吳巍，秦鵬，馮旭，劉海蛟，黃照祥

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關于天地一體化信息網(wǎng)絡發(fā)展建設的思考

吳巍1，秦鵬2，馮旭2，劉海蛟2，黃照祥2

（1. 中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2. 中國電子科學研究院，北京 100043）

在維護和拓展國家利益時，我國信息網(wǎng)絡一直面臨著“覆蓋出不去、信息難兼容、服務響應慢、安全有隱患”的困境，建設天地一體化信息網(wǎng)絡，是應對挑戰(zhàn)的有效途徑?；诖?，分析了國內(nèi)外相關天地一體化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢，給出了天地一體化信息網(wǎng)絡體系結構設想、關鍵技術和實施策略。

天地一體化信息網(wǎng)絡；體系結構；實施策略

1 發(fā)展背景及現(xiàn)狀

天基網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡相比，具有高、遠和廣域覆蓋的突出特點[1,2]，對于實現(xiàn)海上、空中以及地面系統(tǒng)難以覆蓋的邊遠地區(qū)通信有其明顯優(yōu)勢，成為通信保障和商業(yè)應用的一個重要發(fā)展領域。然而，由于人類大部分活動仍是以地面為主進行的，因此基于各類衛(wèi)星的系統(tǒng)和應用發(fā)展始終離不開天地一體化的基本要求。天地一體化信息網(wǎng)絡的發(fā)展方向就是通過天基網(wǎng)絡與地面網(wǎng)絡的融合建設，實現(xiàn)地球近地空間中陸、海、空、天各類用戶與應用系統(tǒng)之間信息的高效傳輸與共享應用。

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國已建成以高軌通信衛(wèi)星為主體，全球地面電信港為依托，低軌移動通信星座等商用衛(wèi)星為補充的天地一體化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)。伴隨信息技術快速發(fā)展，天基信息網(wǎng)絡在民用、商業(yè)領域的建設和應用快速發(fā)展，在重點建設高軌寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的同時，一些應用互聯(lián)網(wǎng)技術、價格低廉的中低軌衛(wèi)星信息網(wǎng)絡呈現(xiàn)出蓬勃發(fā)展態(tài)勢。

1979年啟動的Inmarsat[3]衛(wèi)星網(wǎng)絡已構建了由8顆高軌海事衛(wèi)星和22個地面關口站組成的天地一體網(wǎng)絡，并實現(xiàn)與移動通信網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)，承擔全球民航空中交通管制、船舶海上交通管制的大部分通信保障任務。1998年5月，Iridium系統(tǒng)[4]正式建成，成為目前世界上唯一一個支持全球無縫覆蓋服務能力的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。2007年，Iridium NEXT計劃作為Iridium二代系統(tǒng)正式啟動，在保持原有星座架構的基礎上提供更大容量和更高速率的業(yè)務。O3b公司[5]計劃部署16顆衛(wèi)星，單星吞吐量約為12 Gbit/s。O3b把業(yè)務分為骨干網(wǎng)、地面移動網(wǎng)干線、能源專業(yè)、海事專業(yè)和政府專業(yè)幾大類，并有針對性地提供不同的速率和服務。Oneweb公司[4]將發(fā)射720顆衛(wèi)星，提供直接面向用戶的Ku頻段互聯(lián)網(wǎng)接入服務，計劃2018年開始發(fā)射，2019年提供服務。后期可能會再發(fā)射1 972顆衛(wèi)星以完成最終的星座。SpaceX公司通過挪威政府向ITU申報了STEAM[6]系統(tǒng)的頻率和軌位，從申報的情況來看，衛(wèi)星數(shù)量為4 257顆，使用Ku和Ka頻段，運行在43個軌道面。此外，SpaceX還通過美國無線電通信委員會（FCC）向ITU申報了6~8顆Ku頻段試驗星，首發(fā)星為MicroSat-1a和MicroSat-1b。

1.2 國外發(fā)展趨勢

（1）天地多網(wǎng)系深度融合

深入開展天網(wǎng)地網(wǎng)一體化設計與融合實踐，天基信息網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)深度融合形成有機整體。

（2）天基網(wǎng)絡中高中低軌衛(wèi)星混合組網(wǎng)

高中低軌組網(wǎng)方案不斷涌現(xiàn)，更好地適應區(qū)域增強、快速響應等應用需求。

（3）微小衛(wèi)星、模塊化衛(wèi)星成為研究熱點

部署成百上千顆低軌微小衛(wèi)星構成星座網(wǎng)絡，衛(wèi)星批量制造生產(chǎn)，火箭回收再用，大大降低衛(wèi)星成本，縮短研制建設周期。

1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國衛(wèi)星通信系統(tǒng)經(jīng)過幾十年獨立自主發(fā)展，已形成一定建設規(guī)模，在行業(yè)和商業(yè)領域得到廣泛應用，取得舉世矚目的成就。目前正在發(fā)展以固定業(yè)務為代表的寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)和以移動業(yè)務為代表的窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)，并開展高通量、寬帶移動通信衛(wèi)星研制建設。

我國主要建設發(fā)展中星、亞太系列通信廣播衛(wèi)星系統(tǒng)，通信業(yè)務基本實現(xiàn)亞洲、歐洲、非洲、太平洋等區(qū)域覆蓋，在全球衛(wèi)星空間段運營服務商排名第六位。目前，在軌運行C、Ku頻段民用通信衛(wèi)星共10顆，包括中星5A、中星6A、中星10號、中星11號、中星12號、中星16號和亞太5號、亞太6號、亞太7號、亞太9號。我國高通量寬帶衛(wèi)星發(fā)展剛剛起步，整體技術水平、系統(tǒng)容量和服務能力與國外先進衛(wèi)星系統(tǒng)尚有差距。2017年發(fā)射的首顆高通量Ka寬帶衛(wèi)星中星16號，容量達25 Gbit/s，國際上同期規(guī)劃的衛(wèi)星容量為300 Gbit/s。

1.4 迫切需求

目前，我國天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)發(fā)展很不平衡，呈現(xiàn)“天弱地強”的特征。我國天基信息網(wǎng)雖然取得長足進步，但與美國等發(fā)達國家相比，存在衛(wèi)星覆蓋范圍有限、網(wǎng)絡體系不夠合理、信息安全缺乏保障、頻率軌位儲備不足等問題，建設天地一體化信息網(wǎng)絡[7,8]，是應對挑戰(zhàn)的有效途徑。

2016年3月，第十二屆全國人民代表大會第四次會議審議通過了《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要（草案）》，將天地一體化信息網(wǎng)絡列入了“科技創(chuàng)新2030—重大項目”。

2 體系結構設想

天地一體化信息網(wǎng)絡是國家戰(zhàn)略性公共信息基礎設施，按照統(tǒng)一的體系結構和協(xié)議標準，重點建設天基信息網(wǎng)，協(xié)同對接地面互聯(lián)網(wǎng)和移動通信網(wǎng)。天地一體化信息網(wǎng)絡應用體系結構用于描述網(wǎng)絡如何提供服務與支持各種應用系統(tǒng)；系統(tǒng)體系結構描述總體的組成、相互關系和運行環(huán)境；技術體系結構描述系統(tǒng)建設與運行相關的技術體制與標準規(guī)范。

2.1 應用體系結構

天地一體化信息網(wǎng)絡重點突出“網(wǎng)絡一體、安全一體、管控一體”理念，通過優(yōu)化網(wǎng)絡體系結構，統(tǒng)一傳輸與路由、接入與控制、安全與防護、運維與管理等技術體制，實現(xiàn)陸、海、空、天多層次聯(lián)合組網(wǎng)和跨域按需信息共享，最終形成軍民融合的國家戰(zhàn)略性公共信息基礎設施，為政府、軍隊、企業(yè)、大眾等各類用戶提供全球移動通信、航空應用、海事應用、搶險救災與反恐維穩(wěn)等信息服務，滿足日益增長的信息化應用需求。圖1所示為天地一體化信息網(wǎng)絡的應用體系結構。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡應用體系結構

在提供網(wǎng)絡服務時，天地一體化信息網(wǎng)絡采用“黑盒”結構，通過應用多粒度網(wǎng)絡切片、網(wǎng)絡資源虛擬化等技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的物理或邏輯分割，通過網(wǎng)絡分域隔離、跨域安全控制等途徑，動態(tài)構建面向不同應用系統(tǒng)、具有不同安全等級的業(yè)務承載網(wǎng)，滿足不同應用數(shù)據(jù)的共網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)多業(yè)務融合應用。天地一體化信息網(wǎng)絡融合應用模式如圖2所示。

圖2 天地一體化信息網(wǎng)絡融合應用模式

2.2 系統(tǒng)體系結構

天地一體化信息網(wǎng)絡采用“天網(wǎng)地網(wǎng)”架構，即以地面網(wǎng)絡為依托，以天基網(wǎng)絡為拓展，主要由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)組成，并與地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)融合互聯(lián)，圖3給出了天地一體化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)體系結構。

·? 天基骨干網(wǎng)由布設在地球同步軌道的多個天基骨干節(jié)點組成，主要實現(xiàn)骨干互聯(lián)、骨干接入、寬帶接入、網(wǎng)絡管控等功能。

?·? 天基接入網(wǎng)由布設在低軌和臨近空間的若干天基接入節(jié)點組成，主要實現(xiàn)移動通信、寬帶接入、安全通信、天基物聯(lián)網(wǎng)等功能。

圖3 天地一體化信息網(wǎng)絡系統(tǒng)體系結構

?·? 地基節(jié)點網(wǎng)由布設在國土范圍內(nèi)的多個地基骨干節(jié)點組成，主要實現(xiàn)天地互聯(lián)、地網(wǎng)互聯(lián)、運維管控、應用服務等功能。

天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)之間通過標準的網(wǎng)間接口（NNI）實現(xiàn)互聯(lián)，各自獨立運行、聯(lián)合運用，通過用戶網(wǎng)絡接口（UNI）提供服務。

2.3 技術體系結構

按照“網(wǎng)絡一體化、功能服務化、應用定制化”思路，采用資源虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡等技術，從邏輯上將天地一體化信息網(wǎng)絡劃分為網(wǎng)絡傳輸、網(wǎng)絡服務、應用系統(tǒng)3個層次。同時，立足提高體系安全防御及快速響應能力，突出安全防護、運維管理的一體化保障支撐作用，形成如圖4所示的“三層兩域”技術體系結構。

（1）網(wǎng)絡傳輸層

在統(tǒng)一的網(wǎng)絡協(xié)議體系下，采用“分域自治、跨域互聯(lián)”機制，確保各自獨立運行和自主演化的天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)等子網(wǎng)協(xié)同完成一體化網(wǎng)絡路由、端到端信息傳輸，實現(xiàn)大時空尺度聯(lián)合組網(wǎng)應用。

（2）網(wǎng)絡服務層

在統(tǒng)一的云平臺框架下，按照“資源虛擬、云端匯聚”機制，實現(xiàn)天基分布式信息資源向地面信息港聚合，并以多中心形式聯(lián)合提供網(wǎng)絡與通信、定位導航授時增強、遙感與地理信息等服務，形成功能分布、邏輯一體的服務體系。

圖4 天地一體化信息網(wǎng)絡技術體系結構

（3）應用系統(tǒng)層

面向天地一體化信息網(wǎng)絡各領域應用，將網(wǎng)絡傳輸、網(wǎng)絡服務等功能向用戶端延伸，通過網(wǎng)絡分域隔離、跨域安全控制等途徑，動態(tài)構建面向不同應用系統(tǒng)、具有不同安全等級的業(yè)務承載網(wǎng)，并與本地應用組合集成，構建滿足不同需求的應用系統(tǒng)。

（4）安全防護

按照“彈性體系、內(nèi)生安全”思路，強化物理安全和網(wǎng)絡安全一體化設計[9]，從體系結構層面建立彈性可擴展的網(wǎng)絡體系，同時形成適應高動態(tài)網(wǎng)絡特性，并能覆蓋網(wǎng)絡、服務、應用多層次的網(wǎng)絡安全防護體系。

（5）運維管理

在統(tǒng)一的運維管理框架下，采用“分級管理、跨域聯(lián)合”機制，集成綜合測控、網(wǎng)絡管理、服務管理、運維支撐手段，通過跨域聯(lián)合管理，生成全網(wǎng)統(tǒng)一運行態(tài)勢，支持實現(xiàn)全網(wǎng)資源跨域聯(lián)合調(diào)度，為用戶提供一體化運維服務。

3 關鍵技術

面對保障國家安全、維護國家利益、普惠社會民生等國家重大戰(zhàn)略需求，順應網(wǎng)絡化、一體化、智能化等信息技術發(fā)展大勢，建設天地一體化信息網(wǎng)絡，需要重點突破傳輸組網(wǎng)、應用服務、安全防護和運維管理4個方面的關鍵技術。

3.1 傳輸組網(wǎng)技術

面向大時空尺度端到端信息傳輸與組網(wǎng)需求，研究長壽命高可靠星間/星地高速信息傳輸技術，吸收現(xiàn)有網(wǎng)絡協(xié)議體系和軟件定義網(wǎng)絡、網(wǎng)絡功能虛擬化等未來網(wǎng)絡技術成果，設計軟件定義的網(wǎng)絡體系結構，自主創(chuàng)新天地一體化信息網(wǎng)絡組網(wǎng)協(xié)議，采用以網(wǎng)絡資源為中心的統(tǒng)一時空編址、智能尋址和路由、異構網(wǎng)絡融合互聯(lián)和面向差異服務能力的網(wǎng)絡虛擬化與切片映射等技術，支持實現(xiàn)天基信息網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)互聯(lián)互通和高效融合。

3.2 應用服務技術

面向網(wǎng)絡化按需服務需求，采用云計算、大數(shù)據(jù)、分布式數(shù)據(jù)中心等技術成果，面向空天資源共享與利用，構建多中心分布式云服務平臺，采用資源虛擬化、服務封裝等技術，實現(xiàn)網(wǎng)絡與通信、定位導航授時增強、遙感與地理信息服務融合部署，并基于固定或機動節(jié)點形成統(tǒng)一的服務環(huán)境，支持用戶（應用系統(tǒng)）按需選取網(wǎng)絡服務與本地應用組合，實現(xiàn)智能高效的網(wǎng)絡信息服務模式。

3.3 安全防護技術

面向物理安全、網(wǎng)絡安全一體化需求，采用多維動態(tài)重構的安全防御系統(tǒng)架構以及基于安全防護引擎的動態(tài)賦能、高可信安全認證與接入控制、基于屬性的實名管理及動態(tài)授權、多源數(shù)據(jù)融合處理與安全態(tài)勢智能感知、多級網(wǎng)絡域間安全隔離、統(tǒng)一安全策略管理等技術，提升網(wǎng)絡“安全免疫”能力，有效應對網(wǎng)絡確定性安全風險和不確定性安全威脅，確保網(wǎng)絡和所承載信息的安全可信。

3.4 運維管理技術

面向天地一體化運營維護需求，吸收現(xiàn)有網(wǎng)絡管理技術，結合天地一體化信息網(wǎng)絡特點，建立統(tǒng)一的全網(wǎng)運維管控框架，提供運維管理數(shù)據(jù)采集、態(tài)勢生成、資源規(guī)劃、配置管理、效能評估全過程支撐，通過跨域聯(lián)合管理，實現(xiàn)統(tǒng)一運行態(tài)勢生成、故障快速定位以及面向任務的資源規(guī)劃與配置，提高運維水平。

4 實施策略建議

天地一體化信息網(wǎng)絡涉及專業(yè)領域廣、技術難度高、工程規(guī)模大，需統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)推進、周密實施，創(chuàng)新工程方法和實施策略。

如圖5所示，天地一體化信息網(wǎng)絡實施秉承“體系引領、創(chuàng)新驅(qū)動、開放共享、沿途下蛋”的推進策略，其中，“體系引領”，突破傳統(tǒng)系統(tǒng)思維，采用體系思維，從系統(tǒng)工程向體系工程演變，設計體系結構和標準規(guī)范，提出共性要求，持續(xù)集成，增量式交付能力；“創(chuàng)新驅(qū)動”，在網(wǎng)絡科技創(chuàng)新的基礎上，還要探索政府支持企業(yè)技術創(chuàng)新、管理創(chuàng)新和商業(yè)模式創(chuàng)新的新機制；“開放共享”，聚集國內(nèi)外優(yōu)勢力量，眾籌眾創(chuàng)，組建產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟集中優(yōu)勢力量，共建軍民融合的信息基礎設施；“沿途下蛋”，秉承服務先行的理念，邊建設邊應用，迅速產(chǎn)生成果和效益，推進天地一體化信息網(wǎng)絡持續(xù)健康發(fā)展。

圖5 推進策略

5 結束語

天地一體化信息網(wǎng)絡是“十三五規(guī)劃綱要”部署的重大專項，該項目的部署和啟動對于保障國家安全、維護和拓展國家利益、推動軍民深度融合、促進國民經(jīng)濟和社會發(fā)展具有重大意義。希望全國從事信息網(wǎng)絡與航天技術研究與裝備研制的技術人員能夠積極參與該重大專項的科技創(chuàng)新工作，形成多專業(yè)領域優(yōu)勢互補的創(chuàng)新團隊，協(xié)同攻關，為天地一體化信息網(wǎng)絡建設做出貢獻。

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Reflections on the development and construction of space-ground integration information network

WU Wei1, QIN Peng2, FENG Xu2, LIU Haijiao2, HUANG Zhaoxiang2

1. The 54th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Shijiazhuang 050081, China 2. China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100043, China

When maintaining and expanding national interests, our country’s information network has always been faced with the problem of “covering beyond its control, incompatible with information, slow in response to services and having security risks”. Building a space-ground integration information network is an effective way to deal with the challenges. Based on this, the status quo and trend of the development of the integrated world-wide information network system at home and abroad were analyzed. The concept, key technologies and implementation strategies of a global integration of information network architecture were given.

space-ground integration information network, architecture, implementation strategy

TN929.11

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017342

2017?10?24；

2017?12?10

吳?。?956?），男，中國電子科技集團公司首席科學家、研究員級高級工程師、博士生導師，通信網(wǎng)信息傳輸與分發(fā)技術國家重點實驗室主任。長期從事通信網(wǎng)絡技術研究與裝備研制工作，作為技術負責人或總設計師，主持完成了多項國家重大科研與工程任務，在通信網(wǎng)絡與信息系統(tǒng)技術自主創(chuàng)新和工程應用上取得了多項創(chuàng)造性成果，獲得國家科學技術進步獎二等獎1項，省部級一等獎6項、二等獎5項，發(fā)明專利授權25篇，出版專著4部。

秦鵬（1987?），男，博士，現(xiàn)就職于中國電子科學研究院，主要研究方向為天地一體化信息網(wǎng)絡。

馮旭（1987?），男，博士，現(xiàn)就職于中國電子科學研究院，主要研究方向為天地一體化信息網(wǎng)絡。

劉海蛟（1988?），男，博士，現(xiàn)就職于中國電子科學研究院，主要研究方向為天地一體化信息網(wǎng)絡。

黃照祥（1976?），男，博士，現(xiàn)就職于中國電子科學研究院，主要研究方向為信息系統(tǒng)總體。