摘 要：针对高低轨混（hún）合卫星网络的特点，探索卫星运控、网（wǎng）络（luò）管（guǎn）控（kòng）等功能的整合机制，提（tí）出基于统（tǒng）一管控平面的天（tiān）地一（yī）体（tǐ）管控架构（gòu），包括（kuò）系统组成、运行机制、技术体（tǐ）制等，并分析了（le）该（gāi）管控架构优点及（jí）工（gōng）程实现所（suǒ）面临的困难。

　　关（guān）键词: 高低轨混（hún）合卫星网络； 网络管控（kòng）架构；资源调度和协同应用

引（yǐn） 言（yán）

　　高低轨卫星在覆盖范围、服务质量以及系统（tǒng）建设部署等方面具有各自（zì）的特点，不少典型（xíng）的通信、导航等卫星（xīng）系统采用高低（dī）轨混（hún）合（hé）的星座结（jié）构实现全球服务，提（tí）供差异化（huà）、个性化的服（fú）务（wù）能力（lì）[1][2]。以（yǐ）高低轨混合星座的全球卫星通信系统为例，该类卫星网络具有时空跨度大、节点（diǎn）分布动态变（biàn）化（huà）、异质（zhì）异构节点（diǎn）组网、节点传输与处理资源有限等（děng）特点，不仅在扩展性、移（yí）动性、安全性等方（fāng）面具（jù）有突（tū）出的问题，同时在网络管理控制方面（miàn）也面临巨大（dà）挑战（zhàn）：

• 　　一方面，需要管理的网（wǎng）络设备（bèi）和业务服务规模大幅增加，管理对象不仅包括（kuò）天地（dì）网络设施以及终端，还包括频率、功率、带宽以及地址（zhǐ）、标识（shí）等资源；

• 　　另一方面，我国（guó）目（mù）前无法实现（xiàn）全球布站（zhàn），单一（yī）依赖地基管（guǎn）理系统难以（yǐ）满（mǎn）足网络精细（xì）化、实时性的管控需（xū）求（qiú）。

　　综上所述（shù），构建天地一体的（de）管（guǎn）控（kòng）系统是卫星网络实现全（quán）球服务、高效运行的重（chóng）要保障。

　　1.高低轨混合卫星网络管控面临的挑战

　　图1给出了一种应用于全球通信服（fú）务的典型卫星网（wǎng）络组成示意[1]。该卫星网络由天（tiān）基骨干网、天基接入网和（hé）地基节点网组成（chéng），其中（zhōng）天基骨干网（wǎng）由布设在地球同步轨道的节点组（zǔ）成，节点之间（jiān）通过高速的激光星间链路互联互通，形成覆（fù）盖（gài）全球的天基信息高速公（gōng）路；天基接（jiē）入网由布（bù）设在低轨的节点（diǎn）组（zǔ）成，为各类用（yòng）户提（tí）供宽带（dài）接入、移动通信等服务；地基节点网主（zhǔ）要由多个地（dì）基（jī）节（jiē）点互联（lián）而成，支持空间数据落（luò）地、信息应用服（fú）务、地（dì）面网络互（hù）联等功能。相比传统（tǒng）的卫星通信（xìn）系统，该卫星网络具有体系结构复杂（zá）、拓（tuò）扑动态变（biàn）化等特点，从而使得网络的管（guǎn）理需（xū）求复杂且实（shí）现难度（dù）高（gāo），主要体现在（zài）以下几个（gè）方面：

（1）管（guǎn）控对象复（fù）杂多样

　　网络管（guǎn）控对象涉及高轨、低轨以及地基（jī）等（děng）各类节点，通（tōng）过组（zǔ）网使得各节点互联形成“一张网（wǎng）”，节（jiē）点数量众（zhòng）多（duō）且（qiě）功能各异，网络服务弹（dàn）性可（kě）变（biàn）导（dǎo）致（zhì）节（jiē）点载荷（hé）功能（néng）复杂，不仅要实现天地网络（luò）设备状态及参数管控外，还要实（shí）现频率、功率、带宽（kuān）以及地址、标识等网络“软”资源的管（guǎn）控，管控信（xìn）息急剧增加（jiā）。

（2）网络资（zī）源精细化、实时性调度（dù）要（yào）求高

　　网（wǎng）络提供面向用户的随（suí）遇接入（rù）、按需（xū）服（fú）务（wù）的保障能力，对网（wǎng）络资源精细化、实时（shí）性调度要求较高。一方（fāng）面通过全（quán）球布站（zhàn）的方式（shì）提高网络管（guǎn）控能力需（xū）实现较为复（fù）杂（zá）的（de）协调，而另一方（fāng）面星（xīng）上（shàng）处理能力有限以及网络安全性要求（qiú）也制约着网络（luò）功能从（cóng）地面向天（tiān）基的迁移，因此（cǐ）在网络工程建（jiàn）设及实际运行中，如何优化星地功能（néng）分配，发挥（huī）网络星地协同、多（duō）星协同（tóng）的优势，是高低轨混（hún）合卫星网络管控（kòng）系统设计（jì）的主要难点。

图1 天地一体化网络系统架（jià）构

（3）面（miàn）向（xiàng）应用驱动的管控需求：

　　面向（xiàng）全球服务的（de）卫星通信网络由传统的专用（yòng）系统向公共网络基础设施（shī）发（fā）展，需为不同的民商用户（hù）提供不同等级（jí）的网络服（fú）务，将（jiāng）同时承载各（gè）类差（chà）异化的用（yòng）户业（yè）务（wù），如话音通信、宽带接（jiē）入、数据中继以及天（tiān）基物（wù）联等，各类业务对服务（wù）质（zhì）量及网络资源（yuán）要求各（gè）异。因（yīn）此传统面向（xiàng）网元的（de）管理模式难以为多并发用户应用提供高效高质量网络服务，需（xū）结合网（wǎng）络特点提出面向应用驱（qū）动的天地一体网（wǎng）络（luò）管控架（jià）构，实现（xiàn）网络灵活控制以及用户服务快速（sù）响应（yīng）。

　　2 天基（jī）信息（xī）网（wǎng）络管（guǎn）控系统发（fā）展现状

　　随着（zhe）天基信息（xī）网络（luò）快速发展，网络管控系统的研究（jiū）也持续深入（rù）。美军提出的以天、地骨干网络为核心的“三层多域”的全球信息栅格（GIG）设计（jì）并构建了面向陆（lù）、海、空、天网络一体化（huà）管理的四级体（tǐ）系（xì）。海事卫星的管控系统（tǒng）主要分为两级，一级为伦敦的网络操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海（hǎi）事（shì）卫星的平台和（hé）载荷管理（lǐ），以及地（dì）面站的（de）频率（lǜ）分（fèn）配，对全网的（de）资源进行统一的维护调度[3][4]；二级（jí）由（yóu）各（gè）地面关口站组成，负（fù）责对应卫星的通信管理（lǐ）、运行维护和（hé）业务支（zhī）撑。

　　OneWeb系统的管控主要由（yóu）卫星控制中（zhōng）心（xīn）（主备（bèi）双中心（xīn））、网络运行（háng）控制中（zhōng）心（主备双中心），以及遍布全球（qiú）的（de）五十余个信关（guān）站来完成[5]，其（qí）中，卫星控制中心（xīn）主（zhǔ）要负责卫星飞行动力（lì）、任务规划、地面站控制等，网络控制中（zhōng）心主要负责通信网络资源统一管（guǎn）理与动态调配，信关站（zhàn）是网络（luò）用户（hù）接入（rù）地（dì）面网络的互联关（guān）口。

　　国（guó）内也积极（jí）加（jiā）强卫星通信系（xì）统管控系统建设，其架构经历了由设备监控、通（tōng）信网络管理、星地（dì）一体化管控的历程，初步形成三级分布（bù）式（shì）的管理构（gòu）架，并建（jiàn）设了一批具备自（zì）主可控能力的管控系统[6][7]。天（tiān）基网络管控系统（tǒng）的建设趋于集约化发展，技术也（yě）趋于自主化、智能化发（fā）展，提高系（xì）统的（de）管（guǎn）控效率（lǜ），针对多（duō）样（yàng）化网（wǎng）络业务和用（yòng）户应用的自动化管控能力增强。

　　随着星上处理（lǐ）能力的增（zēng）强（qiáng），卫星载荷（hé）也能实（shí）现部分（fèn）控制功能。J.Bao在论文（wén）中提出集中式（shì）的管控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫星设备）和控制层（控制（zhì）卫星）分离开，将控制层部署于地球同步（bù）轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对（duì）网（wǎng）络中的卫星进行管控，从（cóng）而（ér）无（wú）法全球建站的情况下实现卫星的全程管控，如图2所示。这种将（jiāng）控制与转发分（fèn）离的思想应用于（yú）空间网络的（de）设计被（bèi）称为软件定义卫星网（wǎng）络[10]，以解决（jué）传统（tǒng）空间网络连接和重配置的时延较大，数（shù）据传输不灵活的问题。

图2 传统管控（kòng）架构与集（jí）中式管控架构（gòu）对比

　　综上所述（shù），在（zài）卫（wèi）星网络中（zhōng）分离数据转发、管理（lǐ）控制功能[11][12][13]，建立管控平面（miàn），由专有设备来部署控制（zhì）策略，实现复杂卫星网络的管理控制、运行维（wéi）护、运营服（fú）务等（děng）能力，体现了天基网络管（guǎn）控系统（tǒng）当前发展的重要（yào）趋势。

　　3 基于统（tǒng）一管控平面的管控（kòng）架构设计

　　借鉴地面网络（luò）管（guǎn）控架构，参（cān）考软件定义卫星，本文提出了一种（zhǒng）高低轨混合（hé）卫星网络管控架构。该架构采用统（tǒng）一的管（guǎn）控平面（miàn），将高、低轨卫星和地面（miàn）站均作为（wéi）网络节点（diǎn）进行统一管理（lǐ），实（shí）现各类（lèi）型卫星（xīng）平台、载荷以（yǐ）及网络资（zī）源的统一、集中控制，如图3所（suǒ）示。

　　该管控（kòng）架（jià）构将（jiāng）网络从功能层面（miàn）分为数（shù）据平（píng）面、控（kòng）制（zhì）平面和管理平面：

图3 高低轨混合（hé）卫星网络管控架构

　　管理平面和控制（zhì）平面共同构成网络的管控平（píng）面，整合（hé）卫星测控（kòng）、运控、网（wǎng）管及网控等功能，实（shí）现（xiàn）卫星控制功能统一（yī）化、网络（luò）管理功能（néng）集中化。其中管理（lǐ）平面根据网络规划和（hé）资源调度对（duì）卫（wèi）星节点和地基节（jiē）点（diǎn）中（zhōng）的（de）网络资源（接入资源和路由转发资（zī）源）进行预分配和动态（tài）调整，并（bìng）将与（yǔ）业务（wù）处理密切（qiē）相关的无线资源分（fèn）配、移动性管（guǎn）理、转发（fā）控（kòng）制等控制功（gōng）能（néng）直（zhí）接（jiē）部署于（yú）控（kòng）制平面（miàn）。管理平面（miàn）和控制平（píng）面协同工作，实现网络资（zī）源细粒度的实时分配，确保网（wǎng）络可靠、高效的运（yùn）行，如图4所示（shì）。

图（tú）4 网络管控功（gōng）能运行模式（shì）

　　管控平（píng）面的信息（xī）交（jiāo）互（hù）依赖于管控通道。传统卫星网络的管控通（tōng）道由测控通道或者业务通道组成，采用相应的测控协议（yì）或者网管协议（yì）。该管（guǎn）控架构设计统一管控通道，即由（yóu）中心及（jí）代（dài）理构成（chéng）的网管网，由代理统一采集卫星运控（kòng）、测控（kòng）、网络（luò）信（xìn）息，汇（huì）聚后经管控通道传输至中心。中心与代理之间采用基于统一（yī）的管控协议，主（zhǔ）要包（bāo）括通信模型、信息模型，其中通信模型（xíng）定义中心与（yǔ）代理（lǐ）之间的数（shù）据交（jiāo）互流程和通信原语，降低协议报（bào）文开销并满足不断演进的管（guǎn）控功能（néng）需（xū）求；信息模型，定义被管信息的（de）统一描述语言，统一定（dìng）义网络和设（shè）备的管控信息库，实（shí）现天地管控数（shù）据的统一描述和适配（pèi）。

　　管控（kòng）平（píng）面（miàn）的物理部署于地基节（jiē）点和卫星（xīng）节点上，部署于（yú）地基（jī）节点（diǎn）的管（guǎn）理系（xì）统实现（xiàn）全网的统筹管理和各控制系统之间的协同工作（zuò），提高资源利用（yòng）率、避免指令冲突。部署于卫星节点和地基节点（diǎn）的控制系统受控（kòng）于管理系统，负责网络的实时（shí）控制，通过星上处理（lǐ）减少天地之间控（kòng）制信（xìn）息的交互（hù），提（tí）高网络控制响应的时效性及星地、星间协同能力。星地管控系统协（xié）同配合，地面管控系（xì）统和天（tiān）基骨干（gàn）节点共同实现管控信息网络（luò）化采集、网（wǎng）络化存储及管控功能网络化部署，为卫（wèi）星网络的管（guǎn）控系统（tǒng）“云化”提供支撑，如图（tú）5所示。

图5 管控（kòng）平面（miàn）部署示意

　　4 实现困难

　　该管控架（jià）构可有效（xiào）解决卫星网络各类节点的异质异构性和（hé）资源（yuán）动（dòng）态性带（dài）来的管理挑战，便于复杂的管理策略部署及灵活调整，满足细粒度的管理（lǐ）需求，也（yě）有利于（yú）新技术的应用和升（shēng）级。但（dàn）是，该管控架构在技术实（shí）现上（shàng）还面临着许多（duō）亟待（dài）解决的问题（tí），主（zhǔ）要包（bāo）括以下几个方面：

（1） 管控（kòng）平面的安全性

　　统一管控平面将（jiāng）卫星控制和网络管理统一（yī）整合（hé），管控平面（miàn）将获取并存（cún）储全网（wǎng）信（xìn）息，控制（zhì）网（wǎng）络行为（wéi），管（guǎn）理（lǐ）网络状态。相对于传统的分布式网（wǎng）络架构（gòu），集中（zhōng）化（huà）的管控平面将（jiāng）成为（wéi）网络的（de）薄弱环节，降低（dī）网络管理控制的（de）安（ān）全性和鲁棒性。

（2） 管控（kòng）逻辑的一致性（xìng）

　　统一管控平（píng）面的架构虽然将（jiāng）管控功（gōng）能（néng）集中化处理，但本质上还是分布式和异步操作的。针对卫星网络拓（tuò）扑（pū）及传输路径动态（tài）变（biàn）化等特点，网络（luò）化（huà）的（de）管控（kòng）对管控信息传输的时序控（kòng）制以及网络节点（diǎn）时间（jiān）同步提出了更高（gāo）要求。

（3） 管（guǎn）控（kòng）平面的可实现性

　　本架构提出的管（guǎn）控平面将一部分功能部署在卫星节点上，统一管控信息的（de）采集、处理及网络化传输（shū），提升网（wǎng）络管控（kòng）的时效性及被管节点（diǎn）管控接（jiē）口的标准化水（shuǐ）平（píng），但需要卫星节（jiē）点提（tí）供较强的计算、存储资源，并保证具备与传统（tǒng）卫星管（guǎn）控（kòng）（如星务计算机、测控应答机等）相当的高可（kě）靠、长寿命（mìng）要（yào）求。

　　结 语

　　天基信息网络正处在高（gāo）速发（fā）展的阶段，可靠（kào）有效的管控手段是网络高效运行的前提。采用统一管控平面的管控架构（gòu）是未（wèi）来天基网络管（guǎn）理的解决思路，日益（yì）增强的（de）星上处理能力以及地面先进网络技（jì）术（shù）也为该（gāi）架构的实现提供（gòng）了可能，如云架（jià）构、边缘（yuán）计算、高可靠低（dī）时延（yán）网络以及微（wēi）系统等（děng）技术，通过（guò）强大的信（xìn）息处理能力整合（hé）各（gè）类网络资源，高质量的网络传（chuán）输（shū）保证（zhèng）网络的及时响应。但针对（duì）卫星（xīng）网（wǎng）络的特殊性，在（zài）安全性、一致性及空间可实现性方面（miàn）也提出了较高要求，包括各管控系统的安全防（fáng）护（hù）、各系统之间（jiān）的高效协同（tóng）问题都亟待解决。因此基于该（gāi）架构的卫星网络管（guǎn）控（kòng）能力实现将是逐步推进、持续演进的。

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