虞志剛，馮旭，黃照祥，陸洲

（中國電子科技集團公司電子科學(xué)研究院，北京 100041）

0 引言

當(dāng)今世界，信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與實體經(jīng)濟深度融合，數(shù)字經(jīng)濟在國民經(jīng)濟的比重不斷攀升（以中國為例，截至2020年，其數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模達(dá)到39.2萬億元，占GDP比重為38.6%）[1]，深刻地改變著人們的生產(chǎn)生活方式，成為世界各國經(jīng)濟增長的新引擎。與此同時，隨著人類活動范圍從陸地、近海、近空向深海洋、深空的不斷擴展，地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已無法滿足人們?nèi)找嬖黾拥姆涸谶B接需求，天基網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等相互融合、取長補短，共同構(gòu)建“覆蓋全球無縫、連接無處不在”的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，滿足用戶無處不在的多樣化業(yè)務(wù)需求，已成為促進(jìn)經(jīng)濟社會新發(fā)展、保障國家核心安全的必然選擇[2]。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)（space-ground integrated information network）將地面網(wǎng)絡(luò)從近地表向空間延伸、從二維覆蓋走向三維泛在[3]，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示，是6G的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是國家戰(zhàn)略性通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施[4-5]。近年來，3GPP、ITU等標(biāo)準(zhǔn)化組織成立了專門工作組著手天地一體化網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化問題，美國SpaceX公司、中國電科、中國信科、中國星網(wǎng)等國內(nèi)外企業(yè)與研究組織也投入研究建設(shè)之中[6]。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成示意圖[2]

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)研究的基礎(chǔ)，更是開展網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的先決條件。當(dāng)前，國內(nèi)外圍繞天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究主要集中在兩個方面：一是“互聯(lián)網(wǎng)+衛(wèi)星”模式，認(rèn)為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是地面互聯(lián)網(wǎng)向三維空間的拓展。如美國SpaceX公司推出的星鏈（Starlink）低軌星座將衛(wèi)星作為地面互聯(lián)網(wǎng)的“天基Wi-Fi”熱點[5]，技術(shù)研究則主要集中在如何解決中低軌衛(wèi)星高速移動情況下帶來的天基網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)時變拓?fù)渑c路由問題；二是“移動通信網(wǎng)+衛(wèi)星”模式，認(rèn)為天地一體化網(wǎng)絡(luò)是地面移動網(wǎng)絡(luò)向三維空間的延伸。如銥星公司推出的銥星下一代星座將地面基站搬到了衛(wèi)星作為衛(wèi)星基站“SatNode B”，技術(shù)研究則主要集中在星地之間（即用戶與基站之間）的新型接入/空口協(xié)議設(shè)計、星載相控陣天線、星載MIMO技術(shù)以及高可靠激光器等[4]。

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是天基網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)的深度融合，不是簡單地地面向空間拓展與疊加，因此本文從融合的角度出發(fā)，對天地網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析與提煉總結(jié)，并在此基礎(chǔ)上，提出了通信、網(wǎng)絡(luò)、計算融合的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和設(shè)想，以期為后續(xù)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的研究、建設(shè)和標(biāo)準(zhǔn)化提供有價值的建議和參考。

1 天地網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)概述

1.1 地面互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

地面互聯(lián)網(wǎng)一般特指“Internet”，最早源于美國國防部高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）建設(shè)的阿帕網(wǎng)絡(luò)（ARPANET），旨在解決不同體系結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的“互聯(lián)互通”問題[7-8]，提出了基于“分組交換+TCP/IP”為核心的體系架構(gòu)，實現(xiàn)了各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)際互聯(lián)，并與傳統(tǒng)電話網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)的功能融合，并與實體經(jīng)濟深度融合，成為全球最重要的信息基礎(chǔ)設(shè)施?；ヂ?lián)網(wǎng)分層體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能進(jìn)行細(xì)分，體系結(jié)構(gòu)主要包括：接入層、匯聚層和核心層。

圖2 互聯(lián)網(wǎng)分層體系結(jié)構(gòu)

（1）接入層

接入層是用戶接入網(wǎng)絡(luò)的“入口”，通過光纖、雙絞線、Wi-Fi以及可見光等傳輸介質(zhì)實現(xiàn)用戶與網(wǎng)絡(luò)之間的連接，進(jìn)而為用戶提供服務(wù)。

（2）匯聚層

匯聚層是接入層與核心層之間的“中介”，通過對接入流量實施匯聚、清洗、安全和過濾等各種策略，有效減輕核心層的負(fù)荷。

（3）核心層

核心層是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的“骨干”，也是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平的集中體現(xiàn)，實現(xiàn)骨干網(wǎng)絡(luò)之間的優(yōu)化傳輸，是所有流量的最終承載者和匯聚者，同時對外還提供外部業(yè)務(wù)接入服務(wù)，所以統(tǒng)籌核心層通常需要采用冗余設(shè)計。

1.2 移動通信網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

移動通信網(wǎng)絡(luò)的全稱是公共陸地移動網(wǎng)絡(luò)（public land mobile network，PLMN），是為公眾提供陸地移動通信業(yè)務(wù)而建立和經(jīng)營的網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過近半個世紀(jì)的發(fā)展，從第一代移動通信系統(tǒng)（1G）的“大哥大”時代開始，已經(jīng)以10年一代的節(jié)奏持續(xù)演進(jìn)。當(dāng)前，正處于“信息隨心至”的5G時代，并逐步向萬物互聯(lián)的6G邁進(jìn)，移動通信信號已基本覆蓋了大部分人員密集的陸地、近海和近空區(qū)域。與此同時，移動通信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)相互滲透、彼此融合，催生了移動互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字經(jīng)濟，近10年來成為經(jīng)濟社會發(fā)展的新引擎[1]。

自20世紀(jì)80年代1G系統(tǒng)部署以來，移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用戶容量、速率、時延以及帶寬等性能指標(biāo)都獲得了大幅的提升，然而其核心的功能架構(gòu)卻相對比較穩(wěn)定，移動通信網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體為4G（LTE）以及5G系統(tǒng)的架構(gòu)，從圖3可以發(fā)現(xiàn)，功能上主要包括：接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)，物理上對應(yīng)的設(shè)備分別是基站、路由器和核心網(wǎng)設(shè)備（如4G時代的MME（mobility management entity，移動性管理實體）、PGW（packet data network gateway，分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)）等設(shè)備，以及5G時代的UPF（user plane function，用戶面功能）、AMF（access and mobility management function，接入和移動性管理功能）等功能網(wǎng)元）。

圖3 移動通信網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)

（1）接入網(wǎng)

接入網(wǎng)即RAN（radio access network），可以被比喻為人的“四肢”，負(fù)責(zé)廣域分布的無線覆蓋、無線信道的資源管理、無線信號的發(fā)送接收以及編碼譯碼等功能，對應(yīng)的物理實體主要包括手機和基站。其中，手機與基站之間的天線及空中接口體制是移動通信領(lǐng)域研究的熱點問題。

（2）承載網(wǎng)

承載網(wǎng)即PTN（packet transport network），可以被比喻為人四通發(fā)達(dá)的“脈絡(luò)”，負(fù)責(zé)連接“四肢”和“大腦”，作為接入網(wǎng)與核心網(wǎng)之間的傳輸通道，主要負(fù)責(zé)對各種信息和信令進(jìn)行按需傳送。

（3）核心網(wǎng)

核心網(wǎng)即CN（core network），可以被比喻為人的“大腦”，是整個網(wǎng)絡(luò)的管理中樞，負(fù)責(zé)無線資源管理、移動性管理、接納控制以及會話管理等核心功能。同時，核心網(wǎng)還可以對外提供互聯(lián)網(wǎng)接口。

1.3 天基信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

與地面互聯(lián)網(wǎng)或者移動通信網(wǎng)不同，天基信息網(wǎng)絡(luò)是以天基為核心的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[4-6]中亦稱其為空間信息網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等概念。天基信息網(wǎng)絡(luò)最早可以溯源到1945年10月，英國空軍雷達(dá)專家阿瑟·克拉克在《無線電世界》雜志上發(fā)表文章《地球外的中繼站》，首次提出在靜止軌道上放置3顆衛(wèi)星來實現(xiàn)全球通信的設(shè)想，開創(chuàng)了天基信息網(wǎng)絡(luò)的先河。當(dāng)前，天基信息網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷模擬/數(shù)字通信、窄帶星座、高通量衛(wèi)星和寬帶衛(wèi)星星座等階段[4]，正向著全球信息基礎(chǔ)設(shè)施方向發(fā)展。雖然天基信息網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍、通信速率、用戶容量、天線技術(shù)、傳輸體制以及衛(wèi)星規(guī)模等均發(fā)生了翻天覆地的變化，然而其核心的功能架構(gòu)仍保持相對穩(wěn)定。功能上主要包括：空間段、地面段和用戶段，物理上對應(yīng)的設(shè)備分別是衛(wèi)星、地面站和終端等，天基信息網(wǎng)體系架構(gòu)如圖4所示。

圖4 天基信息網(wǎng)體系架構(gòu)

（1）空間段

空間段是天基信息網(wǎng)絡(luò)的主體部分，主要由布設(shè)在高軌、中軌或低軌的一顆或者多顆衛(wèi)星節(jié)點組成，衛(wèi)星之間根據(jù)星座構(gòu)型建立星間鏈路構(gòu)成一張?zhí)旎W(wǎng)絡(luò)。衛(wèi)星作為天基信息網(wǎng)絡(luò)中的核心資產(chǎn)，一直面臨造價高、功耗受限、空間環(huán)境復(fù)雜和無法維修等諸多挑戰(zhàn)，也是天基信息網(wǎng)絡(luò)有別于其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的顯著特征。

（2）地面段

地面段是天基信息網(wǎng)絡(luò)的地面部分，主要由位于建設(shè)在地球表面的機動或固定信關(guān)站組成，信關(guān)站之間通過鋪設(shè)或者租賃網(wǎng)絡(luò)資源形成一張連通的地面網(wǎng)絡(luò)。

（3）用戶段

用戶段是天基信息網(wǎng)絡(luò)的終端部分，主要由接入天基信息網(wǎng)絡(luò)的手持、車載、船載、機載、星載衛(wèi)星終端以及各種應(yīng)用系統(tǒng)等組成。

1.4 對比分析

天基信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)對比分析如圖5所示，其中地面的互聯(lián)網(wǎng)按照功能邏輯將網(wǎng)絡(luò)劃分為：終端、接入路由器、匯聚路由器以及骨干路由器。移動網(wǎng)按照功能邏輯劃分為終端、接入網(wǎng)、承載網(wǎng)以及核心網(wǎng)，而天基信息網(wǎng)按照功能+物理的融合標(biāo)準(zhǔn)將網(wǎng)絡(luò)劃分為用戶段、空間段以及地面段，其中空間段和地面段更多是從物理空間的邏輯進(jìn)行劃分，與功能部署無關(guān)。按照傳統(tǒng)衛(wèi)星通信發(fā)展的邏輯，綜合考慮天基體積質(zhì)量受限以及計算存儲資源受限等物理條件，空間段負(fù)責(zé)盡可能簡單的功能，如采用透明轉(zhuǎn)發(fā)模式，星上僅變頻，不進(jìn)行其他處理；地面段負(fù)責(zé)較為復(fù)雜的功能，比如無線資源調(diào)度、用戶接入認(rèn)證等，在這種情況下空間段與地面段的劃分既是一種物理空間的劃分，也天然對應(yīng)著一種功能邏輯的劃分。

圖5 天基信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)對比分析

然而，隨著宇航級芯片計算能力的大幅提升，以及商用貨架器件（commercial off-the-shelf，COTS）在空間環(huán)境的大規(guī)模使用[9]，星上處理能力得到了大幅提升，部分功能將可以從地面搬移到星上，于是產(chǎn)生了星上處理的新模式，傳統(tǒng)按照物理空間進(jìn)行功能劃分的邏輯將不夠準(zhǔn)確，因此迫切需要開展新型天基網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的研究。

2 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究現(xiàn)狀

面向天地網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展趨勢，構(gòu)建天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然方向，天、地通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施將融合發(fā)展成為全球戰(zhàn)略性信息基礎(chǔ)設(shè)施。學(xué)術(shù)界與工業(yè)界紛紛計劃將地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)延伸或拓展至天基，呈現(xiàn)以下兩種研究視角。

2.1 “互聯(lián)網(wǎng)+衛(wèi)星”研究現(xiàn)狀

“互聯(lián)網(wǎng)+衛(wèi)星”即“Internet+ satellite”視角，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是地面互聯(lián)網(wǎng)向三維空間的拓展，部署于空間環(huán)境的衛(wèi)星節(jié)點相當(dāng)于一個“天基接入路由器”，兼具無線接入與路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。衛(wèi)星之間通過星間鏈路構(gòu)成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過星地鏈路實現(xiàn)與地面信關(guān)站互聯(lián)，最終與地面互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施一起構(gòu)建天地一體的互聯(lián)網(wǎng)。

互聯(lián)網(wǎng)方向的研究更加關(guān)注“互聯(lián)”方面的問題，即如何在衛(wèi)星高速移動導(dǎo)致空間網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭討B(tài)時變以及星載處理、功耗等資源受限的條件下，研究和設(shè)計高效星間組網(wǎng)和路由問題。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界與工業(yè)界開展了大量的學(xué)術(shù)研究與技術(shù)攻關(guān)。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵特征之一，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界開展了大量的研究，但均集中在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括以下兩類研究。

（1）單層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)對比分析

針對全球覆蓋的大規(guī)模衛(wèi)星星座場景，文獻(xiàn)[10]探討了單層低軌衛(wèi)星星座采用近極軌道時的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，衛(wèi)星之間的互聯(lián)拓?fù)淙魏螘r刻都可以抽象為一個曼哈頓街區(qū)模型，但是需要考慮近極軌的影響；文獻(xiàn)[11-12]討論了單層低軌衛(wèi)星星座采用傾斜軌道時拓?fù)錁?gòu)型，衛(wèi)星之間的連接關(guān)系變化將更加頻繁，但是仍然有規(guī)律可循。銥星星座采用的就是近極軌的單層低軌星座。針對小規(guī)模衛(wèi)星星座場景，文獻(xiàn)[13]討論了小衛(wèi)星編隊場景下，衛(wèi)星之間采用自組織網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，此時衛(wèi)星節(jié)點之間根據(jù)可視關(guān)系自由建鏈，沒有固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

（2）多層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

文獻(xiàn)[14]探討了高軌、中軌和低軌等多層衛(wèi)星混合組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，不僅同軌道衛(wèi)星之間彼此建立星間鏈，不同軌道之間仍然建立星間鏈路，構(gòu)成一個三維立體的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。除此之外，文獻(xiàn)[15]對多層、單層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞木W(wǎng)絡(luò)容量、平均跳步等性能進(jìn)行了分析評估。

2.1.2 路由算法

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的決定了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)容量的理論上限，而路由算法將會直接決定最高可達(dá)的容量水平。自20世紀(jì)90年代銥星系統(tǒng)建設(shè)以來，為了解決中低軌衛(wèi)星高速運動導(dǎo)致的拓?fù)鋾r變特性，國內(nèi)外研究人員開展了廣泛且深入的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法研究，但根據(jù)計算路由轉(zhuǎn)發(fā)表的方式可以分為靜態(tài)路由和動態(tài)路由兩類。

（1）靜態(tài)路由

文獻(xiàn)[16-18]介紹了一種基于快照序列的路由，即屬于靜態(tài)路由，該方法根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點運行的規(guī)律性，將一個星座運行周期劃分為一系列快照序列，每一個快照序列認(rèn)為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫枪潭ǖ模崆坝嬎懵酚赊D(zhuǎn)發(fā)表，路由轉(zhuǎn)發(fā)表也保持不變，僅當(dāng)時間序列變化時才更新路由表。

（2）動態(tài)路由

與靜態(tài)路由不同。動態(tài)路由可以根據(jù)節(jié)點、鏈路甚至流量狀態(tài)動態(tài)觸發(fā)路由表的重新計算，可以有效應(yīng)對節(jié)點、鏈路等故障場景，可以較好地適應(yīng)電磁環(huán)境異常復(fù)雜的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場景。文獻(xiàn)[19-20]提出將地面互聯(lián)網(wǎng)常用的OSPF（open shortest path first，開放式最短路徑優(yōu)先）、BGP（border gateway protocol，邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議）等協(xié)議擴展到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，提出了“OSPF+”和“BGP+”，為了解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時變的拓?fù)湟鸬念l繁路由更新和計算，該算法利用空間網(wǎng)絡(luò)運動的可預(yù)測性，巧妙地避免由正常鏈路切換導(dǎo)致的路由計算。文獻(xiàn)[21]介紹了一種反應(yīng)式路由算法，不同于上述算法提前計算路由表，該算法當(dāng)且僅當(dāng)有業(yè)務(wù)需求時，才通過發(fā)送探測包尋找目的節(jié)點的地址，后續(xù)數(shù)據(jù)包將沿著探測包建立的路徑進(jìn)行傳輸，且此傳輸路由僅保持一定時間的有效期，過期后需要重新發(fā)送探測包建立。

除此之外，文獻(xiàn)[22]提出了基于位置的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)路由尋址機制，源節(jié)點和目的節(jié)點之間通過位置對比，即可獲得分組轉(zhuǎn)發(fā)的大致方位，是一種基于計算的路由算法。文獻(xiàn)[23-25]提出引入時間敏感網(wǎng)絡(luò)（time sensitive network，TSN）、容遲容斷網(wǎng)絡(luò)（delay tolerant network，DTN）以及人工智能等各種新技術(shù)對路由算法進(jìn)行優(yōu)化，以提供更好的確定性和負(fù)載均衡性等性能。

2.2 “移動網(wǎng)+衛(wèi)星”研究現(xiàn)狀

“移動網(wǎng)+衛(wèi)星”即“xG+satellite”視角，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是移動通信網(wǎng)絡(luò)向空間的拓展，衛(wèi)星節(jié)點相當(dāng)于一個“天基基站”，與地面移動通信網(wǎng)相關(guān)設(shè)施共同構(gòu)成一張?zhí)斓厝诤系囊苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)（public land & space mobile network，PLSMN）。

移動網(wǎng)絡(luò)方向的研究更加關(guān)注“接入”方面的問題，即如何在空間大時空尺度、衛(wèi)星高速移動以及星載處理、功耗等資源受限的新挑戰(zhàn)下，研究和設(shè)計高效新型的空中接口以及多波束天線技術(shù)，為此國內(nèi)外工業(yè)界和學(xué)術(shù)界進(jìn)行了大量的探索和研究。

2.2.1 空中接口

空中接口是用戶無線接入網(wǎng)絡(luò)的接口協(xié)議，是移動通信領(lǐng)域的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，甚至一度成為移動通信技術(shù)代際劃分的標(biāo)志（如2G時代的TDMA、3G時代的WCDMA等）?？v觀國內(nèi)外現(xiàn)狀，面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的空中接口研究主要分為以下兩條技術(shù)路線。

（1）地面移動通信體制向空間拓展。目前，國內(nèi)外有大量將地面成熟的移動通信體制向空間拓展的研究和案例。文獻(xiàn)[26]分別介紹了3G/4G體制在英國海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、我國“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用；文獻(xiàn)[27-28]分析了與LTE相關(guān)的移動性切換技術(shù)用戶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可行性；文獻(xiàn)[29-30]分析了地面5G體制在低軌衛(wèi)星的適應(yīng)性；文獻(xiàn)[31-32]提出了星地融合的統(tǒng)一空口體制的設(shè)想，以及亟待解決的問題。隨著地面5G空口體制與低軌衛(wèi)星的融合，構(gòu)建天地一體的空口體制已經(jīng)成為業(yè)界共識。

（2）衛(wèi)星電視廣播體制向通信擴展。除了將地面移動通信體制進(jìn)行拓展，另外一種思路是將傳統(tǒng)的數(shù)字視頻廣播（digital video broadcast，DVB）體制向通信體制拓展。目前，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會（European Telecommunications Standards Institute，ETSI）提出了相關(guān)的機制和標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)[33-34]介紹了目前最為先進(jìn)的高軌寬帶通信體制DVB-S2X（第三代DVB電視廣播標(biāo)準(zhǔn)）和DVB-RCS2，支持從單波束到多波束組網(wǎng)、星狀到網(wǎng)狀組網(wǎng)方式，這兩種體制在國內(nèi)外的高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。然而DVB類體制也有著其天然的缺點，如不支持移動性管理等功能，為其推廣應(yīng)用帶來一定的影響。

2.2.2 新型天線

天線是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，面向衛(wèi)星覆蓋廣、看得遠(yuǎn)，需要支持大量用戶的接入，就必須用到多波束天線技術(shù)。星載常見的多波束天線主要包括以下3類。

（1）星載反射面天線。文獻(xiàn)[35-36]介紹了反射面多波束天線的優(yōu)點，主要包括重量輕、性能好、結(jié)構(gòu)簡優(yōu)點，可以滿足大口徑、成百點波束的需求，目前已經(jīng)在美國休斯公司的太空之路3號衛(wèi)星（Spaceway-3）等高軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了應(yīng)用，技術(shù)成熟度高。

（2）星載相控陣天線。與反射面天線不同，相控陣天線可以通過相位、幅度的調(diào)整來實現(xiàn)靈活的波束成形、功率調(diào)整以及波束掃描，能夠更好地適應(yīng)業(yè)務(wù)分布不均勻的業(yè)務(wù)需求。文獻(xiàn)[37]介紹了歐洲量子衛(wèi)星采用的相控陣天線僅提供8個收發(fā)波束。文獻(xiàn)[38]介紹了星載相控陣天線傳熱路徑設(shè)計與熱流分析。文獻(xiàn)[39]設(shè)計了一種一體化星載Ka相控陣天線收發(fā)組件。

（3）新型高效傳輸技術(shù)。為了獲取更高的通信帶寬，通信采用的頻段從L、S、C，走向Ku、Ka，并逐漸向太赫茲、激光通信拓展。文獻(xiàn)[40]對星載太赫茲高頻段大氣背景輻射特性進(jìn)行了研究，目前我國已經(jīng)完成了0.34 THz載頻、10 Gbit/s速率場景下的地面短距離試驗，未來太赫茲技術(shù)將成為解決空間高速傳輸與組網(wǎng)問題的重要技術(shù)手段之一；文獻(xiàn)[41]介紹了星載小型化激光通信終端技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，星間激光通信具有體積小、功耗低、不需要頻率協(xié)調(diào)等優(yōu)點，也成為國內(nèi)外衛(wèi)星星座建設(shè)者的首選技術(shù)之一，Starlink、BlackJack等均提出采用激光鏈路[9]，目前我國多家科研單位均處于世界同等水平[4]。

3 新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展趨勢

3.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“融合化”

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)云化，進(jìn)而進(jìn)行網(wǎng)云融合，已經(jīng)成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，更是新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心內(nèi)容[2-4]。國內(nèi)外運營商紛紛提出云網(wǎng)融合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，中國聯(lián)通提出了名為CUBE-Net 3.0的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施型新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[42]，中國電信給出的“網(wǎng)是基礎(chǔ)，云為核心，網(wǎng)隨云動，云網(wǎng)一體”為云網(wǎng)融合設(shè)計理念[43]，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的云化主要受以下兩方面因素驅(qū)動。

一是應(yīng)用驅(qū)動。以移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)為代表的網(wǎng)絡(luò)空間與經(jīng)濟社會的深度融合，徹底改變了人們的生活方式，與此同時催生了多樣化的應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)形態(tài)。5G提出了增強型移動寬帶、大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)和超可靠低時延通信三大應(yīng)用場景，分別對帶寬、連接數(shù)、時延以及可靠性等性能指標(biāo)有著近乎極致的要求，迫切需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠依據(jù)應(yīng)用場景彈性適變，主動適配應(yīng)用場景，這是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向“云化”發(fā)展的應(yīng)用需求。

二是技術(shù)牽引。隨著軟件定義技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及以通用服務(wù)器為代表的通用計算能力的大幅提升，業(yè)界出現(xiàn)了SDx（software defined x，），即軟件定義一切的理念[44-45]，這將接入、承載、核心網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)功能通過軟件來實現(xiàn)，運行在通用的服務(wù)器上，最終實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization，NFV）[42-43]，可以在擺脫專用設(shè)備依賴、降低網(wǎng)絡(luò)運營成本的同時，賦予網(wǎng)絡(luò)可編程、靈活配置的能力，擺脫傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)封閉的缺點。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“云化”發(fā)展趨勢見表1，通過將網(wǎng)絡(luò)功能軟件化和虛擬化，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，可以實現(xiàn)軟硬件解耦，使網(wǎng)絡(luò)功能不再局限于硬件架構(gòu)和定制設(shè)備。結(jié)合當(dāng)前的5G發(fā)展現(xiàn)狀，以核心網(wǎng)功能的軟件化最為成熟，5G核心網(wǎng)功能可以運行在通用x86服務(wù)器，獲得了最大的靈活性[42]。承載網(wǎng)接踵而至，從專用路由器設(shè)備向協(xié)議無感知轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備（programming protocol-independent packet processors，P4）發(fā)展[44]；接入網(wǎng)難度最大，目前業(yè)界也提出了OpenRAN的解決方案[45]，總體而言網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全面云化已經(jīng)勢不可擋。

表1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“云化”發(fā)展趨勢

3.2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)“智能化”

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)智能化已經(jīng)成為業(yè)界共識，也被認(rèn)為是未來6G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)特征之一[46]。當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)智能化研究主要包括如下兩方面：一是在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)云化的基礎(chǔ)之上，網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)應(yīng)用或者業(yè)務(wù)場景的變化，自動化地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實現(xiàn)架構(gòu)層面的智能組網(wǎng)；二是智能引入網(wǎng)絡(luò)管理控制之中，通過收集網(wǎng)絡(luò)運行的參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上，通過智能算法給出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的策略，實現(xiàn)運維層面的運行智能。無論是上述哪種方式，抑或后續(xù)還會有新的智能化含義，都會極大地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提高網(wǎng)絡(luò)運行效率，改善用戶體驗。

4 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)想

4.1 設(shè)計原則

縱觀地面互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，其始終要處理好“應(yīng)用”與“技術(shù)”兩者之間的平衡，而天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計也應(yīng)該如此，具體如下。

一是以應(yīng)用為牽引、以技術(shù)為主導(dǎo)。天地一體化網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的設(shè)計，必須以滿足日益豐富的天地融合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用為根本，但同時要根據(jù)天、地環(huán)境的差異性，以及空間技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，進(jìn)行針對性的架構(gòu)優(yōu)化。

二是區(qū)分物理與功能兩個邏輯概念。在現(xiàn)有的文獻(xiàn)研究中，很容易將物理實體與功能實體混淆，本文給出了如下定義：一種物理設(shè)施可以配備多種功能，一種功能也可以部署在多個物理設(shè)施之中，兩者之間既有聯(lián)系，又有區(qū)別。比如衛(wèi)星是物理設(shè)施，而核心網(wǎng)是功能，核心網(wǎng)功能既可以僅部署在地面站，也可以將部分功能部署在衛(wèi)星上，以優(yōu)化系統(tǒng)流程。

4.2 物理架構(gòu)

從物理空間的邏輯視角出發(fā)，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)可以借鑒傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)/衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)組成，劃分為空間段、地面段以及海陸空天各種用戶段3部分。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)如圖6所示。

圖6 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)物理架構(gòu)

（1）空間段是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的空間核心資產(chǎn)，主要由布設(shè)在高軌、中軌、低軌和臨近空間等軌道面的若干衛(wèi)星節(jié)點或者浮空節(jié)點組成，節(jié)點之間可以通過激光或微波等鏈路，按照特定的星座構(gòu)型互連成一張空間網(wǎng)絡(luò)。

（2）地面段是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的地面核心資產(chǎn)，主要包括兩個部分：一部分由布設(shè)在地球表面的若干固定站、機動站組成，站點之間可以通過鋪設(shè)或者租賃光纖構(gòu)建成一張地面站網(wǎng)絡(luò)；另外一部分由地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)絡(luò)等公用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等各類專用網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施共同構(gòu)成地面融合網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。

（3）用戶段是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的用戶部分，主要由星載、機載、船載、車載以及便攜式/手持等海陸空天各類衛(wèi)星用戶終端組成。

綜上，物理架構(gòu)主要根據(jù)與天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的設(shè)施所在的物理空間進(jìn)行劃分，物理空間不指定具體的功能內(nèi)涵，但可以包括若干功能，下面將從功能角度對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的組成進(jìn)行劃分。

4.3 功能架構(gòu)

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)如圖7所示。從功能組成的邏輯視角出發(fā)，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)繼承了互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)以及傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)等特征，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行創(chuàng)新融合和發(fā)展，是一個復(fù)雜巨系統(tǒng)的典型實例。參考移動通信網(wǎng)絡(luò)接入、承載、核心的3層架構(gòu)以及地面云網(wǎng)融合架構(gòu)，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)可以劃分為一體化通信系統(tǒng)、一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和一體化應(yīng)用系統(tǒng)3部分。其中，一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在中間，提供“互聯(lián)”基座，信息、通信系統(tǒng)均部署或掛在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之上；一體化信息系統(tǒng)在上，在互聯(lián)基礎(chǔ)上，打造“信息”基座；一體化通信系統(tǒng)在下，在互聯(lián)基礎(chǔ)上，打造“接入”基座；3個系統(tǒng)聯(lián)動，實現(xiàn)用戶泛在接入、網(wǎng)絡(luò)融合互聯(lián)以及服務(wù)隨心所致。

圖7 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)功能架構(gòu)

4.3.1 一體化通信系統(tǒng)

一體化通信系統(tǒng)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的“四肢”，是負(fù)責(zé)用戶接入相關(guān)通信功能的統(tǒng)稱，參考地面移動通信網(wǎng)絡(luò)，主要包括終端（space-ground integrated information network user equipment，sUE）、基站（space-ground integrated information network nodeB，sNodeB）、一體化核心網(wǎng)（space-ground integrated information network core，sCore）。

（1）終端主要負(fù)責(zé)用戶側(cè)業(yè)務(wù)的承載以及與sNodeB之間的無線連接。與sNodeB之間協(xié)作完成用戶廣播尋呼以及連接建立、切換和功率控制以及無線資源的管理與控制等功能。天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中用戶終端的類型多樣，作為功能實體可以部署在衛(wèi)星、飛機、船艦、車輛、便攜以及手持終端等各類平臺之上，構(gòu)成涵蓋海陸空天的立體用戶空間，是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的核心特征之一。

（2）基站主要負(fù)責(zé)為用戶終端sUE提供空中接口；另外sNodeB與sCore通過一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相連，共同完成無線資源分配、調(diào)度、管理接入策略等功能。作為功能實體，sNodeB可以部署在地面段或者空間段。其中，部署在地面的基站，即地面基站，與地面移動通信網(wǎng)絡(luò)基站相同；部署在衛(wèi)星上的基站，即星載基站，一方面需要考慮與地面基站類似的功能，即星上全處理場景，此時相當(dāng)于地面基站上天；另外一方面還需要考慮衛(wèi)星通信領(lǐng)域特有的接入方式，比如透明轉(zhuǎn)發(fā)、信道化交換以及光交換等模式。

（3）一體化核心網(wǎng)主要負(fù)責(zé)用戶鑒權(quán)、移動性管理、業(yè)務(wù)傳輸、位置服務(wù)以及策略計費等功能，是一體化通信系統(tǒng)的控制“大腦”，通過一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與sNodeB進(jìn)行互連，共同完成與用戶相關(guān)的管理功能?？梢圆渴鹪诘孛娑危ㄟ^輕量化裁減之后也可以部署在衛(wèi)星節(jié)點。其核心特征包括兩個方面：一是核心網(wǎng)功能按需部署，可以根據(jù)應(yīng)用的時延、帶寬等典型特征，在天、地網(wǎng)絡(luò)之間流動部署核心網(wǎng)功能，如UPF、AMF等，實現(xiàn)彈性、按需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。二是核心網(wǎng)功能一體化統(tǒng)籌，如上文的基站部署所述，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)支持多樣化的接入方式，既兼容地面4G/5G等接入方式，又兼容傳統(tǒng)衛(wèi)星通信透明轉(zhuǎn)發(fā)、信道化交換以及DVB/S2等接入方式，還要對未來的SaT5G（satellite and terrestrial network for 5G，衛(wèi)星5G）或SaT6G（satellite and terrestrial network for 6G，衛(wèi)星6G）等新型接入體制提供開放的環(huán)境，導(dǎo)致天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的核心網(wǎng)功能必須是一體化統(tǒng)籌的、能夠支持對各類接入方式的一體化統(tǒng)管。

綜上所述，一體化通信系統(tǒng)是一個涵蓋了地面移動通信網(wǎng)、地面互聯(lián)網(wǎng)以及衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)等多種接入方式的綜合化接入系統(tǒng)，一體化通信系統(tǒng)架構(gòu)如圖8所示。一方面支持全軌道（高軌、中軌、低軌以及地面）、全頻譜（L、S、Ku、Ka、激光等衛(wèi)星常用頻段以及地面網(wǎng)絡(luò)常用頻段）接入，另外一方面支持天、地異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)功能的一體化統(tǒng)籌，實現(xiàn)異構(gòu)接入體制之間的融合互聯(lián)互通。

圖8 一體化通信系統(tǒng)架構(gòu)

4.3.2 一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的“脈絡(luò)”，是負(fù)責(zé)與網(wǎng)絡(luò)傳輸相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)功能的統(tǒng)稱。參考地面互聯(lián)網(wǎng)、移動承載網(wǎng)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括分組路由器（space-ground integrated information network router，sRouter）、透明轉(zhuǎn)發(fā)器（space-ground integrated information network transparent transponders，sTransPonder）、信道化交換器（space-ground integrated information network channelized switcher，sChannelized switcher）、激光交換器（space-ground integrated information network optical switcher，sOptical switcher）或者光電混合交換器（space-ground integrated information network O/E switcher，sO/E switcher）以及一體化網(wǎng)絡(luò)控制器（space-ground integrated information network controller，sController）等網(wǎng)絡(luò)功能。

（1）分組路由設(shè)備與其他分組路由設(shè)備構(gòu)建一張?zhí)斓匾惑w化的分組網(wǎng)絡(luò)，主要為各類業(yè)務(wù)應(yīng)用或控制指令提供分組承載服務(wù)。分組路由設(shè)備可以部署在衛(wèi)星上，即星載分路由設(shè)備，通過星間鏈路與其他衛(wèi)星互聯(lián)構(gòu)成空間分組網(wǎng)絡(luò)；也可以部署在地面上，即地面路由設(shè)備，運行模式與地面網(wǎng)絡(luò)類似；空間與地面分組路由設(shè)備可一體化組網(wǎng)，構(gòu)成一體化分組網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

（2）透明轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的透明轉(zhuǎn)發(fā)器相同，即僅對接收的物理信號按照規(guī)則變頻再轉(zhuǎn)發(fā)，不進(jìn)行解調(diào)等，主要為單星下兩個用戶或者地面站之間提供傳輸?shù)耐ǖ溃ǔ２恢苯犹峁┛缧堑膫鬏斖ǖ馈?/p>

（3）信道化交換設(shè)備（與傳統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)的信道化交換設(shè)備相同，是一種半透明轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，借助非均勻濾波器組可支持任意頻段、任意帶寬間交互及靈活的跨波束交互，與透明轉(zhuǎn)發(fā)器一樣，主要為單星下兩個用戶或者地面站之間提供傳輸?shù)耐ǖ?，通常不直接提供跨星的傳輸通道?/p>

（4）激光交換設(shè)備主要負(fù)責(zé)提供光交換的功能，可以部署在空間段或地面段：部署在空間段，即星載激光交換器，是衛(wèi)星節(jié)點以及用戶之間實現(xiàn)光交換的核心設(shè)備，目前國內(nèi)外均開展了星地、星間光交換的試驗；部署在地面段，即地面網(wǎng)絡(luò)常見的光交換機，負(fù)責(zé)根據(jù)所處的位置不同可以分為匯聚型和核心交換機。激光交換器與激光交換器之間通過星間/星地/地面光鏈路可以構(gòu)成一張一體化光交換網(wǎng)絡(luò)。

（5）光電混合交換設(shè)備主要為支持分組交換、光交換、信道化交換等各類交換體制而研制的混合交換設(shè)備，可以部署在空間段或地面段：部署在空間段，即星載光電混合交換器，目前國內(nèi)部署了相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，并取得了顯著的進(jìn)展；部署在地面段，與現(xiàn)有光電混合交換設(shè)備類似，在此不做贅述。光電混合交換器之間通過星間/星地/地面鏈路可以構(gòu)成一張混合的交換網(wǎng)絡(luò)，其中單顆衛(wèi)星節(jié)點之間可以形成信道化交換，星間或星地場景可以構(gòu)建一體化的分組交換網(wǎng)絡(luò)或者一體化光交換網(wǎng)絡(luò)。

（6）一體化網(wǎng)絡(luò)控制器是一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中分組路由設(shè)備、透明轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、光電混合交換設(shè)備等各類交換路由設(shè)備的“控制中樞”，類似于地面SDN控制器，負(fù)責(zé)天、地多網(wǎng)系一體化的路徑計算、路徑規(guī)劃與參數(shù)配置等功能。一體化網(wǎng)絡(luò)控制器可以根據(jù)實際情況將功能進(jìn)行拆分，比如根據(jù)星載受限資源情況，將部分部署在衛(wèi)星節(jié)點（即星載網(wǎng)絡(luò)控制器），可以支持地面控制器不可見場景下網(wǎng)絡(luò)的控制與調(diào)度；也可以將部分或全部部署在地面節(jié)點（即地面控制器），運行模式與地面網(wǎng)絡(luò)類似。綜上所述，一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個涵蓋了地面互聯(lián)網(wǎng)、地面移動承載網(wǎng)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等多種承載功能的一體化承載網(wǎng)絡(luò)，一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖9所示，支持高軌、中軌、低軌以及地面節(jié)點之間的融合組網(wǎng)以及分組、激光、信道化等多種組網(wǎng)方式之間的互聯(lián)融合。

圖9 一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

4.3.3 一體化信息系統(tǒng)

一體化信息系統(tǒng)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的“血液”，是負(fù)責(zé)云計算基礎(chǔ)設(shè)施以及應(yīng)用系統(tǒng)功能的統(tǒng)稱，是一體化云基礎(chǔ)設(shè)施與一體化應(yīng)用系統(tǒng)融合的產(chǎn)物。其中，一體化云基礎(chǔ)設(shè)施（space-ground integrated information network cloud，sCloud）參考地面云網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，主要包括天基云基礎(chǔ)設(shè)施、地面云基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)成整個天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中的云基礎(chǔ)設(shè)施，為應(yīng)用系統(tǒng)提供“算力”基座。一體化應(yīng)用系統(tǒng)（space-ground integrated information network application，sApp）參考地面互聯(lián)網(wǎng)、移動承載網(wǎng)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)的應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)，主要包括（但不限于）：傳統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，如移動通信網(wǎng)絡(luò)的IP多媒體系統(tǒng)（space-ground integrated information network IP multimedia subsystem，sIMS），地面互聯(lián)網(wǎng)視頻、社交游戲、電子郵件、即時消息等互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用等業(yè)務(wù)系統(tǒng)；新型應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，如時空信息服務(wù)（space-time information service，sTIS）。

· 一體化云基礎(chǔ)設(shè)施主要面向接入、承載、核心以及信息服務(wù)等各類功能提供算力的基礎(chǔ)設(shè)施，主要由部署在空間段、地面段以及用戶段等物理空間的感知、計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)的各類異構(gòu)資源構(gòu)成，通過一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的連接，互聯(lián)融合成為一體化的云基礎(chǔ)設(shè)施，為各類功能提供“算力”基座。

· 一體化應(yīng)用系統(tǒng)是在一體化云基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)上，構(gòu)建各類應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)。其中，sIMS可以為天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)提供語音服務(wù)，sApp可以提供互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，sCloud可以提供云服務(wù)，sTIS提供時空信息服務(wù)，目前在地面網(wǎng)絡(luò)場景均有類似的服務(wù)模式。作為未來天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，應(yīng)用服務(wù)功能可以部署在空間段或地面段：部署在空間段，即星載信息系統(tǒng)，則需要考慮星上功率受限以及星上計算存儲等資源受限的客觀實際，進(jìn)行針對性的裁減和優(yōu)化，以sCloud服務(wù)為例，部署在衛(wèi)星上，即天基云服務(wù)，一方面可以通過星上實時處理，有效提高服務(wù)響應(yīng)速度、降低數(shù)據(jù)回傳的壓力，另一方面卻對星上的計算存儲網(wǎng)絡(luò)等各類資源都提出了新要求；部署在地面段，在此不贅述。

綜上所述，一體化信息系統(tǒng)架構(gòu)如圖10所示，一體化云基礎(chǔ)設(shè)施是一個布設(shè)在天、地網(wǎng)絡(luò)之間的計算資源，通過多星協(xié)同、星地協(xié)同等方式，構(gòu)建成的空間分布式協(xié)同的云基礎(chǔ)設(shè)施；一體化應(yīng)用系統(tǒng)是一個繼承地面互聯(lián)網(wǎng)、地面移動承載網(wǎng)以及衛(wèi)星通信系統(tǒng)等業(yè)務(wù)應(yīng)用功能，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)新發(fā)展，可以為新業(yè)務(wù)新應(yīng)用提供良好生態(tài)的一體化應(yīng)用系統(tǒng)；一體化云基礎(chǔ)設(shè)施與一體應(yīng)用系統(tǒng)深度融合，共同構(gòu)成一體化信息服務(wù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)也是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中“信息”兩字的來源。

圖10 一體化信息系統(tǒng)架構(gòu)

4.4 物理空間與功能邏輯之間的映射

第4.2~4.3節(jié)分別從物理空間、功能邏輯兩個維度，對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的體系架構(gòu)進(jìn)行了闡述和說明。然而，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為一個實體設(shè)施，物理空間與功能邏輯本質(zhì)應(yīng)該是一致的，于是就涉及物理空間與功能邏輯之間的映射問題。物理空間與功能邏輯之間的關(guān)系如圖11所示。

圖11 物理空間與功能邏輯之間的關(guān)系

物理空間與功能邏輯之間的映射案例如圖12所示。圖12（a）中衛(wèi)星節(jié)點僅包括sTransPonder等網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。衛(wèi)星節(jié)點僅配備了透明轉(zhuǎn)發(fā)器，此時衛(wèi)星節(jié)點的功能配置與傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信衛(wèi)星類似。圖12（b）中衛(wèi)星節(jié)點既具有sNodeB等通信功能，又具有sRouter等網(wǎng)絡(luò)傳輸功能。星節(jié)點具備基站的完整能力，可以為用戶提供接入功能；衛(wèi)星節(jié)點之間通過星間鏈路采用分組交換體制構(gòu)建一張空間分組網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)星載基站與地面核心網(wǎng)之間的互聯(lián)互通。

圖12（c）中衛(wèi)星節(jié)點的功能在圖12（b）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步豐富，增加了sCore-sUPF等通信功能?？梢灾С中l(wèi)星用戶終端之間端到端直接通信，無須繞道地面核心網(wǎng)，可以大幅提升通信效率，節(jié)約對星地傳輸帶寬。圖12（d）中衛(wèi)星節(jié)點的功能在圖12（c）基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了sCloud天基云服務(wù)功能。衛(wèi)星節(jié)點上部署了云計算服務(wù)功能，可以將算力資源共享，支持各類管理或信息服務(wù)系統(tǒng)的按需部署和靈活調(diào)度。

圖12 物理空間與功能邏輯之間的映射案例

5 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化

綜上所述，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中物理空間與功能邏輯之間的映射問題本質(zhì)上是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化問題，任何一種映射關(guān)系代表一種架構(gòu)設(shè)計，需要綜合考慮如下兩個方面的因素。

一是物理空間的約束問題。以資源極度受限的衛(wèi)星節(jié)點為例，無論是計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)等資源，還是功率、體積、質(zhì)量等資源都是嚴(yán)格受限的，因此部署功能邏輯時必須考慮客觀限制條件，可以規(guī)約為計算機學(xué)科里的“背包”問題，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化示意圖如圖13所示。

圖13 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)優(yōu)化示意圖

二是網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求問題。仍然以衛(wèi)星節(jié)點為例，衛(wèi)星采用什么樣的接入體制，決定了需要采用什么樣功能的基站；衛(wèi)星之間采用什么樣的體制進(jìn)行組網(wǎng)，決定了星上是否采用分組交換、光交換；衛(wèi)星上是否部署核心網(wǎng)功能，決定了業(yè)務(wù)流量是否需要繞道地面進(jìn)行端到端通信。

諸如此類問題，本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計問題，需要面向具體的應(yīng)用需求，在特定衛(wèi)星重量、功耗、體積等約束條件的限制下，以特定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能指標(biāo)（如時延、帶寬、丟包、容量、功耗和成本等）為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化求解和針對性的設(shè)計——如何將合適的網(wǎng)絡(luò)功能部署在恰當(dāng)?shù)奈锢砜臻g，通常可以歸結(jié)為多目標(biāo)優(yōu)化問題，如式（1）所示。另外，需要指出的是，只有面向特定應(yīng)用、面向特定優(yōu)化目標(biāo)（時延、帶寬等）的最優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通常難以存在普遍的最優(yōu)化架構(gòu)。

其中，gi表示第i個約束條件（比如重量、體積、功耗等），iT表示第i個約束條件的門限值，x表示某種特定的網(wǎng)絡(luò)功能部署方案，fn(x)表示優(yōu)化的第n個目標(biāo)（如成本最低、性能最優(yōu)、重量最小等），F(xiàn)(x)是經(jīng)過多個優(yōu)化目標(biāo)綜合處理之后的目標(biāo)函數(shù)。

3種網(wǎng)絡(luò)功能在物理空間部署示意圖如圖14所示，給出了面向3種不同應(yīng)用場景的網(wǎng)絡(luò)功能部署實例。

圖14 3種網(wǎng)絡(luò)功能在物理空間部署示意圖

（1）寬帶通信應(yīng)用場景：低軌衛(wèi)星部署sNodeB功能，地面節(jié)點部署完整sCore功能，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸和低時延的需求。

（2）T2T通信應(yīng)用場景：低軌衛(wèi)星部署sNodeB以及sUPF功能，地面節(jié)點部署完整sCore功能，數(shù)據(jù)面不落地，能夠減少星地回傳數(shù)據(jù)，還可以避免安全性的風(fēng)險。

（3）高可靠網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景：在高軌衛(wèi)星部署輕量化、裁減版網(wǎng)絡(luò)控制器功能，地面節(jié)點部署完整版網(wǎng)絡(luò)控制器功能；地面控制器遭到干擾或者失效的情況下，衛(wèi)星可以作為地面?zhèn)浞?，提高網(wǎng)絡(luò)運行的可靠性。

6 結(jié)束語

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為促進(jìn)經(jīng)濟社會新發(fā)展、滿足用戶無處不在的多樣化業(yè)務(wù)需求的必然選擇。本文梳理分析了地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)、天基信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀以及存在的問題與挑戰(zhàn)；從互聯(lián)網(wǎng)視角和移動網(wǎng)視角系統(tǒng)總結(jié)了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究現(xiàn)狀以及新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向融合化、智能化發(fā)展趨勢；提出了包括一體化通信系統(tǒng)、一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、一體化信息系統(tǒng)3層的通信網(wǎng)絡(luò)、計算、融合的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)設(shè)想，并從物理架構(gòu)、功能架構(gòu)、物理與功能架構(gòu)映射等多個維度進(jìn)行了闡述，以期為后續(xù)研究提供有價值的建議和參考。