摘 要（yào）：针（zhēn）对高（gāo）低轨混合卫（wèi）星网络的特点，探（tàn）索卫星（xīng）运控、网络管控等功能的整合机制，提出基于（yú）统一管控平面的天地一体管控（kòng）架构，包（bāo）括系统组（zǔ）成、运（yùn）行机制、技术体制等，并分析了该（gāi）管控架构优点（diǎn）及工程实现所面临的（de）困难。

　　关键词: 高低轨混合（hé）卫星（xīng）网络（luò）； 网（wǎng）络（luò）管控架构；资源调度和协同应用

引 言

　　高（gāo）低（dī）轨（guǐ）卫星在（zài）覆盖范围（wéi）、服务质量以（yǐ）及系统建设部署等方面具有各自的特点，不少（shǎo）典型的通（tōng）信、导航等卫星系统采（cǎi）用高低（dī）轨混（hún）合的星座结（jié）构（gòu）实现全球（qiú）服务，提供差异化、个性化的服（fú）务能（néng）力（lì）[1][2]。以高（gāo）低轨混合星座（zuò）的全（quán）球卫星通（tōng）信系统为例，该类（lèi）卫星网络具有时空跨（kuà）度大、节（jiē）点分布（bù）动态变化、异质（zhì）异（yì）构（gòu）节点组网、节点传输与处（chù）理资源有限等特点（diǎn），不仅在扩展性、移动性、安全性等方面具有（yǒu）突出的（de）问题（tí），同（tóng）时在网络管理控制方面（miàn）也面临巨大挑战：

• 　　一（yī）方面（miàn），需要管（guǎn）理（lǐ）的网（wǎng）络设备（bèi）和（hé）业务服务规模（mó）大幅（fú）增（zēng）加（jiā），管理对象不仅包括天（tiān）地（dì）网络设施以及终端，还包括频（pín）率、功率、带宽以及地址、标识等资源（yuán）；

• 　　另一方面，我国目前无（wú）法（fǎ）实现全球布站，单一依赖地基管理系统难以（yǐ）满足（zú）网络（luò）精细化、实时性的管控需求。

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

　　1.高低轨混合（hé）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（wèi）星网络组成（chéng）示意[1]。该（gāi）卫星网络由天基骨干网、天基接（jiē）入（rù）网（wǎng）和地基节点网（wǎng）组成，其（qí）中（zhōng）天基骨干网由布设（shè）在地球同步轨道的节（jiē）点组（zǔ）成，节点之（zhī）间通（tōng）过高（gāo）速的激光星（xīng）间链路互联（lián）互（hù）通，形成覆盖全球的（de）天基信息高速公路；天（tiān）基接入网由布设在低轨的节点（diǎn）组成，为各类（lèi）用（yòng）户提供宽带接入、移动通信等服务；地基节点网主要由（yóu）多个地基（jī）节点互联而成，支（zhī）持空间数据（jù）落地、信息应（yīng）用（yòng）服务（wù）、地（dì）面网络互联等功能（néng）。相比传统的卫星通信系统，该（gāi）卫星网络具有体系结构复杂（zá）、拓扑动态变化等特点，从而使得网络的管理需求复杂且实现难度高（gāo），主要体现（xiàn）在以下几个方面：

（1）管控对象（xiàng）复杂多样

　　网络管控对象（xiàng）涉及（jí）高轨、低轨以及（jí）地基等各类节（jiē）点，通过组网（wǎng）使得各（gè）节点互联形成“一张网（wǎng）”，节点数量众多且功能各异，网络服务弹性可变导致节点载荷功（gōng）能复（fù）杂，不仅要实现天地网（wǎng）络设备状态及参数管控（kòng）外，还要实现频（pín）率、功（gōng）率（lǜ）、带宽以及地址、标识等网（wǎng）络“软”资（zī）源的管控，管控信（xìn）息（xī）急剧（jù）增加。

（2）网络资源精细化、实时性调度（dù）要求高

　　网络提供面向用户（hù）的随遇（yù）接入、按（àn）需服务（wù）的保障能力，对（duì）网络资源精细化、实时性调（diào）度要求（qiú）较高。一方面通过全（quán）球（qiú）布（bù）站（zhàn）的方式提高网（wǎng）络管控（kòng）能力需实（shí）现较为复杂（zá）的协（xié）调（diào），而另一方面星上处理能（néng）力有限（xiàn）以及（jí）网络安全性要求也制约着网络功能从地面向天基（jī）的迁移，因（yīn）此在网络工程（chéng）建（jiàn）设（shè）及实际运行中，如何优（yōu）化（huà）星地功能分配，发挥网络星地协（xié）同、多星协同的（de）优势，是（shì）高低轨混合卫星网（wǎng）络管（guǎn）控系统（tǒng）设计的主要难点。

图1 天地一体化网络系统架构

（3）面向应用驱动（dòng）的管（guǎn）控需（xū）求（qiú）：

　　面（miàn）向（xiàng）全球（qiú）服务的卫星通信网络由传统的（de）专用（yòng）系统向公共网络基础设（shè）施（shī）发展，需为不同（tóng）的民商用户提供不同等级的网（wǎng）络服务，将同时承载各（gè）类差异化的用户业务，如（rú）话音通（tōng）信、宽带（dài）接入、数（shù）据中继以及天（tiān）基物联等，各类业务对服务质量及网（wǎng）络（luò）资源要求各异。因此传统面向网元的管理模式（shì）难以（yǐ）为多并发用户（hù）应用提供（gòng）高效高质量（liàng）网络服务，需（xū）结合（hé）网（wǎng）络特（tè）点提出（chū）面向应（yīng）用（yòng）驱动的天地一体网络管控架（jià）构（gòu），实现网络灵活控（kòng）制以及用户服（fú）务快（kuài）速响（xiǎng）应。

　　2 天基（jī）信息网络管（guǎn）控系统（tǒng）发展现状

　　随着天基（jī）信息网络快速发展，网络（luò）管控系（xì）统的（de）研（yán）究也持（chí）续深入。美军提出的以天（tiān）、地骨（gǔ）干网络为核（hé）心的（de）“三层多域”的全球信息（xī）栅格（GIG）设计（jì）并构（gòu）建了面向陆、海（hǎi）、空、天网络一体化管理的四级体系。海事卫星的管控系（xì）统主要分为两级，一（yī）级（jí）为伦敦的网络操作中（zhōng）心（NOC，Network Operation Center），NOC负（fù）责海事卫星（xīng）的平台和载（zǎi）荷管理，以及地面站的（de）频率分（fèn）配，对全（quán）网的资源进（jìn）行（háng）统一（yī）的（de）维护调度[3][4]；二级由各地（dì）面关口站组成，负责对应卫星的通信管理、运行维护和业务支撑。

　　OneWeb系统的管控主（zhǔ）要由卫星控制中心（主备双中心）、网络（luò）运行控制中心（主备双中心），以及遍布全球的五十余个信关站来完成（chéng）[5]，其中，卫星（xīng）控（kòng）制（zhì）中心主要负责卫星飞行动力、任务规划、地面站控制（zhì）等，网（wǎng）络（luò）控（kòng）制中心主要负（fù）责（zé）通信网络资源统一管理（lǐ）与动态调配，信关站是网络用户（hù）接入地面网络的互（hù）联关（guān）口。

　　国（guó）内也积极加（jiā）强卫星通信系统管控系统建（jiàn）设，其架（jià）构经（jīng）历了由设（shè）备监控、通信（xìn）网络（luò）管理（lǐ）、星地一体化管控的（de）历程，初步形成三级分布式的管理构架，并建设了一批（pī）具备自主可控能力的（de）管控系统[6][7]。天基网络管控系统的建设趋于集约化发展，技术也趋（qū）于（yú）自主化、智能化发展，提高系统的管控效率，针对多样化网络业务和用户应（yīng）用的（de）自（zì）动化管（guǎn）控能力增强（qiáng）。

　　随着星上处理能力（lì）的增强，卫星载荷也能实现（xiàn）部（bù）分（fèn）控制功能（néng）。J.Bao在论文中提出集中式的管控架构OpenSAN[8][9]，将数据（jù）层（céng）（卫星设备）和控制（zhì）层（控制卫星（xīng））分离开，将控制层部署于地球同步轨道卫星（xīng）（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网络中的卫（wèi）星进行管控（kòng），从而无法（fǎ）全球建站的情况下实现（xiàn）卫星（xīng）的全（quán）程管控，如图2所示。这种将控制与转发（fā）分离的思想应用（yòng）于空间网络的设计被（bèi）称为软（ruǎn）件定义卫星（xīng）网络[10]，以（yǐ）解决传统（tǒng）空（kōng）间网络连接和重配（pèi）置的时延较大，数据（jù）传输不灵活（huó）的问题。

图（tú）2 传统管控架构与（yǔ）集中式管控架构对（duì）比

　　综上所述（shù），在卫星网络中（zhōng）分离（lí）数据转（zhuǎn）发、管理控制（zhì）功能（néng）[11][12][13]，建立管控平面，由专有（yǒu）设备（bèi）来部署控制策略，实现复杂卫（wèi）星（xīng）网（wǎng）络的管（guǎn）理控（kòng）制、运行（háng）维护、运营（yíng）服务等能力，体现了天基网络管控系（xì）统当前发展的（de）重要趋势。

　　3 基于统（tǒng）一管控平面的管（guǎn）控架构（gòu）设（shè）计

　　借鉴地面网络管控架构，参考软件定义卫星，本文提出（chū）了（le）一种高低（dī）轨混合（hé）卫星网（wǎng）络管控架构。该架（jià）构采用统一的管控平面，将高、低轨卫星和地面（miàn）站均作为（wéi）网络节点进行统一管理，实现各类型卫星平台、载荷（hé）以（yǐ）及网络资源的统一、集中控制（zhì），如图3所（suǒ）示（shì）。

　　该管控架构将网络从（cóng）功能（néng）层面分为数据平面、控制平面和管理平（píng）面：

图3 高低轨（guǐ）混合卫星网络管控架构

　　管理平面和控制平（píng）面共同构成网络的管控平面，整合卫（wèi）星测控（kòng）、运控、网管（guǎn）及（jí）网控等（děng）功能，实现卫星控制功（gōng）能统一化、网络管理功能集中化。其中管理（lǐ）平面（miàn）根据网（wǎng）络规划和资源调度对卫星节点和（hé）地（dì）基节（jiē）点（diǎn）中的网络资源（接入（rù）资源和路由转发资源）进行预分配和动（dòng）态调整，并将与业务处理密切相关的无线资源分配、移动性管理、转发控（kòng）制等控制功能直（zhí）接（jiē）部署于控（kòng）制平（píng）面。管理平面和控制平面协同工作，实现网（wǎng）络（luò）资源细粒度的实时分（fèn）配，确保网络（luò）可（kě）靠（kào）、高（gāo）效的运行，如图4所示。

图4 网络管控（kòng）功能运行模式

　　管控平面的信息交互依赖于管控通道。传统卫星网络的管（guǎn）控通道由测（cè）控通道或者业务通（tōng）道组成（chéng），采用相应的测控协议或者网管（guǎn）协议。该管控（kòng）架构设计（jì）统一管控通道，即由（yóu）中心及代理（lǐ）构成的（de）网（wǎng）管（guǎn）网，由代理统一（yī）采集卫星运控（kòng）、测（cè）控、网络（luò）信（xìn）息，汇聚后经管（guǎn）控通道（dào）传输（shū）至中心。中心与代理之间（jiān）采（cǎi）用基于统一的管控协（xié）议，主要包括通信模型（xíng）、信息模型，其中通信模（mó）型（xíng）定（dìng）义中心与代理之间的数据交互流程和通信（xìn）原语，降低（dī）协议报文开销并满（mǎn）足不断演（yǎn）进的管控功能（néng）需求（qiú）；信息（xī）模型，定义被管信（xìn）息的统一描述语（yǔ）言，统一定义网络和设备的管控信息库，实现（xiàn）天地管控数据的统一描述和适配。

　　管（guǎn）控平面的（de）物理部（bù）署于地基节（jiē）点（diǎn）和卫（wèi）星节点上，部署于地基节点的管理系统实现全网（wǎng）的（de）统筹管（guǎn）理和（hé）各控制系统之（zhī）间的协同工作，提高资（zī）源（yuán）利用率、避免指令冲突。部署（shǔ）于卫星节点和地基（jī）节点（diǎn）的控制系统受控于（yú）管理系统，负责网络的实（shí）时控制（zhì），通过星（xīng）上处理减少天（tiān）地（dì）之间（jiān）控制信息的交互，提高网络控制（zhì）响应（yīng）的时效性及星地、星间协（xié）同（tóng）能力。星地管控系统协同配合，地（dì）面管控系（xì）统和天基骨干节（jiē）点共同实现管控信息（xī）网（wǎng）络化采（cǎi）集、网（wǎng）络（luò）化存储及管控功能网络化（huà）部署，为卫星（xīng）网络的管控（kòng）系统“云化”提（tí）供支（zhī）撑，如图5所（suǒ）示。

图5 管控平（píng）面部署示意

　　4 实现（xiàn）困难

　　该管（guǎn）控架构可有效解（jiě）决卫星网络各类节点的异（yì）质异构性和资（zī）源动态（tài）性（xìng）带来的管理挑战，便于复杂（zá）的管理策略（luè）部署及灵活调整，满（mǎn）足（zú）细粒度的管理需求，也有利于新技术的应用和升级。但是，该（gāi）管控架构在技术实现上还面临着许多亟待解决的问题，主要包（bāo）括以下几个方面（miàn）：

（1） 管（guǎn）控平面的安全（quán）性

　　统一管控平面将卫星控制和网络管理统一整合，管控平（píng）面将（jiāng）获取（qǔ）并存储全网（wǎng）信息，控制（zhì）网络行为，管理网络状态。相对于传统（tǒng）的分布（bù）式网（wǎng）络架构，集中化（huà）的管控平面将成为网（wǎng）络的薄弱环节，降低网络管（guǎn）理控制的（de）安全性（xìng）和鲁棒性。

（2） 管控逻辑的一致（zhì）性

　　统一管控（kòng）平面（miàn）的架构虽然将管控功能集中化处理，但本质上还是分（fèn）布式（shì）和（hé）异步操作的。针对卫星（xīng）网络（luò）拓（tuò）扑及传输路径（jìng）动态变化等（děng）特点，网络化的管控对管控信息传输的（de）时序控制（zhì）以及网（wǎng）络节点时间同步（bù）提出了更高要求。

（3） 管（guǎn）控平面（miàn）的（de）可实现性

　　本架构提出的（de）管控（kòng）平面将一（yī）部分（fèn）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，提（tí）升网络管控的（de）时效性（xìng）及被管节点管控接口的标准（zhǔn）化水平，但需要卫星节点提（tí）供较强的计算、存储资源，并保证具备与传统卫星管控（如星（xīng）务计算机、测控应答（dá）机等）相（xiàng）当的高可靠、长寿命要求。

　　结 语（yǔ）

　　天基信息网络正处（chù）在（zài）高速发（fā）展（zhǎn）的阶段，可靠有（yǒu）效的管控手段是（shì）网络高效（xiào）运行的前提。采用统一管控平（píng）面的管控架构是未（wèi）来天基网络（luò）管（guǎn）理的（de）解决思路（lù），日益（yì）增强的（de）星上处理（lǐ）能力以（yǐ）及地面先（xiān）进网络技术也为该架构的实现提供了可能，如云架（jià）构、边缘计（jì）算、高可靠低时延（yán）网络以及微系统（tǒng）等技术，通（tōng）过强（qiáng）大的（de）信息处（chù）理能力整（zhěng）合各（gè）类网（wǎng）络资源，高质量的网络传输保证网络的（de）及（jí）时响（xiǎng）应（yīng）。但针对卫星网络的（de）特殊性，在安全性、一致性及空间可（kě）实现性方（fāng）面也提出了较高要求，包括（kuò）各管（guǎn）控系统的安全防护、各系统之间（jiān）的高效协（xié）同问（wèn）题都（dōu）亟待解决。因此（cǐ）基于该架构（gòu）的卫星网（wǎng）络管（guǎn）控能力实现将是逐（zhú）步推进、持续（xù）演进的。

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