摘 要：针对高低轨（guǐ）混合卫星（xīng）网（wǎng）络的特点，探索卫星运控（kòng）、网络管控等功能的整合机制，提出基于统一管（guǎn）控平面的（de）天地一（yī）体管（guǎn）控架构（gòu），包括系统组成（chéng）、运行机制、技术体制等（děng），并分析了（le）该管控架（jià）构（gòu）优点（diǎn）及（jí）工程实现所面临的（de）困难。

　　关键词（cí）: 高（gāo）低轨混合卫星网（wǎng）络； 网络（luò）管控架构；资源调（diào）度和协同应用

引 言（yán）

　　高（gāo）低轨卫星在覆盖（gài）范围、服务质量以及系统建（jiàn）设（shè）部署等方面具有各自的特点（diǎn），不（bú）少典型（xíng）的（de）通信、导航等（děng）卫星系统采用高低轨混合（hé）的（de）星（xīng）座（zuò）结构（gòu）实现全球服务（wù），提供差异化、个（gè）性化的服务能力[1][2]。以高低（dī）轨混合星座的全球卫星通（tōng）信（xìn）系统为例，该（gāi）类卫星网络具有时（shí）空跨度大、节（jiē）点分布动态变化（huà）、异质异构节点组网、节点传输与处理资源有限等特点，不（bú）仅在扩展性、移动性、安全性等方面（miàn）具（jù）有（yǒu）突出的（de）问题，同时（shí）在网（wǎng）络管理控制方面也（yě）面临巨大（dà）挑战：

• 　　一方面，需（xū）要管理的网络设备和业务（wù）服务规模大幅增加，管理对象不仅包括（kuò）天地网络设施以及终端，还（hái）包括频率、功率、带宽以及地址、标（biāo）识等（děng）资源；

• 　　另一方面（miàn），我（wǒ）国目前无法实现（xiàn）全球（qiú）布站，单一依赖地基管理系统难以满足网（wǎng）络精细化、实时性的（de）管控需求。

　　综上所述，构建天地（dì）一（yī）体（tǐ）的管控（kòng）系统是卫星网络实现全球服务、高效运行的重要保障。

　　1.高（gāo）低（dī）轨混合卫星网（wǎng）络管控面临（lín）的挑战

　　图（tú）1给出了一种应用于全球通信服务的典（diǎn）型卫星（xīng）网络组成示意[1]。该卫星网络（luò）由天基骨干网、天基接入网和地基节点网组（zǔ）成，其中天基骨干网由布设在地（dì）球同（tóng）步轨道的（de）节点组成，节点之间通过高速的激光（guāng）星间链路互联互通（tōng），形（xíng）成覆盖全球的天基信息高速公（gōng）路；天基接入网由布（bù）设在低轨的节点组成，为各类用（yòng）户（hù）提供宽（kuān）带接入（rù）、移（yí）动（dòng）通信等服务；地基节点网主要由多（duō）个地基节点互联而成，支（zhī）持空间数（shù）据落（luò）地、信息应用服务、地面网络互联（lián）等功能。相比（bǐ）传（chuán）统的卫星（xīng）通（tōng）信（xìn）系统，该卫星网络具（jù）有体系结（jié）构复杂、拓扑（pū）动态变化等（děng）特点，从而使得网络的管理（lǐ）需求复杂且实现难度高，主要体现在以（yǐ）下几个方面：

（1）管控对象复杂多样

　　网络管（guǎn）控对（duì）象（xiàng）涉（shè）及高轨、低轨以及地基等各类节（jiē）点（diǎn），通过组网使（shǐ）得各节（jiē）点互联形成（chéng）“一张网”，节点数（shù）量众多且功能各异，网络服务弹（dàn）性可变导致节点载荷功（gōng）能复杂，不仅要（yào）实现（xiàn）天地网（wǎng）络设备状态（tài）及（jí）参数管控外，还要实现频率、功率、带宽以及（jí）地址（zhǐ）、标（biāo）识（shí）等网（wǎng）络（luò）“软”资源的管控，管控信息（xī）急剧增加。

（2）网（wǎng）络资源精（jīng）细化（huà）、实时性调度要求高

　　网络提（tí）供面向（xiàng）用户的随（suí）遇接入、按需服务（wù）的保（bǎo）障（zhàng）能力，对网络资源精（jīng）细化、实时性调度要求较（jiào）高。一（yī）方（fāng）面通过（guò）全球布（bù）站的方式提（tí）高网络（luò）管控能力需实现较（jiào）为复杂（zá）的协调（diào），而另一方面星上（shàng）处理能力有限以（yǐ）及网络安（ān）全（quán）性要求也制约着网（wǎng）络功能（néng）从（cóng）地面向天（tiān）基的迁移，因此在网络（luò）工程建设及实际运行中，如（rú）何优化（huà）星地功（gōng）能分配，发挥网络星地协同（tóng）、多星协同的优势，是高低轨混合卫星网络管（guǎn）控系统设计（jì）的主要难点。

图1 天地一（yī）体化网络系统架构

（3）面向应（yīng）用驱动的管控需求：

　　面向（xiàng）全球服务的卫星通信网络由传统的专用系统向公共网络基础设施发展，需为不（bú）同的民商用户提供（gòng）不同等级（jí）的（de）网络服务，将同时承载各类差异化的用（yòng）户（hù）业务，如话音通信、宽带接入（rù）、数据中继以及天（tiān）基物联（lián）等，各类业务对服务质（zhì）量及网络资源要求各异（yì）。因此传统面向网元的管理模式难以为多（duō）并（bìng）发用户应用提供高效高（gāo）质量（liàng）网络服务，需（xū）结合网络特点提（tí）出面向应用驱动的天地（dì）一体（tǐ）网络管（guǎn）控架构（gòu），实（shí）现网（wǎng）络灵（líng）活控制以及（jí）用户服务快（kuài）速（sù）响应。

　　2 天（tiān）基信（xìn）息网络管控（kòng）系（xì）统发展（zhǎn）现状（zhuàng）

　　随着天基信息网络快速发展，网络（luò）管控系统的研究也持续深入。美（měi）军提出的（de）以天（tiān）、地骨干网络（luò）为核（hé）心的“三（sān）层多域”的全（quán）球信息栅格（GIG）设（shè）计并构建（jiàn）了面向陆（lù）、海、空、天网络一体化管理的四级体系（xì）。海事卫星（xīng）的管控系统主要分为两级，一级为伦敦的网络操作（zuò）中（zhōng）心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海事卫星（xīng）的平台和载荷管理，以及地面站的频率分配（pèi），对全网的资源进行统一的维护调度[3][4]；二级由各地面关口站组成，负责对应卫星的通信管理（lǐ）、运行维护和业务（wù）支撑。

　　OneWeb系统的管控主要由（yóu）卫星控制中心（xīn）（主备双中（zhōng）心）、网络（luò）运行控制（zhì）中心（主备（bèi）双中心），以及遍布全球的五十（shí）余个信关站来完（wán）成[5]，其中，卫（wèi）星控制中心主要负责卫星飞行动力、任务规划、地面站控制（zhì）等，网络控制中心主要负责通信网络资源统一管理与动态调（diào）配，信关站是网络用户接入地面网络的互（hù）联关口。

　　国内也积极加强卫星通信系（xì）统管控系统（tǒng）建设，其架构经历了由（yóu）设（shè）备（bèi）监控、通信网络管理（lǐ）、星地一体化管控的历程，初步形成三级（jí）分（fèn）布式的管理构架，并建设了（le）一批具备自主可控能力的管控（kòng）系统（tǒng）[6][7]。天基网络管控系统的（de）建设趋（qū）于集约化发展（zhǎn），技术也（yě）趋于（yú）自（zì）主化、智能化（huà）发展，提高系统的（de）管控效率，针（zhēn）对（duì）多（duō）样（yàng）化网络业务和用户应用的自动化管控能力增强。

　　随着星上处（chù）理能力的（de）增强（qiáng），卫星载荷（hé）也能实现部分（fèn）控制功能（néng）。J.Bao在论文中提（tí）出集中（zhōng）式的管（guǎn）控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫（wèi）星设备）和控（kòng）制层（控（kòng）制（zhì）卫星）分离（lí）开，将控制层（céng）部（bù）署于地球同步轨（guǐ）道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网络中的卫星（xīng）进行管控，从而无法全球建站的情况下（xià）实现卫星的全程管控（kòng），如图（tú）2所（suǒ）示。这种将控制与转发分离的思（sī）想应用于空（kōng）间网络的设计被（bèi）称（chēng）为软件（jiàn）定义卫星网络[10]，以解决传统空间网络连接（jiē）和重配置的（de）时延较大，数据（jù）传输不（bú）灵活的问题。

图（tú）2 传统管控（kòng）架构与集中式管控架构对比

　　综上所述，在卫星网（wǎng）络（luò）中分（fèn）离（lí）数据转（zhuǎn）发、管理（lǐ）控制功能（néng）[11][12][13]，建（jiàn）立管控平面，由（yóu）专有（yǒu）设备来部署（shǔ）控制（zhì）策略，实现复（fù）杂卫星（xīng）网络（luò）的管（guǎn）理（lǐ）控制、运行（háng）维（wéi）护、运营服务（wù）等能力，体（tǐ）现了（le）天基网络（luò）管控系统当前发展的重要趋势（shì）。

　　3 基（jī）于统一管控平面的管控架构设计

　　借鉴地面（miàn）网络管控架构，参考软（ruǎn）件定义卫星，本文提出（chū）了一种高低轨混合卫星网络管控架（jià）构。该架构采（cǎi）用统一的管（guǎn）控（kòng）平面（miàn），将高、低轨卫星（xīng）和地（dì）面站均作为网络节点（diǎn）进行（háng）统一管（guǎn）理，实现各类型（xíng）卫星平台、载荷以（yǐ）及网络资源的统一、集中（zhōng）控制，如图3所示。

　　该管控架构将（jiāng）网络从（cóng）功能层面分为（wéi）数据平面（miàn）、控（kòng）制（zhì）平面和管理平面：

图3 高低轨混合卫（wèi）星网络管（guǎn）控架构

　　管理平面和控制平面共同构成网络的（de）管控平面，整合卫星测控、运（yùn）控、网管及网控（kòng）等功能，实现卫星控（kòng）制功能统一化、网（wǎng）络（luò）管理功（gōng）能集中化。其中管理（lǐ）平面根据网（wǎng）络规划和资（zī）源调度（dù）对（duì）卫星节点（diǎn）和地基节（jiē）点（diǎn）中的网络（luò）资（zī）源（yuán）（接入资（zī）源和路由转（zhuǎn）发资源）进行预分配和（hé）动（dòng）态调整，并将与业务处（chù）理（lǐ）密切相（xiàng）关的无线资（zī）源分配、移动性管理、转发控制等控制功能直接（jiē）部署于（yú）控制平面。管理平面和控制平面协同工作，实现网络（luò）资源细粒度的（de）实时分配，确保网络可靠、高效的运（yùn）行，如图4所示。

图（tú）4 网络管控功能运行（háng）模式

　　管控（kòng）平面的（de）信息交互依赖（lài）于管控通道。传统卫星（xīng）网（wǎng）络的管控（kòng）通道由测控通道或者业务通（tōng）道组成，采（cǎi）用相应的测控协议或（huò）者网（wǎng）管协（xié）议（yì）。该管控架构设计统一管控通道，即由中心及（jí）代理构成的网管网，由代理统一采集卫星运控、测控、网络信息，汇聚后经管控通（tōng）道（dào）传输至中心。中心与代理之（zhī）间（jiān）采用基于统一的（de）管控协议，主要包括（kuò）通信模型、信息（xī）模型，其中通信（xìn）模型定义（yì）中心与代理（lǐ）之间（jiān）的数据交互流程和通（tōng）信原语（yǔ），降低协（xié）议报文开销并满足不断演进的管控功能（néng）需求；信息模型，定义被（bèi）管信（xìn）息的统一描述（shù）语言，统一定义网（wǎng）络和设备的管控信息库，实现天地管控数据（jù）的统一描述（shù）和（hé）适配。

　　管控平面的物理部署于地（dì）基节点和卫星节点上，部署于（yú）地基节（jiē）点的管理（lǐ）系统实现全网的统筹管理和各（gè）控制系统之间的协同工作，提高资源利用率、避免指令冲突。部（bù）署于卫星节点和地（dì）基（jī）节点的控制（zhì）系统受（shòu）控于管理系（xì）统，负责网络（luò）的实时控制（zhì），通过星上处理减少天地（dì）之间控制信息（xī）的交互，提高网络（luò）控制响应的时效性及星（xīng）地、星（xīng）间协同能力。星（xīng）地（dì）管控系统协同配合（hé），地面管控系统和天基骨（gǔ）干（gàn）节点（diǎn）共（gòng）同实现管控信息（xī）网（wǎng）络化采集、网（wǎng）络化存储及管控（kòng）功能网络化部署，为卫星网络的管控系统“云（yún）化”提供支（zhī）撑，如图5所示。

图5 管控平面（miàn）部（bù）署示意

　　4 实现困难（nán）

　　该（gāi）管控架构可有效（xiào）解决卫星网（wǎng）络各类节点的异质异（yì）构性和资源（yuán）动（dòng）态性带来的管理挑（tiāo）战（zhàn），便（biàn）于（yú）复杂（zá）的管理（lǐ）策（cè）略部（bù）署（shǔ）及（jí）灵活调整，满足细粒度的（de）管理需求，也（yě）有利于新技术的应用和升（shēng）级。但是，该管（guǎn）控架构在技（jì）术实现（xiàn）上还面（miàn）临着许多亟待解（jiě）决（jué）的问（wèn）题，主要包括以下几个（gè）方面：

（1） 管（guǎn）控平面的（de）安全性（xìng）

　　统一（yī）管（guǎn）控（kòng）平面将卫星控制（zhì）和网络（luò）管理统一整（zhěng）合（hé），管控平面将获（huò）取并存（cún）储全（quán）网信息，控制网（wǎng）络行为（wéi），管理网（wǎng）络状（zhuàng）态（tài）。相对于传统的分布式网络（luò）架构，集中（zhōng）化的管控平面将成为网络的薄弱环节（jiē），降（jiàng）低网（wǎng）络管理（lǐ）控（kòng）制的（de）安全性（xìng）和鲁棒性。

（2） 管控逻辑的一致性

　　统（tǒng）一（yī）管控平面的架构（gòu）虽然将管控功能集（jí）中（zhōng）化处理（lǐ），但本质上（shàng）还是分（fèn）布式和（hé）异步操作的。针对卫（wèi）星网络拓扑及传输路径动（dòng）态变化等（děng）特点（diǎn），网络化的管控对管控信（xìn）息传输的时序控制以及网络（luò）节（jiē）点时间同步提出了更高要求。

（3） 管（guǎn）控平面（miàn）的可实现性

　　本架构提出的（de）管控平面将一部分功能部署在（zài）卫星节点上，统一管（guǎn）控信（xìn）息的采集（jí）、处（chù）理及网络（luò）化传输（shū），提升网络管控的（de）时效性及被（bèi）管节点管控接口的标准化（huà）水平，但需要卫星（xīng）节点提（tí）供较强的计算、存储资源，并保证具备与传（chuán）统卫（wèi）星（xīng）管控（如（rú）星（xīng）务计算机、测控（kòng）应答机等）相当的高可靠、长寿命（mìng）要求。

　　结（jié） 语

　　天基信息网络正处在（zài）高速（sù）发（fā）展的阶段（duàn），可靠有效的管控手段（duàn）是（shì）网络高（gāo）效运（yùn）行的前提（tí）。采用统一管控平面（miàn）的管控架构是未来天基网络管理的解决思路，日益增强的星上处理能力以及（jí）地面先进网络技术（shù）也（yě）为该架构的实现提供了可能，如云架构、边缘计算、高可靠低（dī）时（shí）延网（wǎng）络以及微（wēi）系统等技术，通过强大（dà）的（de）信息处理能（néng）力（lì）整合（hé）各（gè）类网（wǎng）络（luò）资源，高质量的网络传（chuán）输（shū）保证网络的（de）及（jí）时响应。但针对卫星网（wǎng）络（luò）的特殊性，在安全（quán）性（xìng）、一致（zhì）性及空（kōng）间可实现性方面也提出了较高要求（qiú），包括各管（guǎn）控系（xì）统的安全防（fáng）护、各系（xì）统之（zhī）间（jiān）的高效（xiào）协（xié）同问题都亟待（dài）解决。因此（cǐ）基于该架构的卫星网络管控能（néng）力实现将是（shì）逐步推进、持（chí）续演进的。

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