摘 要：针对高低轨混合卫星网络的特点，探索卫星运控、网络管控等功（gōng）能的（de）整合机制，提出基于（yú）统一管控平面的天地一体管控架（jià）构，包括系（xì）统组成（chéng）、运行机制、技术体制等，并分（fèn）析了该（gāi）管控架构优点及（jí）工程实（shí）现所面临的困难。

　　关键词: 高（gāo）低轨混合卫星网络； 网络（luò）管控（kòng）架构；资（zī）源调度和协同应用

引 言

　　高低轨卫星（xīng）在覆（fù）盖范围、服务（wù）质量以及系统建设部署等方面具有（yǒu）各自的特（tè）点，不少典（diǎn）型（xíng）的通信、导航等（děng）卫星（xīng）系统采用（yòng）高低轨混合（hé）的星座结构实现全球（qiú）服务，提供差异化（huà）、个性化的（de）服务能（néng）力[1][2]。以高低轨混合星座的全球卫星通（tōng）信系统为例，该（gāi）类（lèi）卫星网络（luò）具有（yǒu）时（shí）空跨度大、节点分布动态变化、异质（zhì）异（yì）构节（jiē）点组网、节点传（chuán）输与（yǔ）处理（lǐ）资源有限等特点，不（bú）仅在扩展（zhǎn）性（xìng）、移动性（xìng）、安全性等方面具有突出（chū）的问（wèn）题，同时在网络（luò）管理（lǐ）控制方面也面临（lín）巨大挑战：

• 　　一方（fāng）面，需（xū）要管（guǎn）理的（de）网络设备和（hé）业务服务规模大幅（fú）增（zēng）加，管理对象不仅（jǐn）包括天（tiān）地网络设施以及（jí）终端，还（hái）包括频率、功率、带（dài）宽以及（jí）地址（zhǐ）、标识等资源；

• 　　另一方面，我国目（mù）前（qián）无法实现全（quán）球布（bù）站，单一依赖地基管理系（xì）统难以（yǐ）满足网络精细化、实时性的管控需求。

　　综上所述（shù），构（gòu）建天（tiān）地一体的管控系统是卫星网络实现全球服（fú）务、高效运行的重要保障。

　　1.高低轨混合卫星（xīng）网络管控面临的挑战（zhàn）

　　图1给出了一（yī）种应用于全球通信服务（wù）的典型卫星网络组成示（shì）意[1]。该卫（wèi）星网络由天（tiān）基骨干网、天基接入网（wǎng）和地基（jī）节点网组（zǔ）成，其中（zhōng）天基骨干网由布（bù）设在地球（qiú）同步（bù）轨道（dào）的（de）节（jiē）点组（zǔ）成，节点之间通过高速的激光（guāng）星（xīng）间链路互联互（hù）通，形成覆盖全球的天基信息高速公路；天基接入网由布设在低（dī）轨的节点组成（chéng），为各类用户提供（gòng）宽带（dài）接入（rù）、移动通信等（děng）服务（wù）；地（dì）基（jī）节点网（wǎng）主（zhǔ）要由多个地基节（jiē）点互联而成，支持空间数据落地、信息（xī）应（yīng）用（yòng）服务、地（dì）面网络互联等功能（néng）。相比传统的卫星（xīng）通（tōng）信系统，该卫星网络（luò）具（jù）有（yǒu）体系结构复杂、拓扑动态变化等特点，从而（ér）使得网络的管理需求复（fù）杂且实现难度高，主要（yào）体现在（zài）以（yǐ）下几个方面：

（1）管控对象（xiàng）复杂多样

　　网络管（guǎn）控对象涉及（jí）高轨、低轨以及地基等各类节点（diǎn），通（tōng）过（guò）组网使得各节点互联形成“一张网”，节点数量众（zhòng）多且功能各异（yì），网（wǎng）络服（fú）务（wù）弹（dàn）性可变导致节点（diǎn）载荷功（gōng）能（néng）复杂，不仅要实现天地网络设（shè）备状态及参（cān）数管控（kòng）外，还要实现（xiàn）频率、功率、带（dài）宽以及地址、标识等网络“软”资源（yuán）的管控，管控信息急剧增（zēng）加。

（2）网络资（zī）源（yuán）精（jīng）细化、实时（shí）性调度要求高

　　网络提供面向用户的（de）随遇接入（rù）、按需（xū）服（fú）务的保障能（néng）力，对网络资源精细化、实时性调度要求较（jiào）高。一方面通过（guò）全球布（bù）站的方式提（tí）高网络管控能力需实现较为复杂的（de）协调，而另一方面星上处理能力有（yǒu）限以（yǐ）及网络安全性要（yào）求也（yě）制约着（zhe）网络功能从（cóng）地面向天基的迁移，因（yīn）此在网络工（gōng）程（chéng）建设及实际运行中，如何优化星地（dì）功（gōng）能分（fèn）配，发（fā）挥（huī）网络星地协同（tóng）、多（duō）星协同的优（yōu）势，是高低轨混合卫（wèi）星网络管控系统（tǒng）设（shè）计的主要难点。

图1 天地一体化网络系统（tǒng）架构（gòu）

（3）面向应用驱动（dòng）的管控需求（qiú）：

　　面向全球服务的卫星通信网络由传统的专用系统向公共网络（luò）基础设施发展，需为不（bú）同的民商用（yòng）户（hù）提供（gòng）不同等级的网络服务，将（jiāng）同时承载各类差异化的用户（hù）业务，如话音（yīn）通信、宽带接入、数（shù）据中继（jì）以及天基物联等，各（gè）类业务对服（fú）务质量及网（wǎng）络资源要求（qiú）各异（yì）。因此传统（tǒng）面向网元的管理模式难以为多并发用（yòng）户应用提（tí）供高效高质量网络服务，需结合网（wǎng）络（luò）特点提（tí）出面向应用驱动的天（tiān）地一（yī）体（tǐ）网络（luò）管控（kòng）架（jià）构，实现网络灵活控制以及用（yòng）户服务快速响应。

　　2 天（tiān）基信（xìn）息网络管（guǎn）控系统发展现状

　　随着（zhe）天基（jī）信息网络快速（sù）发（fā）展，网络管控系（xì）统的研究也持续深入。美军（jun1）提出的（de）以（yǐ）天、地（dì）骨干网（wǎng）络为核心的（de）“三层多域”的全球信（xìn）息栅格（gé）（GIG）设（shè）计（jì）并构（gòu）建了面向（xiàng）陆、海（hǎi）、空、天网（wǎng）络一体化管理（lǐ）的（de）四级体系。海事卫星的管控系统主要分为两级（jí），一级为伦敦的网络操作中（zhōng）心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海事卫星的平台和载（zǎi）荷管理，以及地面站的频率（lǜ）分配，对全网（wǎng）的资源进行统一（yī）的维护调度[3][4]；二级（jí）由（yóu）各地面关口站组（zǔ）成，负责对应（yīng）卫星的通（tōng）信管（guǎn）理（lǐ）、运行（háng）维护和业务支撑。

　　OneWeb系统的管控主要由卫星控制（zhì）中心（主备双中心）、网络运行（háng）控制中心（主备双中心），以及遍布全球的五十余个信（xìn）关站来完成[5]，其（qí）中，卫星（xīng）控制中心主要（yào）负责卫星飞行动力、任务规划、地（dì）面（miàn）站控制等，网络控制中心主要负责通信网（wǎng）络资源统一（yī）管理与动态调配，信关（guān）站是网络用户接入地面（miàn）网络的互（hù）联关口。

　　国内也积极（jí）加强卫星（xīng）通信系统管控系统建（jiàn）设，其架构经历了由设（shè）备（bèi）监控（kòng）、通信网（wǎng）络管理、星地一体化管控（kòng）的历程（chéng），初步形成三级分（fèn）布式（shì）的管理构架，并建设了一批具备（bèi）自（zì）主可控能力的管控系统[6][7]。天基（jī）网络管控系统的建设趋于集约化（huà）发（fā）展，技术（shù）也趋于自主化、智能化发展，提高系统的管控效率（lǜ），针（zhēn）对多样（yàng）化网络业务和用（yòng）户应用的自动化（huà）管（guǎn）控能力增强。

　　随（suí）着星上处理能力的增强，卫星载荷也能（néng）实现部分（fèn）控制功能。J.Bao在论文中提出集中式的管控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫（wèi）星设备（bèi））和控制层（控（kòng）制（zhì）卫星）分离开，将（jiāng）控制层部署于地（dì）球同步轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网（wǎng）络中的卫星进行管（guǎn）控，从而无（wú）法全球建（jiàn）站的情（qíng）况下（xià）实现（xiàn）卫星的全程管控，如图2所示。这种将（jiāng）控制（zhì）与转发分离的思想应用于空间网（wǎng）络的设计（jì）被称为软（ruǎn）件定义卫星网络[10]，以（yǐ）解决传统空间网络连接和重配置的时延较（jiào）大，数据（jù）传输不（bú）灵活的问题。

图2 传统管控架构（gòu）与集中式管控架构对（duì）比（bǐ）

　　综上所述（shù），在卫星（xīng）网络中分离数（shù）据转发、管理控制功能[11][12][13]，建立管（guǎn）控平面，由专（zhuān）有设（shè）备来部署（shǔ）控（kòng）制策略，实（shí）现复杂卫星网（wǎng）络的管理控（kòng）制、运行维（wéi）护、运营服务等能力，体现了天基网络管控系（xì）统当前（qián）发展的重（chóng）要趋（qū）势。

　　3 基于统（tǒng）一管控平（píng）面的管控架（jià）构（gòu）设计

　　借鉴地（dì）面网络管控架构，参（cān）考软件（jiàn）定义卫星（xīng），本文提（tí）出了一种高低轨（guǐ）混合卫（wèi）星网络管（guǎn）控架构。该架构采用统一的管控平面，将高、低轨（guǐ）卫星和地面站均（jun1）作为网络节点进（jìn）行统一管理（lǐ），实现各类型（xíng）卫星平（píng）台、载（zǎi）荷以及网络资源的统一、集中（zhōng）控制，如图3所示（shì）。

　　该（gāi）管（guǎn）控架（jià）构将网络（luò）从功能层面分为（wéi）数据（jù）平面、控制平面和（hé）管理平面：

图3 高低轨混合卫（wèi）星网络管控架构

　　管理（lǐ）平面和控制平面共同构成网络（luò）的管控平面，整合卫星测控（kòng）、运控、网管及网控等功能（néng），实现卫星（xīng）控制功（gōng）能（néng）统一（yī）化（huà）、网络管理功能集中化。其中管理平面根据网络规划和资（zī）源（yuán）调度对卫星节点（diǎn）和（hé）地基节点中的网络资源（接入资（zī）源和路由转发（fā）资源）进（jìn）行预分配和动态调整，并（bìng）将与业务处理（lǐ）密切相关（guān）的无线资源分配、移动性管理、转发控制等控制功能直接部署于控（kòng）制平（píng）面（miàn）。管理平面和控制（zhì）平面协（xié）同工（gōng）作，实现网络资源（yuán）细粒度的实时分配，确（què）保网（wǎng）络可靠、高（gāo）效的运行，如（rú）图4所示。

图4 网络（luò）管控功能运（yùn）行（háng）模（mó）式

　　管控（kòng）平面（miàn）的信息交互依赖（lài）于管控通道。传（chuán）统（tǒng）卫星网（wǎng）络的（de）管控通道由测控通（tōng）道或者业（yè）务通道组成，采用相应（yīng）的（de）测控协议或者网管协议。该管控（kòng）架构设（shè）计统（tǒng）一管控通道（dào），即由中心及代理构（gòu）成的网管网，由代理（lǐ）统一采集（jí）卫星运控、测控、网络信息，汇（huì）聚后经（jīng）管（guǎn）控（kòng）通（tōng）道传输至（zhì）中（zhōng）心。中心与代理（lǐ）之（zhī）间（jiān）采用基于统（tǒng）一（yī）的管控协议，主要包括通信模型、信息模型（xíng），其中通信模型定义中心与（yǔ）代理之间的数据交互流程和通信原语，降低（dī）协议报文开（kāi）销并（bìng）满（mǎn）足不断（duàn）演进的管控功能需求（qiú）；信息模型，定义被（bèi）管信（xìn）息的统（tǒng）一描述语言（yán），统一定义（yì）网络和设备的管控信息库，实现天地管控数据的统一（yī）描述（shù）和（hé）适配。

　　管控平面（miàn）的物理部署（shǔ）于地基节（jiē）点和卫星节点（diǎn）上（shàng），部署于地基节点的管理系统实现全网的统筹管理（lǐ）和各控制系统之间（jiān）的协同工（gōng）作，提（tí）高（gāo）资源利（lì）用率、避免指（zhǐ）令冲突。部（bù）署于卫星节（jiē）点和地基节点的控制系统受控于管理系统，负责网络（luò）的实时控制，通过星上处理减少天地之间（jiān）控制信息的（de）交（jiāo）互，提高网络控（kòng）制响（xiǎng）应（yīng）的时效性及星地、星间协同能力。星地管控系统协同配合，地（dì）面（miàn）管控系（xì）统和天（tiān）基骨干节点共同实现管控（kòng）信息网络化采集、网络化存储及管控（kòng）功能网络化部署，为卫星（xīng）网络的管控（kòng）系统（tǒng）“云（yún）化（huà）”提供支撑，如图（tú）5所示。

图5 管控平面部署示意

　　4 实现困难

　　该管控（kòng）架构可有效解决卫星网（wǎng）络各（gè）类节点的异质异构性（xìng）和资源（yuán）动态性（xìng）带来的管理挑战，便于复杂的（de）管（guǎn）理策略部署及灵活调整，满足细粒度（dù）的管理（lǐ）需求，也有利（lì）于新技术的应用和（hé）升（shēng）级。但是，该（gāi）管控架构在技术（shù）实（shí）现上还面临（lín）着许多亟待解决的（de）问题（tí），主要包（bāo）括以下几（jǐ）个方面：

（1） 管控平（píng）面的安全（quán）性

　　统一管（guǎn）控平面（miàn）将卫星控制和网络管理（lǐ）统一整合，管（guǎn）控平（píng）面将获取并存储全网信（xìn）息，控制网络行为，管理网络状态。相（xiàng）对于（yú）传统的（de）分（fèn）布（bù）式网（wǎng）络架构（gòu），集中（zhōng）化的管（guǎn）控平面将成（chéng）为网络的薄弱环节，降低网络管理（lǐ）控（kòng）制的安全（quán）性和鲁棒（bàng）性（xìng）。

（2） 管（guǎn）控逻辑的（de）一致性

　　统（tǒng）一管控平（píng）面的架（jià）构虽然将管控（kòng）功能集中化（huà）处理，但本质上还是分布式和异步操作（zuò）的。针对（duì）卫星网络拓扑（pū）及传输路径动态（tài）变化等特点，网络化的管控对管控信息传输的时序（xù）控制（zhì）以及网络节点时间同（tóng）步提出（chū）了更高要求。

（3） 管控平面的可实（shí）现性

　　本架构提出的（de）管（guǎn）控（kòng）平（píng）面（miàn）将一部分功能部署（shǔ）在卫（wèi）星节点（diǎn）上，统（tǒng）一（yī）管控信息的（de）采集、处理（lǐ）及网（wǎng）络化传输，提升网络管控的（de）时效（xiào）性及被管节点管控（kòng）接口的（de）标准化水平，但需要卫星节点提供较强的（de）计算、存储资源，并保证具备与传（chuán）统（tǒng）卫星管控（如星务计算机、测控应答机等）相当的（de）高可靠、长寿命要求。

　　结 语

　　天基信息（xī）网络正处在（zài）高速发（fā）展的（de）阶段，可靠（kào）有效（xiào）的管控（kòng）手段是网络高效运行（háng）的（de）前提。采用统一（yī）管控（kòng）平面的（de）管控（kòng）架（jià）构是未来天基网络管（guǎn）理的解（jiě）决思路，日益增强的星上处理（lǐ）能力以及地面先进网络技术也为该架构的实现提供（gòng）了可能（néng），如云架构（gòu）、边缘（yuán）计（jì）算、高可靠（kào）低时延网络以及（jí）微（wēi）系（xì）统等（děng）技术，通过强大的信息处理（lǐ）能力整合各类网络资源，高（gāo）质量的网（wǎng）络传输保证网络的及（jí）时响（xiǎng）应。但针（zhēn）对卫星（xīng）网络的（de）特殊性（xìng），在安全性、一致性及空间可实（shí）现性（xìng）方面也提（tí）出了较（jiào）高要求，包括各管控系统的（de）安全防护、各系统（tǒng）之间的（de）高效协同问题都（dōu）亟待（dài）解决。因此基（jī）于该（gāi）架构的（de）卫星（xīng）网（wǎng）络管控能力（lì）实（shí）现将（jiāng）是逐（zhú）步推进、持续演进（jìn）的。

　　【参考文（wén）献】

　　[1]  陆洲,秦（qín）智超,张平,. 天地一（yī）体化信息网（wǎng）络系统初步设（shè）想[J]. 国际（jì）太空（kōng）,2016,(7).

　　[2]  孙晨华,. 天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与（yǔ）问（wèn）题（tí）思考[J]. 无线电（diàn）工程,2017,(1).

　　[3]  张（zhāng）振运,. Inmarsat海（hǎi）事卫星系（xì）统（tǒng）的（de）应用（yòng）与发展[J]. 中（zhōng）国（guó）新通信,2013,(5). 

　　[4]  石世怡,. 关于（yú）Inmarsat海事卫星通信系统[J]. 广播电视信息,2009,(6).蔡娟娟,. 基于OpenFlow的SDN技术研究[J]. 电（diàn）脑迷,2016,(6).

　　[5]  翟继（jì）强（qiáng）,李雄飞,. OneWeb卫（wèi）星系（xì）统及（jí）国内低轨互联网卫（wèi）星系（xì）统发展思（sī）考[J]. 空（kōng）间电子技术,2017,(6).

　　[6]  梁金（jīn）山,刘薇（wēi）,. 一种卫星通信网络管理系统设计[J]. 无线电通信技（jì）术（shù）,2010,(2).

　　[7]  孙鲲,. 卫星网络中基于（yú）策略（luè）的网络管理（lǐ）体系结构[J]. 科技（jì）创新导报,2009,(2).

　　[8]  Bao J, Zhao B, Yu W, et al. OpenSAN: a software-defined satellite network architecture[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2014, 44(4):347-348

　　[9]  李泰新. 基于智慧协同（tóng）网（wǎng）络的空间网络建模及资源适配方法（fǎ）研究[D]. 北京交通大（dà）学: 北京（jīng）交通（tōng）大学,2018.

　　[10]  Li T, Zhou H, et al. Modeling software defined satellite networks using queueing theory[C]// IEEE International Conference on Communications, Paris, France, 2017:1-6.

　　[11]  蔡娟娟,. 基于OpenFlow的SDN技术研究[J]. 电脑迷（mí）,2016,(6).

　　[12]  徐凌泽,. 基（jī）于SDN的（de）5G移动（dòng）通（tōng）信网络构架[J]. 通信电源技术,2017,(1). [13]  张臻,. 5G通（tōng）信系统中的SDN/NFV和云计（jì）算（suàn）分析[J]. 移动通信,2016,(17).