徐曉帆,王妮煒,高瓔園,陸洲,汪春霆,陸軍
(中國電子科技集團公司電子科學研究院,北京 100041)
當前,信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)持續(xù)進步,已經(jīng)成為創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展的先導(dǎo)力量,對政治、軍事、經(jīng)濟、文化等領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響,驅(qū)動著社會體系的變革和重塑。作為支撐社會發(fā)展的重要信息基礎(chǔ)設(shè)施,地面信息網(wǎng)絡(luò)天基信息網(wǎng)絡(luò)長久以來獨立發(fā)展,局限性日益凸顯,難以滿足全球網(wǎng)絡(luò)全域覆蓋、安全自主可控、各類用戶靈活接入的需求。近年來,信息網(wǎng)絡(luò)逐步融合發(fā)展,相關(guān)研究提出了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò) [1~4]、基于第六代移動通信技術(shù)(6G)的空天地海一體化無線通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展愿景 [5];陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展思路已逐漸清晰。
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)是以地面網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、以天基網(wǎng)絡(luò)為延伸,覆蓋太空、天空、陸地、海洋等自然空間,為天基、空基、陸基、?;雀黝愑脩舻母黝惢顒犹峁┬畔⒈U系男畔⒒A(chǔ)設(shè)施;相關(guān)研制建設(shè)不僅反映了一個國家的科技和經(jīng)濟綜合實力,更是推動我國重大領(lǐng)域自主創(chuàng)新發(fā)展、滿足國家戰(zhàn)略需求、提升國家網(wǎng)絡(luò)空間競爭力的重要支撐。
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究難點在于,利用基于衛(wèi)星平臺的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,構(gòu)建覆蓋全球的天基信息網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)陸、海、空、天各層次網(wǎng)絡(luò)的高效深度融合。為此,本文分析建設(shè)需求,梳理發(fā)展現(xiàn)狀,凝煉存在差距,提出一體化融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想及發(fā)展路線建議,以期為網(wǎng)絡(luò)強國相關(guān)的重大規(guī)劃制定及工程項目實施提供參考借鑒。
我國信息產(chǎn)業(yè)及其基礎(chǔ)研究發(fā)展迅速,但“地強天弱”“內(nèi)強外弱”等問題仍然存在。當前,天基信息網(wǎng)絡(luò)主要服務(wù)于我國境內(nèi)地域,境外地面網(wǎng)絡(luò)因缺少安全可控條件而無法支撐外交、應(yīng)急等方面的應(yīng)用需求,因此建設(shè)陸海空天一體化信息網(wǎng)絡(luò),是應(yīng)對國內(nèi)國際復(fù)雜形勢的重要信息基礎(chǔ)保障。在民用領(lǐng)域,陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)需要滿足電子政務(wù)、能源水利、生產(chǎn)制造、海洋經(jīng)濟、交通運輸、證券金融、教育科研、文化旅游、遠程醫(yī)療等行業(yè)應(yīng)用與公眾應(yīng)用需求。
隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和綜合實力增強,國家戰(zhàn)略利益顯著外延,需要在外交、應(yīng)急等方面具備全球活動能力。就信息網(wǎng)絡(luò)而言,需要將保障范圍從傳統(tǒng)的國土及周邊地區(qū)向全球擴展,將保障對象從傳統(tǒng)的陸地用戶拓寬至海上、空基、天基等用戶;還需進一步為月球和深空探索提供信息服務(wù)能力。
為滿足我國在重點區(qū)域的發(fā)展與戰(zhàn)略部署需求,信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡快覆蓋東亞、南亞、“一帶一路”沿線國家/區(qū)域、北極地區(qū)。對于熱點區(qū)域,如南海地區(qū),需要具備多重覆蓋能力、按需增強保障能力。相較于全球覆蓋的其他區(qū)域,重點和熱點區(qū)域的信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具食更強的覆蓋能力、更多的服務(wù)用戶數(shù)量、更高的數(shù)據(jù)傳輸帶寬、更好的語音通信質(zhì)量。
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)需要保障關(guān)鍵用戶在全球任何位置、任何時刻的通信需求,需要具備空間組網(wǎng)能力以實現(xiàn)全球隨遇接入與境外信息有效回傳;需要具備用戶終端的多網(wǎng)接入能力,支持網(wǎng)絡(luò)用戶接入地面互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù),支持移動和寬帶服務(wù)互通。
地面骨干網(wǎng)絡(luò)對境外、偏遠地區(qū)、海域、空域的延展性有限,需要具備空間骨干傳輸能力。目前,我國民用領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)用戶主要來自交通運輸、水利、農(nóng)業(yè)、地方政府、駐外企業(yè)/媒體、大眾商業(yè)等;預(yù)計到2025年,公眾用戶約為1×107個,行業(yè)用戶約為3×106個,空間骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸需求約為300 Gbps;預(yù)計到2030年,公眾用戶約為3×107個,行業(yè)用戶約為4×106個,空間骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸需求約為1 Tbps??臻g骨干傳輸能力與地面骨干網(wǎng)絡(luò)同步演進并協(xié)同發(fā)展,才能滿足快速增長的民用需求。
為適應(yīng)多種場景需求,陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)需要配置手持、嵌入式、臺式等多樣化的終端。手持終端應(yīng)支持多種通信制式,具備導(dǎo)航定位、語音通信、信息傳輸功能,可作為災(zāi)害應(yīng)急處理場景的主要應(yīng)用終端。嵌入式終端一般用于提供天基物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的海洋浮標、集裝箱監(jiān)控單元等,需具有多制式、小型化、低功耗特征。臺式終端分為固定、車載、艦載、機載等類型,需具有語音通信、數(shù)據(jù)通信、視頻圖像傳輸?shù)裙δ?;作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點將地面局域網(wǎng)接入天基網(wǎng)絡(luò),提供遠程數(shù)據(jù)回傳和寬帶多媒體業(yè)務(wù)。
21世紀以來,發(fā)達國家積極布局一體化信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)劃,爭奪網(wǎng)絡(luò)制天、制空、制海權(quán),推進天基網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、移動通信網(wǎng)絡(luò)融合。目前已經(jīng)形成包括同步軌道和低軌星座在內(nèi)的多個天基網(wǎng)絡(luò) [6](見表1);不同系統(tǒng)的定位和服務(wù)用戶各有側(cè)重,既有民用系統(tǒng)如星鏈(Starlink)、一網(wǎng)(OneWeb),軍用系統(tǒng)如先進極高頻衛(wèi)星通信系統(tǒng)(AEHF),也有融合共用系統(tǒng)如第二代銥星系統(tǒng)(Iridium Next)。
1. 信息傳輸
星間鏈路技術(shù)趨于成熟,容量不斷提升,如Ka頻段鏈路已經(jīng)成熟,激光鏈路進入試驗階段。發(fā)達國家致力于發(fā)展陸海空天一體化的空間信息系統(tǒng)。例如,美國強化星間鏈路和星上路由/交換能力,構(gòu)建基于空間多星組網(wǎng)的太空通信網(wǎng)絡(luò),建設(shè)完整的全球信息柵格?;诳臻g組網(wǎng)的寬帶衛(wèi)星通信技術(shù)是陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要環(huán)節(jié),對提升寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)的通信容量、覆蓋能力、系統(tǒng)抗毀生存能力具有重要意義。寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)逐步向Ka頻段多波束方向發(fā)展,并通過頻率多重復(fù)用、極化復(fù)用等技術(shù),提高系統(tǒng)的可用帶寬和容量。
2.網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
廣泛采用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要有天星地網(wǎng)、天基網(wǎng)絡(luò)、天網(wǎng)地網(wǎng)等類型。天星地網(wǎng)架構(gòu)技術(shù)比較成熟,應(yīng)用廣泛,但不適合在我國應(yīng)用。天基網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在安全性、抗毀性、獨立性方面有優(yōu)勢,但因脫離地面獨立運行,提高了對星上處理和星間信息傳輸能力的要求,且技術(shù)復(fù)雜程度高、系統(tǒng)建設(shè)和維護成本高,難以在商業(yè)層面全面推廣應(yīng)用。天網(wǎng)地網(wǎng)架構(gòu)通過天、地網(wǎng)絡(luò)的配合,充分利用天基網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋能力和地面網(wǎng)絡(luò)的強大傳輸與處理能力,降低了整個系統(tǒng)的技術(shù)復(fù)雜度和成本。
3. 業(yè)務(wù)分類
當前,空間業(yè)務(wù)朝著采用IP方式承載方向發(fā)展,單系統(tǒng)呈現(xiàn)出從單業(yè)務(wù)的到多業(yè)務(wù)發(fā)展趨勢。寬帶全球衛(wèi)星(WGS)、Iridium Next等系統(tǒng)的演進版本均逐漸支持多樣化接入業(yè)務(wù),構(gòu)建實時通信、空間目標監(jiān)視、導(dǎo)航定位等多種業(yè)務(wù)支持能力。天基網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)業(yè)務(wù)也趨于同步。
表1 國外代表性天基信息系統(tǒng)
我國正處于推進天基信息網(wǎng)、未來互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)全面融合發(fā)展的初級階段。2016年,天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)重大項目列入國家“十三五”規(guī)劃綱要和《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》;2020 年,衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)確定為“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”的信息基礎(chǔ)設(shè)施之一??蒲性核拖嚓P(guān)企業(yè)大力發(fā)展低軌小衛(wèi)星星座,如鴻雁星座、虹云工程等,相關(guān)試驗衛(wèi)星已完成在軌關(guān)鍵技術(shù)驗證。在積極發(fā)展天基網(wǎng)絡(luò)的同時,我國繼續(xù)發(fā)展新一代高通量通信衛(wèi)星,先后發(fā)射了“實踐十三號”“亞太6D”以及新技術(shù)體制試驗衛(wèi)星“實踐二十號”;高通量通信衛(wèi)星對地覆蓋范圍越來越完善,通信容量越來越大,逐步成為我國地面網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的重要拓展形式。相關(guān)天基信息系統(tǒng)的基本情況如表2所示。
衛(wèi)星容量是衛(wèi)星通信服務(wù)質(zhì)量的重要指標,決定了衛(wèi)星服務(wù)用戶的數(shù)量和單用戶的通信能力?!皝喬?D”衛(wèi)星容量為50 Gbps,是“實踐十三號”衛(wèi)星的2.5倍,但與美國同類衛(wèi)星相比仍然差距明顯。美國ViaSat-2寬帶衛(wèi)星的容量為 300 Gbps,是“亞太6D”衛(wèi)星的6倍(體積和重量也是“亞太6D”衛(wèi)星的數(shù)倍)。美國擬在2022年發(fā)射的ViaSat-3衛(wèi)星,容量將進一步提升至1 Tbps。
空間激光通信具有豐富的帶寬資源、較窄的波束發(fā)散、較低的載荷質(zhì)量和功耗,是實現(xiàn)衛(wèi)星節(jié)點間、衛(wèi)星與地面節(jié)點間大容量傳輸?shù)闹匾侄?[9]。近年來,我國空間激光通信技術(shù)取得長足進展,已實現(xiàn)高軌對地5 Gbps通信速率試驗,達到國際一流水平;但在軌工程化應(yīng)用時,出現(xiàn)鏈路無法連通、放大器燒毀、傳輸速率不達標等諸多問題,尚未達到長時間穩(wěn)定使用狀態(tài)。德國歐洲數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)(EDRS)衛(wèi)星在2016年實現(xiàn)了高低軌間星間激光通信的工程化應(yīng)用,通信速率為1.8 Gbps,至今仍正常工作 [10]。
在軌衛(wèi)星數(shù)量是制約陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)能力的重要因素。美國自20世紀90年代開始部署運營“銥星”“全球星”等星座,當前正在規(guī)?;ㄔO(shè)Starlink星座,而我國尚未有大規(guī)模星座的工程建設(shè)與運營經(jīng)驗。Starlink等新興衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項目采用互聯(lián)網(wǎng)思維,借鑒汽車制造理念,大幅降低生產(chǎn)成本,提高衛(wèi)星制造能力;衛(wèi)星的周產(chǎn)量可達16顆,每顆小衛(wèi)星成本降低至50萬美元。反觀我國,通信衛(wèi)星仍采用傳統(tǒng)工程研制模式,即使技術(shù)成熟后也需要兩年的整星研制周期,不具備快速大規(guī)模的部署能力。
表2 我國代表性天基信息系統(tǒng)
我國現(xiàn)有的通信衛(wèi)星、中繼衛(wèi)星,正在建設(shè)的寬帶星座等均獨立發(fā)展,尚未形成統(tǒng)一的標準體系,各系統(tǒng)技術(shù)體制不同,難以實現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)用戶間的高效通聯(lián)。天基信息網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)展不均衡,難以形成“一張網(wǎng)”,陸??仗煲惑w化需要深度融合發(fā)展。對比之下,美國提出以TSAT系統(tǒng)為基礎(chǔ)來融合AEHF和地面柵格網(wǎng)等項目的規(guī)劃;歐洲提出構(gòu)建融合的ISICOM信息基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)想并啟動先期工作。2018年,國際電信聯(lián)盟(ITU)成立了網(wǎng)絡(luò)2030焦點組,將衛(wèi)星接入作為未來網(wǎng)絡(luò)的特征之一;2019年,電氣與電子工程師協(xié)會(IEEE)召開第一屆全球6G無線峰會,促使空天地一體化立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋成為學術(shù)與工程界的普遍共識。
我國迫切需要構(gòu)建“全球覆蓋、安全可控”的信息網(wǎng)絡(luò),然而限于基本國情,無法采用天星地網(wǎng)架構(gòu),通過全球建站的方式實現(xiàn)信息落地與交互。因此,陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)宜采用天網(wǎng)地網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),主要包括核心層、接入層、用戶側(cè)(見圖1)。
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)核心層采用天地雙骨干架構(gòu)。地基部分由傳統(tǒng)地面核心網(wǎng)(如地面光纖網(wǎng)、海底光纜網(wǎng)等)和衛(wèi)星地面站網(wǎng)組成,即地基衛(wèi)星地面網(wǎng)和傳統(tǒng)核心網(wǎng)融合骨干網(wǎng)(簡稱“地骨干”),是整個網(wǎng)絡(luò)的核心部分,主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制、資源管理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、信息處理、融合共享等功能,負責整個網(wǎng)絡(luò)的管理控制和運行。天基部分指由高軌星座、中軌星座和低軌星座組成的天基高中低軌混合骨干網(wǎng)(簡稱“天骨干”),具備一定的接入控制、用戶管理、信息處理及業(yè)務(wù)承載能力,提供寬帶接入、骨干互聯(lián)、中繼傳輸、天基測管控等多種業(yè)務(wù),也可拓展提供導(dǎo)航增強、星基監(jiān)視等業(yè)務(wù)。陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)空間范圍極大,涵蓋海底、海面、陸地、空中、近地空間、地球空間、地月空間、深空,相應(yīng)用戶種類多樣。采用天地雙骨干構(gòu)建核心層,建設(shè)“天地一張網(wǎng)”,發(fā)揮天地網(wǎng)絡(luò)的互補優(yōu)勢,形成網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一體設(shè)計、頻率資源協(xié)調(diào)使用、業(yè)務(wù)應(yīng)用無縫融合、用戶服務(wù)協(xié)同保障的一體化信息網(wǎng)絡(luò)核心層,有效提升用戶接入能力和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合能力,優(yōu)化系統(tǒng)服務(wù)效能。
圖1 陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)的物理架構(gòu)圖
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)接入層是核心層的拓展,負責用戶的接入,包括地月空間延展網(wǎng)、天基無線專用網(wǎng)、空基無線專用網(wǎng)、?;鶡o線專用網(wǎng)、地面局域網(wǎng)、移動通信接入網(wǎng)。①地月空間延展網(wǎng)是為提供地月空間信息服務(wù)而進行的拓展延伸,構(gòu)建全天時、大尺度、寬帶高速的地月空間通信網(wǎng)絡(luò),提供全天時不間斷通信保障,實現(xiàn)地月間信息的高效可靠交互;②天基無線專用網(wǎng)由多顆衛(wèi)星或星座組網(wǎng)構(gòu)成,作為核心層的用戶網(wǎng)絡(luò)來承接其他各類用戶的接入;③空基無線專用網(wǎng)通常由飛機、臨近空間飛艇、無人機等組網(wǎng)構(gòu)成,作為核心層的用戶網(wǎng)絡(luò)來承接其他各類用戶的接入;④?;鶡o線專用網(wǎng)通常由各類水面艦艇、水上浮臺等組網(wǎng)構(gòu)成,作為核心層的用戶網(wǎng)絡(luò)來承接其他各類用戶的接入;⑤地面局域網(wǎng)與地骨干中的傳統(tǒng)地面核心網(wǎng)、地面用戶結(jié)合,即當前所使用的地面互聯(lián)網(wǎng);⑥移動通信接入網(wǎng)與地骨干中的傳統(tǒng)地面核心網(wǎng)、地面用戶結(jié)合,即當前所使用的地面移動網(wǎng)。
陸海空天一體化信息網(wǎng)絡(luò)的天地雙骨干架構(gòu)、地月空間延展網(wǎng)等各類接入層網(wǎng)絡(luò),主要面向政府、軍隊、企業(yè)等領(lǐng)域開展應(yīng)用,按照“網(wǎng)絡(luò)拓展、服務(wù)延伸”思路,將傳輸組網(wǎng)、應(yīng)用服務(wù)、安全防護、運維管控等功能向用戶端延伸并與用戶應(yīng)用集成,形成滿足地面、?;⒖栈?、天基等不同用戶需求的應(yīng)用系統(tǒng)。
①在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合方面,建議打破傳統(tǒng)衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)各自封閉發(fā)展的局面,從邏輯功能、功能部署、協(xié)同服務(wù)3個維度設(shè)計一體化多維融合的共用網(wǎng)絡(luò),使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組件趨于通用化、接口趨于標準化、運營趨于集中化。②在技術(shù)體制融合方面,建議采用統(tǒng)一的核心網(wǎng)支持天基互聯(lián)網(wǎng)、地面移動通信網(wǎng)的共管共享機制,借鑒5G接入網(wǎng)架構(gòu)設(shè)計,按照軟件定義、高低軌統(tǒng)一的思路來設(shè)計可變參數(shù)集的一體化空口接入技術(shù)體制。③在應(yīng)用服務(wù)支撐體系融合方面,建議采用云網(wǎng)融合的設(shè)計思路,部署天基信息港、輕量化天基邊緣計算平臺,實現(xiàn)在軌云邊協(xié)同處理;與地面信息港融合,為各垂直行業(yè)及融合應(yīng)用提供能力開放、扁平高效、廣域時敏的應(yīng)用服務(wù)支撐平臺。
多種空間服務(wù)能力的融合應(yīng)用,有助于提升對全球突發(fā)事件應(yīng)急處置能力,促進天基信息商業(yè)化服務(wù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,這是支撐我國實現(xiàn)制信息權(quán)的基礎(chǔ)。建議以“一星多用、多星組網(wǎng)、多網(wǎng)融合、實時服務(wù)”為目標,通過跨系列、跨星座衛(wèi)星的組網(wǎng)及與地面網(wǎng)絡(luò)深度融合的方式,基于科學合理、按需服務(wù)的任務(wù)規(guī)劃及多中心協(xié)同服務(wù)的模式,提供多類型、高質(zhì)量、穩(wěn)定可靠、規(guī)?;目臻g數(shù)據(jù)、通信、導(dǎo)航、遙感等綜合服務(wù),支撐各行業(yè)的綜合應(yīng)用。
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)是我國避免受制于人,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)強國的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一,應(yīng)確保其設(shè)計、研制、建設(shè)、運營過程的自主可控。建議合理保持對天基交通信息管理、感知網(wǎng)絡(luò)、空間通信等領(lǐng)域標準體系自主研發(fā)、基礎(chǔ)器部件研制與產(chǎn)業(yè)化的投入,盡快改變標準靠國外、技術(shù)靠引進、產(chǎn)業(yè)受制約的現(xiàn)狀;提高相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的國產(chǎn)化替代水平,通過產(chǎn)品替代升級拉動內(nèi)需,促進國民經(jīng)濟的循環(huán)發(fā)展。
陸??仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)具有節(jié)點暴露、信道開放、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互連、拓撲高度動態(tài)變化、星上處理能力受限等特點,加之與互聯(lián)網(wǎng)進行融合,易受外部網(wǎng)絡(luò)攻擊,特別在測控鏈路、星地組網(wǎng)、應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)、信息監(jiān)管方面存在安全隱患。建議按照“體系彈性、安全內(nèi)生、動態(tài)賦能”的思路,強化通信與安全防護一體化融合設(shè)計;采用新型抗干擾波形、頻譜認知無線電、組網(wǎng)認證與接入鑒權(quán)、多安全等級的差異化網(wǎng)絡(luò)安全互聯(lián)與隔離、安全防護設(shè)備動態(tài)重構(gòu)等技術(shù),確保融合網(wǎng)絡(luò)的安全可靠。