未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展與架構(gòu)展望

王寧遠(yuǎn) 陳 東* 劉 亮 秦兆濤 梁冰苑

①(鵬城實(shí)驗(yàn)室 深圳 518055)

②(中國(guó)空間技術(shù)研究院通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部 北京 100094)

1 引言

伴隨人類進(jìn)入太空和利用太空能力的不斷提升，太空的內(nèi)在價(jià)值及其對(duì)國(guó)家發(fā)展與安全的巨大作用日益凸顯。作為高新技術(shù)最為集中的兩大領(lǐng)域，航天與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、國(guó)防實(shí)力、綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)。未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)是由低地球軌道(Low-Earth-Orbit, LEO)衛(wèi)星星座為主體的高性能空間信息處理及全球通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)和空天科技前沿領(lǐng)域的結(jié)合，將帶領(lǐng)太空成為全球信息網(wǎng)絡(luò)和經(jīng)濟(jì)的重要支點(diǎn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用不斷發(fā)展，寬帶通信逐漸融入各行各業(yè)，成為時(shí)代的“剛需”[1]。低軌信息網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)寬帶網(wǎng)絡(luò)的全球無(wú)縫覆蓋，同時(shí)相比現(xiàn)有的高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)有著大容量、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

低軌信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，包括星座構(gòu)型、網(wǎng)元?jiǎng)澐忠约熬W(wǎng)元間的連接關(guān)系3部分。目前，世界范圍內(nèi)以星鏈系統(tǒng)(Starlink)、一網(wǎng)系統(tǒng)(Oneweb)、光速系統(tǒng)(Lightspeed)[2]為代表的在建或在研系統(tǒng)僅公開(kāi)了系統(tǒng)的空間段星座構(gòu)型，而系統(tǒng)內(nèi)部的網(wǎng)元?jiǎng)澐旨捌溥B接關(guān)系屬于商業(yè)機(jī)密，并無(wú)公開(kāi)資料。另外，我國(guó)現(xiàn)有的高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主的架構(gòu)多為采用定制化體制、固定架構(gòu)的專用網(wǎng)絡(luò)，其架構(gòu)難以適應(yīng)低軌星座網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)類型承載的需求。因此，低軌信息網(wǎng)絡(luò)需要更為靈活、可靠、通用化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以適應(yīng)多業(yè)務(wù)、高質(zhì)量的承載需求，同時(shí)能夠應(yīng)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)、低可靠性、管理復(fù)雜等因素[3]。另外，技術(shù)的快速迭代發(fā)展也要求低軌信息網(wǎng)絡(luò)具備持續(xù)演進(jìn)的能力。

本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外低軌星座網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，涉及網(wǎng)絡(luò)空間、天地融合以及先進(jìn)衛(wèi)星3個(gè)領(lǐng)域，接著對(duì)近年來(lái)天基網(wǎng)絡(luò)的愿景與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研判。在此基礎(chǔ)上，提出與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)融合的軟件定義全云化星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-Defined Network, SDN)與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可編程性，并利用5G中網(wǎng)絡(luò)功能抽象與解耦的思想以及去中心化的思想設(shè)計(jì)了全云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，具有高抗毀、易于擴(kuò)展、支持多業(yè)務(wù)承載與持續(xù)演進(jìn)的特性。

2 低軌信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 空間網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域

21世紀(jì)進(jìn)入第2個(gè)10年，低軌星座在10余年的沉寂后進(jìn)入第2次發(fā)展熱潮。Starlink, Oneweb,Lightspeed等低軌巨型星座的出現(xiàn)為天基網(wǎng)絡(luò)提供了全新選項(xiàng)，可通過(guò)幾百至上萬(wàn)顆不等的衛(wèi)星提供全球范圍的低時(shí)延寬帶接入以及超過(guò)高軌衛(wèi)星的接入速率。以低軌巨型星座和混合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為特征的網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，海量衛(wèi)星通常分層部署在多個(gè)軌道高度，采用以低傾角星座為主、兼顧通過(guò)少量近極地軌道衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋的部署方式[4]。同時(shí)，星間鏈路的部署已十分普遍，特別是激光星間鏈路技術(shù)的發(fā)展極大提升了衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)交換能力[5]，使得低軌星座網(wǎng)絡(luò)得以徹底獨(dú)立于地面網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的“不落地”傳輸。低軌信息網(wǎng)絡(luò)由此正在實(shí)現(xiàn)從“天星地網(wǎng)”向全球通信、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等多功能復(fù)合的天地一體網(wǎng)絡(luò)躍升。

低軌信息網(wǎng)絡(luò)的高效信息傳輸離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)體制協(xié)議的支撐?？臻g網(wǎng)絡(luò)發(fā)展至今，已形成了如IP協(xié)議上星(IP over Satellite, IPoS)、空間通信協(xié)議(Space Communications Protocol Specifications,SCPS)、時(shí)延容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay Tolerant Networks,DTN)等幾類主流協(xié)議。TCP/IP協(xié)議體系起源于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。然而傳統(tǒng)TCP協(xié)議難以適應(yīng)較長(zhǎng)時(shí)延、較高誤碼率的衛(wèi)星信道，采用TCP性能增強(qiáng)代理的方式可以大大提高傳輸性能，然而打破了端到端傳輸原則，可能帶來(lái)潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)[6]。針對(duì)空間環(huán)境通信特點(diǎn)，國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)基于TCP/IP針對(duì)空間通信中長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼等鏈路特性制定和開(kāi)發(fā)了SCPS通信協(xié)議規(guī)范[7]，可針對(duì)空間信道特點(diǎn)提供端到端的數(shù)據(jù)傳輸。DTN[8]是一種適用于深空通信的通信架構(gòu)，具有容忍延遲、中斷的特性，通過(guò)引入束層并采用了存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制和托管傳輸機(jī)制，以應(yīng)對(duì)鏈路長(zhǎng)延遲或頻繁中斷的通信環(huán)境，從而面對(duì)深空大時(shí)延、低可靠的場(chǎng)景時(shí)可保證傳輸穩(wěn)定可達(dá)。

2.2 天地融合領(lǐng)域

伴隨地面移動(dòng)通信從第5代(5G)向第6代(6G)發(fā)展，以“非地面網(wǎng)絡(luò)”(Non-Terrestrial Network,NTN)為代表的新型天地融合移動(dòng)通信架構(gòu)研究逐步深化。國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union, ITU)提出了衛(wèi)星與5G融合的4類場(chǎng)景。第3代合作伙伴計(jì)劃(3rd Generation Partnership Project, 3GPP)組織在5G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初就已將衛(wèi)星接入納入考慮，在R16非地面網(wǎng)絡(luò)中定義了8個(gè)增強(qiáng)移動(dòng)寬帶場(chǎng)景和2個(gè)海量機(jī)器類通信場(chǎng)景，提出了支持非地面網(wǎng)絡(luò)的空中接口方案，預(yù)計(jì)在R17版本完成第1階段標(biāo)準(zhǔn)化工作[9]。歐洲5G衛(wèi)星地面網(wǎng)絡(luò)項(xiàng)目(Satellite and Terrestrial network for 5G, SaT5G)、韓國(guó)KT-SAT等公司基于寬帶通信衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了機(jī)載視頻通信、混合5G回傳及5G邊緣云服務(wù)等演示[10,11]，聯(lián)發(fā)科聯(lián)合國(guó)際海事衛(wèi)星組織完成了基于高軌衛(wèi)星的5G物聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)[12]。移動(dòng)通信與衛(wèi)星的結(jié)合已經(jīng)成為全球衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò)跨界融合的熱點(diǎn)，構(gòu)建空天地海一體化網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為6G白皮書及展望的重要共識(shí)。

基于空間網(wǎng)絡(luò)的云網(wǎng)融合和智能技術(shù)應(yīng)用正在逐步部署。亞馬遜將其亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(Amazon Web Services, AWS)與衛(wèi)星地面站相結(jié)合，構(gòu)建了全球衛(wèi)星信息云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量對(duì)地觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理[13]。微軟正在為航天工業(yè)擴(kuò)展移動(dòng)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心服務(wù)，連接SpaceX公司的Starlink系統(tǒng)和SES公司的O3b互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星[14]。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)正在通過(guò) Blackjack[15]項(xiàng)目支持空間智能處理在軌應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)任務(wù)自主調(diào)度。

以SDN與NFV技術(shù)為特征的天地融合網(wǎng)絡(luò)正逐步被提出。SDN與NFV已被應(yīng)用于地面5G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)將轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、硬件與軟件解耦的理念，使5G網(wǎng)絡(luò)具備開(kāi)放可編程、靈活可擴(kuò)展的特性[16]。Ferrús等人[17]以5G為背景，提出在衛(wèi)星地面段中引入SDN/NFV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)星地間網(wǎng)絡(luò)資源管理能力和業(yè)務(wù)敏捷性的提升。Sheng等人[18]進(jìn)一步將衛(wèi)星也納入SDN-NFV技術(shù)的范疇，通過(guò)NFV將衛(wèi)星資源池化并由地面控制中心統(tǒng)一規(guī)劃，再利用SDN的集中控制特性進(jìn)行衛(wèi)星-地面網(wǎng)絡(luò)的全局最優(yōu)配置。

2.3 先進(jìn)衛(wèi)星領(lǐng)域

通信技術(shù)發(fā)展帶動(dòng)了衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)步。高軌高通量衛(wèi)星通過(guò)Ku/Ka及更高頻段已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)Tbps量級(jí)的單星容量，用于提供大容量高靈活度的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù)。國(guó)際上，最新一代高軌高通量衛(wèi)星Viasat-3即將在2022年進(jìn)行部署[19]，我國(guó)也在2020年完成第2顆高軌高通量衛(wèi)星亞太6D衛(wèi)星的發(fā)射部署，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)第5代海事衛(wèi)星的服務(wù)能力。其中平臺(tái)高承載與載荷靈活已經(jīng)成為新一代高通量衛(wèi)星的重要特征，先進(jìn)相控陣天線和星上處理技術(shù)在歐洲量子通信衛(wèi)星進(jìn)行了商業(yè)化實(shí)踐，并將在未來(lái)新型衛(wèi)星中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。高通量通信技術(shù)在高軌衛(wèi)星的成熟應(yīng)用也加速了低軌衛(wèi)星的寬帶化進(jìn)程。

激光星間通信技術(shù)同樣極具前景，被視作低軌星座組網(wǎng)的基礎(chǔ)。國(guó)際上，該技術(shù)已從試驗(yàn)階段走向?qū)嵱秒A段，歐洲和日本正在部署激光星間鏈路數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星，小型化Gbps量級(jí)激光終端正在開(kāi)展低軌試驗(yàn)驗(yàn)證[20]。Starlink已完成帶有星間鏈路衛(wèi)星的在軌驗(yàn)證，并表示將在后續(xù)組網(wǎng)衛(wèi)星上搭載激光星間鏈路[21]。國(guó)內(nèi)方面，實(shí)踐十三號(hào)衛(wèi)星已于2017年實(shí)現(xiàn)在40000 km的星地距離上進(jìn)行高達(dá)5 Gbps的高速率通信，我國(guó)高軌技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)踐二十號(hào)于2019年的成功發(fā)射為下一代高通量衛(wèi)星建設(shè)完成了技術(shù)驗(yàn)證。

3 低軌信息網(wǎng)絡(luò)愿景與發(fā)展趨勢(shì)

隨著運(yùn)載、衛(wèi)星、通信、計(jì)算等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，以低軌巨型星座為代表的低軌信息網(wǎng)絡(luò)相比傳統(tǒng)星座發(fā)生了深刻變化，呈現(xiàn)出星座巨型化、網(wǎng)絡(luò)寬帶化、星間組網(wǎng)化、應(yīng)用多樣化的特點(diǎn)。因此，傳統(tǒng)的星座設(shè)計(jì)、協(xié)議體制等難以滿足新型低軌信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。本節(jié)對(duì)未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)的愿景與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。

3.1 低軌信息網(wǎng)絡(luò)愿景

以航天強(qiáng)國(guó)、網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)為牽引，以移動(dòng)通信、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及寬帶專網(wǎng)等功能需求為驅(qū)動(dòng)力，低軌信息網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是形成全球覆蓋、天地一體、多業(yè)務(wù)承載、持續(xù)演進(jìn)、安全可控的天基通用信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，網(wǎng)絡(luò)愿景如圖1所示[1,22]。移動(dòng)通信與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)作為使人與人連接的基礎(chǔ)功能，可實(shí)現(xiàn)全球任意兩點(diǎn)之間、多點(diǎn)之間的寬帶通信，以及具備高速率、低時(shí)延的互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)能力，使得信息與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不再受到地域限制。不僅僅是個(gè)人互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)，全球?qū)拵Щヂ?lián)能力將大大促進(jìn)教育醫(yī)療、文化娛樂(lè)、科考保障、搶險(xiǎn)救災(zāi)等行業(yè)應(yīng)用更遠(yuǎn)、更廣、更深入的發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)將人與人的通信擴(kuò)展到人與物、物與物之間，通過(guò)低軌信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)全球設(shè)備的智能協(xié)同，真正做到“萬(wàn)物互聯(lián)”，為智慧城鄉(xiāng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、綜合交通、公共安全、農(nóng)林牧漁的信息化發(fā)展提供互聯(lián)保障。不同行業(yè)、不同場(chǎng)景下用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力需求差異較大，低軌信息網(wǎng)絡(luò)可將其網(wǎng)絡(luò)能力組織成為滿足特定用戶需求的寬帶專網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)間的邏輯隔離，做到業(yè)務(wù)的高效靈活、安全可控傳輸，為國(guó)防、政企等行業(yè)賦能。

圖1 低軌信息網(wǎng)絡(luò)愿景

3.2 低軌信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

(1)多業(yè)務(wù)承載的寬帶網(wǎng)絡(luò)?；诘蛙壭畔⒕W(wǎng)絡(luò)愿景，未來(lái)低軌網(wǎng)絡(luò)將不再是為某種特定應(yīng)用服務(wù)的專用系統(tǒng)，而是面向多用戶、多業(yè)務(wù)類型承載的天基通用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。在此背景下，低軌網(wǎng)絡(luò)的寬帶化是實(shí)現(xiàn)以上需求的先決條件，也是目前低軌信息網(wǎng)絡(luò)最為顯著的特征之一。目前主流組網(wǎng)方案采用激光星間鏈路+微波星地鏈路的模式，Starlink, Lightspeed等星座都在其規(guī)劃中采用了此類方案。激光通信技術(shù)具有抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，且星間的空間環(huán)境規(guī)避了大氣湍流、云層遮擋等不利因素，其特點(diǎn)與空間高速信息傳輸?shù)男枨笙嗥鹾稀Ａ硗?，空間激光通信載荷具備體積小、質(zhì)量輕、功耗低等工程優(yōu)勢(shì)，適合小型LEO衛(wèi)星搭載。而在空間微波通信方面，Ku/Ka頻段通信技術(shù)已十分成熟，并逐步向著Q/V、毫米波等更高頻段發(fā)展[23]。以上兩方面為低軌信息網(wǎng)絡(luò)的寬帶化組網(wǎng)奠定了硬件基礎(chǔ)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，可期待將天基網(wǎng)絡(luò)帶寬再提升一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

(2)網(wǎng)絡(luò)的軟件定義。多業(yè)務(wù)承載對(duì)低軌信息網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)靈活部署能力提出了很高的要求，因此需要網(wǎng)絡(luò)具備較強(qiáng)的可編程性，特別是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可編程性。對(duì)于這一點(diǎn)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的靈活可編程特點(diǎn)可以很好地適應(yīng)未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)在軌重構(gòu)、架構(gòu)在軌重構(gòu)以及業(yè)務(wù)靈活部署要求，實(shí)現(xiàn)有限資源的最大化利用[24]。SDN將網(wǎng)絡(luò)的控制功能從邏輯上集中到SDN控制器，從而獲得了對(duì)全網(wǎng)資源實(shí)時(shí)管理、全局規(guī)劃、靈活調(diào)配的能力。與此同時(shí)，NFV的思路將底層的網(wǎng)絡(luò)能力通用化，將網(wǎng)元由特定設(shè)備抽象為虛擬的服務(wù)能力，使服務(wù)與具體設(shè)備解耦，為資源的靈活調(diào)配奠定基礎(chǔ)。

(3)星地的融合。地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍基本涵蓋了人口密集地區(qū)。然而在海洋、沙漠、山地等地區(qū)，基站的部署與維護(hù)成本很高，難以進(jìn)行全面覆蓋。相反，低軌信息網(wǎng)絡(luò)擁有廣域覆蓋的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)容量分布過(guò)于平均，熱點(diǎn)地區(qū)服務(wù)能力不足的問(wèn)題也十分明顯。因此從服務(wù)特性來(lái)看，地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與低軌信息網(wǎng)絡(luò)各有所長(zhǎng)，互為補(bǔ)充。從架構(gòu)角度出發(fā)，與5G的融合將重新定義衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，使其具備網(wǎng)元功能抽象化、靈活部署的特點(diǎn)，從而針對(duì)承載的不同業(yè)務(wù)按需部署網(wǎng)元。同時(shí)，與5G融合的低軌星座網(wǎng)絡(luò)將擁有對(duì)地面現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的前向與后向兼容性，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可隨地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)共同演進(jìn)[25]。

(4)云智能集成。未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)巨大的衛(wèi)星數(shù)量給系統(tǒng)的管理及應(yīng)用帶來(lái)很多挑戰(zhàn)。運(yùn)行管理方面，目前對(duì)每顆衛(wèi)星進(jìn)行單獨(dú)測(cè)控的方式過(guò)于繁瑣，在大規(guī)模星座下數(shù)據(jù)量急劇上升，人力難以完成，且缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體把控的能力。系統(tǒng)應(yīng)用方面，隨著網(wǎng)元的模塊化，星座信息傳輸、任務(wù)與網(wǎng)元編排、多星協(xié)同等多模塊協(xié)作任務(wù)都面臨大量的組合優(yōu)化問(wèn)題。因此，未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)需要智能化手段實(shí)現(xiàn)大量衛(wèi)星的管控、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的編排、故障診斷等系統(tǒng)運(yùn)行管理功能。而智能所需要的強(qiáng)大的計(jì)算與存儲(chǔ)能力離不開(kāi)云的支撐。計(jì)算云與存儲(chǔ)云的加入大大補(bǔ)充了低軌衛(wèi)星所短缺的計(jì)算與存儲(chǔ)能力，同時(shí)依托于低軌星座網(wǎng)絡(luò)的大容量、低時(shí)延通信與NFV的虛擬化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)“本地?cái)?shù)據(jù)-全球計(jì)算-本地應(yīng)用”的去中心化服務(wù)模式，提升網(wǎng)絡(luò)的魯棒性與可擴(kuò)展性。

4 軟件定義全云化星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4.1 設(shè)計(jì)理念

基于上述的低軌星座網(wǎng)絡(luò)愿景與發(fā)展趨勢(shì)，本節(jié)相應(yīng)地提出了基于衛(wèi)星5G融合技術(shù)與SDN+NFV技術(shù)的“全云化”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，如圖2、圖3所示。架構(gòu)設(shè)計(jì)理念如下：

圖2 軟件定義星座網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)示意圖

圖3 軟件定義星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

(2)網(wǎng)絡(luò)功能抽象化與解耦。為實(shí)現(xiàn)資源的高效利用以及網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，需要將星座網(wǎng)絡(luò)中的接入、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)、核心網(wǎng)等功能抽象為服務(wù)能力，且各能力間邏輯解耦，彼此之間通過(guò)邏輯接口調(diào)用，形成自治的功能云。根據(jù)軟件定義思想，將功能云的內(nèi)部劃分為控制平面與業(yè)務(wù)平面。對(duì)內(nèi)，控制平面對(duì)本功能云的池化資源進(jìn)行管理與編排，形成靈活高效的服務(wù)能力；對(duì)外，控制平面通過(guò)5G服務(wù)化架構(gòu)與其他功能云的控制平面互聯(lián)，通過(guò)開(kāi)放的應(yīng)用程序接口(Application Programming Interface, API)對(duì)業(yè)務(wù)以及其他功能云提供保障服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service, QoS)的服務(wù)。

(3)實(shí)體去中心化與邏輯集中。作為天基網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，低軌信息網(wǎng)絡(luò)的可靠運(yùn)行不能寄希望于1臺(tái)或少數(shù)幾臺(tái)設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而軟件定義架構(gòu)下的控制平面通常部署于實(shí)體控制器中，這使得網(wǎng)絡(luò)面臨單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。因此，本架構(gòu)中各個(gè)功能云均采用邏輯集中但實(shí)體分散的分布式架構(gòu)，各實(shí)體間通過(guò)低軌星座網(wǎng)絡(luò)相互連接。網(wǎng)絡(luò)的控制平面可以部署于任意一臺(tái)經(jīng)過(guò)鑒權(quán)且具備相應(yīng)能力的接入設(shè)備，甚至可以按不同功能分散部署于多臺(tái)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)“邏輯有中心，物理無(wú)中心”，確保網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。通過(guò)在星座網(wǎng)絡(luò)承載云協(xié)議中加入互聯(lián)保障層，實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)間的移動(dòng)性屏蔽，以及提供保障傳輸可靠性的端到端控制平面隧道連接，為5G服務(wù)化架構(gòu)提供底層互聯(lián)基礎(chǔ)。

4.2 架構(gòu)的實(shí)體組成

軟件定義低軌星座網(wǎng)絡(luò)從實(shí)體組成上可以分為空間段、地面段、用戶段3部分，如圖2所示。借鑒5G網(wǎng)絡(luò)的“三朵云”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[16]，網(wǎng)絡(luò)采用了基于軟件定義(SDN)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)的全云化架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的承載、接入、計(jì)算、存儲(chǔ)等功能進(jìn)行虛擬化，并由邏輯集中的控制平面統(tǒng)一管控。系統(tǒng)各組成詳細(xì)描述如下。

(1)空間段。系統(tǒng)空間段由低軌衛(wèi)星星座、星間鏈路及星地鏈路構(gòu)成，3者構(gòu)成具有按需接入、QoS路由、靈活組網(wǎng)等能力的接入云與承載云，形成內(nèi)部拓?fù)鋵?duì)用戶及其他功能云不可見(jiàn)的虛擬化服務(wù)黑盒。從用戶角度出發(fā)，由于低軌星座網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星數(shù)量龐大，呈現(xiàn)出多層網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，且處于持續(xù)的運(yùn)動(dòng)中，用戶往往不能觀察到網(wǎng)絡(luò)在時(shí)-空-頻中的全貌，從而難以判斷如何選星、接入、路由以滿足業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求。從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行角度出發(fā)，低軌星座網(wǎng)絡(luò)雖然有著驚人的總接入帶寬與總網(wǎng)絡(luò)容量，卻有著較低的容量密度，且由于業(yè)務(wù)需求在時(shí)間、空間的不均勻性，極易發(fā)生嚴(yán)重的局部擁塞，造成網(wǎng)絡(luò)利用率低下。接入與承載的云化可將底層的接入、路由、資源管理等操作對(duì)用戶屏蔽，由網(wǎng)絡(luò)控制平面集中配置，對(duì)外僅提供滿足服務(wù)質(zhì)量的業(yè)務(wù)接口，簡(jiǎn)化服務(wù)復(fù)雜性。同時(shí)，由軟件定義技術(shù)帶來(lái)的集中控制能力可以實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)資源的統(tǒng)一調(diào)配與管理，做到星座資源的最大化利用。

云化的空間段以低軌衛(wèi)星星座為實(shí)體，星座構(gòu)型通常由Walker星座描述，包括Walker-Star和Walker-Delta兩類構(gòu)型。依據(jù)各自特點(diǎn)，前者重點(diǎn)考慮實(shí)現(xiàn)包含兩極的全球信號(hào)覆蓋，后者則重點(diǎn)考慮為業(yè)務(wù)密集地區(qū)提供更大的接入容量與網(wǎng)絡(luò)容量。此外，超大帶寬的星間、星地傳輸能力是空間段云化的基礎(chǔ)。衛(wèi)星間采用激光星間鏈路彼此連接，衛(wèi)星對(duì)地采用Ka, Q/V甚至更高頻段的微波鏈路。

(2)地面段。軟件定義星座網(wǎng)絡(luò)的地面段由分布于全球各地的地面信關(guān)站和計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備構(gòu)成，后者通過(guò)前者接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。地面信關(guān)站可通過(guò)Ka, Q/V波束接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，且認(rèn)為單個(gè)信關(guān)站可通過(guò)多個(gè)波束接入可視仰角范圍內(nèi)的多顆衛(wèi)星。從功能上劃分，地面段包括核心網(wǎng)云、計(jì)算云、存儲(chǔ)云3個(gè)功能云，以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口。其中功能云均通過(guò)虛擬化手段部署于通用化的計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備中，而無(wú)需建設(shè)專用設(shè)施，從而實(shí)現(xiàn)功能的可遷移性與去中心化。

④布井方案，根據(jù)抽水試驗(yàn)成果及論證范圍內(nèi)現(xiàn)有開(kāi)采井實(shí)際開(kāi)采情況確定設(shè)計(jì)單井涌水量，并根據(jù)設(shè)計(jì)單井涌水量及作物最大灌水定額計(jì)算單井控制規(guī)模，提出布井方案，計(jì)算影響半徑，分析抽水是否產(chǎn)生干擾。

位于地面段的核心網(wǎng)云繼承于5G核心網(wǎng)，是低軌星座與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)融合架構(gòu)的核心。核心網(wǎng)云通過(guò)信關(guān)站實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的連接，其中的虛擬網(wǎng)元按需部署于連接到信關(guān)站的通用計(jì)算存儲(chǔ)設(shè)備之中，位于不同實(shí)體的網(wǎng)元通過(guò)星座網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。由于虛擬網(wǎng)元可以在任意網(wǎng)絡(luò)通用設(shè)備上生成、釋放與遷移，因此具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性及抗毀性。核心網(wǎng)云主要承擔(dān)用戶及業(yè)務(wù)的管理功能，以先進(jìn)的地面移動(dòng)通信核心網(wǎng)為基礎(chǔ)，具備與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的天然兼容性，可輕松實(shí)現(xiàn)與已有網(wǎng)絡(luò)的高效互聯(lián)互通，同時(shí)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的共同演進(jìn)，為將來(lái)6G系統(tǒng)中全網(wǎng)多域融合發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

地面段的另一大特點(diǎn)為全云化的計(jì)算與存儲(chǔ)。由于當(dāng)前低軌衛(wèi)星星上計(jì)算存儲(chǔ)資源不足，因此采用星上轉(zhuǎn)發(fā)+地面計(jì)算存儲(chǔ)的方式協(xié)同完成網(wǎng)絡(luò)的云智能集成。計(jì)算方面，由于星上計(jì)算資源受限，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過(guò)接入分布于全球各地的計(jì)算資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)星座網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力擴(kuò)展。當(dāng)空間段面臨大計(jì)算量任務(wù)時(shí)，衛(wèi)星可就近對(duì)地面計(jì)算資源進(jìn)行請(qǐng)求調(diào)用，地面完成計(jì)算后將結(jié)果返回至對(duì)應(yīng)衛(wèi)星。此外，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)還可利用其全球覆蓋、大帶寬、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，將全球接入的計(jì)算資源進(jìn)行連接與整合，實(shí)現(xiàn)高度可擴(kuò)展的云計(jì)算功能。存儲(chǔ)方面，低軌星座網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)具有顯著的本地化特征，且數(shù)據(jù)量大、調(diào)用頻繁。由于低軌星座衛(wèi)星與地面頻繁切換，伴隨著大量數(shù)據(jù)的反復(fù)轉(zhuǎn)移，占用有限的星間鏈路資源，因此存儲(chǔ)功能不適合星上實(shí)現(xiàn)。由此，軟件定義星座網(wǎng)絡(luò)采用在應(yīng)用區(qū)域附近設(shè)置邊緣存儲(chǔ)云的方式，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問(wèn)，以盡可能少的跳數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳及下載，降低訪問(wèn)時(shí)延的同時(shí)節(jié)約鏈路資源。

值得一提的是，由于目前衛(wèi)星星上計(jì)算資源不足[26]，因此考慮將核心網(wǎng)云與計(jì)算云部署于地面。隨著空間技術(shù)的不斷發(fā)展，當(dāng)算力滿足需求時(shí)，核心網(wǎng)云與計(jì)算云也可以分布地部署于星上，進(jìn)一步降低控制平面時(shí)延，同時(shí)提高星座自主運(yùn)行程度。對(duì)于存儲(chǔ)云，由于低軌星座網(wǎng)絡(luò)與地面頻繁切換的特點(diǎn)，僅考慮將星座網(wǎng)絡(luò)自身信息存儲(chǔ)于星上，以實(shí)現(xiàn)星座不依賴地面的自主運(yùn)行。而用戶、業(yè)務(wù)相關(guān)信息則存儲(chǔ)于地面邊緣存儲(chǔ)云。

(3)用戶段。系統(tǒng)的用戶段由各類衛(wèi)星終端組成。衛(wèi)星終端的種類包括星載、機(jī)載終端、企業(yè)終端、個(gè)人終端、中繼終端等。值得一提的是，由于星座的寬帶化需求，星地鏈路采用Ka,Q/V等高頻信號(hào)。由電磁波自由空間傳輸損耗可知，路徑損耗與頻率的平方成正比，因此需要盡可能地提升天線增益使星地通信等效全向輻射功率(Effective Isotropic Radiated Power, ERIP)滿足需求。相控陣天線在星地鏈路的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)窄波束的精準(zhǔn)指向，實(shí)現(xiàn)高增益；同時(shí)波束數(shù)量及切換的靈活性均大大提升，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)多顆衛(wèi)星的迅速接入。然而，這一方案導(dǎo)致手機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)等終端由于尺寸限制難以配備相控陣天線，其配備的全向天線難以與衛(wèi)星直接通信，因此需要各種類型的衛(wèi)星終端進(jìn)行中繼。常用的中繼方式包括通過(guò)信號(hào)塔進(jìn)行區(qū)域中繼、通過(guò)無(wú)人機(jī)進(jìn)行移動(dòng)中繼等。終端的接入、選星、波束分配由控制平面統(tǒng)一管理，終端只對(duì)控制平面分配給自身的網(wǎng)絡(luò)資源可見(jiàn)。終端對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)同樣需要經(jīng)過(guò)控制平面授權(quán)，再通過(guò)控制平面分配的網(wǎng)絡(luò)資源由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)直接連接至距離最近的外部網(wǎng)絡(luò)接口。

4.3 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

全云化的軟件定義低軌星座網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。架構(gòu)采用全云化設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)依照網(wǎng)絡(luò)功能分為5類功能云：核心網(wǎng)云、接入云、承載云、計(jì)算云和存儲(chǔ)云。功能云內(nèi)采用業(yè)務(wù)與控制分離、集中控制的軟件定義化架構(gòu)，每個(gè)功能云分為控制平面和業(yè)務(wù)平面。控制平面采用基于服務(wù)的架構(gòu)，不同網(wǎng)絡(luò)功能的控制平面通過(guò)5G服務(wù)化架構(gòu)(HTTP REST等協(xié)議)相互連接，并通過(guò)API訪問(wèn)的形式獲取所需的服務(wù)，形成邏輯集中的“控制云”。業(yè)務(wù)平面方面，各功能云內(nèi)采用虛擬化技術(shù)，將連接到網(wǎng)絡(luò)的波束、頻率、帶寬、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源進(jìn)行虛擬化并加以編排，由控制平面進(jìn)行調(diào)用。網(wǎng)絡(luò)的管理平面在控制云之上，作為控制云的北向API，管理維護(hù)上層應(yīng)用對(duì)下層網(wǎng)絡(luò)功能的調(diào)用。

核心網(wǎng)云負(fù)責(zé)低軌星座網(wǎng)絡(luò)用戶與業(yè)務(wù)的管理，包括接入鑒權(quán)、會(huì)話管理、信息管理、移動(dòng)性管理、計(jì)費(fèi)、網(wǎng)絡(luò)切片管理、與其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通等功能。同時(shí)，核心網(wǎng)作為業(yè)務(wù)開(kāi)展的核心，起到總領(lǐng)、協(xié)同其他功能云共同滿足用戶需求的作用。核心網(wǎng)云獲取用戶接入、會(huì)話、信息等業(yè)務(wù)請(qǐng)求，對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行分解，并通過(guò)服務(wù)化API接口調(diào)用相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能。例如，將星地接入部分交由接入云完成，將星間網(wǎng)絡(luò)端到端路由交由承載云完成，將用戶身份、位置等信息存儲(chǔ)交由存儲(chǔ)云完成，將復(fù)雜計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)切片編排交由計(jì)算云完成等。

接入云負(fù)責(zé)星座與地面站、終端之間的連接管理，包括波束調(diào)度、地面站/終端選星、頻譜資源調(diào)配等功能。由于頻譜、波束資源具有地域性，因此根據(jù)業(yè)務(wù)所在地區(qū)，設(shè)置邊緣集中控制模塊，將該分區(qū)上方衛(wèi)星、頻率、波束等資源進(jìn)行集中管理，再由分布式控制器或系統(tǒng)級(jí)接入控制器集中調(diào)度，實(shí)現(xiàn)星地靈活高效接入。

承載云是實(shí)現(xiàn)低軌星座網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、高效可靠傳輸和端到端服務(wù)質(zhì)量保證的功能云，更是起到將不同功能云之間在物理上連接起來(lái)的作用。承載云控制面獲取從核心網(wǎng)云輸入的路由信息，包括起始衛(wèi)星、目的衛(wèi)星、時(shí)延帶寬QoS需求等參數(shù)，通過(guò)其控制平面計(jì)算路由路徑(可調(diào)用計(jì)算云)，并將結(jié)果下發(fā)至相關(guān)衛(wèi)星。同時(shí)，承載云利用分段路由(Segment Routing, SR)、虛擬局域網(wǎng)(Virtual Local Area Network, VLAN)、區(qū)分服務(wù)(Differentiated Service, DiffServ)、路徑保護(hù)等技術(shù)途徑實(shí)現(xiàn)具有QoS保障的端到端路由。

計(jì)算云與存儲(chǔ)云為網(wǎng)絡(luò)提供海量計(jì)算與存儲(chǔ)能力，賦能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)意圖驅(qū)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)智能化接入、全網(wǎng)高效QoS路由編排等高計(jì)算能力需求功能，以及本地化用戶注冊(cè)、位置管理、邊緣內(nèi)容分發(fā)等高存儲(chǔ)能力需求功能。計(jì)算云與存儲(chǔ)云首先通過(guò)NFV手段將計(jì)算與存儲(chǔ)資源和硬件設(shè)備解耦，資源統(tǒng)一由編排模塊管理；再根據(jù)核心網(wǎng)云提出的需求由邊緣控制器或系統(tǒng)級(jí)接入控制器集中調(diào)度，計(jì)算結(jié)果或數(shù)據(jù)請(qǐng)求由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)回傳至請(qǐng)求方。

全云化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)具備以下優(yōu)勢(shì)：

(1) 可靠性優(yōu)勢(shì)。虛擬化技術(shù)可以通過(guò)將網(wǎng)絡(luò)底層資源抽象為邏輯上的功能，使網(wǎng)絡(luò)功能不依賴于特定底層設(shè)備，同時(shí)具備可遷移性。以虛擬化為基礎(chǔ)，功能網(wǎng)元可實(shí)現(xiàn)物理上的去中心化，即將網(wǎng)元遷移或備份至任意地點(diǎn)符合要求的物理設(shè)備中，并通過(guò)低軌星座接入網(wǎng)絡(luò)，避免出現(xiàn)因單臺(tái)設(shè)備故障而造成網(wǎng)絡(luò)功能缺失。

(2) 業(yè)務(wù)靈活承載優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)元的虛擬化與云化使其可以按需部署于任意滿足要求的白盒設(shè)備，由此可根據(jù)業(yè)務(wù)需求對(duì)各網(wǎng)云，尤其是核心網(wǎng)云的網(wǎng)元功能進(jìn)行按需架構(gòu)與剪裁，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可編程。因此，網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)承載業(yè)務(wù)類型靈活進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)部署，使網(wǎng)絡(luò)滿足現(xiàn)有甚至未來(lái)的多類型業(yè)務(wù)承載需求。

(3) 可擴(kuò)展性優(yōu)勢(shì)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)相融合，邏輯上采用5G服務(wù)化架構(gòu)連接各網(wǎng)元，物理上采用低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接地面段及用戶段各實(shí)體。一方面，新的網(wǎng)元可通過(guò)接入服務(wù)化架構(gòu)成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，實(shí)現(xiàn)服務(wù)能力上的可擴(kuò)展；另一方面，低軌信息網(wǎng)絡(luò)也會(huì)隨著地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)一同演進(jìn)，從軟件層面完成功能、服務(wù)的新舊交替，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的可擴(kuò)展。

4.4 全云化的互聯(lián)保障

低軌星座網(wǎng)絡(luò)通過(guò)建立互聯(lián)保障層將網(wǎng)絡(luò)底層資源無(wú)縫連接在一起，形成網(wǎng)絡(luò)的功能云，如圖4所示。由于架構(gòu)采用去中心化設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)的底層接入、計(jì)算、存儲(chǔ)等資源可分布于全球各地，因此需要低軌星座網(wǎng)絡(luò)將其互聯(lián)并整合為抽象的網(wǎng)絡(luò)功能。然而，相比于地面網(wǎng)絡(luò)，低軌星座的高動(dòng)態(tài)性與低可靠性給數(shù)據(jù)的高效交互帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。

圖4 互聯(lián)保障層示意圖

互聯(lián)保障層是底層資源與上層功能間的鉸鏈層，同時(shí)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)全云化的重要手段。其主要作用為對(duì)上層屏蔽網(wǎng)絡(luò)底層的移動(dòng)性，并為底層虛擬化資源之間提供具有可靠性保障的端到端連接，從而保障控制平面網(wǎng)元對(duì)全球任意位置業(yè)務(wù)平面網(wǎng)元的實(shí)時(shí)控制。

在移動(dòng)性屏蔽方面，采用身份位置分離的網(wǎng)絡(luò)編址方法，并在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備ID與其地理位置間建立映射，使路由僅在位置與位置之間進(jìn)行，從而屏蔽了網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性。在業(yè)務(wù)端到端傳輸方面，采用面向連接的L2VPN/L3VPN路由實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的按需專線連接。通過(guò)部署多條不同路由路徑的備用連接，并采用雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)(BFD)的路徑心跳監(jiān)測(cè)手段實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路徑連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)亞秒級(jí)的故障發(fā)現(xiàn)及備份倒換。在控制平面信令可靠傳輸方面，采用基于雙層SDN(DLSDN)的帶內(nèi)控制技術(shù)[3]，上層控制模塊在控制器和業(yè)務(wù)平面網(wǎng)元之間維護(hù)若干條端到端的帶內(nèi)控制路徑，從而對(duì)下層控制器屏蔽網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?；而下層控制模塊利用上層控制模塊提供的控制路徑作為“管道”和業(yè)務(wù)平面網(wǎng)元交互控制信令。通過(guò)上述手段，互聯(lián)保障層可以屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)底層的拓?fù)渥兓诟魈摂M化網(wǎng)元之間提供穩(wěn)定可靠的邏輯連接。

4.5 基于意圖驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)自主管理

由于低軌信息網(wǎng)絡(luò)多節(jié)點(diǎn)、多用戶、多業(yè)務(wù)類型的特點(diǎn)，傳統(tǒng)基于人工的配置難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的高效管理。因此，未來(lái)低軌星座網(wǎng)絡(luò)需要基于意圖驅(qū)動(dòng)的智能化管理手段對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)化管理，將人從運(yùn)行管理的環(huán)路中解放出來(lái)。

網(wǎng)絡(luò)的意圖驅(qū)動(dòng)能力位于網(wǎng)絡(luò)的管理平面，是網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)功能的一部分。意圖驅(qū)動(dòng)由意圖感知、策略制定與策略執(zhí)行3個(gè)步驟組成，如圖5所示。首先，感知模塊收集并感知全網(wǎng)的意圖，并將模糊的意圖明確為具體的功能要求或指標(biāo)需求。意圖的來(lái)源包含但不限于新業(yè)務(wù)的部署、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理、底層的資源編排與優(yōu)化等。其次，策略制定模塊將功能要求或指標(biāo)要求轉(zhuǎn)化為可實(shí)施的具體策略，并通過(guò)意圖的優(yōu)先級(jí)對(duì)策略的實(shí)施進(jìn)行全局編排，使得盡可能多的意圖得到滿足。最后，策略執(zhí)行模塊將制定好的策略下發(fā)到對(duì)應(yīng)的功能云加以執(zhí)行?？梢?jiàn)，未來(lái)由意圖驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全流程自主管理，而人只需要進(jìn)行關(guān)鍵的決策即可，極大提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行管理效率。

圖5 低軌信息網(wǎng)絡(luò)意圖驅(qū)動(dòng)示意圖

5 未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：挑戰(zhàn)與展望

盡管低軌星座網(wǎng)絡(luò)的去中心化與軟件定義化是大勢(shì)所趨，但從近期來(lái)看架構(gòu)的實(shí)施仍面臨技術(shù)上的較大挑戰(zhàn)。尤其是目前空間網(wǎng)絡(luò)虛擬化、靈活組網(wǎng)、智能化、資源管理等技術(shù)尚不具備支撐全云化與去中心化的能力，衛(wèi)星平臺(tái)及載荷技術(shù)的差距也制約了網(wǎng)絡(luò)與智能新技術(shù)應(yīng)用。因此本文對(duì)需要面對(duì)的技術(shù)挑戰(zhàn)進(jìn)行了初步的列舉。

星座網(wǎng)絡(luò)云化控制平面技術(shù)?？刂破矫媸擒浖x低軌星座網(wǎng)絡(luò)高效運(yùn)行的核心所在，需要在低軌星座的高動(dòng)態(tài)、多業(yè)務(wù)、大連接場(chǎng)景下對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與動(dòng)態(tài)調(diào)配，保障服務(wù)質(zhì)量的同時(shí)提高網(wǎng)絡(luò)的利用率。同時(shí)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)去中心化需求，控制平面同樣需要實(shí)現(xiàn)云化部署。由此，需要重點(diǎn)關(guān)注：星座接入網(wǎng)、承載網(wǎng)云化技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)功能快速遷移技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)保障技術(shù)，分布式控制平面技術(shù)等。

高性能分布式智能云腦技術(shù)。云智能集成是實(shí)現(xiàn)高可靠敏捷空間信息體系的重要基礎(chǔ)，利用部署于天、空、地的分布式高性能計(jì)算與智能處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)空間多節(jié)點(diǎn)計(jì)算、存儲(chǔ)資源彈性一體化管理與調(diào)度，實(shí)現(xiàn)在線數(shù)據(jù)處理生成，支持空間信息服務(wù)能力創(chuàng)新。需要關(guān)注：分布式靈活智能云腦技術(shù)、面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算通信存儲(chǔ)多維協(xié)同技術(shù)、意圖驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理技術(shù)。

靈活甚高通量星地通信技術(shù)。采用多點(diǎn)波束和頻率復(fù)用的高通量衛(wèi)星已經(jīng)成為推動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)發(fā)展的變革技術(shù)。隨著互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，面向衛(wèi)星與地面通信的深度融合，市場(chǎng)對(duì)衛(wèi)星通信提出了更快速率、更大容量和更高性價(jià)比的需求，Tbps量級(jí)的甚高通量通信衛(wèi)星是未來(lái)空間網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的重要趨勢(shì)，因此需要關(guān)注毫米波乃至太赫茲頻段應(yīng)用于星地鏈路的可能性。

甚高速率星間激光通信與處理交換技術(shù)。高速激光通信是未來(lái)空間網(wǎng)絡(luò)高速組網(wǎng)的核心技術(shù)基礎(chǔ)。未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展要求更高通信速率、更小星載終端規(guī)模和全新的在軌光處理與交換。因此需要突破：Tbps以上小型化星間激光終端技術(shù)、星載抗輻照大規(guī)模光處理技術(shù)、高動(dòng)態(tài)星間激光鏈路捕獲與跟蹤技術(shù)等。

在軌可重構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)化衛(wèi)星技術(shù)。由于衛(wèi)星更新?lián)Q代速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于新業(yè)務(wù)需求的出現(xiàn)速度及通信、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)演進(jìn)速度，衛(wèi)星的在軌重構(gòu)是實(shí)現(xiàn)全業(yè)務(wù)承載與持續(xù)演進(jìn)的必要條件。承載、計(jì)算、存儲(chǔ)的云化部署也要求衛(wèi)星提供可虛擬化的通用硬件平臺(tái)，可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行業(yè)務(wù)部署、軟件更新及資源調(diào)配。因此需要突破：星上處理交換載荷白盒化技術(shù)、處理交換載荷高容錯(cuò)技術(shù)、星上資源池化技術(shù)等。

6 結(jié)論

正值這千星萬(wàn)星齊暉的“大航天時(shí)代”，低軌系統(tǒng)的發(fā)展引發(fā)了未來(lái)的天基網(wǎng)絡(luò)形態(tài)質(zhì)的變化，為發(fā)展太空網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)。在此背景下，本文從空間網(wǎng)絡(luò)、天地融合以及先進(jìn)衛(wèi)星3個(gè)領(lǐng)域?qū)Πl(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了概述，提出了低軌信息網(wǎng)絡(luò)的愿景，并將網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)歸納為多業(yè)務(wù)承載、軟件定義、星地融合和云智能集成4方面。基于這一趨勢(shì)，本文對(duì)未來(lái)低軌星座網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)架構(gòu)進(jìn)行了暢想，基于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可編程、網(wǎng)絡(luò)功能抽象解耦以及實(shí)體去中心化3大設(shè)計(jì)理念，提出了全云化的軟件定義低軌星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。該架構(gòu)通過(guò)將接入、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)資源虛擬化形成便于調(diào)配的業(yè)務(wù)平面，并通過(guò)互聯(lián)保障層提供屏蔽移動(dòng)性、保障可靠性與QoS的邏輯連接，以方便集中控制或功能云間的相互調(diào)用，使資源實(shí)體做到物理分散而邏輯集中；由靈活部署的核心網(wǎng)功能與各功能云的集中控制模塊構(gòu)成邏輯集中的控制平面，統(tǒng)籌各個(gè)功能云子層資源，形成服務(wù)能力；最終由意圖驅(qū)動(dòng)的管理平面進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)意圖感知，并完成資源分配策略的制定與執(zhí)行，形成網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理能力。最后，本文對(duì)未來(lái)低軌信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了展望，列舉了實(shí)現(xiàn)全云化星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)需重點(diǎn)關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)。