“星融網”體系結構與核心技術初探

航天技術的不斷進步為信息技術的發展注入了強大動力，提供了廣闊空間。實現從“數字地球”到“數字宇宙”的跨越也因此變得更加可行。以系統工程思想為引領，充分利用各類衛星資源，融合天基、空基、地基網絡，構建突破傳統互聯網的新型網絡架構——“星融網”適逢其時，非常必要，技術可行。

一、“星融網”提出的背景

目前，互聯網是地球上規模最大、覆蓋最廣、資源最多的計算機信息網絡。每天有數以億計的人們在全球的各個地方、各種領域使用著互聯網。毋庸置疑，互聯網已是當今人們日常生活中不可或缺的一部分，越來越深刻地影響著人們生活、學習以及生活方式，甚至整個社會的進程。

盡管如此，隨著人們對實時互聯互通要求的持續增長，以及信息技術尤其是天基信息系統技術的不斷發展，傳統互聯網已經呈現出越來越多的局限性和不適應性。一是網絡設施和內容分布的不均衡。在發達地區網絡基礎設施建設齊全，信息更新速度快，然而由於傳統的地面鏈路難以覆蓋高山、海洋、海島等一些復雜地形，導致傳輸信息難，抗自然災害能力差，邊遠地區網絡設施相對稀少，無法達到完全覆蓋，同時在航空以及海洋上也同樣缺乏網絡條件﹔二是網絡速度和用戶日益增長的帶寬需求之間的不對等。互聯網大規模商用，導致信息數據量爆炸性增長，使得互聯網骨干網阻塞，內容分發、傳遞速度慢等諸多問題頻發﹔三是遠程接入不易，過於依賴光纖網絡進行鏈接。盡管“光纖網絡”帶寬較大，對信號損耗極低，傳輸保密性好，難以竊聽，但光纖質地脆弱，容易折斷，連接困難，價格昂貴。

因此，運用系統工程的思想，充分利用天基、空基、地基信息系統的優勢，從更高的起點上規劃和建立一種替代性顛覆式全球互聯互通網絡迫在眉睫。“星融網”正是基於這樣的需求而提出的一種新型的未來全球全域網絡架構。

“星融網”以天基網絡為主體，將覆蓋全球的多種類型衛星融入其中，同空域和地面多種通信平台建立連接，形成一體化大容量信息網絡，整合天、空、地多種網絡資源共同為用戶提供高質量網絡接入。

二、相關領域發展現狀

當前，世界各國在天基互聯網等相關領域紛紛提出、布局或實施多項計劃。

美國衛訊公司的下一代大容量寬帶衛星 ViaSat-2，於2017年6月1日成功發射，該衛星主要用於提供高容量的寬帶通信和廣泛的覆蓋，通過與地面基站相互配合提供更高速度的固定和移動寬帶服務。ViaSat-2的總吞吐容量大約為 350Gbit/s，能夠以25Mbit/s的速率為250萬用戶提供寬帶服務，Viasat-3 的“三星”計劃也已公布，每顆衛星預計容量將達1 Tbit/s，從 2019 年開始覆蓋全球，服務目標定位於亞太地區，與ViaSat-1和ViaSat-2共同完成全球范圍服務。

歐洲O3b公司運營寬帶星座衛星通信系統O3b系統，是世界上第一個中軌道通信星座，有“空中光纖”之稱，由互聯網巨頭谷歌推動，旨在“為地球上另外 30 億人提供網絡服務”，致力於為地面通信不方便達到的區域提供網絡接入。該系統由12顆衛星構成初始星座，單星質量低於700kg，設計壽命10年，運行於8062km的中圓軌道，採用星形組網方式，能夠覆蓋南北緯45°范圍內的全球所有地方。O3b星座系統可以為亞洲、非洲、南美洲和大洋洲地區提供遠程通話和互聯網服務，低時延加上高容量Ka頻段資源，O3b星座系統提供的新型遠程信息交互服務的速度可以達到與光纖網絡同等的程度。

OneWeb公司自2000年以來一直致力於通過衛星提供寬帶互聯網，並啟動世界上最大的衛星互聯網計劃。OneWeb計劃用非地球靜止衛星軌道（Non-geostationary Satellite Orbit，簡稱NGSO）技術發射720顆低地球軌道衛星，以提供全球高速寬帶。目標是到2022年為每一個目前不連網的學校提供互聯網接入，到2027年彌合數字鴻溝。據悉，美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commission，簡稱FCC）已授權OneWeb，批准其在美國使用其衛星提供互聯網服務。One Web的第一代低軌星座設計方案，包含648顆在軌衛星與234顆備份衛星，總數達882顆，工作頻段為 Ku 頻段，單星吞吐量大於 6 Gbit/s，系統總吞吐量 5 Tbit/s左右。這些衛星將被均勻放置在不同的極地軌道面上，距離地面僅1200公裡左右。衛星以高速圍繞地球運動，不同的衛星不斷交替出現在某個區域的上空，從而保障該區域內的信號覆蓋。如果計劃進展順利，該星座將在2019年開始運作。

太空探索公司（SpaceX）發布了 Stream 互聯網星座計劃。在2017年5月表示計劃從2019年開始建設衛星互聯網，到2024年建立起由大量近地小衛星組成的網絡，從太空向地球提供高速互聯網接入服務。從申報的情況來看，衛星數量達4000多顆，使用Ku和Ka頻段，運行在 43 個軌道面。此外，SpaceX還通過美國無線電通信委員會（FCC）向ITU申報了6∼8顆Ku頻段試驗星，首發星MicroSat-1a和MicroSat-1b預計壽命1年，運行在軌道傾角為86.6°、軌道高度為625 km的圓軌道。

全球展開互聯網太空競賽時，中國的衛星發展也在火速跟進當中。為了推動中國寬帶衛星互聯網的發展，《中國制造2025》中，明確提出“發展新型衛星等空間平台與有效載荷、空天地寬帶互聯網系統，形成長期持續穩定的衛星遙感、通信、導航等空間信息服務能力”。

2016年8月6日，我國成功發射天通一號01星，該星是我國首顆S頻段移動通信衛星，將與地面移動通信系統共同構成移動通信網絡，為中國及周邊、中東、非洲等相關地區，以及太平洋、印度洋大部分海域的用戶提供語音、短信及最高384kbit/s的互聯網接入服務。

2016年11月1日，中國首次啟動“全球寬帶衛星通信系統”計劃，屆時不僅隨時隨地享受高速互聯網服務，傳輸價格也將顯著下降。中國航天科技集團公司所屬中國長城工業集團有限公司與香港亞太通信衛星有限公司、亞太衛星寬帶通信(深圳)有限公司，在珠海航展上簽署了《全球寬帶衛星通信系統採購意向書》及亞太6D衛星在軌交付合同。全球寬帶衛星通信系統的首發星是亞太6D寬帶通信衛星，將於2019年前發射使用，該衛星採用東方紅四號增強型平台，是目前“東四”系列衛星中設計最復雜、技術最先進的一顆。

2017年4月12日，我國首顆Ka頻段高通量衛星“實踐十三號”發射升空。該星通信總容量達20Gbps，可同是接入30萬個用戶，超過我國之前所有研制發射的通信衛星容量總和，被譽為“超級空中路由器”，真正意義上實現了我國自主通信衛星的寬帶應用，標志著我國衛星通信進入高通量時代。據悉在未來3年，中國將利用“實踐十三號”高通量通信衛星組成高寬帶移動通信系統，覆蓋大部分地區和近海海域，使得在高鐵、飛機、遠洋郵輪等地面網絡覆蓋相對薄弱的區域高速上網也成為現實。中星18號衛星計劃於2019年發射，滿足“一帶一路”沿線國家和地區覆蓋，提供衛星Ku常規通信業務、Ka寬帶通信業務和Ka廣播通信試驗服務。

總觀全球，目前寬帶衛星互聯網的發展處於基礎建設起步階段。雖已有一定的衛星資源基礎，但尚未與空域、地面網絡建立穩定的鏈接並提供高質量的服務。因此，目前“星融網”的研究與發展的迫切需求與關鍵問題在於如何科學設計和構建這一網絡。

三、星融網的體系架構設想

科學構建和實現“星融網”是一項艱巨的挑戰，“星融網”節點類型眾多，在天、空、地運行的不同節點的功能、接入傳輸的能力迥異，使其成為一個高度異構、動態復雜的巨系統。

“星融網”的網絡架構主要由天基、空基、地基三部分網絡融合組成。其中，天基網絡包含天基主干網和天基接入網兩部分，天基主干網由高軌衛星組成，通過無線通信技術建立高容量星間鏈路、星地鏈路實現星間、星地互聯，提供全球覆蓋高速數據傳輸和信息交互﹔天基接入網由高軌、中軌或低軌衛星星座網絡為基礎構建，完成數據端到端快速傳輸，滿足各層次網絡用戶的接入需求。空基網絡主要以高空平台、臨近空間浮空器、航空器等為載體，共同組建高速、靈活全天候的空域傳輸網絡，連接天基和地基起到承上啟下的作用。地基網絡主要以地面傳統互聯網、移動通信網為核心面向用戶提供網絡接入服務，同時配套衛星地面數據中心收發並綜合處理衛星傳回的海量數據。

“星融網”以天基網絡為主體，融入空基、地基網絡，充分利用衛星通信系統覆蓋范圍廣、通信容量大、機動靈活等優勢，拓展網絡服務范圍，提升網絡服務能力。同時，“星融網”是一個高度綜合性、立體化的異構網絡系統，融合多種功能，網絡結構動態可變，信息交換一體化，完全打破了原有獨立網絡系統間數據共享的壁壘，綜合有效地利用各種資源，為用戶提供全方位的網絡支持。

四、核心問題

隨著寬帶衛星通信系統以及空間信息網絡技術的發展，全球互聯互通的需求從地面網絡拓展到空基網絡乃至天基網絡，並且呈現出“異構化、無縫化、寬帶化”的發展趨勢，即通過多網融合實現在不同網絡之間自動切換隨意接入，提供隨時隨地全覆蓋的高質量高水平通信，滿足人們寬帶接入享受高速上網。“星融網”正是運用系統工程理論方法，以天基系統為基礎，統籌天空地網絡資源，滿足全球全域網絡接入需求，支持實時採集、傳輸、處理海量數據，為各種環境條件下的用戶提供全面覆蓋、機動靈活、安全可靠的一體化互聯互通服務。

與現有的基礎網絡相比，“星融網”的應用環境更復雜，應用范圍更廣闊，該網絡獨有的技術特點也增加了系統設計和實現的難度。其核心技術難點主要體現在以下幾個方面：

（一）網絡系統架構設計

“星融網”是一個復雜巨系統，總體架構設計的好壞決定了系統的可靠性、易用性、抗毀性。在系統構成中，“星融網”包含了天、空、地多種網絡中各種類型節點，節點數量、位置、分布以及相互關系如何按需設計﹔在網絡結構中，拓扑動態多變，異構網絡如何融合連通快速切換﹔在功能服務中，面向不同用戶、終端、業務、應用場景，網絡接入和信息傳輸如何按需調整，這些都在不同程度上影響著整個網絡的規劃與設計，需要在頂層設計中進行充分考量。因此，在構建“星融網”的過程中，需要綜合運用系統工程的方法，從整個網絡的角度進行全方位、多層次地統籌設計，從而保証 “星融網”一體化網絡合理有效的應用。

（二）網絡拓扑結構動態變化

“星融網”各層網絡中的部分節點具有移動性，例如，航天、航空相關平台節點相對地面高速移動，地面節點用戶時常變換，衛星、地面站、用戶終端之間無法建立固定的鏈接關系。節點空間位置頻繁發生變化，不同網絡之間規模差異巨大，增加了網絡的不規則性、不確定性，網絡拓扑結構變得動態復雜。 拓扑結構的動態變化會導致傳輸鏈路誤碼率加大，鏈路傳輸時延增加，鏈路中斷率升高，最終造成數據丟失、資源消耗、傳輸效率降低。並且，動態網絡拓扑對路由策略的高效性也是一大考驗，已有的動態路由算法雖適用於地面環境，但對於拓扑變化極快的星座則顯得不太適用。因此，應當在現有的互聯網關鍵技術的基礎上，面向“星融網”開展多層立體式動態拓扑結構和適用於大時空尺度的高效路由策略研究。

（三）互聯互通數據融合

“星融網”主要是對天、空、地多種網絡融合，實現數據的多維度採集，集中式處理，綜合化應用。目前天、空、地網絡節點種類繁多，拓扑動態變化強，每個網絡相對獨立，功能專用，網絡之間空間跨度大，缺少適用於所有網絡的通信規則和網絡協議，並且海量數據之間存在不同網絡系統數據共享的壁壘。隨著對多維綜合信息資源需求的日益提升，任何單一維度上的信息利用都無法滿足全方位的需求，隻有將現有的基礎設施和網絡資源進行融合，才有利於實現全球網絡無縫覆蓋、信息互聯互通。因此，應當在異構網絡相互之間的連接方式、接入管理、高速交換、資源管理等技術上進行針對性研究。

（四）網絡安全技術保障中的問題

“星融網”是一種跨天、空、地的多層次分布式網絡，該網絡具有高度開放性和異構性，從而使得它更容易受到竊聽、假冒、干擾、信息重放、物理損傷等手段的攻擊和破壞。一方面，衛星節點、地面站等基礎設施直接暴露在自然環境中，網絡傳輸鏈路對外開放，諸多不可抗自然因素以及人為或電磁信號干擾都會不同程度地影響數據傳輸甚至中斷，導致數據面臨被竊取、泄露的威脅。另一方面，攻擊者很容易利用網絡節點動態接入的特性冒充合法身份接入到網絡，進行病毒植入、偽造路由消息等惡意操作，極大地破壞網絡安全性。因此，為了保障整體網絡安全運行，需要加強對“星融網”的網絡安全體系結構和安全技術研究，滿足網絡融合條件下端到端跨域安全傳輸。

五、結束語

我國航天事業的發展為“星融網”建設奠定了良好基礎，全球全域互聯互通的迫切需求為“星融網”的發展提供了良好的機遇。

新時代，新征程，新機遇。深入論証，統籌規劃，分步實施“星融網”對構建我國自主可控的網絡體系，推進網信事業發展邁向新高度具有重要意義，我們要抓住機遇，迅速啟動，搶佔先機。 

（來源：《網信軍民融合》2017年10月刊）