摘 要：针对高低轨混合（hé）卫星（xīng）网络的（de）特点，探索卫星运控、网络（luò）管控（kòng）等功能的整合机制，提出基（jī）于统一管控（kòng）平（píng）面的天（tiān）地一体管（guǎn）控架构（gòu），包（bāo）括系（xì）统组成、运行机（jī）制、技术（shù）体（tǐ）制等，并分析（xī）了该（gāi）管控架构（gòu）优点及工程实现所面临的困难。

　　关键词: 高低轨混（hún）合卫（wèi）星网络（luò）； 网络管控架构；资源调度（dù）和协（xié）同应用

引 言（yán）

　　高（gāo）低轨卫星在覆盖（gài）范围、服（fú）务质（zhì）量以及系统建（jiàn）设部署（shǔ）等方面（miàn）具（jù）有各自的特点，不少典型的通信、导航等卫（wèi）星系统采用高（gāo）低轨混合的星座结构实（shí）现全球服务，提供（gòng）差异（yì）化、个性化的（de）服（fú）务能力（lì）[1][2]。以高低轨混合星座的全（quán）球卫（wèi）星通信系统（tǒng）为例，该类卫星（xīng）网络（luò）具（jù）有（yǒu）时空跨度大、节点分（fèn）布动态变化、异质异构节点组网、节点传输（shū）与处理资源有限等特点，不仅在（zài）扩展性、移动性、安（ān）全性等方面（miàn）具（jù）有（yǒu）突出的问题，同时在网络管理控制方面也面临巨大（dà）挑战：

• 　　一方面，需要管理（lǐ）的网络设备和业务服务规（guī）模大幅增加，管理对（duì）象不（bú）仅（jǐn）包括天地网络设施（shī）以（yǐ）及终端，还（hái）包括频率、功率、带宽以及地（dì）址（zhǐ）、标识等资源；

• 　　另一方面，我国目（mù）前无法（fǎ）实现全球布站，单一依赖（lài）地基管（guǎn）理系（xì）统难以满足网络精（jīng）细（xì）化、实（shí）时性的（de）管（guǎn）控需求。

　　综上所（suǒ）述（shù），构建天地一体的管控系统是卫（wèi）星网络实现（xiàn）全球服务、高效（xiào）运（yùn）行的重（chóng）要保障。

　　1.高低轨混合卫星网络管控面（miàn）临的挑（tiāo）战

　　图1给出了一种应用于全球（qiú）通信服务的典型卫星（xīng）网（wǎng）络组成（chéng）示意（yì）[1]。该卫（wèi）星网络由（yóu）天基骨干网（wǎng）、天基接入网和地基节点网组（zǔ）成，其中天基骨干网由布设（shè）在地球（qiú）同（tóng）步轨道的节（jiē）点组成，节（jiē）点之间通过高速的激光星间链路互联互通，形成覆盖全球的天（tiān）基信息高速公路；天基接入网由布设在低轨的（de）节（jiē）点（diǎn）组成，为（wéi）各类（lèi）用户提供宽带接入、移动通信等服务（wù）；地基节点网（wǎng）主要由（yóu）多个地基节点互联而成，支持空间数（shù）据落地、信（xìn）息应（yīng）用服务、地面（miàn）网络互联（lián）等功能（néng）。相比传统的（de）卫星（xīng）通信系统，该（gāi）卫星网络具有体系结构复杂、拓扑动态变化（huà）等（děng）特点，从（cóng）而使得网（wǎng）络的（de）管（guǎn）理需求复杂（zá）且实（shí）现（xiàn）难度高，主要体（tǐ）现在以（yǐ）下几个方面：

（1）管（guǎn）控对象复杂多样

　　网络（luò）管控对象涉及高轨、低轨以（yǐ）及（jí）地基等各类节（jiē）点，通（tōng）过组网使得各（gè）节点互联形成（chéng）“一张网”，节点数（shù）量众多且功能各（gè）异，网络服务（wù）弹性可变导致节点（diǎn）载荷（hé）功能复杂，不仅（jǐn）要实现天地网络设备（bèi）状态及（jí）参数管控外（wài），还要实现频率、功率（lǜ）、带（dài）宽（kuān）以及地址、标识等网络（luò）“软”资源的管控（kòng），管控信息（xī）急剧增加。

（2）网络（luò）资源精细（xì）化（huà）、实（shí）时性调度要求高（gāo）

　　网络提供面向用（yòng）户的随遇接（jiē）入、按需服务（wù）的保障能（néng）力，对网络资（zī）源精（jīng）细化、实时性调度要求较高。一方面通过全球布（bù）站的方式（shì）提高网（wǎng）络（luò）管控（kòng）能力需实现较为复杂的协调，而另一方面（miàn）星（xīng）上处理能（néng）力（lì）有限以及网络安全性要（yào）求也制约着网络功能从地面向天基的迁（qiān）移，因此在（zài）网络（luò）工程建设及实际运行中，如何（hé）优化星地功（gōng）能（néng）分配，发挥网络星地协同、多星协同的优势，是高低轨混合卫星网络管控（kòng）系统设计的主要（yào）难点。

图1 天地（dì）一（yī）体化网（wǎng）络（luò）系统架（jià）构

（3）面向应用驱动的（de）管控需求：

　　面向（xiàng）全球服（fú）务的卫星通信网络由传统（tǒng）的专（zhuān）用系统向公共网络基础（chǔ）设施发展，需为不同的民（mín）商用（yòng）户提（tí）供不同等（děng）级的网（wǎng）络服务，将同时承载（zǎi）各类差异（yì）化（huà）的用（yòng）户业务，如话音（yīn）通信、宽带接（jiē）入、数据中继以及天基（jī）物联等，各（gè）类业务对服务（wù）质量及网（wǎng）络资源要（yào）求（qiú）各异。因此传统面（miàn）向网元的管理模式难以（yǐ）为多并发用户应（yīng）用提供高效（xiào）高质（zhì）量（liàng）网（wǎng）络服（fú）务，需结合网络（luò）特点（diǎn）提出面向（xiàng）应用（yòng）驱动的天地一体网络管控架构，实现网络灵活（huó）控（kòng）制以及（jí）用户服务（wù）快速响（xiǎng）应。

　　2 天基信息（xī）网络管控系（xì）统发（fā）展现状

　　随着天基信息网络快速发展（zhǎn），网络（luò）管（guǎn）控系统（tǒng）的研究（jiū）也持续深（shēn）入。美军提出的以天、地（dì）骨干网络（luò）为核心的“三层多域（yù）”的全球（qiú）信息（xī）栅格（GIG）设计并构建了面向（xiàng）陆、海、空、天网络一体化（huà）管理的四级体系。海事卫星（xīng）的管（guǎn）控系统主要（yào）分为两（liǎng）级，一（yī）级为伦敦的网络操（cāo）作（zuò）中心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海事卫星的平台和（hé）载荷管理，以及地（dì）面站（zhàn）的频率分配，对全（quán）网（wǎng）的资源进行统（tǒng）一的维护调度[3][4]；二级（jí）由（yóu）各（gè）地面关口（kǒu）站组成，负责对应（yīng）卫星的（de）通信管理、运行维护和（hé）业务支撑。

　　OneWeb系统的管（guǎn）控主要由卫星（xīng）控（kòng）制中心（主（zhǔ）备双中心）、网络运行控制中心（主备双中心），以（yǐ）及遍布全球的五十余个（gè）信关站来完（wán）成[5]，其中，卫星控制中心主要（yào）负责卫星飞（fēi）行动力、任（rèn）务规划、地面站控（kòng）制等（děng），网（wǎng）络控制中心（xīn）主（zhǔ）要（yào）负责（zé）通（tōng）信网络资源统一管理与动（dòng）态调配，信关站是网络用户（hù）接入地面（miàn）网络（luò）的互联关口。

　　国内也积极加强卫星通信（xìn）系（xì）统管控（kòng）系统建设（shè），其架构经历（lì）了由（yóu）设备监控、通信网络管理、星地（dì）一体化管控的历程，初步形成三级分布（bù）式的管理构架，并建设了一批具备自主可（kě）控能力（lì）的管控系统[6][7]。天基网（wǎng）络管控系统（tǒng）的建（jiàn）设趋于（yú）集约化发展，技术也趋（qū）于自（zì）主化（huà）、智能（néng）化发（fā）展，提高（gāo）系统的管控效（xiào）率，针对多样化网络业务和用户应用的自动（dòng）化管控能力增强（qiáng）。

　　随着星上处理能（néng）力的（de）增强，卫（wèi）星载荷也（yě）能实现部分（fèn）控制功能。J.Bao在论文中提出（chū）集（jí）中式的管控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫星设备）和（hé）控制层（控制卫星）分（fèn）离开，将控制层部署（shǔ）于（yú）地（dì）球同步轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网络中的卫（wèi）星进行管控，从而（ér）无法（fǎ）全球建站的情（qíng）况下（xià）实现（xiàn）卫星（xīng）的全程管控，如图2所示。这种（zhǒng）将控制与转发分离的思想应（yīng）用于空间网络的设计被称为软件定义卫（wèi）星网络[10]，以解决传统（tǒng）空（kōng）间（jiān）网（wǎng）络连接和重配置的（de）时（shí）延较（jiào）大，数据传输（shū）不灵（líng）活的问题。

图2 传统管控架构与集中式管（guǎn）控架构对比

　　综上（shàng）所（suǒ）述（shù），在卫星网络中分离（lí）数据转发（fā）、管理控制功能[11][12][13]，建立管控平面，由专（zhuān）有设（shè）备（bèi）来部署控制策略，实现复（fù）杂卫星网（wǎng）络的（de）管理（lǐ）控制、运行（háng）维护、运（yùn）营服务等能（néng）力，体（tǐ）现（xiàn）了天（tiān）基网络管（guǎn）控系统当前发（fā）展（zhǎn）的重要趋势。

　　3 基于（yú）统一（yī）管控平（píng）面的管（guǎn）控架构设（shè）计（jì）

　　借鉴地面网络管控架构，参考软件定义卫星，本（běn）文提出（chū）了一种高低轨混合卫星（xīng）网络管控架构。该（gāi）架（jià）构采用统一的（de）管控平面，将（jiāng）高、低轨卫星（xīng）和地（dì）面（miàn）站均作为网络（luò）节点进行统一管（guǎn）理，实现各类型卫星平台、载荷以（yǐ）及网络（luò）资（zī）源的（de）统一、集中控制（zhì），如（rú）图（tú）3所示。

　　该管控架（jià）构将网（wǎng）络从（cóng）功能（néng）层（céng）面分为数据平面、控制平面和（hé）管理平（píng）面：

图（tú）3 高低轨混合（hé）卫星网络管控架构

　　管（guǎn）理平面（miàn）和（hé）控制平面共同（tóng）构成网络的管控平面，整（zhěng）合卫星（xīng）测控、运控、网管及（jí）网（wǎng）控（kòng）等功能，实现卫星控制功能（néng）统一（yī）化、网络管理（lǐ）功能集中化。其中管理平面根据网（wǎng）络规划和资源调（diào）度对卫（wèi）星节（jiē）点和地基节点中的网络（luò）资源（接入资源和路（lù）由转发资源）进行预分配和动（dòng）态调（diào）整，并将与业务处理密切相关的（de）无线资源（yuán）分配、移动性管理、转发控制等控制功能（néng）直接部署于控制平面。管理平面和控制平面（miàn）协同工作（zuò），实现网络资源细粒度（dù）的（de）实时分配，确保（bǎo）网络可靠、高效的（de）运行，如图4所示。

图4 网络管（guǎn）控（kòng）功能运行模式

　　管控（kòng）平面的信息交互依赖（lài）于管控通道。传（chuán）统卫星网络的管控通道由测控通（tōng）道或者业务通道组成，采用（yòng）相应（yīng）的测控协（xié）议（yì）或者网（wǎng）管协议。该管（guǎn）控架构设（shè）计统一管（guǎn）控通道，即由中心及代理构（gòu）成的（de）网管网，由代（dài）理统一采集卫星运控、测控（kòng）、网络信息，汇聚后经管控通道传输至（zhì）中（zhōng）心。中心与代（dài）理之间（jiān）采用基于统一的管控（kòng）协议，主（zhǔ）要（yào）包括通信模（mó）型、信（xìn）息模型（xíng），其中通信模型（xíng）定（dìng）义中心与代理之间的数据交互流程和通信原语，降低（dī）协议报文开销并（bìng）满足不断演进的管控功能需求（qiú）；信息模型，定义被管信息的（de）统一描述语言，统一定义网（wǎng）络（luò）和设备的管控信息库，实（shí）现天地管控数据的统（tǒng）一描述（shù）和适（shì）配。

　　管控平面的物理部署于地基节（jiē）点和卫（wèi）星节（jiē）点上，部署于地基节点的管理系统（tǒng）实现全（quán）网的统筹管理和各控制系统之间的（de）协同（tóng）工作，提高资源利用率、避免指令（lìng）冲突。部署于卫（wèi）星节点和地（dì）基节点的控制系（xì）统受控于管理系（xì）统，负责网络的实时控制，通过星上处理减（jiǎn）少天地之间控制信息的交互，提（tí）高（gāo）网（wǎng）络控制（zhì）响应的时效性及星（xīng）地、星间协同（tóng）能力。星地管控系统（tǒng）协同配合，地面（miàn）管（guǎn）控（kòng）系统和天基骨干节点共同实现管控信息网络化采集、网络化存储及管（guǎn）控（kòng）功能网（wǎng）络化部署（shǔ），为卫（wèi）星网络的管控系统“云化”提供支撑，如图5所示。

图5 管控平面部署示意

　　4 实现困难

　　该管控架构可有效解决卫（wèi）星网（wǎng）络各（gè）类节点的异质异构性和资源动态性（xìng）带来的管（guǎn）理挑战，便于复杂的管理（lǐ）策略（luè）部署及灵活调整，满足细粒度的（de）管理需求，也有利于（yú）新技术的应用和升（shēng）级（jí）。但是，该管控架构在技术实现上还面临着许（xǔ）多亟待解决的问题，主（zhǔ）要（yào）包括（kuò）以（yǐ）下几个方面：

（1） 管控平（píng）面的安全（quán）性（xìng）

　　统（tǒng）一（yī）管控平面将卫星控制（zhì）和网络管理（lǐ）统一整合，管控平面将获（huò）取并存储全网信（xìn）息，控制（zhì）网（wǎng）络行为，管（guǎn）理网络状态（tài）。相对（duì）于传统的（de）分布式网络架构，集中（zhōng）化的管控平（píng）面将成（chéng）为网络的薄（báo）弱环节，降低网络管理控制的安（ān）全性（xìng）和鲁棒性（xìng）。

（2） 管控逻辑的一（yī）致性（xìng）

　　统一管控平面的架构虽然将管控功能集中化处理，但本质上还（hái）是分布式和异步操作的。针对卫星网络拓扑（pū）及传（chuán）输路径动（dòng）态（tài）变化等特点，网（wǎng）络化的（de）管（guǎn）控对管控（kòng）信息传（chuán）输的（de）时（shí）序控制以（yǐ）及网（wǎng）络节点时间同步提（tí）出了更高要求（qiú）。

（3） 管（guǎn）控平面的可实现性

　　本架构提出的管控平（píng）面将（jiāng）一部分功能（néng）部（bù）署在卫星节点（diǎn）上，统（tǒng）一管控信息的采集、处理及网（wǎng）络（luò）化传输，提升网络管控（kòng）的时效性及被管节点（diǎn）管控接口的标准（zhǔn）化水平，但需（xū）要（yào）卫星节（jiē）点提供（gòng）较（jiào）强的计算、存储资源，并保证具备与（yǔ）传统卫星管控（如星务计算机、测控应答机等）相当的高可靠、长寿命（mìng）要（yào）求。

　　结 语

　　天基信息网络正处在高速发展的阶段，可（kě）靠有效的（de）管（guǎn）控手段（duàn）是网络高（gāo）效运行的前提。采用统一管控平面的管控（kòng）架构是（shì）未来天基（jī）网络管理的解决（jué）思路，日（rì）益增强的星（xīng）上处理能力以及地面先进网（wǎng）络（luò）技术也为（wéi）该（gāi）架构的实现提供了可能，如（rú）云架构（gòu）、边（biān）缘计（jì）算、高可靠低时延网络（luò）以（yǐ）及微系统等技术，通过强（qiáng）大的（de）信息处（chù）理能力整合各类网络资（zī）源，高质量的网络传输保证网络的及时响应。但针对（duì）卫（wèi）星网络的特殊性（xìng），在安全性、一致性（xìng）及空（kōng）间可（kě）实现（xiàn）性方面也提出了较高要求，包括各管（guǎn）控系统（tǒng）的安（ān）全防护、各（gè）系统之间的（de）高（gāo）效协同问题都亟待解决（jué）。因此基于该架构的卫星（xīng）网络管控能（néng）力实现将是逐步推（tuī）进、持续演进的。

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