中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司第六研究所 北京 100083

引言

2020年4月，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被列入新型基礎(chǔ)設(shè)施范圍并上升為國(guó)家戰(zhàn)略性工程，是我國(guó)天地一體化信息系統(tǒng)的重要組成部分[1]。在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將與新一代地面通信系統(tǒng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)深度融合，形成天、空、地三維一體互聯(lián)互通的立體化智能化通信網(wǎng)絡(luò)[2]。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要依托空間衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)縫鏈接，隨時(shí)隨地向用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和業(yè)務(wù)服務(wù)，是繼有線互聯(lián)、無(wú)線互聯(lián)之后的第三代互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的必然趨勢(shì)[3-4]。

由于空間衛(wèi)星運(yùn)行軌道和頻譜資源有限，當(dāng)前采取“先申報(bào)就可優(yōu)先使用”的搶占方式，很多國(guó)家和組織出于自身利益考慮，先占領(lǐng)軌道位置及頻率而后發(fā)射衛(wèi)星，空間衛(wèi)星頻率與軌道資源日益成為各國(guó)搶占對(duì)象，因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對(duì)外層空間主動(dòng)權(quán)具有重要戰(zhàn)略意義[5]，不僅在軍事(偵察、導(dǎo)彈預(yù)警等)領(lǐng)域舉重若輕，而且在氣象、環(huán)保、海洋、無(wú)人機(jī)等民用領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用需求。當(dāng)前國(guó)外已進(jìn)入衛(wèi)星星座密集部署階段，而國(guó)內(nèi)企業(yè)尚處于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空間及地面段早期基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段，國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展存在較大差距。除此以外，衛(wèi)星批量化制造、快速組網(wǎng)、星座運(yùn)營(yíng)控制、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和星間鏈路的設(shè)計(jì)等關(guān)鍵核心問(wèn)題還沒(méi)完全解決。

本文歸納了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，并給出建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，為建設(shè)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建造提供思路、借鑒與參考，為空間信息綜合利用信息網(wǎng)的構(gòu)建提供參考。

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星組網(wǎng)主要有單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兩種，較為成熟的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通常采用單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)方式。隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已難以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求，具有星間鏈路的立體化多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為衛(wèi)星領(lǐng)域研究熱點(diǎn)。

1.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是指具有相同軌道高度的衛(wèi)星星座組成的網(wǎng)絡(luò)。單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包括高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)、中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Medium Earth Orbit，MEO)和低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Low Earth Orbit，LEO)。

GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)典型系統(tǒng)有Spaceway、Inmarsat等，在軍、民應(yīng)用中取得巨大成功。GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有衛(wèi)星數(shù)量少、全球覆蓋、切換少和衛(wèi)星跟蹤控制簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)主要表現(xiàn)在通信鏈路距離長(zhǎng)、鏈路損耗大、傳播時(shí)延大、不適合地面端小功率用戶、無(wú)法覆蓋高緯度地區(qū)。

MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)一般由十幾顆衛(wèi)星構(gòu)成，典型系統(tǒng)主要有Odyssey、ICO等。MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)滿足時(shí)延的要求，相對(duì)于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換概率低、多普勒效應(yīng)少，空間控制系統(tǒng)和跟瞄系統(tǒng)簡(jiǎn)化。

LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)一般由幾十顆衛(wèi)星組成。近年來(lái)，國(guó)外高科技公司紛紛投資LEO衛(wèi)星通信領(lǐng)域，提出了OneWeb、Starlink等十余個(gè)LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。LEO衛(wèi)星鏈路性能優(yōu)越、傳輸時(shí)延小、體積小，但系統(tǒng)建設(shè)周期長(zhǎng)、投資大、空間控制系統(tǒng)復(fù)雜。不同軌道高度衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點(diǎn)匯總，如表1所示。

表1 不同軌道衛(wèi)星組網(wǎng)優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

由于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的局限性，很難滿足業(yè)務(wù)多樣化、傳輸可靠化、覆蓋全球化的新需求。綜合各層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，多層立體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的概念逐漸被提出。在空間進(jìn)行多層混合布星，利用星間鏈路建立一個(gè)層間、層內(nèi)相互通信的立體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)通信。與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)較單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)有更好的空間頻譜利用率、覆蓋仰角、重?cái)?shù)等特征[6]。

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)典型的代表是雙層和三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.2.1 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)一般以LEO-MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)居多。Kimura首先提出了LEO-MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，其中MEO間由層內(nèi)星間鏈路(Inter-Satellite Links，ISL)相連接，并與可視范圍內(nèi)的LEO通過(guò)軌內(nèi)星間鏈路(Inter-Orbital Links，IOL)相連接；LEO間無(wú)ISL。LEO負(fù)責(zé)與小型移動(dòng)終端通信，以減少鏈路損失；MEO作為L(zhǎng)EO的中繼，同時(shí)負(fù)責(zé)地面站與大型終端的通信[7]。進(jìn)一步地，Jaeook提出了LEO間具有ISL連接的SoS(Satellite over Satellite)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。對(duì)于短距離業(yè)務(wù)，LEO衛(wèi)星通過(guò)LEO層的ISL進(jìn)行傳輸，對(duì)于長(zhǎng)距離業(yè)務(wù)，LEO衛(wèi)星通過(guò)MEO-LEO層的ISL由MEO進(jìn)行中繼。

1.2.2 三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)以LEO-MEO-GEO三層結(jié)構(gòu)為主。MEO-MEO、LEO-LEO、GEO-MEO、MEO-LEO之間都存在星間鏈路。GEO衛(wèi)星為路由算法決策中樞，負(fù)責(zé)資源調(diào)度和路由信息的分發(fā)；MEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋；LEO衛(wèi)星為地面移動(dòng)終端提供接入服務(wù)，承載通信業(yè)務(wù)。

1.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)選取

為滿足用戶能夠隨時(shí)隨地進(jìn)行通信的需求以及多種業(yè)務(wù)的性能要求，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的高速移動(dòng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化對(duì)星座設(shè)計(jì)和最短路徑優(yōu)化提出難題和挑戰(zhàn)。單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)持續(xù)變動(dòng)、時(shí)延指標(biāo)過(guò)高、網(wǎng)絡(luò)阻塞概率大、網(wǎng)絡(luò)抗毀性差，管理比較復(fù)雜；需要在全球布置地面站對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，帶來(lái)復(fù)雜的地緣政治問(wèn)題，不符合當(dāng)前我國(guó)的基本國(guó)情。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高星座管理效率。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路

圖1為典型的LEO-MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間鏈路示意圖。通過(guò)星間鏈路可實(shí)現(xiàn)層內(nèi)、軌間衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，降低衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)的依賴。其中，LEO衛(wèi)星分為若干個(gè)衛(wèi)星群，每個(gè)衛(wèi)星群分別通過(guò)IOL鏈路與MEO衛(wèi)星尋址對(duì)接；MEO衛(wèi)星之間也會(huì)通過(guò)ISL鏈路進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)鏈路分工明確、可替換鏈路多、抗毀能力強(qiáng)。但由于其節(jié)點(diǎn)類(lèi)型復(fù)雜多變，組網(wǎng)實(shí)施比較復(fù)雜，對(duì)技術(shù)要求較高。本節(jié)主要展望了星間鏈路的發(fā)展趨勢(shì)和未來(lái)的研究方向，相關(guān)內(nèi)容可為星間鏈路的進(jìn)一步研究提供參考。

圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間鏈路示意圖

目前，大部分衛(wèi)星系統(tǒng)主要依靠地面通信站來(lái)進(jìn)行信息中繼服務(wù)，如果地面站發(fā)生故障或被摧毀，衛(wèi)星系統(tǒng)將整體陷入癱瘓狀態(tài)。衛(wèi)星鏈路降低了衛(wèi)星通信對(duì)地面站的依賴，可實(shí)現(xiàn)空中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接和組網(wǎng)，將多顆衛(wèi)星有機(jī)地組合為一個(gè)整體，形成星座系統(tǒng)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理以及連續(xù)性服務(wù)的目標(biāo)。

近年來(lái)，在具備寬帶、大容量、低延遲和全球覆蓋等特色的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的推動(dòng)下，星間鏈路成為研究熱點(diǎn)。衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路按照工作頻率主要分為微波鏈路和激光鏈路兩種。

2.1 微波鏈路

微波是指頻率在0.3~300 GHz之間的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，因此微波也被稱(chēng)為超高頻電磁波。國(guó)際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)和電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)劃分的通信衛(wèi)星微波頻率如表2所示。

表2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路頻率

衛(wèi)星通信一般使用L、S、C、X、Ku和Ka頻段電磁波。低頻率(如L、S、C頻段)電磁波，具有增益低、雨衰小、需要天線口徑較大的特點(diǎn)，該頻段電磁波更適合對(duì)通信質(zhì)量有嚴(yán)格要求的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，目前該頻段空間資源緊張。高頻率(如Ku和Ka頻段)電磁波，具有增益高、雨衰大、需要天線口徑較小的特點(diǎn)，該頻段微波適合于數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)場(chǎng)景。當(dāng)前，大多數(shù)低軌衛(wèi)星星座選用高頻段的Ka或V電磁波實(shí)現(xiàn)全球通信服務(wù)。

星間微波鏈路具有成本低廉、測(cè)距方式靈活、組網(wǎng)靈活方便、跟瞄捕獲容易、技術(shù)比較成熟、系統(tǒng)可靠性較高等優(yōu)點(diǎn)，但由于微波通信頻段的容量有限，難以滿足信息技術(shù)高速增加的空間衛(wèi)星通信需求；同時(shí)，微波通信系統(tǒng)之間的干擾問(wèn)題隨軌道內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量的增加不斷突顯[8]。

2.2 激光鏈路

衛(wèi)星激光通信指在衛(wèi)星信道當(dāng)中，以激光光束作為傳輸信息載體在空間進(jìn)行圖像、信號(hào)等信息傳遞。目前，空間激光通信系統(tǒng)主要選用半導(dǎo)體激光器作為光源，激光通信系統(tǒng)波長(zhǎng)主要選用0.8~1.0μm波段。激光鏈路通信可用于相同軌道內(nèi)衛(wèi)星間通信(如GEOGEO、LEO-LEO)，也可以用于不同軌道內(nèi)衛(wèi)星間通信(如GEO-LEO)。隨著全球低軌衛(wèi)星星座的快速布局，星間鏈路對(duì)激光鏈路的需求更加急迫[9]。

與微波鏈路相比，激光鏈路的優(yōu)勢(shì)具體表現(xiàn)在：頻帶寬，鏈路通信容量較大；設(shè)備功耗、質(zhì)量、體積較小，對(duì)衛(wèi)星平臺(tái)和衛(wèi)星通信終端的輕量化、小型化具有重要意義；波束發(fā)散角較小，具有良好的抗干擾和抗截獲性能，系統(tǒng)安全性高；設(shè)備間無(wú)射頻信號(hào)干擾，無(wú)需申請(qǐng)空間頻率使用許可證。但星間激光鏈路波束窄，瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜，因此激光跟蹤技術(shù)是激光星間鏈路的關(guān)鍵技術(shù)之一[10]。

2.3 星間鏈路選取

微波鏈路衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星、中低軌道通信衛(wèi)星等系統(tǒng)應(yīng)用較為廣泛。按照目前中低軌道星座項(xiàng)目公布的資料來(lái)看，Iridium系統(tǒng)建立Ka頻段星間鏈路；O3b、OneWeb和Globalstar系統(tǒng)不設(shè)置星間鏈路；Starlink、LeoSat和Telesat系統(tǒng)計(jì)劃采用激光鏈路建立空間骨干網(wǎng)；“鴻雁”和“行云”系統(tǒng)均計(jì)劃采用激光鏈路實(shí)現(xiàn)空間組網(wǎng)，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化管理以及服務(wù)連續(xù)性的目標(biāo)。目前，“行云”二號(hào)衛(wèi)星已完成星間激光鏈路技術(shù)試驗(yàn)。

在大規(guī)模衛(wèi)星通信星座發(fā)展的推動(dòng)下，使用高頻段微波鏈路或激光鏈路通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更高的測(cè)量精度和更快的通信速率是必然發(fā)展趨勢(shì)，星地微波通信結(jié)合星間激光通信技術(shù)方案已成為星座組網(wǎng)主流。

3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

未來(lái)空間網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星、航天器、空間站以及探測(cè)傳感器等多元載體與地面網(wǎng)絡(luò)深度融合形成的一體化復(fù)雜異構(gòu)型網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)單通道網(wǎng)絡(luò)模式轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)對(duì)面的多通道網(wǎng)絡(luò)模式。由于空間環(huán)境限制，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化、傳播延時(shí)長(zhǎng)、誤碼率高、帶寬不對(duì)稱(chēng)的特點(diǎn)。隨著空間資源探索，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)及其互聯(lián)技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)受到越來(lái)越多重視[11]。

3.1 空間網(wǎng)絡(luò)CCSDS協(xié)議

為促進(jìn)空間機(jī)構(gòu)之間以標(biāo)準(zhǔn)化方式來(lái)實(shí)現(xiàn)資源互用和數(shù)據(jù)交換與處理，各國(guó)空間組織管理部門(mén)正式組建成立空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)商委員會(huì)(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)。該組織負(fù)責(zé)空間信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定，開(kāi)發(fā)一系列的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化通信體系結(jié)構(gòu)，形成CCSDS協(xié)議，有部分CCSDS協(xié)議已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的正式標(biāo)準(zhǔn)[12]。

3.1.1 CCSDS協(xié)議發(fā)展

20世紀(jì)80年代的CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議主要包括遙測(cè)(Telemetry，TM)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙控(Telecommand，TC)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和高級(jí)在軌系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)(Advanced Orbiting system，AOS)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。TC數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用可變長(zhǎng)度的傳輸幀，將數(shù)據(jù)從航天器發(fā)送遙測(cè)信息到地面；TM數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用固定長(zhǎng)度傳輸幀，將控制信號(hào)從地面發(fā)送到航天器；AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用固定長(zhǎng)度傳輸幀，在航天器和地面間建立雙向數(shù)據(jù)鏈路。

TC、TM、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議均無(wú)法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜁r(shí)效性，引入重傳控制機(jī)制保障數(shù)據(jù)信息無(wú)間隔、無(wú)重傳、按順序發(fā)送到接收端。隨后CCSDS進(jìn)一步對(duì)TC、TM和AOS三個(gè)協(xié)議進(jìn)行分解和合并，形成TM、TC、AOS空間鏈路協(xié)議和TM/TC同步與信道編碼等協(xié)議。以上兩個(gè)協(xié)議涵蓋了數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層。此外，CCSDS在物理層開(kāi)發(fā)了一個(gè)用于航天器與地面站之間通信的射頻與調(diào)制系統(tǒng)。

TC、TM、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議假定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚墒庆o態(tài)的，數(shù)據(jù)格式的設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)路由選擇的要求，無(wú)法適應(yīng)空間通信環(huán)境。

20世紀(jì)90年代，針對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)特性需求，CCSDS對(duì)地面TCP/IP協(xié)議進(jìn)行修改和擴(kuò)展[13]，開(kāi)發(fā)了一套涵蓋網(wǎng)絡(luò)層到應(yīng)用層的空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communication Protocol Specification，SCPS)。該協(xié)議規(guī)范主要包括：網(wǎng)絡(luò)協(xié)議(SCPS Network Protocol，SCPS-NP)、安全協(xié)議(SCPS Security Protocol，SCPS-SP)、傳輸協(xié)議(SCPS Transport Protocol，SCPS-TP)和文件傳輸協(xié)議(SCPS File Protocol，SCPS-FP)。它們與地面互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議有著良好兼容性和互操作性，在底層協(xié)議(數(shù)據(jù)鏈路層、物理層)支持下，構(gòu)成完整網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)空間通信網(wǎng)絡(luò)與地面通信環(huán)境之間網(wǎng)絡(luò)互連。

3.1.2 CCSDS協(xié)議體系結(jié)構(gòu)

參考開(kāi)放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open System Interconnection，OSI)七層結(jié)構(gòu)，國(guó)際性空間組織建立空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型。由于OSI模型會(huì)話層和表示層相關(guān)協(xié)議很少用于空間鏈路，所以空間網(wǎng)絡(luò)CCSDS協(xié)議模型自下而上有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、運(yùn)輸層和應(yīng)用層五層結(jié)構(gòu)。整個(gè)CCSDS協(xié)議可以看作是一個(gè)混合、匹配工具包，可以根據(jù)特定任務(wù)的處理要求，從這個(gè)工具包中選擇出合適的協(xié)議進(jìn)行組合并進(jìn)行應(yīng)用，每一層又可包括若干個(gè)可供組合的協(xié)議，CCSDS空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的參考模型如圖2所示。

圖2 CCSDS協(xié)議參考模型

1)物理層

CCSDS空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參考模型物理層主要是由Proximity-1協(xié)議和射頻與調(diào)制系統(tǒng)兩部分組成。Proximity-1鄰近空間鏈路協(xié)議是一個(gè)專(zhuān)門(mén)為近距離、低功耗的空間鏈路而設(shè)計(jì)的鄰近空間鏈路物理層跨層協(xié)議，具有時(shí)延短、強(qiáng)度信號(hào)中等、對(duì)話簡(jiǎn)短獨(dú)立的特征，一般主要用于固定探測(cè)器、星球著陸器、在軌星座等相互之間的通信。射頻與調(diào)制系統(tǒng)，用于航天器與地面站之間鏈路的物理層標(biāo)準(zhǔn)。

2)數(shù)據(jù)鏈路層

CCSDS空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議參考模型數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的主要功能是傳輸可變長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)單元，以基本數(shù)據(jù)單元為傳輸幀，提供傳輸各種類(lèi)型數(shù)據(jù)能力，數(shù)據(jù)鏈路層定義了數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層與同步和信道編碼子層。

數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀傳輸方式，主要包括：TM、TC、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和Proximity-1空間鏈路協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層四種協(xié)議，以上協(xié)議統(tǒng)稱(chēng)為空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(Space Date Link Protocol，SDLP)。同步和信道編碼子層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀編碼方式和同步方式，主要包括TM、TC和Proximity-1空間鏈路協(xié)議中的同步與通信編碼三種協(xié)議，其中TM和AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議基于TM同步與通信編碼標(biāo)準(zhǔn)，TC和Proximity-1空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議分別基于TC和Proximity-1同步與通信編碼標(biāo)準(zhǔn)。

3)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了星上子網(wǎng)和地面子網(wǎng)兩大部分的數(shù)據(jù)路由功能。面向空間數(shù)據(jù)路由需求，CCSDS已經(jīng)開(kāi)發(fā)了空間分組協(xié)議(Space Packet Protocol，SPP)和SCPS-NP兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議用于在網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行接口連接。互聯(lián)網(wǎng)IPv4和IPv6協(xié)議也可以通過(guò)空間數(shù)據(jù)鏈路進(jìn)行傳輸，與SPP和SCPS-NP協(xié)議進(jìn)行多路復(fù)用或非復(fù)用。SCPS-NP對(duì)應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)中的IP協(xié)議，是一種新的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)空間傳輸協(xié)議，在空間網(wǎng)絡(luò)上支持報(bào)文的靜態(tài)路由、動(dòng)態(tài)路由和洪泛路由，并可應(yīng)用于多種信道環(huán)境。

4)傳輸層

針對(duì)包含一條或多條空間鏈路網(wǎng)絡(luò)的終端之間數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，CCSDS開(kāi)發(fā)了SCPS-TP協(xié)議。SCPSTP協(xié)議對(duì)應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)和用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)，支持基于優(yōu)先級(jí)的處理，支持無(wú)連接多播和面向數(shù)據(jù)包的應(yīng)用，能與TCP、UDP協(xié)議產(chǎn)品互操作。

空間網(wǎng)絡(luò)SCPS-SP安全協(xié)議位于傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層之間，提供端到端的安全保護(hù)，可提供認(rèn)證、完整性、保密性和訪問(wèn)控制中的一項(xiàng)或全部服務(wù)，該協(xié)議可與互聯(lián)網(wǎng)IPSec安全協(xié)議結(jié)合使用，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)安全性能。

5)應(yīng)用層

應(yīng)用層空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要向用戶提供端到端應(yīng)用服務(wù)，主要包括SCPS-FP、文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)、空間文件傳輸?shù)膮f(xié)議(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)、無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮(Lossless Data Compression，LDC)和應(yīng)用規(guī)范協(xié)議(Application Specific Protocols，ATP)等。

SCPS-FP協(xié)議是對(duì)互聯(lián)網(wǎng)中FTP協(xié)議的擴(kuò)展，將傳輸文件和數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)單元，向用戶提供端到端應(yīng)用服務(wù)，保持了與FTP的互操作性。該協(xié)議在空間環(huán)境中具有閱讀和更新個(gè)人文件記錄的能力、允許用戶暫時(shí)停止文件傳送并稍后重傳、允許數(shù)據(jù)通信中斷后自動(dòng)恢復(fù)傳輸、支持重復(fù)本文壓縮、支持文件和記錄的完整性檢驗(yàn)等功能，提高空間數(shù)據(jù)應(yīng)用效率。

針對(duì)大鏈路延遲和非對(duì)稱(chēng)帶寬的航天器通信環(huán)境，CCSDS為星間文件傳輸制定了CFDP文件傳輸協(xié)議，該協(xié)議即有傳輸層的功能，又有應(yīng)用層文件管理功能。

SCPS-FP在一定程度上適應(yīng)大空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，在性能上比FTP協(xié)議有一定提高。但是在時(shí)延較大的情況下，這種性能的提高表現(xiàn)不明顯，而CFDP在這方面的性能更加突出。隨著空間技術(shù)的提高，航天器的計(jì)算能力在不斷提高，CFDP在與SCPS-FP的競(jìng)爭(zhēng)中會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。

3.2 空間網(wǎng)絡(luò)DTN協(xié)議

容遲容斷網(wǎng)絡(luò)(Delay /Disruption-Tolerant Network，DTN)協(xié)議體系是美國(guó)航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室提出的一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)長(zhǎng)延時(shí)、鏈路切換頻繁、誤碼率高、間歇性連接等空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境問(wèn)題而設(shè)計(jì)的新興的通信結(jié)構(gòu)，具有容忍延遲、中斷的特性[14]。DTN協(xié)議使用逐跳轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送模式，不再要求發(fā)送端與接收端建立持續(xù)連接，同時(shí)使用保管傳遞機(jī)制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴TN協(xié)議采用存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式應(yīng)對(duì)空間網(wǎng)絡(luò)中的鏈路中斷問(wèn)題，當(dāng)缺少直接的傳輸路徑時(shí)，中間節(jié)點(diǎn)將暫時(shí)把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，等待傳輸機(jī)會(huì)[15]。

DTN協(xié)議結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)的TCP/IP五層結(jié)構(gòu)中引入束層(Bundle Layer)和匯聚層(如圖3所示)，束層和匯聚層增加了DTN協(xié)議對(duì)高挑戰(zhàn)性空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)能力，通過(guò)束層和不同的匯聚層協(xié)議，支持不同類(lèi)型的低層網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。

束層位于應(yīng)用層的底部，運(yùn)行束協(xié)議(Bundle Protocol，BP)，該協(xié)議是DTN協(xié)議棧中最重要的組成協(xié)議之一，主要包括消息轉(zhuǎn)發(fā)、節(jié)點(diǎn)與端點(diǎn)、命名與尋址、路由與轉(zhuǎn)發(fā)、安全等不同機(jī)制，負(fù)責(zé)應(yīng)用層數(shù)據(jù)承載、路由轉(zhuǎn)發(fā)等功能。由于BP協(xié)議位于傳輸層協(xié)議之上，且能夠與各區(qū)域之間的底層協(xié)議相互配合，使得應(yīng)用程序能夠跨區(qū)進(jìn)行通信。

為了束層與傳輸層數(shù)據(jù)的格式匹配以及保障BP協(xié)議與下層傳輸協(xié)議的交互，在兩層之間引入?yún)R聚層。匯聚層充當(dāng)了BP與傳輸層協(xié)議之間的接口，通過(guò)該層可增加底層傳輸協(xié)議應(yīng)對(duì)惡劣環(huán)境的能力，支持適配包括TCP、UDP、LTP、Saratoga傳輸協(xié)議等。

圖3 DTN協(xié)議示意圖

3.3 空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議選取

SCPS協(xié)議經(jīng)過(guò)多年研究與發(fā)展，已經(jīng)遍布各個(gè)主要空間網(wǎng)絡(luò)之中，但其存在的問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，該協(xié)議感知能力較弱，沒(méi)有從根本上解決空間網(wǎng)絡(luò)中的固有缺陷。目前，除了SCPS-TP協(xié)議仍然在一些商用設(shè)備中使用，其他協(xié)議已經(jīng)全部停止更新維護(hù)，在CCSDS官網(wǎng)上建議采用DTN協(xié)議體系。

目前，關(guān)于DTN協(xié)議的許多關(guān)鍵技術(shù)仍在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，大部分研究只是給出了一個(gè)框架，國(guó)內(nèi)外研究?jī)?nèi)容以理論為主，關(guān)于DTN協(xié)議在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用、實(shí)施和部署相對(duì)匱乏。

我國(guó)在軌衛(wèi)星數(shù)量和種類(lèi)繁多，但目前沒(méi)有統(tǒng)一協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)欠缺是現(xiàn)階段組建我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的首要問(wèn)題，在執(zhí)行特殊任務(wù)和軍事沖突情況下，無(wú)法提供可靠持續(xù)的通信服務(wù)。

4 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

針對(duì)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，主要采用衛(wèi)星分組思想來(lái)劃分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。典型星間路由協(xié)議主要有MLSR(Multilayered Satellite Routing)、SGRP(Satellite Grouping and Routing Protocol)和TDRP(Time Division Routing Protocol)三種類(lèi)型。

MLSR路由協(xié)議基于每顆GEO衛(wèi)星對(duì)MEO層衛(wèi)星的覆蓋性，以及MEO衛(wèi)星對(duì)LEO層衛(wèi)星的覆蓋性，劃分為MEO衛(wèi)星分組和LEO衛(wèi)星分組兩種分組，對(duì)應(yīng)GEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星分別作為MEO衛(wèi)星分組和LEO衛(wèi)星分組管理者。其拓?fù)湫畔R總和路由計(jì)算逐層進(jìn)行。SGRP路由協(xié)議與MLSR路由協(xié)議拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，只有LEO衛(wèi)星分組。MEO衛(wèi)星分別作為對(duì)應(yīng)LEO衛(wèi)星分組管理者，負(fù)責(zé)收集LEO組拓?fù)錉顟B(tài)信息，然后進(jìn)行路由計(jì)算并下發(fā)至LEO分組中各衛(wèi)星。TDRP路由協(xié)議與MLSR和SGRP路由協(xié)議基本一致，逐層進(jìn)行鏈路狀態(tài)信息匯總和路由計(jì)算與分發(fā)，但該路由協(xié)議路由計(jì)算過(guò)程中考慮了層間鏈路切換引起多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)隙劃分的問(wèn)題。

MLSR、TDRP和SGRP星間路由協(xié)議均采用集中式計(jì)算方式，高層衛(wèi)星逐層匯總整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錉顟B(tài)信息后，經(jīng)過(guò)路由計(jì)算，將路由表逐層分發(fā)給各低層衛(wèi)星。由于多層衛(wèi)星層間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，層間鏈路頻繁切換，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分組動(dòng)態(tài)性變化，現(xiàn)有多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星間路由協(xié)議均不能滿足層間鏈路切換頻繁的特點(diǎn)。因此，多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需基于衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的可預(yù)知性以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓芷谛?，進(jìn)一步完善基于衛(wèi)星鏈路切換策略的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

5 總結(jié)

本文圍繞衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間組網(wǎng)的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)，從星間網(wǎng)絡(luò)、星間鏈路、星間通信協(xié)議和星間路由四個(gè)方面系統(tǒng)歸納了國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)一步探討了組網(wǎng)技術(shù)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)、發(fā)展方向和解決辦法，主要結(jié)論如下。

1)單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)持續(xù)變動(dòng)、時(shí)延大、網(wǎng)絡(luò)阻塞概率大、網(wǎng)絡(luò)抗毀性差，管理比較復(fù)雜，需要在全球布置地面站對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理，不符合我國(guó)基本國(guó)情，采用多層衛(wèi)星組網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高星座管理效率。

2)高頻段微波鏈路(Ka、V頻段等)或激光鏈路技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)更高星間測(cè)量精度和更快鏈路數(shù)據(jù)通信速率的必然發(fā)展趨勢(shì)，星地微波通信結(jié)合星間激光通信技術(shù)方案已成為星座組網(wǎng)主流。

3)空間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)欠缺是我國(guó)空間信息網(wǎng)絡(luò)的首要問(wèn)題，空間網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議體系只可參考國(guó)外現(xiàn)有的CCSDS、DNT協(xié)議，無(wú)法照搬。

4)基于衛(wèi)星運(yùn)行軌跡的可預(yù)知性以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闹芷谛?，需進(jìn)一步完善基于衛(wèi)星鏈路切換策略的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。