相似度，将相似度高的卫星小区划分为簇，减少控制平面资源管理的复杂度。 (2)虚拟化控制平面

控制平面收到认知平面提供的卫星网络状态和卫星接入息后，根据可分配的资源和用户业务将网络资源切片。每个切片是卫星网络资源共享的单位，其构成可能是多种资源。用户分得网络资源切片，代表着可以使用切片中对应的卫星和无线资源。 (3)数据平面

数据平面包括了所有的天基接入网节点及其无线资源。在异构卫星网络中，它由高、中、低轨道卫星以及其对应的无线资源构成。数据平面承载了天基网络中数据的传输。在虚拟化控制的天基网络中，数据平面的资源，如频率、波束和卫星，被控制平面切片并分配给用户。

这三个平面协作实现了天基网络虚拟化。认知平面利用遥感、导航卫星和认知无线网络技术，对网络环境进行感知，将网络信息反馈给虚拟化控制平面。虚拟化控制平面采用集中加分布的方式管理网络，即根据认知平面反馈的网络信息，按照地理位置和业务特征相似度集中地将无线网络设施(如高中低各轨道卫星)划分为小区簇，而在每一个小区簇里，各种设施的无线资源抽象为一个资源池，再在簇内按照本簇业务特征对簇内资源池的资源进行切片划分，每一个资源切片中包含的无线资源则映射到数据平面对应的物理资源上，在数据平面中传输数据。

需要指出的是，对卫星资源分簇管控，能够在相似业务特征的簇内大大降低资源切片的复杂度，这使得大规模天基网络的资源灵活分配成为可能。此外，分簇的分布管理也利于无线虚拟化天基网络简化信令流程。 3 性能仿真与分析

新的天基卫星网络架构将物理实体网络转换成一个逻辑功能网络，是看待混合卫星

网络视角的革新。通过这种组网方式，可以真正屏蔽网络底层的物理差异，从网络高层实现逻辑与功能的融合。

新的网络架构带来一系列网络性能的提升。首先，融合遥感和导航卫星数据后，由于对通信环境认知的提升，通信卫星的资源利用效率大大提高，如图 3所示。 图3 卫星网络资源利用效率对比

仿真以网络获得固定认知信息量(在后文介绍)为实验条件，在一段时间内观察网络资源的利用效率。从图3中可以看出，采用新网络架构使频谱资源利用率翻倍。由于新架构下的卫星网络通过认知平面可以认知到各服务区域的用户通信需求，网络可以根据该结果利用卫星灵活载荷技术匹配网络的通信资源，在繁忙地区多分配，非繁忙地区少分配，从而提高资源利用率，减少资源浪费[15]。

用认知信息量来表示获得环境信息的多少。为了方便分析和度量，用归一化单位unit来度量认知信息量。图 4描述了获取认知信息量的多少与资源利用率的关系，可以看出，认知越多的信息，越了解网络环境和用户需求，从而合理配置卫星通信资源，提高资源利用率。但频谱效率随认知信息量上升的速度逐渐减慢，这说明频谱利用率和认知信息量符合边际效益递减率。由于认知更多环境信息意味更多的网络开销，这一规律告诉我们，新架构中认知平面并非认知得越多越好，在考虑网络开销的前提下需要合理掌握获取环境的信息量。 图4 认知平面认知信息量与频谱利用率的关系

除了卫星协同提升资源利用率，多种类卫星融合还表现在网间隔离减少、控制信令减少。图 5反映了采用新架构和未采用新架构的多类型卫星联合网络，网络服务移动用户所需的控制信令数目。仿真场景为高低轨通信卫星联合保障区域内10 000架飞机的通信需求。由于飞机飞行过程中不断穿过卫星不同波束覆盖区，因此波束间切换产生大量信令。新架构利用高轨卫星大区波束传输信令，保障用户不掉线，低轨卫星小区波束传数据，提供高速率传输，通过控制和业务分离的方式有

效减少了用户切换波束时产生的信令数目。 图5 卫星网络所需信令数对比 4 结束语

天地一体化信息网络是一项具有重大战略意义和使用价值的信息基础设施建设项目，作为天地一体化信息网络建设的重要一环，天基网络的设计与建设是项目的关键。本文分别从天基信息网络体系架构和逻辑功能架构角度进行了系统性设计。与以往天基网络的设计不同，本文的设计更注重各类卫星的深度融合应用，为此，将网络虚拟化技术引入天基卫星网络。同时，本文还提出了解决困扰天基卫星组网难题的技术方法，将电磁涡旋技术、卫星灵活载荷技术和边缘计算技术设计到天基网络。仿真实验表明，采用新架构能够有效提升卫星网络的资源利用效率，减少联合网络中控制信令条数，有效降低网络开销。

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