摘 要：針對(duì)高低軌混合衛星網絡的特點，探索衛星運控、網絡管控等功能(néng)的整合機制，提出基于統一管控平面(miàn)的天地一體管控架構，包括系統組成(chéng)、運行機制、技術體制等，并分析了該管控架構優點及工程實現所面(miàn)臨的困難。

　　關鍵詞: 高低軌混合衛星網絡； 網絡管控架構；資源調度和協同應用

　　

引 言

　　高低軌衛星在覆蓋範圍、服務質量以及系統建設部署等方面(miàn)具有各自的特點，不少典型的通信、導航等衛星系統采用高低軌混合的星座結構實現全球服務，提供差異化、個性化的服務能(néng)力[1][2]。以高低軌混合星座的全球衛星通信系統爲例，該類衛星網絡具有時(shí)空跨度大、節點分布動态變化、異質異構節點組網、節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(miàn)具有突出的問題，同時(shí)在網絡管理控制方面(miàn)也面(miàn)臨巨大挑戰：

• 　　一方面(miàn)，需要管理的網絡設備和業務服務規模大幅增加，管理對(duì)象不僅包括天地網絡設施以及終端，還(hái)包括頻率、功率、帶寬以及地址、标識等資源；

• 　　另一方面(miàn)，我國(guó)目前無法實現全球布站，單一依賴地基管理系統難以滿足網絡精細化、實時(shí)性的管控需求。

　　綜上所述，構建天地一體的管控系統是衛星網絡實現全球服務、高效運行的重要保障。

　　1.高低軌混合衛星網絡管控面(miàn)臨的挑戰

　　圖1給出了一種(zhǒng)應用于全球通信服務的典型衛星網絡組成(chéng)示意[1]。該衛星網絡由天基骨幹網、天基接入網和地基節點網組成(chéng)，其中天基骨幹網由布設在地球同步軌道(dào)的節點組成(chéng)，節點之間通過(guò)高速的激光星間鏈路互聯互通，形成(chéng)覆蓋全球的天基信息高速公路；天基接入網由布設在低軌的節點組成(chéng)，爲各類用戶提供寬帶接入、移動通信等服務；地基節點網主要由多個地基節點互聯而成(chéng)，支持空間數據落地、信息應用服務、地面(miàn)網絡互聯等功能(néng)。相比傳統的衛星通信系統，該衛星網絡具有體系結構複雜、拓撲動态變化等特點，從而使得網絡的管理需求複雜且實現難度高，主要體現在以下幾個方面(miàn)：

（1）管控對(duì)象複雜多樣(yàng)

　　網絡管控對(duì)象涉及高軌、低軌以及地基等各類節點，通過(guò)組網使得各節點互聯形成(chéng)“一張網”，節點數量衆多且功能(néng)各異，網絡服務彈性可變導緻節點載荷功能(néng)複雜，不僅要實現天地網絡設備狀态及參數管控外，還(hái)要實現頻率、功率、帶寬以及地址、标識等網絡“軟”資源的管控，管控信息急劇增加。

（2）網絡資源精細化、實時(shí)性調度要求高

　　網絡提供面(miàn)向(xiàng)用戶的随遇接入、按需服務的保障能(néng)力，對(duì)網絡資源精細化、實時(shí)性調度要求較高。一方面(miàn)通過(guò)全球布站的方式提高網絡管控能(néng)力需實現較爲複雜的協調，而另一方面(miàn)星上處理能(néng)力有限以及網絡安全性要求也制約著(zhe)網絡功能(néng)從地面(miàn)向(xiàng)天基的遷移，因此在網絡工程建設及實際運行中，如何優化星地功能(néng)分配，發(fā)揮網絡星地協同、多星協同的優勢，是高低軌混合衛星網絡管控系統設計的主要難點。

圖1 天地一體化網絡系統架構

（3）面(miàn)向(xiàng)應用驅動的管控需求：

　　面(miàn)向(xiàng)全球服務的衛星通信網絡由傳統的專用系統向(xiàng)公共網絡基礎設施發(fā)展，需爲不同的民商用戶提供不同等級的網絡服務，將(jiāng)同時(shí)承載各類差異化的用戶業務，如話音通信、寬帶接入、數據中繼以及天基物聯等，各類業務對(duì)服務質量及網絡資源要求各異。因此傳統面(miàn)向(xiàng)網元的管理模式難以爲多并發(fā)用戶應用提供高效高質量網絡服務，需結合網絡特點提出面(miàn)向(xiàng)應用驅動的天地一體網絡管控架構，實現網絡靈活控制以及用戶服務快速響應。

　　2 天基信息網絡管控系統發(fā)展現狀

　　随著(zhe)天基信息網絡快速發(fā)展，網絡管控系統的研究也持續深入。美軍提出的以天、地骨幹網絡爲核心的“三層多域”的全球信息栅格（GIG）設計并構建了面(miàn)向(xiàng)陸、海、空、天網絡一體化管理的四級體系。海事(shì)衛星的管控系統主要分爲兩(liǎng)級，一級爲倫敦的網絡操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC負責海事(shì)衛星的平台和載荷管理，以及地面(miàn)站的頻率分配，對(duì)全網的資源進(jìn)行統一的維護調度[3][4]；二級由各地面(miàn)關口站組成(chéng)，負責對(duì)應衛星的通信管理、運行維護和業務支撐。

　　OneWeb系統的管控主要由衛星控制中心（主備雙中心）、網絡運行控制中心（主備雙中心），以及遍布全球的五十餘個信關站來完成(chéng)[5]，其中，衛星控制中心主要負責衛星飛行動力、任務規劃、地面(miàn)站控制等，網絡控制中心主要負責通信網絡資源統一管理與動态調配，信關站是網絡用戶接入地面(miàn)網絡的互聯關口。

　　國(guó)内也積極加強衛星通信系統管控系統建設，其架構經(jīng)曆了由設備監控、通信網絡管理、星地一體化管控的曆程，初步形成(chéng)三級分布式的管理構架，并建設了一批具備自主可控能(néng)力的管控系統[6][7]。天基網絡管控系統的建設趨于集約化發(fā)展，技術也趨于自主化、智能(néng)化發(fā)展，提高系統的管控效率，針對(duì)多樣(yàng)化網絡業務和用戶應用的自動化管控能(néng)力增強。

　　随著(zhe)星上處理能(néng)力的增強，衛星載荷也能(néng)實現部分控制功能(néng)。J.Bao在論文中提出集中式的管控架構OpenSAN[8][9]，將(jiāng)數據層（衛星設備）和控制層（控制衛星）分離開(kāi)，將(jiāng)控制層部署于地球同步軌道(dào)衛星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO對(duì)網絡中的衛星進(jìn)行管控，從而無法全球建站的情況下實現衛星的全程管控，如圖2所示。這(zhè)種(zhǒng)將(jiāng)控制與轉發(fā)分離的思想應用于空間網絡的設計被(bèi)稱爲軟件定義衛星網絡[10]，以解決傳統空間網絡連接和重配置的時(shí)延較大，數據傳輸不靈活的問題。

　　

圖2 傳統管控架構與集中式管控架構對(duì)比

　　綜上所述，在衛星網絡中分離數據轉發(fā)、管理控制功能(néng)[11][12][13]，建立管控平面(miàn)，由專有設備來部署控制策略，實現複雜衛星網絡的管理控制、運行維護、運營服務等能(néng)力，體現了天基網絡管控系統當前發(fā)展的重要趨勢。

　　3 基于統一管控平面(miàn)的管控架構設計

　　借鑒地面(miàn)網絡管控架構，參考軟件定義衛星，本文提出了一種(zhǒng)高低軌混合衛星網絡管控架構。該架構采用統一的管控平面(miàn)，將(jiāng)高、低軌衛星和地面(miàn)站均作爲網絡節點進(jìn)行統一管理，實現各類型衛星平台、載荷以及網絡資源的統一、集中控制，如圖3所示。

　　該管控架構將(jiāng)網絡從功能(néng)層面(miàn)分爲數據平面(miàn)、控制平面(miàn)和管理平面(miàn)：

圖3 高低軌混合衛星網絡管控架構

　　管理平面(miàn)和控制平面(miàn)共同構成(chéng)網絡的管控平面(miàn)，整合衛星測控、運控、網管及網控等功能(néng)，實現衛星控制功能(néng)統一化、網絡管理功能(néng)集中化。其中管理平面(miàn)根據網絡規劃和資源調度對(duì)衛星節點和地基節點中的網絡資源（接入資源和路由轉發(fā)資源）進(jìn)行預分配和動态調整，并將(jiāng)與業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(néng)直接部署于控制平面(miàn)。管理平面(miàn)和控制平面(miàn)協同工作，實現網絡資源細粒度的實時(shí)分配，确保網絡可靠、高效的運行，如圖4所示。

　　

圖4 網絡管控功能(néng)運行模式

　　管控平面(miàn)的信息交互依賴于管控通道(dào)。傳統衛星網絡的管控通道(dào)由測控通道(dào)或者業務通道(dào)組成(chéng)，采用相應的測控協議或者網管協議。該管控架構設計統一管控通道(dào)，即由中心及代理構成(chéng)的網管網，由代理統一采集衛星運控、測控、網絡信息，彙聚後(hòu)經(jīng)管控通道(dào)傳輸至中心。中心與代理之間采用基于統一的管控協議，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據交互流程和通信原語，降低協議報文開(kāi)銷并滿足不斷演進(jìn)的管控功能(néng)需求；信息模型，定義被(bèi)管信息的統一描述語言，統一定義網絡和設備的管控信息庫，實現天地管控數據的統一描述和适配。

　　管控平面(miàn)的物理部署于地基節點和衛星節點上，部署于地基節點的管理系統實現全網的統籌管理和各控制系統之間的協同工作，提高資源利用率、避免指令沖突。部署于衛星節點和地基節點的控制系統受控于管理系統，負責網絡的實時(shí)控制，通過(guò)星上處理減少天地之間控制信息的交互，提高網絡控制響應的時(shí)效性及星地、星間協同能(néng)力。星地管控系統協同配合，地面(miàn)管控系統和天基骨幹節點共同實現管控信息網絡化采集、網絡化存儲及管控功能(néng)網絡化部署，爲衛星網絡的管控系統“雲化”提供支撐，如圖5所示。

　　

圖5 管控平面(miàn)部署示意

　　4 實現困難

　　該管控架構可有效解決衛星網絡各類節點的異質異構性和資源動态性帶來的管理挑戰，便于複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上還(hái)面(miàn)臨著(zhe)許多亟待解決的問題，主要包括以下幾個方面(miàn)：

（1） 管控平面(miàn)的安全性

　　統一管控平面(miàn)將(jiāng)衛星控制和網絡管理統一整合，管控平面(miàn)將(jiāng)獲取并存儲全網信息，控制網絡行爲，管理網絡狀态。相對(duì)于傳統的分布式網絡架構，集中化的管控平面(miàn)將(jiāng)成(chéng)爲網絡的薄弱環節，降低網絡管理控制的安全性和魯棒性。

（2） 管控邏輯的一緻性

　　統一管控平面(miàn)的架構雖然將(jiāng)管控功能(néng)集中化處理，但本質上還(hái)是分布式和異步操作的。針對(duì)衛星網絡拓撲及傳輸路徑動态變化等特點，網絡化的管控對(duì)管控信息傳輸的時(shí)序控制以及網絡節點時(shí)間同步提出了更高要求。

（3） 管控平面(miàn)的可實現性

　　本架構提出的管控平面(miàn)將(jiāng)一部分功能(néng)部署在衛星節點上，統一管控信息的采集、處理及網絡化傳輸，提升網絡管控的時(shí)效性及被(bèi)管節點管控接口的标準化水平，但需要衛星節點提供較強的計算、存儲資源，并保證具備與傳統衛星管控（如星務計算機、測控應答機等）相當的高可靠、長(cháng)壽命要求。

　　結 語

　　天基信息網絡正處在高速發(fā)展的階段，可靠有效的管控手段是網絡高效運行的前提。采用統一管控平面(miàn)的管控架構是未來天基網絡管理的解決思路，日益增強的星上處理能(néng)力以及地面(miàn)先進(jìn)網絡技術也爲該架構的實現提供了可能(néng)，如雲架構、邊緣計算、高可靠低時(shí)延網絡以及微系統等技術，通過(guò)強大的信息處理能(néng)力整合各類網絡資源，高質量的網絡傳輸保證網絡的及時(shí)響應。但針對(duì)衛星網絡的特殊性，在安全性、一緻性及空間可實現性方面(miàn)也提出了較高要求，包括各管控系統的安全防護、各系統之間的高效協同問題都(dōu)亟待解決。因此基于該架構的衛星網絡管控能(néng)力實現將(jiāng)是逐步推進(jìn)、持續演進(jìn)的。

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