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摘 要：針對高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點，探索衛(wèi)星運控、網(wǎng)絡管控等功能的整合機制，提出基于統(tǒng)一管控平面的天地一體管控架構，包括系統(tǒng)組成、運行機制、技術體制等，并分析了該管控架構優(yōu)點及工程實現(xiàn)所面臨的困難。
關鍵詞: 高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡； 網(wǎng)絡管控架構；資源調度和協(xié)同應用
引 言
高低軌衛(wèi)星在覆蓋范圍、服務質量以及系統(tǒng)建設部署等方面具有各自的特點，不少典型的通信、導航等衛(wèi)星系統(tǒng)采用高低軌混合的星座結構實現(xiàn)全球服務，提供差異化、個性化的服務能力[1][2]。以高低軌混合星座的全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)為例，該類衛(wèi)星網(wǎng)絡具有時空跨度大、節(jié)點分布動態(tài)變化、異質異構節(jié)點組網(wǎng)、節(jié)點傳輸與處理資源有限等特點，不僅在擴展性、移動性、安全性等方面具有突出的問題，同時在網(wǎng)絡管理控制方面也面臨巨大挑戰(zhàn)：
一方面，需要管理的網(wǎng)絡設備和業(yè)務服務規(guī)模大幅增加，管理對象不僅包括天地網(wǎng)絡設施以及終端，還包括頻率、功率、帶寬以及地址、標識等資源；
另一方面，我國目前無法實現(xiàn)全球布站，單一依賴地基管理系統(tǒng)難以滿足網(wǎng)絡精細化、實時性的管控需求。
綜上所述，構建天地一體的管控系統(tǒng)是衛(wèi)星網(wǎng)絡實現(xiàn)全球服務、高效運行的重要保障。
1.高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡管控面臨的挑戰(zhàn)
圖1給出了一種應用于全球通信服務的典型衛(wèi)星網(wǎng)絡組成示意[1]。該衛(wèi)星網(wǎng)絡由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)和地基節(jié)點網(wǎng)組成，其中天基骨干網(wǎng)由布設在地球同步軌道的節(jié)點組成，節(jié)點之間通過高速的激光星間鏈路互聯(lián)互通，形成覆蓋全球的天基信息高速公路；天基接入網(wǎng)由布設在低軌的節(jié)點組成，為各類用戶提供寬帶接入、移動通信等服務；地基節(jié)點網(wǎng)主要由多個地基節(jié)點互聯(lián)而成，支持空間數(shù)據(jù)落地、信息應用服務、地面網(wǎng)絡互聯(lián)等功能。相比傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，該衛(wèi)星網(wǎng)絡具有體系結構復雜、拓撲動態(tài)變化等特點，從而使得網(wǎng)絡的管理需求復雜且實現(xiàn)難度高，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
（1）管控對象復雜多樣
網(wǎng)絡管控對象涉及高軌、低軌以及地基等各類節(jié)點，通過組網(wǎng)使得各節(jié)點互聯(lián)形成“一張網(wǎng)”，節(jié)點數(shù)量眾多且功能各異，網(wǎng)絡服務彈性可變導致節(jié)點載荷功能復雜，不僅要實現(xiàn)天地網(wǎng)絡設備狀態(tài)及參數(shù)管控外，還要實現(xiàn)頻率、功率、帶寬以及地址、標識等網(wǎng)絡“軟”資源的管控，管控信息急劇增加。
（2）網(wǎng)絡資源精細化、實時性調度要求高
網(wǎng)絡提供面向用戶的隨遇接入、按需服務的保障能力，對網(wǎng)絡資源精細化、實時性調度要求較高。一方面通過全球布站的方式提高網(wǎng)絡管控能力需實現(xiàn)較為復雜的協(xié)調，而另一方面星上處理能力有限以及網(wǎng)絡安全性要求也制約著網(wǎng)絡功能從地面向天基的遷移，因此在網(wǎng)絡工程建設及實際運行中，如何優(yōu)化星地功能分配，發(fā)揮網(wǎng)絡星地協(xié)同、多星協(xié)同的優(yōu)勢，是高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡管控系統(tǒng)設計的主要難點。
圖1 天地一體化網(wǎng)絡系統(tǒng)架構
（3）面向應用驅動的管控需求：
面向全球服務的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡由傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)向公共網(wǎng)絡基礎設施發(fā)展，需為不同的民商用戶提供不同等級的網(wǎng)絡服務，將同時承載各類差異化的用戶業(yè)務，如話音通信、寬帶接入、數(shù)據(jù)中繼以及天基物聯(lián)等，各類業(yè)務對服務質量及網(wǎng)絡資源要求各異。因此傳統(tǒng)面向網(wǎng)元的管理模式難以為多并發(fā)用戶應用提供高效高質量網(wǎng)絡服務，需結合網(wǎng)絡特點提出面向應用驅動的天地一體網(wǎng)絡管控架構，實現(xiàn)網(wǎng)絡靈活控制以及用戶服務快速響應。
2 天基信息網(wǎng)絡管控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著天基信息網(wǎng)絡快速發(fā)展，網(wǎng)絡管控系統(tǒng)的研究也持續(xù)深入。美軍提出的以天、地骨干網(wǎng)絡為核心的“三層多域”的全球信息柵格（GIG）設計并構建了面向陸、海、空、天網(wǎng)絡一體化管理的四級體系。海事衛(wèi)星的管控系統(tǒng)主要分為兩級，一級為倫敦的網(wǎng)絡操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC負責海事衛(wèi)星的平臺和載荷管理，以及地面站的頻率分配，對全網(wǎng)的資源進行統(tǒng)一的維護調度[3][4]；二級由各地面關口站組成，負責對應衛(wèi)星的通信管理、運行維護和業(yè)務支撐。
OneWeb系統(tǒng)的管控主要由衛(wèi)星控制中心（主備雙中心）、網(wǎng)絡運行控制中心（主備雙中心），以及遍布全球的五十余個信關站來完成[5]，其中，衛(wèi)星控制中心主要負責衛(wèi)星飛行動力、任務規(guī)劃、地面站控制等，網(wǎng)絡控制中心主要負責通信網(wǎng)絡資源統(tǒng)一管理與動態(tài)調配，信關站是網(wǎng)絡用戶接入地面網(wǎng)絡的互聯(lián)關口。
國內也積極加強衛(wèi)星通信系統(tǒng)管控系統(tǒng)建設，其架構經歷了由設備監(jiān)控、通信網(wǎng)絡管理、星地一體化管控的歷程，初步形成三級分布式的管理構架，并建設了一批具備自主可控能力的管控系統(tǒng)[6][7]。天基網(wǎng)絡管控系統(tǒng)的建設趨于集約化發(fā)展，技術也趨于自主化、智能化發(fā)展，提高系統(tǒng)的管控效率，針對多樣化網(wǎng)絡業(yè)務和用戶應用的自動化管控能力增強。
隨著星上處理能力的增強，衛(wèi)星載荷也能實現(xiàn)部分控制功能。J.Bao在論文中提出集中式的管控架構OpenSAN[8][9]，將數(shù)據(jù)層（衛(wèi)星設備）和控制層（控制衛(wèi)星）分離開，將控制層部署于地球同步軌道衛(wèi)星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO對網(wǎng)絡中的衛(wèi)星進行管控，從而無法全球建站的情況下實現(xiàn)衛(wèi)星的全程管控，如圖2所示。這種將控制與轉發(fā)分離的思想應用于空間網(wǎng)絡的設計被稱為軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡[10]，以解決傳統(tǒng)空間網(wǎng)絡連接和重配置的時延較大，數(shù)據(jù)傳輸不靈活的問題。
圖2 傳統(tǒng)管控架構與集中式管控架構對比
綜上所述，在衛(wèi)星網(wǎng)絡中分離數(shù)據(jù)轉發(fā)、管理控制功能[11][12][13]，建立管控平面，由專有設備來部署控制策略，實現(xiàn)復雜衛(wèi)星網(wǎng)絡的管理控制、運行維護、運營服務等能力，體現(xiàn)了天基網(wǎng)絡管控系統(tǒng)當前發(fā)展的重要趨勢。
3 基于統(tǒng)一管控平面的管控架構設計
借鑒地面網(wǎng)絡管控架構，參考軟件定義衛(wèi)星，本文提出了一種高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡管控架構。該架構采用統(tǒng)一的管控平面，將高、低軌衛(wèi)星和地面站均作為網(wǎng)絡節(jié)點進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各類型衛(wèi)星平臺、載荷以及網(wǎng)絡資源的統(tǒng)一、集中控制，如圖3所示。
該管控架構將網(wǎng)絡從功能層面分為數(shù)據(jù)平面、控制平面和管理平面：
圖3 高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡管控架構
管理平面和控制平面共同構成網(wǎng)絡的管控平面，整合衛(wèi)星測控、運控、網(wǎng)管及網(wǎng)控等功能，實現(xiàn)衛(wèi)星控制功能統(tǒng)一化、網(wǎng)絡管理功能集中化。其中管理平面根據(jù)網(wǎng)絡規(guī)劃和資源調度對衛(wèi)星節(jié)點和地基節(jié)點中的網(wǎng)絡資源（接入資源和路由轉發(fā)資源）進行預分配和動態(tài)調整，并將與業(yè)務處理密切相關的無線資源分配、移動性管理、轉發(fā)控制等控制功能直接部署于控制平面。管理平面和控制平面協(xié)同工作，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源細粒度的實時分配，確保網(wǎng)絡可靠、高效的運行，如圖4所示。
圖4 網(wǎng)絡管控功能運行模式
管控平面的信息交互依賴于管控通道。傳統(tǒng)衛(wèi)星網(wǎng)絡的管控通道由測控通道或者業(yè)務通道組成，采用相應的測控協(xié)議或者網(wǎng)管協(xié)議。該管控架構設計統(tǒng)一管控通道，即由中心及代理構成的網(wǎng)管網(wǎng)，由代理統(tǒng)一采集衛(wèi)星運控、測控、網(wǎng)絡信息，匯聚后經管控通道傳輸至中心。中心與代理之間采用基于統(tǒng)一的管控協(xié)議，主要包括通信模型、信息模型，其中通信模型定義中心與代理之間的數(shù)據(jù)交互流程和通信原語，降低協(xié)議報文開銷并滿足不斷演進的管控功能需求；信息模型，定義被管信息的統(tǒng)一描述語言，統(tǒng)一定義網(wǎng)絡和設備的管控信息庫，實現(xiàn)天地管控數(shù)據(jù)的統(tǒng)一描述和適配。
管控平面的物理部署于地基節(jié)點和衛(wèi)星節(jié)點上，部署于地基節(jié)點的管理系統(tǒng)實現(xiàn)全網(wǎng)的統(tǒng)籌管理和各控制系統(tǒng)之間的協(xié)同工作，提高資源利用率、避免指令沖突。部署于衛(wèi)星節(jié)點和地基節(jié)點的控制系統(tǒng)受控于管理系統(tǒng)，負責網(wǎng)絡的實時控制，通過星上處理減少天地之間控制信息的交互，提高網(wǎng)絡控制響應的時效性及星地、星間協(xié)同能力。星地管控系統(tǒng)協(xié)同配合，地面管控系統(tǒng)和天基骨干節(jié)點共同實現(xiàn)管控信息網(wǎng)絡化采集、網(wǎng)絡化存儲及管控功能網(wǎng)絡化部署，為衛(wèi)星網(wǎng)絡的管控系統(tǒng)“云化”提供支撐，如圖5所示。
圖5 管控平面部署示意
4 實現(xiàn)困難
該管控架構可有效解決衛(wèi)星網(wǎng)絡各類節(jié)點的異質異構性和資源動態(tài)性帶來的管理挑戰(zhàn)，便于復雜的管理策略部署及靈活調整，滿足細粒度的管理需求，也有利于新技術的應用和升級。但是，該管控架構在技術實現(xiàn)上還面臨著許多亟待解決的問題，主要包括以下幾個方面：
（1） 管控平面的安全性
統(tǒng)一管控平面將衛(wèi)星控制和網(wǎng)絡管理統(tǒng)一整合，管控平面將獲取并存儲全網(wǎng)信息，控制網(wǎng)絡行為，管理網(wǎng)絡狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡架構，集中化的管控平面將成為網(wǎng)絡的薄弱環(huán)節(jié)，降低網(wǎng)絡管理控制的安全性和魯棒性。
（2） 管控邏輯的一致性
統(tǒng)一管控平面的架構雖然將管控功能集中化處理，但本質上還是分布式和異步操作的。針對衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲及傳輸路徑動態(tài)變化等特點，網(wǎng)絡化的管控對管控信息傳輸?shù)臅r序控制以及網(wǎng)絡節(jié)點時間同步提出了更高要求。
（3） 管控平面的可實現(xiàn)性
本架構提出的管控平面將一部分功能部署在衛(wèi)星節(jié)點上，統(tǒng)一管控信息的采集、處理及網(wǎng)絡化傳輸，提升網(wǎng)絡管控的時效性及被管節(jié)點管控接口的標準化水平，但需要衛(wèi)星節(jié)點提供較強的計算、存儲資源，并保證具備與傳統(tǒng)衛(wèi)星管控（如星務計算機、測控應答機等）相當?shù)母呖煽俊㈤L壽命要求。
結 語
天基信息網(wǎng)絡正處在高速發(fā)展的階段，可靠有效的管控手段是網(wǎng)絡高效運行的前提。采用統(tǒng)一管控平面的管控架構是未來天基網(wǎng)絡管理的解決思路，日益增強的星上處理能力以及地面先進網(wǎng)絡技術也為該架構的實現(xiàn)提供了可能，如云架構、邊緣計算、高可靠低時延網(wǎng)絡以及微系統(tǒng)等技術，通過強大的信息處理能力整合各類網(wǎng)絡資源，高質量的網(wǎng)絡傳輸保證網(wǎng)絡的及時響應。但針對衛(wèi)星網(wǎng)絡的特殊性，在安全性、一致性及空間可實現(xiàn)性方面也提出了較高要求，包括各管控系統(tǒng)的安全防護、各系統(tǒng)之間的高效協(xié)同問題都亟待解決。因此基于該架構的衛(wèi)星網(wǎng)絡管控能力實現(xiàn)將是逐步推進、持續(xù)演進的。
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