“星融网”体系结构与核心技术初探

航天技术的不断进步为信息技术的发展注入了强大动力，提供了广阔空间。实现从“数字地球”到“数字宇宙”的跨越也因此变得更加可行。以系统工程思想为引领，充分利用各类卫星资源，融合天基、空基、地基网络，构建突破传统互联网的新型网络架构——“星融网”适逢其时，非常必要，技术可行。

一、“星融网”提出的背景

目前，互联网是地球上规模最大、覆盖最广、资源最多的计算机信息网络。每天有数以亿计的人们在全球的各个地方、各种领域使用着互联网。毋庸置疑，互联网已是当今人们日常生活中不可或缺的一部分，越来越深刻地影响着人们生活、学习以及生活方式，甚至整个社会的进程。

尽管如此，随着人们对实时互联互通要求的持续增长，以及信息技术尤其是天基信息系统技术的不断发展，传统互联网已经呈现出越来越多的局限性和不适应性。一是网络设施和内容分布的不均衡。在发达地区网络基础设施建设齐全，信息更新速度快，然而由于传统的地面链路难以覆盖高山、海洋、海岛等一些复杂地形，导致传输信息难，抗自然灾害能力差，边远地区网络设施相对稀少，无法达到完全覆盖，同时在航空以及海洋上也同样缺乏网络条件；二是网络速度和用户日益增长的带宽需求之间的不对等。互联网大规模商用，导致信息数据量爆炸性增长，使得互联网骨干网阻塞，内容分发、传递速度慢等诸多问题频发；三是远程接入不易，过于依赖光纤网络进行链接。尽管“光纤网络”带宽较大，对信号损耗极低，传输保密性好，难以窃听，但光纤质地脆弱，容易折断，连接困难，价格昂贵。

因此，运用系统工程的思想，充分利用天基、空基、地基信息系统的优势，从更高的起点上规划和建立一种替代性颠覆式全球互联互通网络迫在眉睫。“星融网”正是基于这样的需求而提出的一种新型的未来全球全域网络架构。

“星融网”以天基网络为主体，将覆盖全球的多种类型卫星融入其中，同空域和地面多种通信平台建立连接，形成一体化大容量信息网络，整合天、空、地多种网络资源共同为用户提供高质量网络接入。

二、相关领域发展现状

当前，世界各国在天基互联网等相关领域纷纷提出、布局或实施多项计划。

美国卫讯公司的下一代大容量宽带卫星 ViaSat-2，于2017年6月1日成功发射，该卫星主要用于提供高容量的宽带通信和广泛的覆盖，通过与地面基站相互配合提供更高速度的固定和移动宽带服务。ViaSat-2的总吞吐容量大约为 350Gbit/s，能够以25Mbit/s的速率为250万用户提供宽带服务，Viasat-3 的“三星”计划也已公布，每颗卫星预计容量将达1 Tbit/s，从 2019 年开始覆盖全球，服务目标定位于亚太地区，与ViaSat-1和ViaSat-2共同完成全球范围服务。

欧洲O3b公司运营宽带星座卫星通信系统O3b系统，是世界上第一个中轨道通信星座，有“空中光纤”之称，由互联网巨头谷歌推动，旨在“为地球上另外 30 亿人提供网络服务”，致力于为地面通信不方便达到的区域提供网络接入。该系统由12颗卫星构成初始星座，单星质量低于700kg，设计寿命10年，运行于8062km的中圆轨道，采用星形组网方式，能够覆盖南北纬45°范围内的全球所有地方。O3b星座系统可以为亚洲、非洲、南美洲和大洋洲地区提供远程通话和互联网服务，低时延加上高容量Ka频段资源，O3b星座系统提供的新型远程信息交互服务的速度可以达到与光纤网络同等的程度。

OneWeb公司自2000年以来一直致力于通过卫星提供宽带互联网，并启动世界上最大的卫星互联网计划。OneWeb计划用非地球静止卫星轨道（Non-geostationary Satellite Orbit，简称NGSO）技术发射720颗低地球轨道卫星，以提供全球高速宽带。目标是到2022年为每一个目前不连网的学校提供互联网接入，到2027年弥合数字鸿沟。据悉，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，简称FCC）已授权OneWeb，批准其在美国使用其卫星提供互联网服务。One Web的第一代低轨星座设计方案，包含648颗在轨卫星与234颗备份卫星，总数达882颗，工作频段为 Ku 频段，单星吞吐量大于 6 Gbit/s，系统总吞吐量 5 Tbit/s左右。这些卫星将被均匀放置在不同的极地轨道面上，距离地面仅1200公里左右。卫星以高速围绕地球运动，不同的卫星不断交替出现在某个区域的上空，从而保障该区域内的信号覆盖。如果计划进展顺利，该星座将在2019年开始运作。

太空探索公司（SpaceX）发布了 Stream 互联网星座计划。在2017年5月表示计划从2019年开始建设卫星互联网，到2024年建立起由大量近地小卫星组成的网络，从太空向地球提供高速互联网接入服务。从申报的情况来看，卫星数量达4000多颗，使用Ku和Ka频段，运行在 43 个轨道面。此外，SpaceX还通过美国无线电通信委员会（FCC）向ITU申报了6～8颗Ku频段试验星，首发星MicroSat-1a和MicroSat-1b预计寿命1年，运行在轨道倾角为86.6°、轨道高度为625 km的圆轨道。

全球展开互联网太空竞赛时，中国的卫星发展也在火速跟进当中。为了推动中国宽带卫星互联网的发展，《中国制造2025》中，明确提出“发展新型卫星等空间平台与有效载荷、空天地宽带互联网系统，形成长期持续稳定的卫星遥感、通信、导航等空间信息服务能力”。

2016年8月6日，我国成功发射天通一号01星，该星是我国首颗S频段移动通信卫星，将与地面移动通信系统共同构成移动通信网络，为中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域的用户提供语音、短信及最高384kbit/s的互联网接入服务。

2016年11月1日，中国首次启动“全球宽带卫星通信系统”计划，届时不仅随时随地享受高速互联网服务，传输价格也将显著下降。中国航天科技集团公司所属中国长城工业集团有限公司与香港亚太通信卫星有限公司、亚太卫星宽带通信(深圳)有限公司，在珠海航展上签署了《全球宽带卫星通信系统采购意向书》及亚太6D卫星在轨交付合同。全球宽带卫星通信系统的首发星是亚太6D宽带通信卫星，将于2019年前发射使用，该卫星采用东方红四号增强型平台，是目前“东四”系列卫星中设计最复杂、技术最先进的一颗。

2017年4月12日，我国首颗Ka频段高通量卫星“实践十三号”发射升空。该星通信总容量达20Gbps，可同是接入30万个用户，超过我国之前所有研制发射的通信卫星容量总和，被誉为“超级空中路由器”，真正意义上实现了我国自主通信卫星的宽带应用，标志着我国卫星通信进入高通量时代。据悉在未来3年，中国将利用“实践十三号”高通量通信卫星组成高宽带移动通信系统，覆盖大部分地区和近海海域，使得在高铁、飞机、远洋邮轮等地面网络覆盖相对薄弱的区域高速上网也成为现实。中星18号卫星计划于2019年发射，满足“一带一路”沿线国家和地区覆盖，提供卫星Ku常规通信业务、Ka宽带通信业务和Ka广播通信试验服务。

总观全球，目前宽带卫星互联网的发展处于基础建设起步阶段。虽已有一定的卫星资源基础，但尚未与空域、地面网络建立稳定的链接并提供高质量的服务。因此，目前“星融网”的研究与发展的迫切需求与关键问题在于如何科学设计和构建这一网络。

三、星融网的体系架构设想

科学构建和实现“星融网”是一项艰巨的挑战，“星融网”节点类型众多，在天、空、地运行的不同节点的功能、接入传输的能力迥异，使其成为一个高度异构、动态复杂的巨系统。

“星融网”的网络架构主要由天基、空基、地基三部分网络融合组成。其中，天基网络包含天基主干网和天基接入网两部分，天基主干网由高轨卫星组成，通过无线通信技术建立高容量星间链路、星地链路实现星间、星地互联，提供全球覆盖高速数据传输和信息交互；天基接入网由高轨、中轨或低轨卫星星座网络为基础构建，完成数据端到端快速传输，满足各层次网络用户的接入需求。空基网络主要以高空平台、临近空间浮空器、航空器等为载体，共同组建高速、灵活全天候的空域传输网络，连接天基和地基起到承上启下的作用。地基网络主要以地面传统互联网、移动通信网为核心面向用户提供网络接入服务，同时配套卫星地面数据中心收发并综合处理卫星传回的海量数据。

“星融网”以天基网络为主体，融入空基、地基网络，充分利用卫星通信系统覆盖范围广、通信容量大、机动灵活等优势，拓展网络服务范围，提升网络服务能力。同时，“星融网”是一个高度综合性、立体化的异构网络系统，融合多种功能，网络结构动态可变，信息交换一体化，完全打破了原有独立网络系统间数据共享的壁垒，综合有效地利用各种资源，为用户提供全方位的网络支持。

四、核心问题

随着宽带卫星通信系统以及空间信息网络技术的发展，全球互联互通的需求从地面网络拓展到空基网络乃至天基网络，并且呈现出“异构化、无缝化、宽带化”的发展趋势，即通过多网融合实现在不同网络之间自动切换随意接入，提供随时随地全覆盖的高质量高水平通信，满足人们宽带接入享受高速上网。“星融网”正是运用系统工程理论方法，以天基系统为基础，统筹天空地网络资源，满足全球全域网络接入需求，支持实时采集、传输、处理海量数据，为各种环境条件下的用户提供全面覆盖、机动灵活、安全可靠的一体化互联互通服务。

与现有的基础网络相比，“星融网”的应用环境更复杂，应用范围更广阔，该网络独有的技术特点也增加了系统设计和实现的难度。其核心技术难点主要体现在以下几个方面：

（一）网络系统架构设计

“星融网”是一个复杂巨系统，总体架构设计的好坏决定了系统的可靠性、易用性、抗毁性。在系统构成中，“星融网”包含了天、空、地多种网络中各种类型节点，节点数量、位置、分布以及相互关系如何按需设计；在网络结构中，拓扑动态多变，异构网络如何融合连通快速切换；在功能服务中，面向不同用户、终端、业务、应用场景，网络接入和信息传输如何按需调整，这些都在不同程度上影响着整个网络的规划与设计，需要在顶层设计中进行充分考量。因此，在构建“星融网”的过程中，需要综合运用系统工程的方法，从整个网络的角度进行全方位、多层次地统筹设计，从而保证 “星融网”一体化网络合理有效的应用。

（二）网络拓扑结构动态变化

“星融网”各层网络中的部分节点具有移动性，例如，航天、航空相关平台节点相对地面高速移动，地面节点用户时常变换，卫星、地面站、用户终端之间无法建立固定的链接关系。节点空间位置频繁发生变化，不同网络之间规模差异巨大，增加了网络的不规则性、不确定性，网络拓扑结构变得动态复杂。 拓扑结构的动态变化会导致传输链路误码率加大，链路传输时延增加，链路中断率升高，最终造成数据丢失、资源消耗、传输效率降低。并且，动态网络拓扑对路由策略的高效性也是一大考验，已有的动态路由算法虽适用于地面环境，但对于拓扑变化极快的星座则显得不太适用。因此，应当在现有的互联网关键技术的基础上，面向“星融网”开展多层立体式动态拓扑结构和适用于大时空尺度的高效路由策略研究。

（三）互联互通数据融合

“星融网”主要是对天、空、地多种网络融合，实现数据的多维度采集，集中式处理，综合化应用。目前天、空、地网络节点种类繁多，拓扑动态变化强，每个网络相对独立，功能专用，网络之间空间跨度大，缺少适用于所有网络的通信规则和网络协议，并且海量数据之间存在不同网络系统数据共享的壁垒。随着对多维综合信息资源需求的日益提升，任何单一维度上的信息利用都无法满足全方位的需求，只有将现有的基础设施和网络资源进行融合，才有利于实现全球网络无缝覆盖、信息互联互通。因此，应当在异构网络相互之间的连接方式、接入管理、高速交换、资源管理等技术上进行针对性研究。

（四）网络安全技术保障中的问题

“星融网”是一种跨天、空、地的多层次分布式网络，该网络具有高度开放性和异构性，从而使得它更容易受到窃听、假冒、干扰、信息重放、物理损伤等手段的攻击和破坏。一方面，卫星节点、地面站等基础设施直接暴露在自然环境中，网络传输链路对外开放，诸多不可抗自然因素以及人为或电磁信号干扰都会不同程度地影响数据传输甚至中断，导致数据面临被窃取、泄露的威胁。另一方面，攻击者很容易利用网络节点动态接入的特性冒充合法身份接入到网络，进行病毒植入、伪造路由消息等恶意操作，极大地破坏网络安全性。因此，为了保障整体网络安全运行，需要加强对“星融网”的网络安全体系结构和安全技术研究，满足网络融合条件下端到端跨域安全传输。

五、结束语

我国航天事业的发展为“星融网”建设奠定了良好基础，全球全域互联互通的迫切需求为“星融网”的发展提供了良好的机遇。

新时代，新征程，新机遇。深入论证，统筹规划，分步实施“星融网”对构建我国自主可控的网络体系，推进网信事业发展迈向新高度具有重要意义，我们要抓住机遇，迅速启动，抢占先机。 

（来源：《网信军民融合》2017年10月刊）