李丹，朱棣，申涓

（戰(zhàn)略支援部隊(duì)信息工程大學(xué)，鄭州 450002）

一、前言

近年來，傳統(tǒng)的地面無線通信在用戶數(shù)量、業(yè)務(wù)需求方面都呈現(xiàn)爆發(fā)增長的態(tài)勢[1]，出現(xiàn)了以第五代移動(dòng)通信（5G）、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。受限于網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍，這些地基網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以滿足陸地偏遠(yuǎn)地區(qū)、海洋、航空甚至深空等泛在網(wǎng)絡(luò)空間的潛在通信服務(wù)需求，必須利用新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)來適配各種情況下具有不同服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求的多維綜合信息服務(wù)和應(yīng)用需求[2]。

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對天基、地基、空基、?；W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行復(fù)合利用，為全球范圍內(nèi)的廣域空間信息服務(wù)需求和應(yīng)用提供高效協(xié)同的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。目前，美國的太空探索技術(shù)公司（SpaceX）、亞馬遜公司等在該領(lǐng)域一枝獨(dú)秀，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)性的系統(tǒng)建設(shè)階段。鑒于未來超大容量廣域通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求極為迫切，我國也開始加強(qiáng)衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，在中央和地方政府層面都制定了促進(jìn)衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策。

本文針對全維可定義的天地協(xié)同組網(wǎng)架構(gòu)與切片技術(shù)進(jìn)行研究，分析研判我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展需求，討論全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢；描述典型天地協(xié)同廣域通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)和全維可定義的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片、全維可定義的數(shù)據(jù)解析與轉(zhuǎn)發(fā)、資源全局協(xié)調(diào)控制機(jī)制等方面，提出天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中面向業(yè)務(wù)特性的智能切片關(guān)鍵技術(shù)，給出我國天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片技術(shù)的發(fā)展建議。

二、我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展需求分析

（一）廣域網(wǎng)絡(luò)空間帶來的泛在通信需求

近年來，地基網(wǎng)絡(luò)尤其是無線通信需求快速增長，人類生產(chǎn)生活的范圍隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步在不斷擴(kuò)大。傳統(tǒng)地基網(wǎng)絡(luò)容量有限，以5G、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的新型無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，雖然為解決萬物互聯(lián)的需求提供了可行解決方案，但由于通信頻率不斷向太赫茲級靠近、基站信號覆蓋范圍不斷縮小，相應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需要的數(shù)量和成本也在指數(shù)級的增長，且難以完整覆蓋海洋、深空、極偏遠(yuǎn)地表等地理空間。因此，單一的地基網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)難以滿足廣域網(wǎng)絡(luò)需求空間帶來的泛在通信需求，迫切需要即時(shí)、節(jié)約、高效的一體化立體網(wǎng)絡(luò)，滿足社會(huì)生產(chǎn)和居民生活對廣覆蓋、強(qiáng)可靠、高速率的網(wǎng)絡(luò)需求[3]。

（二）經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展帶來的多維綜合信息服務(wù)需求

信息服務(wù)對多維綜合信息資源的需求逐步提升，國家戰(zhàn)略安全、防災(zāi)減災(zāi)、航空、航天、航海、教育醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、交通管理等領(lǐng)域服務(wù)的高效運(yùn)行都依賴于空、天、地等多維信息的綜合應(yīng)用 [4]。

天地協(xié)同的廣域通信網(wǎng)絡(luò)是面向未來的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，聚焦基于傳統(tǒng)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)廣域覆蓋存在的投入巨大、難以為繼的矛盾問題，以衛(wèi)星廣度覆蓋和地面強(qiáng)度覆蓋優(yōu)勢互補(bǔ)，擺脫各自獨(dú)立發(fā)展的局限性，以形成“隨遇接入、按需服務(wù)、安全可信”的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系[5]。該體系將“結(jié)構(gòu)可定義”貫穿網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面，采用軟硬件協(xié)同處理、資源動(dòng)態(tài)組合等手段，建立從底層到上層全維度、可定義的靈活網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保障網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在功能、性能、效能、安全等方面的按需定義，實(shí)現(xiàn)基于業(yè)務(wù)動(dòng)態(tài)聚焦服務(wù)的新體制。

從社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)視角來看，天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)研究有利于快速形成社會(huì)效益及裝備優(yōu)勢，發(fā)展相關(guān)理論與技術(shù)以實(shí)現(xiàn)重大領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。該網(wǎng)絡(luò)面向海洋、航空等廣域移動(dòng)通信場景，支持天地連續(xù)協(xié)同覆蓋和基礎(chǔ)設(shè)施機(jī)動(dòng)部署，促進(jìn)信息服務(wù)能力按需提供，對推動(dòng)國家信息化建設(shè)、“一帶一路”建設(shè)具有重要意義；有助于推動(dòng)我國超五代移動(dòng)通信（B5G）、第六代移動(dòng)通信（6G）等技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，打造完善的技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新體系，為網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國、“互聯(lián)網(wǎng)+”國家戰(zhàn)略的實(shí)施提供關(guān)鍵支持。

（三）天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)靈活組網(wǎng)的發(fā)展需求

天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，具有網(wǎng)絡(luò)資源隨時(shí)間和空間不斷變化、業(yè)務(wù)覆蓋范圍廣、業(yè)務(wù)種類復(fù)雜不確定、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多元異構(gòu)等特點(diǎn)，無法直接應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)的成熟網(wǎng)絡(luò)資源協(xié)調(diào)和控制技術(shù)，難以為業(yè)務(wù)提供可定制的個(gè)性化資源。

天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中資源與業(yè)務(wù)負(fù)載的供需矛盾，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一是天基節(jié)點(diǎn)與地面節(jié)點(diǎn)發(fā)展不均衡，難以進(jìn)行統(tǒng)一管理。天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中包括大量天基、空中、海洋節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)由于特殊的地理位置，難以對節(jié)點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行頻繁的更新?lián)Q代（而地面節(jié)點(diǎn)則能夠支持設(shè)備功能的快速更新），迫切需要針對傳統(tǒng)的天地網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與傳輸協(xié)議、匹配規(guī)則和處理邏輯緊耦合的情況，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)天地節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的靈活擴(kuò)展。二是天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多樣但資源受限，難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)隨需更新。傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)主要承擔(dān)信息傳輸過程的中繼任務(wù)，而天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)需求種類多，覆蓋范圍廣，業(yè)務(wù)的時(shí)延、帶寬、安全需求均實(shí)時(shí)變化，迫切需要針對網(wǎng)絡(luò)資源存在的隨需接入、忙閑不均、管理困難等情況，動(dòng)態(tài)劃分業(yè)務(wù)子網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的業(yè)務(wù)響應(yīng)。

切片技術(shù)依托網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，針對差異化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，在一張網(wǎng)絡(luò)內(nèi)抽象出多個(gè)端到端、互相隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò)，在獨(dú)立運(yùn)維的前提下提供不同的功能、性能特性，為不同用戶提供定制化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。這為天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中資源與業(yè)務(wù)負(fù)載的供需矛盾提供了良好的解決思路：在整個(gè)天地協(xié)同物理網(wǎng)絡(luò)內(nèi)虛擬出多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，區(qū)分業(yè)務(wù)類型對天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的不同需求，靈活組織各種網(wǎng)絡(luò)能力；既滿足不同業(yè)務(wù)的性能需求，也實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源利用的最大化，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)的高度適配。

三、全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展情況

（一）現(xiàn)有的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

在過去的數(shù)十年中，通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域提出了多種空地集成系統(tǒng)并應(yīng)用于無線通信。例如，GIG是代表性的空間-天空-地面綜合網(wǎng)絡(luò)；而空間-地面綜合網(wǎng)絡(luò)主要有兩種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，一是對地靜止軌道衛(wèi)星（GEO）系統(tǒng)，如轉(zhuǎn)換衛(wèi)星（TSAT）系統(tǒng)，二是非對地靜止軌道（NGEO）系統(tǒng)，如O3b、星鏈（Starlink）等。

1. GIG

GIG是美國國防部發(fā)展的集通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營網(wǎng)絡(luò)于一體的全維度通信項(xiàng)目。GIG分為地面層、航空層、臨近空間層、衛(wèi)星層，包含支持無縫覆蓋全球通信所需的通信設(shè)備和節(jié)點(diǎn)[6]。

2. TSAT

TSAT系統(tǒng)是具有軍事用途的GEO衛(wèi)星系統(tǒng)，由美國國家航空航天局（NASA）、美國國防部和情報(bào)部門聯(lián)合建設(shè)[7]；由5顆GEO衛(wèi)星組成，通過激光鏈路相互通信，形成帶寬為10 Gbps的骨干網(wǎng)，與地面網(wǎng)絡(luò)配合，支持地面終端實(shí)時(shí)訪問無人機(jī)和衛(wèi)星的光學(xué)、雷達(dá)圖像。

3. O3b

O3b衛(wèi)星系統(tǒng)是由O3b Networks開發(fā)并部署的中軌（MEO）星座[8]。O3b表示“另外30億”，旨在支持非洲、亞洲、南美洲的30億居民通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。O3b網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃由軌道高度約為8000 km、12～20顆MEO衛(wèi)星組成星座。

4. Starlink

Stralink是美國SpaceX 公司正在發(fā)展的超低軌星座項(xiàng)目，目前已成功發(fā)射入軌約420顆衛(wèi)星，標(biāo)志著低成本、高性能的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性建設(shè)階段。由于全球地基網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展較為成熟、改造部署相對容易，當(dāng)前衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之間的差異主要在于天基網(wǎng)絡(luò)中星座類型、衛(wèi)星工作頻段。表1簡要對比了代表性衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的差異，隨著技術(shù)的成熟、應(yīng)用需求的發(fā)展，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)從軍用為主逐漸過渡到民用、商用階段。為適應(yīng)低成本、大規(guī)模的部署需求，主要使用MEO、低軌（LEO）星座模式，衛(wèi)星工作頻段也趨同。Stralink是目前技術(shù)最為先進(jìn)和成熟的項(xiàng)目，基于業(yè)務(wù)均勻分布的前提發(fā)展全球均勻的覆蓋范圍，忽略了全球通信業(yè)務(wù)分布不均這一現(xiàn)狀，導(dǎo)致星座規(guī)模巨大、效費(fèi)比可能不高。

（二）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的一般組網(wǎng)架構(gòu)

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要包括三部分：天基網(wǎng)絡(luò)、地基網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。由于地基網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)之間的距離相比天基網(wǎng)絡(luò)幾乎可以忽略，也可將移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并入地基網(wǎng)絡(luò)范疇，即衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)成為包括天基網(wǎng)絡(luò)、地基網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)維度在內(nèi)的廣域網(wǎng)絡(luò)。

表1 現(xiàn)有的代表性衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對比

1. 天基網(wǎng)絡(luò)

天基網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星、星座及其相應(yīng)的地面基礎(chǔ)設(shè)施（如地面站、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營控制中心）組成。這些衛(wèi)星和星座處于不同的軌道，具有不同的特性。根據(jù)軌道高度不同，衛(wèi)星可分為GEO、MEO、LEO三類；還可根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的信道帶寬分為窄帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兩類。

窄帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)指MEO / LEO衛(wèi)星系統(tǒng)，如Iridium、Globalstar，主要為全球用戶提供語音和低速率數(shù)據(jù)服務(wù)。寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以使用很寬的頻帶帶傳輸大量數(shù)據(jù)，高速數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)10 Gbps。

作為下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的實(shí)用架構(gòu)，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（MLSN）集成多個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，具有分層結(jié)構(gòu)[9]。MLSN由數(shù)種類型的鏈路構(gòu)成，如衛(wèi)星間鏈路、層間鏈路（ILL）。

2. 地基網(wǎng)絡(luò)

地基網(wǎng)絡(luò)主要由地面通信系統(tǒng)組成，如蜂窩網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)（MANET）[10]、全球微波接入互通性（WiMAX）[11]、無線局域網(wǎng)（WLAN）等。蜂窩網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)演進(jìn)到了第四代（4G）或高級長期演進(jìn)（LTE-A），正在向5G無線網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)，以更廣泛地支持各種服務(wù)類型。地基網(wǎng)絡(luò)可為用戶提供較高的數(shù)據(jù)速率，但在農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍有限。

3. 廣域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

廣域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)有別于5G等地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，而是一種空中或水面移動(dòng)系統(tǒng)；使用飛機(jī)、艦船作為載體進(jìn)行信息獲取、傳輸和處理。無人機(jī)、飛艇、氣球是構(gòu)成高空平臺（HAP）、低空平臺（LAP）的主要基礎(chǔ)設(shè)施[12]，遠(yuǎn)洋海船、軍用艦艇則是構(gòu)成?；脚_（SSP）的主要基礎(chǔ)設(shè)施，提供移動(dòng)寬帶無線通信以補(bǔ)充地基網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力[13]。與地基網(wǎng)絡(luò)中的基站（BS）相比，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)具有成本低、易于部署、覆蓋范圍大等特點(diǎn)，可在區(qū)域范圍內(nèi)提供無線接入服務(wù)。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以為地球提供全球覆蓋范圍，但傳播延遲長。地基網(wǎng)絡(luò)具有最低的傳輸延遲，但相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施容易遭受自然災(zāi)害或人為破壞。廣域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在延遲、覆蓋范圍方面具有優(yōu)勢，但在部署時(shí)須充分考慮容量限度、鏈路穩(wěn)定性 [14]。

（三）衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵性能要求

與傳統(tǒng)的地面通信相比，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)受星上資源限制的影響很大，存在頻譜受限、帶寬受限、無線鏈路不可靠等問題。為了提供良好的網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商必須建立具有高帶寬、高可靠性、高吞吐量的廣域通信網(wǎng)絡(luò)。

1. 帶寬分配

為了獲得特定的網(wǎng)絡(luò)性能，如一定的丟包率、時(shí)延、能耗，需要對目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理的帶寬分配。在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中，帶寬是具有多種用途的稀缺資源，增加帶寬會(huì)消耗更多的功率；在執(zhí)行帶寬分配策略時(shí)，應(yīng)該在功率、信息傳輸性能之間進(jìn)行權(quán)衡。高頻重用的多波束衛(wèi)星系統(tǒng)不僅受到聚集干擾的限制，而且由于用戶分布不均、內(nèi)容要求不同，導(dǎo)致固定帶寬分配效率低下，難以滿足海量用戶的差異化使用需求。

2. 可靠性

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中的衛(wèi)星、飛機(jī)、航船等節(jié)點(diǎn)一直在移動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟苍趧?dòng)態(tài)變化[15]，導(dǎo)致源與目的地之間很少或根本不存在完整的端到端路徑，且端到端傳輸延遲遠(yuǎn)大于地面網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)要求網(wǎng)絡(luò)可靠性最大化時(shí)，不能同時(shí)優(yōu)化所有網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，必須犧牲等待時(shí)間或數(shù)據(jù)速率。因此，成功設(shè)置端到端的傳輸路徑并確?？煽康南鬟f是極大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

3. 吞吐量

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)中存在非常多的無線通信場景，具有嚴(yán)格的延遲約束、高數(shù)據(jù)吞吐量內(nèi)容交付的需求，分析和改善信息傳輸速率、節(jié)省帶寬以提高網(wǎng)絡(luò)吞吐量是突出的挑戰(zhàn)。

（四）我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究進(jìn)展

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)對我國高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。除了我國的國際戰(zhàn)略、民生戰(zhàn)略對全球范圍覆蓋的信息服務(wù)提出需求之外，當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)量快速增加，造成軌位擁擠、空間通信頻譜極度稀缺，我國亟需快速發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)體系，在激烈的空間資源爭奪過程中保持應(yīng)有地位。

2019年9月，我國5G網(wǎng)絡(luò)率先進(jìn)入全面商用階段，標(biāo)志著我國地基通信網(wǎng)絡(luò)，特別是無線通信網(wǎng)絡(luò)研究與應(yīng)用走在了國際前列。在天基網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，我國2016年成功發(fā)射了“天通一號”衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)01星，部署在GED軌道，可同時(shí)為個(gè)人、車輛、航空器、海船等百萬量級移動(dòng)用戶提供數(shù)據(jù)、語音、短消息等服務(wù)；2018年成功將“鴻雁”全球衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)的首顆試驗(yàn)星送入預(yù)定的非靜止軌道，預(yù)計(jì)2025年系統(tǒng)全面部署300 余顆衛(wèi)星，可為用戶提供全時(shí)全域的雙向數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)和綜合信息服務(wù)。

隨著天基、地基網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的日益成熟，我國在“十三五”規(guī)劃中將“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”納入科技創(chuàng)新— 2030 重大項(xiàng)目。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)以天基網(wǎng)為骨干，以地面互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，融合全球范圍的信息網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)互通。2020年我國在“新基建”中明確將低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入實(shí)施規(guī)劃，將構(gòu)建提供全球無縫覆蓋、高度安全可信、高機(jī)動(dòng)隨遇接入、區(qū)域大容量傳輸?shù)确?wù)的能力 [4]。

四、天地協(xié)同廣域通信網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

隨著“一帶一路”倡議等國家規(guī)劃的實(shí)施，我國對外開放程度越來越高，未來對超大容量廣域通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求極為迫切?，F(xiàn)有地面蜂窩架構(gòu)以規(guī)模換能力，投入巨大且難以為繼，亟需從體系設(shè)計(jì)的全局出發(fā)，尋找未來天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的切入點(diǎn)。對于廣域通信網(wǎng)絡(luò)中的陸地業(yè)務(wù)，全球90%的人口集中于10%的陸地，業(yè)務(wù)分布具有均勻性、集中性；對于海域業(yè)務(wù)，海洋面積占地球地表面積約為71%，地理范圍廣大而業(yè)務(wù)分布極其稀疏?？梢哉J(rèn)為，對于地面業(yè)務(wù)的高密度區(qū)域，均勻覆蓋可實(shí)現(xiàn)較高效率；對于衛(wèi)星廣域服務(wù)范圍，非均勻覆蓋的效率更高。

（一）全維可定義的天地協(xié)同組網(wǎng)架構(gòu)

典型的天地協(xié)同組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，以MEO衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建廣域信息主干網(wǎng)；地面通信基站面向各種地面終端用戶接入需求，提供全球地面接入能力，通過網(wǎng)絡(luò)衛(wèi)星的接入能力與天基核心骨干網(wǎng)的交換路由能力，實(shí)現(xiàn)地面用戶與全球任何其他地點(diǎn)的信息傳輸與交互；進(jìn)一步借助MEO星座的天基互聯(lián)能力，將多種LEO星座應(yīng)用系統(tǒng)在空間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)天基應(yīng)用的系統(tǒng)協(xié)同、按需組網(wǎng)、按需覆蓋，最終完成全球信息高速傳輸與交互。該架構(gòu)支持我國未來通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新突破，牽引5G演進(jìn)路徑、6G基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，革命性提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力與效率[16]。

天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)以結(jié)構(gòu)決定功能、結(jié)構(gòu)決定性能、結(jié)構(gòu)決定效能、結(jié)構(gòu)決定安全為理論依據(jù)，打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)剛性架構(gòu)（見圖2）；將“結(jié)構(gòu)可定義”貫穿網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)層面，采用軟硬件協(xié)同處理、資源動(dòng)態(tài)組合等方式，實(shí)現(xiàn)從底層到上層的全維度靈活可定義，支持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)功能、性能、效能、安全等需求定義。

全維可定義天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)具有開放可擴(kuò)展、可增量部署、異構(gòu)融合等能力，支持網(wǎng)絡(luò)按需重構(gòu)以及新業(yè)務(wù)的快速響應(yīng)。其中的網(wǎng)絡(luò)層通過按需切片方式實(shí)現(xiàn)多樣化業(yè)務(wù)的融合承載，有效解決天基/地基節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一管理、節(jié)點(diǎn)資源受限等問題，驅(qū)動(dòng)資源與業(yè)務(wù)精確適配等核心機(jī)制的建立。

（二）天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片應(yīng)用場景

在天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片的應(yīng)用場景中（見圖 3），以移動(dòng)接入端、衛(wèi)星通信基站、衛(wèi)星、網(wǎng)關(guān)等節(jié)點(diǎn)組成的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由運(yùn)控中心對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局管理和調(diào)度。當(dāng)用戶發(fā)出數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程控制等服務(wù)請求時(shí)，運(yùn)控中心根據(jù)業(yè)務(wù)類型分別生成時(shí)延敏感業(yè)務(wù)切片、帶寬敏感業(yè)務(wù)切片，結(jié)合典型的天地協(xié)同組網(wǎng)架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行多域控制，為各類業(yè)務(wù)分配所需資源；在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上部署可編程轉(zhuǎn)發(fā)平臺，對其按需定義轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則，完成針對不同業(yè)務(wù)的服務(wù)請求響應(yīng)。

五、面向業(yè)務(wù)特性的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片技術(shù)

針對天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的資源強(qiáng)變時(shí)空尺度特性、多樣化業(yè)務(wù)的復(fù)雜不確定特性，天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片技術(shù)旨在克服天基與地面網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施的差異化轉(zhuǎn)發(fā)平面帶來的一體化切片管理困難，滿足多樣化的時(shí)變網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與天基節(jié)點(diǎn)受限的網(wǎng)絡(luò)資源配置需求，針對業(yè)務(wù)切片的隨需更新提出更高要求，為超大容量廣域覆蓋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供高可靠、高質(zhì)量服務(wù)。

（一）業(yè)務(wù)隨需的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)資源智能切片技術(shù)

針對差異化的廣域信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求，動(dòng)態(tài)構(gòu)建計(jì)及不同業(yè)務(wù)特征的差異化網(wǎng)絡(luò)切片，精確匹配不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的資源需求，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)融合應(yīng)用。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下兩個(gè)關(guān)鍵方面。

圖 1 天地協(xié)同移動(dòng)通信體系架構(gòu)

圖2 全維可定義的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

圖3 天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片應(yīng)用場景

基于虛擬網(wǎng)絡(luò)映射的網(wǎng)絡(luò)資源切片生成技術(shù)，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)的加權(quán)匹配，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源切片的快速生成。首先基于鄰接矩陣特征向量分解原理，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)加權(quán)圖的快速匹配，降低網(wǎng)絡(luò)資源切片的計(jì)算復(fù)雜度；隨后通過鄰接矩陣元素替換機(jī)制，降低網(wǎng)絡(luò)資源切片的最小帶寬需求；最后通過基于爬山算法的虛擬網(wǎng)絡(luò)映射優(yōu)化方法，進(jìn)一步優(yōu)化負(fù)載和帶寬的均衡度。

基于彈性功能編排的網(wǎng)絡(luò)資源切片調(diào)度機(jī)制，通過基于流量演化感知的網(wǎng)絡(luò)功能在線彈性編排策略，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源切片隨業(yè)務(wù)需求的自適應(yīng)調(diào)整：一是借助在線學(xué)習(xí)算法感知網(wǎng)絡(luò)流量變化，分析業(yè)務(wù)需求的時(shí)變規(guī)律，以支持網(wǎng)絡(luò)資源切片需求的實(shí)時(shí)更新；二是通過在線彈性編排算法，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能遷移與流量路徑調(diào)整，以支持虛擬資源與業(yè)務(wù)負(fù)載精確匹配，降低網(wǎng)絡(luò)資源切片的調(diào)度開銷。

（二）基于全維可定義的報(bào)文靈活解析與轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)

針對典型的天地協(xié)同組網(wǎng)架構(gòu)的廣域靈活性、區(qū)域全覆蓋特性，構(gòu)建大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)資源與動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)需求之間的全維感知、自主決策、實(shí)時(shí)適配機(jī)制，對網(wǎng)絡(luò)中流量業(yè)務(wù)實(shí)施快速感知和遷移調(diào)度。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下兩個(gè)關(guān)鍵方面。

全維可定義的報(bào)文解析器，用于根據(jù)用戶的配置來識別數(shù)據(jù)包的類型域，同時(shí)按照類型域提取相應(yīng)匹配域。具體而言，使用可配置的包頭解析器、細(xì)粒度可組合的元處理單元，實(shí)現(xiàn)全可編程的數(shù)據(jù)包處理流水線硬件設(shè)計(jì)及優(yōu)化機(jī)制，有效提升數(shù)據(jù)包處理速率，支持底層硬件更新升級，大幅提高轉(zhuǎn)發(fā)平面靈活性和自適應(yīng)性。

靈活可編程的數(shù)據(jù)包處理方法，通過軟硬件結(jié)合處理協(xié)議無關(guān)數(shù)據(jù)包，靈活支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議、私有協(xié)議、自定義協(xié)議，支持用戶直接描述網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和數(shù)據(jù)包處理等行為；無需關(guān)心底層硬件的細(xì)節(jié)就可以完成對數(shù)據(jù)包處理方式的編程描述，實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)平面可編程元件的實(shí)時(shí)配置，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行態(tài)勢的自動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的動(dòng)態(tài)加載。

（三）天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)資源全局協(xié)調(diào)控制技術(shù)

針對天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)控制層面體現(xiàn)出的可定義轉(zhuǎn)發(fā)需求，打破網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對業(yè)務(wù)和功能部署的限制，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)報(bào)文解析-匹配-執(zhí)行處理流程的全維度定義，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源對業(yè)務(wù)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性。該技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可分為以下兩個(gè)關(guān)鍵方面。

面向智能分域管理的網(wǎng)絡(luò)多域自適應(yīng)規(guī)劃算法，作為改進(jìn)的無監(jiān)督近鄰聚類算法，用于網(wǎng)絡(luò)控制能力和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的自適應(yīng)擬合；設(shè)計(jì)思路是依據(jù)吸引度和歸屬度對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行聚類操作，以網(wǎng)絡(luò)QoS保障和可靠運(yùn)行為目標(biāo)，輸出相應(yīng)的多域規(guī)劃方案，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分域和網(wǎng)絡(luò)控制能力的智能適配。

面向天地協(xié)同的多域網(wǎng)絡(luò)資源匹配機(jī)制，依據(jù)流量智能調(diào)度和資源彈性控制，對有限的控制資源進(jìn)行整合重組，有利于建立標(biāo)識空間匹配映射和統(tǒng)一管理機(jī)制；基于用戶和服務(wù)需求，智能選擇并協(xié)同調(diào)度空間網(wǎng)絡(luò)資源，通過控制功能的協(xié)同匹配對網(wǎng)絡(luò)流量業(yè)務(wù)進(jìn)行快速感知和遷移調(diào)度，實(shí)現(xiàn)具有細(xì)粒度感知資源動(dòng)態(tài)變化的多域網(wǎng)絡(luò)協(xié)同管理和控制。

六、對策建議

（一）構(gòu)建全維可定義的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)

建議在推動(dòng)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)增量式部署、演進(jìn)式發(fā)展的基礎(chǔ)上，對衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和技術(shù)體系進(jìn)行基礎(chǔ)性變革，促進(jìn)技術(shù)研發(fā)由外掛式向內(nèi)生性轉(zhuǎn)變，構(gòu)建全維可定義的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。

構(gòu)建天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的總體架構(gòu)，關(guān)鍵在于建立全維可定義的網(wǎng)絡(luò)核心運(yùn)行邏輯：以結(jié)構(gòu)決定功能、結(jié)構(gòu)決定性能、結(jié)構(gòu)決定效能、結(jié)構(gòu)決定安全為理論依據(jù)，通過軟硬件協(xié)同處理、資源動(dòng)態(tài)組合等方式，根據(jù)業(yè)務(wù)需求對天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)覆蓋、服務(wù)和異構(gòu)資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和靈活調(diào)度；將“結(jié)構(gòu)可定義”貫穿網(wǎng)絡(luò)的物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在功能、性能、效能、安全等方面的按需定義，使天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)具備開放可擴(kuò)展、可增量部署、異構(gòu)融合等能力，支持網(wǎng)絡(luò)按需重構(gòu)并快速響應(yīng)新業(yè)務(wù)。

（二）深化天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片技術(shù)研究

網(wǎng)絡(luò)層通過按需切片的方式來實(shí)現(xiàn)多樣化業(yè)務(wù)的融合承載，有效解決天基、地基節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管理與節(jié)點(diǎn)資源受限問題，使天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)資源與業(yè)務(wù)的精確適配并建立核心機(jī)制。

天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)智能切片技術(shù)的發(fā)展路線應(yīng)為：依托天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以網(wǎng)絡(luò)資源管理控制、網(wǎng)絡(luò)智慧化、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)全維可定義等技術(shù)為支撐，突破業(yè)務(wù)隨需的天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)資源智能切片、全維可定義的數(shù)據(jù)報(bào)文靈活解析與轉(zhuǎn)發(fā)、天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)資源全局協(xié)調(diào)控制等關(guān)鍵技術(shù)；從網(wǎng)絡(luò)資源優(yōu)化層面綜合解決天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)，為天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)資源的全局動(dòng)態(tài)優(yōu)化和技術(shù)創(chuàng)新突破提供持續(xù)動(dòng)力。

（三）從國家層面對天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)給予政策支持

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)有望成為我國高新技術(shù)領(lǐng)域增長最快的行業(yè)之一，建議在理論研究和應(yīng)用示范兩個(gè)方面給予政策傾斜，促進(jìn)天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

在理論研究方面，建議國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等渠道合理增設(shè)天地協(xié)同網(wǎng)絡(luò)相關(guān)項(xiàng)目，著力發(fā)展相關(guān)基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)以實(shí)現(xiàn)在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位；在應(yīng)用示范方面，面向海洋、航空等廣域移動(dòng)通信場景開展應(yīng)用示范專項(xiàng)布局，顯著提升海洋產(chǎn)業(yè)等國民經(jīng)濟(jì)的信息化應(yīng)用水平，促進(jìn)我國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、終端設(shè)備的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，提高衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用水平和價(jià)值創(chuàng)造能力。