摘（zhāi） 要：针（zhēn）对高低（dī）轨（guǐ）混合卫（wèi）星网络的特点，探索卫星运控、网络（luò）管控等功能的整合机制，提出基于（yú）统（tǒng）一管控平（píng）面的天地（dì）一体管控架构，包括系（xì）统（tǒng）组成、运行机制、技术体制等，并分析了该管控架构优点及（jí）工程（chéng）实现所面临的困难（nán）。

　　关（guān）键词: 高低轨（guǐ）混合卫星网络； 网络管控架（jià）构；资源调度和协同应（yīng）用

引 言（yán）

　　高低轨卫星在覆（fù）盖范围、服务（wù）质量以（yǐ）及系统建设部署等方面具（jù）有各（gè）自的特点（diǎn），不少典型的通信、导航等卫（wèi）星系统采（cǎi）用高（gāo）低（dī）轨（guǐ）混合的星座结构实现全球服务（wù），提供差异化、个性（xìng）化的服务（wù）能力[1][2]。以高低（dī）轨（guǐ）混合星座（zuò）的全球（qiú）卫星通信（xìn）系统为例，该类卫（wèi）星网络具有（yǒu）时（shí）空（kōng）跨度大、节（jiē）点分布动态变化（huà）、异（yì）质（zhì）异构节点组网（wǎng）、节点传（chuán）输与处理资源有限等特点，不仅在扩（kuò）展性（xìng）、移（yí）动性、安（ān）全（quán）性等方（fāng）面具有突出（chū）的问题，同时在网（wǎng）络管理控（kòng）制方面（miàn）也面临巨大挑战：

• 　　一方面，需要管理（lǐ）的网络设备（bèi）和业务服务规模大（dà）幅增加，管理对象不仅包括（kuò）天地网络设施以及终端，还包括频率、功（gōng）率、带（dài）宽以及地址（zhǐ）、标识等资源；

• 　　另一方面，我国目（mù）前无法实现全球布（bù）站，单一依赖地基管理系（xì）统难以满足网络精细（xì）化（huà）、实时性的管控需求。

　　综上所述，构建天地一体的管控系统是卫星网络（luò）实现全球服务、高（gāo）效（xiào）运（yùn）行的重要保障。

　　1.高低轨（guǐ）混合卫星网（wǎng）络管控面临的挑战

　　图1给出了一种应（yīng）用于全球通信服（fú）务的典型（xíng）卫星网络组（zǔ）成示意[1]。该（gāi）卫（wèi）星网络由天基骨干（gàn）网、天基（jī）接入网（wǎng）和地基节点网组成（chéng），其（qí）中天基骨干（gàn）网由布设在地（dì）球同步轨道（dào）的节点组成，节点之间通过高速的激光（guāng）星间链路（lù）互联互通，形成覆盖全球（qiú）的天基信（xìn）息高速公路（lù）；天（tiān）基接入（rù）网由布设在低轨的节点组成，为各（gè）类（lèi）用户提供宽带接入（rù）、移动通信等服务；地（dì）基节（jiē）点网主要由多（duō）个地基节（jiē）点互（hù）联而（ér）成，支持空间数据落地、信息应用服务、地面网络互联等功（gōng）能。相比传统的（de）卫（wèi）星（xīng）通信系统，该卫星网络具（jù）有体系结（jié）构复杂、拓扑动态变化等特（tè）点，从（cóng）而使得（dé）网络的管理需求复杂且实现难度高，主要体现（xiàn）在（zài）以下几个方（fāng）面（miàn）：

（1）管控对象复杂（zá）多样（yàng）

　　网（wǎng）络管控对象涉及高轨、低轨（guǐ）以及地（dì）基等各类（lèi）节点，通（tōng）过组（zǔ）网使得各节点互联（lián）形成“一张网（wǎng）”，节点（diǎn）数量众（zhòng）多且功能各（gè）异，网络（luò）服务弹性可（kě）变导致节点（diǎn）载（zǎi）荷功能复杂（zá），不仅要实（shí）现天地网络设（shè）备状态及参数管控外，还要（yào）实现频率、功率、带宽以及（jí）地（dì）址（zhǐ）、标识等网络“软”资（zī）源的（de）管控，管控信息（xī）急剧增加。

（2）网络资（zī）源精（jīng）细化、实时性调度要求高

　　网络提供面（miàn）向用户的（de）随遇接入、按需服务的保障能力，对（duì）网络（luò）资源精细化、实（shí）时性调度要求较（jiào）高。一（yī）方面通（tōng）过全球布站的方式提高网络管控能（néng）力需实现较为（wéi）复杂的（de）协调，而另一方面星上处理能力有限以及（jí）网络安全性（xìng）要求也制（zhì）约着网络功（gōng）能从地（dì）面（miàn）向（xiàng）天基的迁移，因（yīn）此（cǐ）在网络工程建设及实际运行中，如何（hé）优（yōu）化星地功能分配（pèi），发挥（huī）网（wǎng）络星地（dì）协同、多（duō）星协同的优（yōu）势（shì），是高（gāo）低轨（guǐ）混合卫星网络管控系统设计的主要难点（diǎn）。

图1 天地一体化网络系（xì）统架构

（3）面向（xiàng）应用驱（qū）动的（de）管控需求（qiú）：

　　面向全球服务（wù）的卫星通信网络（luò）由传（chuán）统的专用系统向（xiàng）公共网络（luò）基础（chǔ）设施发（fā）展，需为不同的民商用（yòng）户提（tí）供不同等级的网络（luò）服务，将（jiāng）同时承载各类差异化的用（yòng）户业务，如（rú）话音通信（xìn）、宽带接入（rù）、数据中继以及（jí）天基物联等（děng），各类业务对服务质量及网络资源要求各（gè）异。因此传统面向网元的管理模式难（nán）以为多并发用户应用提供高效高质量网络（luò）服（fú）务（wù），需结（jié）合网（wǎng）络（luò）特点提（tí）出面向应用驱动的天地一体网络（luò）管控架构，实现网络灵活控制以（yǐ）及用（yòng）户服务快速响应。

　　2 天基信息网络管控系统发展现（xiàn）状

　　随着天基信息网络快速发展，网络管控系统的（de）研究（jiū）也持续深（shēn）入。美军提出的（de）以天、地骨干网（wǎng）络（luò）为核心的（de）“三层（céng）多域”的全球信息栅格（GIG）设计（jì）并（bìng）构建（jiàn）了面向陆（lù）、海（hǎi）、空、天网络一体化管理的四级体系。海（hǎi）事卫星的管（guǎn）控（kòng）系（xì）统（tǒng）主要分为两级（jí），一级为伦敦的网络操（cāo）作中（zhōng）心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海事卫星（xīng）的平台和载荷（hé）管理，以及地面站（zhàn）的频率分配，对全网（wǎng）的资源进行统（tǒng）一的维护调（diào）度[3][4]；二级由各（gè）地面关口站组成，负责对应卫（wèi）星的通信（xìn）管（guǎn）理、运行维护和业务支撑。

　　OneWeb系统（tǒng）的管控主（zhǔ）要由卫星控制中（zhōng）心（主备双（shuāng）中心）、网络运行控制中（zhōng）心（xīn）（主备（bèi）双中心），以及遍布全球的五十余个信（xìn）关站来完成[5]，其中，卫星控制中心主（zhǔ）要负责卫（wèi）星飞行动力、任务（wù）规划、地面（miàn）站控（kòng）制等，网络控制（zhì）中心（xīn）主要负（fù）责（zé）通信网（wǎng）络资源统一管（guǎn）理与动态调配（pèi），信关站是网络用户接入（rù）地面（miàn）网（wǎng）络的互（hù）联关口。

　　国内也积极加（jiā）强卫星通信系统管控系统（tǒng）建设，其架构经历（lì）了由设（shè）备监（jiān）控、通（tōng）信网（wǎng）络管理、星（xīng）地一体化管控的历（lì）程（chéng），初步（bù）形成三（sān）级分布式的（de）管理构架，并建设了一批具备自（zì）主可控（kòng）能力的管控（kòng）系统[6][7]。天基网络管控系统（tǒng）的建设趋于集约化（huà）发展，技（jì）术也趋于自主化、智能（néng）化发展，提高系统的管控效率，针对多样化网络业务和用户（hù）应用的（de）自动化（huà）管控（kòng）能力（lì）增（zēng）强（qiáng）。

　　随（suí）着星上处理（lǐ）能力的（de）增强，卫星（xīng）载荷也能实现部分（fèn）控（kòng）制功能（néng）。J.Bao在论文中提出集中式（shì）的管控架（jià）构（gòu）OpenSAN[8][9]，将数据层（卫星设备）和控制层（控制卫星）分离开，将控制（zhì）层部署于地球同步轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网（wǎng）络中的卫星进行管控，从而无法全球建站的情况下实现卫星的全（quán）程管控，如（rú）图2所示。这种将控制与转发（fā）分离的思想应（yīng）用于空间网络的设计被称为软件定义卫星网络[10]，以解（jiě）决传统空（kōng）间网络连接（jiē）和重配置（zhì）的时延较大，数据传输不灵活的问题。

图2 传统管控架构与集中式管控架构对比

　　综（zōng）上（shàng）所述，在卫星网络中分离数（shù）据（jù）转发、管理控（kòng）制功能（néng）[11][12][13]，建立管控平面，由专（zhuān）有设备来部署控制策略，实现复杂卫星网络的管理（lǐ）控制、运（yùn）行维护（hù）、运营服务等能力（lì），体（tǐ）现了天基（jī）网（wǎng）络管（guǎn）控系统当（dāng）前发（fā）展的重要趋势。

　　3 基（jī）于统一管控（kòng）平面的管控架构设计

　　借鉴地面网络（luò）管控架构（gòu），参考软件定义（yì）卫星（xīng），本文（wén）提出了（le）一（yī）种高（gāo）低轨混合卫星网络管控架构（gòu）。该架构采（cǎi）用统一的管控平面，将高、低轨卫（wèi）星和地面站均（jun1）作为网络节点进行统（tǒng）一管理，实现各类型卫星平台、载荷以及网络资源的统一、集中控制，如图3所示。

　　该管控架构（gòu）将（jiāng）网络从功能层面分为数据平面、控制平面和管理平（píng）面（miàn）：

图3 高低轨（guǐ）混合卫（wèi）星网络管（guǎn）控架（jià）构

　　管（guǎn）理平面和（hé）控制平面共同构成（chéng）网络（luò）的管控（kòng）平（píng）面，整合卫（wèi）星测控、运控、网管（guǎn）及网控等功（gōng）能，实现（xiàn）卫（wèi）星控（kòng）制功能统一化、网络管理功能集（jí）中化。其中管理平（píng）面根（gēn）据网络规划和资源调（diào）度对（duì）卫星节点和地基节点中的网络资源（接入资源和路由转发（fā）资（zī）源）进行预分配和动（dòng）态调整，并将与业务处理密切相（xiàng）关的无线资源分配、移动性（xìng）管理、转发控制等（děng）控制功能直（zhí）接部署于控（kòng）制（zhì）平面。管理平面和控制平面协同工（gōng）作，实现网络资源细粒度（dù）的（de）实时分配（pèi），确（què）保网络（luò）可靠（kào）、高效的运行，如图4所（suǒ）示。

图4 网络管（guǎn）控功能（néng）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（kòng）通道由测控通道（dào）或（huò）者业务通道组（zǔ）成，采用相应（yīng）的测控（kòng）协议（yì）或者网管协议。该管控架构（gòu）设（shè）计统一管（guǎn）控通道（dào），即由中心（xīn）及代理构成的（de）网管网（wǎng），由代理统（tǒng）一采（cǎi）集卫星运（yùn）控、测（cè）控、网络信（xìn）息，汇（huì）聚后经（jīng）管控通道传输至中心。中心（xīn）与代理之间（jiān）采用基（jī）于统一的管控协议（yì），主（zhǔ）要（yào）包括通信模型（xíng）、信息（xī）模型（xíng），其中通信模型定义（yì）中（zhōng）心与代理之间的数据（jù）交互流程和通信原（yuán）语，降低协（xié）议报文开销并满足不断演进的管控（kòng）功能需求；信息模型，定义被管信息（xī）的统一描述语言，统一定（dìng）义网络（luò）和（hé）设备的管（guǎn）控信息库，实现（xiàn）天地管控数据的统一描述和适配。

　　管控平面的物理部署（shǔ）于地基节点和（hé）卫（wèi）星节点上，部署（shǔ）于地基节点的（de）管理系统实现（xiàn）全网的统筹管理和各控制（zhì）系统之间的协同（tóng）工作，提高资（zī）源利用率（lǜ）、避（bì）免指令冲突。部署于（yú）卫（wèi）星节点和地基（jī）节点的控制（zhì）系统受（shòu）控（kòng）于管理系统，负责网络的实时控制，通过星上处（chù）理减少天地之间控制信息的交互，提高网络控制响应的时效（xiào）性及星（xīng）地、星间（jiān）协同能力。星地管控系（xì）统协同配合，地面管控系统和（hé）天基骨干节点共同实现管控信息网络化（huà）采集、网络化存（cún）储及管控（kòng）功能网络（luò）化（huà）部署，为卫星网络的管控系（xì）统（tǒng）“云化”提供支（zhī）撑，如（rú）图5所示。

图5 管控平面部（bù）署示意

　　4 实（shí）现困难（nán）

　　该管控架构可有效解决卫星网络各类节点的异质（zhì）异构性和资源（yuán）动态性带来的管理（lǐ）挑战，便（biàn）于复杂的管理策略（luè）部署及灵活（huó）调整，满足细粒度（dù）的管理需求（qiú），也有（yǒu）利于新技术的（de）应用和升级。但是，该（gāi）管控（kòng）架构在技术实现上还面临着许多亟待（dài）解决的问题（tí），主（zhǔ）要包括以下几个方面：

（1） 管控（kòng）平面的安全性

　　统一管（guǎn）控平面将卫（wèi）星控制和网络管理（lǐ）统一整合，管控（kòng）平面将获取并存（cún）储全网（wǎng）信息，控制网络（luò）行为，管理网络状（zhuàng）态（tài）。相对于传统的分布式网络（luò）架构，集中（zhōng）化的管控平面（miàn）将成（chéng）为网络（luò）的薄弱环节，降低网络管理控（kòng）制的安（ān）全性（xìng）和鲁棒性。

（2） 管控逻辑的一（yī）致性

　　统（tǒng）一管控平面的（de）架构虽然将管控功能（néng）集中化（huà）处理（lǐ），但本质上（shàng）还是（shì）分（fèn）布式和异步操作的。针对（duì）卫星网（wǎng）络拓扑及传输（shū）路径动态变（biàn）化（huà）等特（tè）点，网络化的管控（kòng）对管控信（xìn）息传输（shū）的时（shí）序控制以及网络节点（diǎn）时间（jiān）同步提出了更高要求。

（3） 管控平面的可实现（xiàn）性

　　本架（jià）构提出的管控（kòng）平面（miàn）将（jiāng）一部（bù）分功能部署（shǔ）在卫星节点上，统一管控信息的采集、处（chù）理及网络（luò）化传输，提（tí）升网络管控的时效性及被管节点管控（kòng）接口的标准化水平（píng），但（dàn）需要卫星节点提供较强的计算（suàn）、存储资源，并保证（zhèng）具备与传（chuán）统卫星管（guǎn）控（如星务（wù）计（jì）算（suàn）机、测控应答机等（děng））相当的高可靠、长（zhǎng）寿命要求。

　　结 语

　　天基（jī）信息网络正处在高速发（fā）展的阶段，可（kě）靠有效的管控手段（duàn）是网络高（gāo）效运（yùn）行的前（qián）提。采用统一管控平面的管控架构（gòu）是未来天基网络管理（lǐ）的解决思路，日益（yì）增强的星上（shàng）处理（lǐ）能力（lì）以（yǐ）及（jí）地（dì）面先进网络技（jì）术也为该架构（gòu）的实现提供了可能，如（rú）云架（jià）构（gòu）、边缘计算、高可靠低时延网络以（yǐ）及微（wēi）系统等技术，通过（guò）强大的信息处（chù）理能力整（zhěng）合（hé）各类网络资源，高质量的网（wǎng）络传输保证网络的及时响应。但针对卫星网络的特殊性，在安全性、一（yī）致性及空间（jiān）可实现性方（fāng）面也提出了较高要求，包括各管控（kòng）系统的（de）安全防护、各（gè）系统之（zhī）间的高效协同问（wèn）题都亟待解决。因此基于该（gāi）架构的卫星（xīng）网络管控能力实现（xiàn）将是逐（zhú）步推进、持续演进（jìn）的。

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