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摘 要：針對高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點，探索衛(wèi)星運控、網(wǎng)絡(luò)管控等功能的整合機(jī)制，提出基于統(tǒng)一管控平面的天地一體管控架構(gòu)，包括系統(tǒng)組成、運行機(jī)制、技術(shù)體制等，并分析了該管控架構(gòu)優(yōu)點及工程實現(xiàn)所面臨的困難。
關(guān)鍵詞: 高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)； 網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)；資源調(diào)度和協(xié)同應(yīng)用
引 言
高低軌衛(wèi)星在覆蓋范圍、服務(wù)質(zhì)量以及系統(tǒng)建設(shè)部署等方面具有各自的特點，不少典型的通信、導(dǎo)航等衛(wèi)星系統(tǒng)采用高低軌混合的星座結(jié)構(gòu)實現(xiàn)全球服務(wù)，提供差異化、個性化的服務(wù)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(luò)具有時空跨度大、節(jié)點分布動態(tài)變化、異質(zhì)異構(gòu)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(kuò)展性、移動性、安全性等方面具有突出的問題，同時在網(wǎng)絡(luò)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(luò)設(shè)備和業(yè)務(wù)服務(wù)規(guī)模大幅增加，管理對象不僅包括天地網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以及終端，還包括頻率、功率、帶寬以及地址、標(biāo)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(luò)精細(xì)化、實時性的管控需求。
綜上所述，構(gòu)建天地一體的管控系統(tǒng)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)全球服務(wù)、高效運行的重要保障。
1.高低軌混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管控面臨的挑戰(zhàn)
圖1給出了一種應(yīng)用于全球通信服務(wù)的典型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組成示意[1]。該衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)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(wù)；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(yīng)用服務(wù)、地面網(wǎng)絡(luò)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(luò)具有體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜、拓?fù)鋭討B(tài)變化等特點，從而使得網(wǎng)絡(luò)的管理需求復(fù)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(fù)雜多樣
網(wǎng)絡(luò)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(luò)服務(wù)彈性可變導(dǎo)致節(jié)點載荷功能復(fù)雜，不僅要實現(xiàn)天地網(wǎng)絡(luò)設(shè)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(biāo)識等網(wǎng)絡(luò)“軟”資源的管控，管控信息急劇增加。
（2）網(wǎng)絡(luò)資源精細(xì)化、實時性調(diào)度要求高
網(wǎng)絡(luò)提供面向用戶的隨遇接入、按需服務(wù)的保障能力，對網(wǎng)絡(luò)資源精細(xì)化、實時性調(diào)度要求較高。一方面通過全球布站的方式提高網(wǎng)絡(luò)管控能力需實現(xiàn)較為復(fù)雜的協(xié)調(diào)，而另一方面星上處理能力有限以及網(wǎng)絡(luò)安全性要求也制約著網(wǎng)絡(luò)功能從地面向天基的遷移，因此在網(wǎng)絡(luò)工程建設(shè)及實際運行中，如何優(yōu)化星地功能分配，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)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(luò)管控系統(tǒng)設(shè)計的主要難點。
圖1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)
（3）面向應(yīng)用驅(qū)動的管控需求：
面向全球服務(wù)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的專用系統(tǒng)向公共網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展，需為不同的民商用戶提供不同等級的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，將同時承載各類差異化的用戶業(yè)務(wù)，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(wù)對服務(wù)質(zhì)量及網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用提供高效高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需結(jié)合網(wǎng)絡(luò)特點提出面向應(yīng)用驅(qū)動的天地一體網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)靈活控制以及用戶服務(wù)快速響應(yīng)。
2 天基信息網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀
隨著天基信息網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)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(luò)為核心的“三層多域”的全球信息柵格（GIG）設(shè)計并構(gòu)建了面向陸、海、空、天網(wǎng)絡(luò)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(luò)操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC負(fù)責(zé)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(jìn)行統(tǒng)一的維護(hù)調(diào)度[3][4]；二級由各地面關(guān)口站組成，負(fù)責(zé)對應(yīng)衛(wèi)星的通信管理、運行維護(hù)和業(yè)務(wù)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(luò)運行控制中心（主備雙中心），以及遍布全球的五十余個信關(guān)站來完成[5]，其中，衛(wèi)星控制中心主要負(fù)責(zé)衛(wèi)星飛行動力、任務(wù)規(guī)劃、地面站控制等，網(wǎng)絡(luò)控制中心主要負(fù)責(zé)通信網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理與動態(tài)調(diào)配，信關(guān)站是網(wǎng)絡(luò)用戶接入地面網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)關(guān)口。
國內(nèi)也積極加強(qiáng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)管控系統(tǒng)建設(shè)，其架構(gòu)經(jīng)歷了由設(shè)備監(jiān)控、通信網(wǎng)絡(luò)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(gòu)架，并建設(shè)了一批具備自主可控能力的管控系統(tǒng)[6][7]。天基網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)的建設(shè)趨于集約化發(fā)展，技術(shù)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(luò)業(yè)務(wù)和用戶應(yīng)用的自動化管控能力增強(qiáng)。
隨著星上處理能力的增強(qiáng)，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(gòu)OpenSAN[8][9]，將數(shù)據(jù)層（衛(wèi)星設(shè)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(luò)中的衛(wèi)星進(jìn)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(zhuǎn)發(fā)分離的思想應(yīng)用于空間網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計被稱為軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[10]，以解決傳統(tǒng)空間網(wǎng)絡(luò)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(gòu)與集中式管控架構(gòu)對比
綜上所述，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中分離數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、管理控制功能[11][12][13]，建立管控平面，由專有設(shè)備來部署控制策略，實現(xiàn)復(fù)雜衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管理控制、運行維護(hù)、運營服務(wù)等能力，體現(xiàn)了天基網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展的重要趨勢。
3 基于統(tǒng)一管控平面的管控架構(gòu)設(shè)計
借鑒地面網(wǎng)絡(luò)管控架構(gòu)，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(luò)管控架構(gòu)。該架構(gòu)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(luò)節(jié)點進(jìn)行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)各類型衛(wèi)星平臺、載荷以及網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一、集中控制，如圖3所示。
該管控架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)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(luò)管控架構(gòu)
管理平面和控制平面共同構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)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(luò)管理功能集中化。其中管理平面根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和資源調(diào)度對衛(wèi)星節(jié)點和地基節(jié)點中的網(wǎng)絡(luò)資源（接入資源和路由轉(zhuǎn)發(fā)資源）進(jìn)行預(yù)分配和動態(tài)調(diào)整，并將與業(yè)務(wù)處理密切相關(guān)的無線資源分配、移動性管理、轉(zhuǎn)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(luò)資源細(xì)粒度的實時分配，確保網(wǎng)絡(luò)可靠、高效的運行，如圖4所示。
圖4 網(wǎng)絡(luò)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(luò)的管控通道由測控通道或者業(yè)務(wù)通道組成，采用相應(yīng)的測控協(xié)議或者網(wǎng)管協(xié)議。該管控架構(gòu)設(shè)計統(tǒng)一管控通道，即由中心及代理構(gòu)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(luò)信息，匯聚后經(jīng)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(jìn)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(luò)和設(shè)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(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)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(luò)控制響應(yīng)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(luò)化采集、網(wǎng)絡(luò)化存儲及管控功能網(wǎng)絡(luò)化部署，為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(gòu)可有效解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)各類節(jié)點的異質(zhì)異構(gòu)性和資源動態(tài)性帶來的管理挑戰(zhàn)，便于復(fù)雜的管理策略部署及靈活調(diào)整，滿足細(xì)粒度的管理需求，也有利于新技術(shù)的應(yīng)用和升級。但是，該管控架構(gòu)在技術(shù)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(luò)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(luò)行為，管理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。相對于傳統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，集中化的管控平面將成為網(wǎng)絡(luò)的薄弱環(huán)節(jié)，降低網(wǎng)絡(luò)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(gòu)雖然將管控功能集中化處理，但本質(zhì)上還是分布式和異步操作的。針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皞鬏斅窂絼討B(tài)變化等特點，網(wǎng)絡(luò)化的管控對管控信息傳輸?shù)臅r序控制以及網(wǎng)絡(luò)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(gòu)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(luò)化傳輸，提升網(wǎng)絡(luò)管控的時效性及被管節(jié)點管控接口的標(biāo)準(zhǔn)化水平，但需要衛(wèi)星節(jié)點提供較強(qiáng)的計算、存儲資源，并保證具備與傳統(tǒng)衛(wèi)星管控（如星務(wù)計算機(jī)、測控應(yīng)答機(jī)等）相當(dāng)?shù)母呖煽俊㈤L壽命要求。
結(jié) 語
天基信息網(wǎng)絡(luò)正處在高速發(fā)展的階段，可靠有效的管控手段是網(wǎng)絡(luò)高效運行的前提。采用統(tǒng)一管控平面的管控架構(gòu)是未來天基網(wǎng)絡(luò)管理的解決思路，日益增強(qiáng)的星上處理能力以及地面先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也為該架構(gòu)的實現(xiàn)提供了可能，如云架構(gòu)、邊緣計算、高可靠低時延網(wǎng)絡(luò)以及微系統(tǒng)等技術(shù)，通過強(qiáng)大的信息處理能力整合各類網(wǎng)絡(luò)資源，高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)傳輸保證網(wǎng)絡(luò)的及時響應(yīng)。但針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(hù)、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(gòu)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管控能力實現(xiàn)將是逐步推進(jìn)、持續(xù)演進(jìn)的。
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