摘 要：针对（duì）高低轨混合（hé）卫（wèi）星网络的特点，探索卫星运控、网络管控等功能的整合机制，提（tí）出基于统一管控平面的天地一体管控架（jià）构，包括（kuò）系（xì）统组成、运行机（jī）制、技术（shù）体制等，并分析了该管（guǎn）控架构优点（diǎn）及工程（chéng）实现所面临的困难（nán）。

　　关键（jiàn）词: 高低轨混合（hé）卫星网络； 网络管控架构；资源（yuán）调度和协（xié）同应用

引 言

　　高低轨卫星在覆盖范围、服务（wù）质（zhì）量（liàng）以及系（xì）统建（jiàn）设（shè）部署等方面具有各自（zì）的特点，不少典型的通信、导航等卫（wèi）星系统采用高低轨混合的星座结构实现（xiàn）全球服务（wù），提供差异化、个性化的服（fú）务（wù）能力[1][2]。以高低轨混合星座的全球卫星通信（xìn）系统为例（lì），该类（lèi）卫（wèi）星网（wǎng）络具有时空跨度大、节点分布（bù）动态变化、异质异构节点组网、节点（diǎn）传输与处理（lǐ）资（zī）源有（yǒu）限等特点，不仅在扩（kuò）展（zhǎn）性、移动性、安全（quán）性等方（fāng）面具有突出的问题，同时在网络管理控制方面也面临（lín）巨大挑战：

• 　　一方面，需要管理的网络设（shè）备和业务服务规模（mó）大幅增加，管理对象不仅包括天（tiān）地（dì）网络设施以及终（zhōng）端，还包括（kuò）频率、功率、带宽（kuān）以（yǐ）及（jí）地址、标识等资（zī）源（yuán）；

• 　　另一方（fāng）面，我国目前无法实现全（quán）球布站（zhàn），单一依赖地基管理系统（tǒng）难以（yǐ）满（mǎn）足（zú）网络精细化、实时性的管控需求（qiú）。

　　综上所述，构（gòu）建天地一体的管控系统是卫星网络实现全球服（fú）务、高（gāo）效（xiào）运行的重要保障。

　　1.高低轨混合卫星网络管控（kòng）面（miàn）临的挑战

　　图1给出了一种应用（yòng）于全球通信（xìn）服务的（de）典型（xíng）卫星（xīng）网络组（zǔ）成示意（yì）[1]。该卫星网络（luò）由天基骨（gǔ）干网（wǎng）、天基接入网和地基节点网组（zǔ）成，其中（zhōng）天（tiān）基（jī）骨干网（wǎng）由布设在地球同步（bù）轨道（dào）的（de）节点（diǎn）组成，节点之（zhī）间通（tōng）过高速的激（jī）光星间（jiān）链路互联互（hù）通，形成覆盖全球的天基信息高速公路；天基接入网由布设在（zài）低轨的（de）节（jiē）点组成，为（wéi）各类用（yòng）户（hù）提供宽带接入（rù）、移（yí）动通信等服务；地基节点网主要由多（duō）个地基（jī）节点互联而成，支持空间数据落地（dì）、信息（xī）应用服务（wù）、地面网络互联等功能。相比传统的卫星通信系统，该卫星（xīng）网络具有体系结构复杂、拓扑（pū）动（dòng）态变化等（děng）特点，从而使得网络（luò）的管理需求复杂且实现难度高（gāo），主要体现在以下几个方面：

（1）管控对象复杂多样

　　网（wǎng）络（luò）管控（kòng）对象涉及高轨、低轨（guǐ）以及地（dì）基等各类节点，通过组网（wǎng）使得（dé）各节点互联形成“一张网”，节点数量众多且功能各异，网络服（fú）务弹性可（kě）变导致节点（diǎn）载荷（hé）功（gōng）能复杂，不仅要实现天地网络设备状态及（jí）参（cān）数管控外，还要实现频率（lǜ）、功率、带（dài）宽以及地址、标识（shí）等网络“软”资源（yuán）的管控（kòng），管控信息急剧增加。

（2）网络（luò）资源精细化、实时性调度要求高（gāo）

　　网络提供面向用户的随遇接入、按（àn）需服务的保障能力，对网络资源精细化、实（shí）时性（xìng）调度要求较高。一（yī）方面通（tōng）过全（quán）球布站的方式提高网络管控能力需（xū）实现较为复杂的协调，而另一方（fāng）面星上处理能力有限以及（jí）网络（luò）安全性（xìng）要求也制（zhì）约着网络（luò）功能从地面向天基的迁移，因此在网络工程建设（shè）及实际运行中（zhōng），如何优化星地（dì）功能分配，发挥网络星地（dì）协同、多（duō）星（xīng）协同（tóng）的优势，是高低轨（guǐ）混合卫星（xīng）网络管（guǎn）控（kòng）系统设计的主要（yào）难（nán）点。

图1 天地一体化网络系统架构

（3）面向应用驱动（dòng）的管（guǎn）控需求：

　　面向全（quán）球服务的（de）卫（wèi）星（xīng）通信网络由传统的专用系统（tǒng）向（xiàng）公共网络基础设施（shī）发展，需为不同的（de）民商用户（hù）提供不同等级（jí）的（de）网（wǎng）络服（fú）务（wù），将（jiāng）同时（shí）承（chéng）载各类差异化的用户业务，如话（huà）音（yīn）通信（xìn）、宽带接入、数据（jù）中继以（yǐ）及（jí）天基（jī）物联等，各类业（yè）务对服（fú）务质量及网络资源要求（qiú）各异（yì）。因此传（chuán）统面向网元的（de）管理模式难以为多并发（fā）用户应用提供高效高质量网络服务，需结合网络特点提出面向应用（yòng）驱（qū）动的天地一体网络（luò）管控架（jià）构，实现网（wǎng）络灵（líng）活控制（zhì）以（yǐ）及用户服务快速（sù）响应。

　　2 天基信息网络管控系统发展（zhǎn）现状（zhuàng）

　　随着天基信息网络快速发展，网络管控系统的研（yán）究也持续（xù）深入。美（měi）军提出的（de）以（yǐ）天、地骨干网（wǎng）络为核心的“三层多域”的全球（qiú）信息（xī）栅格（GIG）设计并构建了面向陆、海（hǎi）、空（kōng）、天（tiān）网络一体（tǐ）化（huà）管理的（de）四级体系。海事卫星的管控系统主要分为两（liǎng）级（jí），一级（jí）为伦敦的（de）网络操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC负（fù）责海（hǎi）事卫星的平台和载（zǎi）荷（hé）管（guǎn）理，以及地面站（zhàn）的频率分配，对全网的资源进（jìn）行统一的维（wéi）护调度[3][4]；二（èr）级由各地面关口站组（zǔ）成，负（fù）责对应（yīng）卫星的通信管理、运行（háng）维护和业务支撑（chēng）。

　　OneWeb系统的管控主要由卫星控制中心（主备双中心）、网络（luò）运行控制中心（主备双中心），以及遍布全球的五十余个信（xìn）关站来完成（chéng）[5]，其中，卫星（xīng）控制中心主要负责卫星飞（fēi）行动力、任务规划、地面（miàn）站控制等，网络控（kòng）制中心主要（yào）负（fù）责（zé）通信网（wǎng）络资源统（tǒng）一（yī）管理与动态调配，信（xìn）关站是网络用（yòng）户接入（rù）地（dì）面网络的互联（lián）关口。

　　国（guó）内也积极加强卫星通（tōng）信（xìn）系统管控系（xì）统建（jiàn）设，其架（jià）构经历了由（yóu）设备监控（kòng）、通信网络管理、星地（dì）一体化管（guǎn）控的历（lì）程，初步形成三级分布式的管理构架，并（bìng）建（jiàn）设了一批（pī）具备自主可控能力的管控系统[6][7]。天基网络（luò）管控系统的建设趋（qū）于集约化发展，技术也趋于（yú）自主化、智能化发展，提高系（xì）统的管控效率，针（zhēn）对多样化网络业务和用户（hù）应用的自动化管控能力增强。

　　随着（zhe）星上处理能力的增强，卫（wèi）星载荷也能实现部（bù）分控制功能（néng）。J.Bao在（zài）论文中提出集（jí）中式的管控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫星设备）和控制（zhì）层（控制卫星）分离（lí）开，将控制层部署于地球同步轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上（shàng），由GEO对网络中的卫星（xīng）进（jìn）行（háng）管（guǎn）控，从而无法全球建站（zhàn）的情况下实现（xiàn）卫星的全程（chéng）管（guǎn）控，如图2所示。这（zhè）种将控制与转发（fā）分离的思想（xiǎng）应用于空（kōng）间网络（luò）的设计被称为软件（jiàn）定义卫星网络[10]，以解决传统空间网络连接和重配（pèi）置的时延较大，数据传输不灵（líng）活的问题。

图2 传统（tǒng）管控架构与集中式管控架构对比

　　综（zōng）上所（suǒ）述，在卫星网络中分离（lí）数（shù）据转发（fā）、管理控制功能[11][12][13]，建立管控平（píng）面，由专有（yǒu）设备来部署控制策略（luè），实（shí）现复杂卫星网络的管（guǎn）理控制、运行（háng）维护、运营（yíng）服务等能力，体现了天基网络管控系统当前发展的重要趋势（shì）。

　　3 基于统一管控平面的管控架构（gòu）设计

　　借鉴地面网络管控架（jià）构（gòu），参考软件定义（yì）卫星，本（běn）文提（tí）出了一种高低轨混合卫星网络管控架构。该架（jià）构采用统一的管控平（píng）面，将高、低轨（guǐ）卫星和地面站均作为网络（luò）节点进行（háng）统一管（guǎn）理，实现各类型（xíng）卫星平台、载荷以及网络资源（yuán）的统一（yī）、集中（zhōng）控（kòng）制（zhì），如图3所示。

　　该管控架构将网（wǎng）络从功能层面分为数据（jù）平面（miàn）、控制（zhì）平面和管理平面：

图3 高低轨混合卫星网络管控架构

　　管理平面（miàn）和控制平面共同构成（chéng）网络的管控平面（miàn），整合卫（wèi）星测控、运控（kòng）、网管（guǎn）及网控等功能（néng），实现卫星控制功能统一化、网络管理功（gōng）能集中化。其中管理平面根据（jù）网络规划和资（zī）源调度对卫星节点和（hé）地基节（jiē）点中的网（wǎng）络资源（接入资源和路由转发资（zī）源）进行预分配和动态调整（zhěng），并将与（yǔ）业（yè）务处理密切相关的无线资源分配（pèi）、移动性管理（lǐ）、转发控制等控制功能直接部署于控制平面。管理平面和控制平面协（xié）同工作，实现网络资源细粒（lì）度的实时分配（pèi），确保网络可靠、高效的（de）运行（háng），如图4所示。

图4 网络管控功能运行模（mó）式

　　管控平面的信息交（jiāo）互依赖于管控通道。传统（tǒng）卫星网络的管控通道由测控通道或者业（yè）务通道组成，采（cǎi）用相应的测（cè）控协议或者网管协议。该管（guǎn）控架构（gòu）设（shè）计统一管控通道，即由中心及（jí）代理构成的网管网，由代理统一采集卫星运控、测（cè）控（kòng）、网络信息，汇聚后经管控通道传（chuán）输至中心。中（zhōng）心与代理之（zhī）间采用基于统（tǒng）一的管控协议，主要包括通信模型、信息模（mó）型，其（qí）中通信模型（xíng）定义中心（xīn）与代（dài）理之间的数（shù）据交（jiāo）互流程和（hé）通信原语，降（jiàng）低（dī）协议报文开销并满足不断演（yǎn）进的（de）管控功能需求；信（xìn）息（xī）模型，定义被管信息的（de）统一描述语言，统一定义网络和设备的管控信息库，实现天地管控数据的（de）统一描述和适配。

　　管控平（píng）面的物理部署于（yú）地基节点和卫星节点上，部（bù）署于地基节点的管理系统实现全网的统筹管理和各控制系（xì）统（tǒng）之（zhī）间的协同工作，提高资（zī）源利用率、避免指令（lìng）冲突。部署于卫星节点和地基节点的（de）控制系统受控于管理系（xì）统，负（fù）责网络的实时控制，通（tōng）过星（xīng）上处理减少天地之间控制（zhì）信息的交互（hù），提高网（wǎng）络控制响应的时（shí）效性（xìng）及星地、星间协同能（néng）力（lì）。星地（dì）管控系统协同配合（hé），地面管控系（xì）统（tǒng）和天基骨干节点共同实现管控（kòng）信息网络（luò）化（huà）采集、网络化存储及（jí）管（guǎn）控（kòng）功能网络化（huà）部署，为（wéi）卫星网络（luò）的管控系（xì）统“云化”提供支（zhī）撑，如图5所示。

图5 管（guǎn）控平面部署示意

　　4 实现困（kùn）难（nán）

　　该（gāi）管控架构可（kě）有效解（jiě）决卫星网络各类节点的（de）异质（zhì）异构（gòu）性（xìng）和（hé）资源动态性带来（lái）的管理挑战，便于复杂的管理策（cè）略部署及灵（líng）活调（diào）整，满足细粒度的（de）管理需求，也有利（lì）于新技术的（de）应用和升级。但是，该管控架构在技术实现上还面临着许多（duō）亟待解决的问题，主要包括（kuò）以下几个方面：

（1） 管控平面的安全性

　　统一管（guǎn）控平面将卫星（xīng）控制和网（wǎng）络管（guǎn）理统（tǒng）一（yī）整合，管控平面将（jiāng）获取并存储全（quán）网信息，控（kòng）制网络行为（wéi），管理（lǐ）网络状态。相对（duì）于传（chuán）统的分布式网络架构，集中（zhōng）化的（de）管（guǎn）控平面将成为网络的薄（báo）弱环节，降低网络管理控制的安全性和（hé）鲁（lǔ）棒性。

（2） 管（guǎn）控逻（luó）辑的（de）一致（zhì）性（xìng）

　　统一管控平面的架构虽然将管控功能集中化处（chù）理，但本质上（shàng）还是分布式和（hé）异步操作的（de）。针对卫（wèi）星网络拓扑及传（chuán）输路（lù）径动态变化等特点，网络化（huà）的管控对管控信息传输的时（shí）序控制以及网（wǎng）络节点时间同（tóng）步（bù）提（tí）出了更（gèng）高要求。

（3） 管控平（píng）面的可实（shí）现性

　　本（běn）架构提出的管控平面将一部分功（gōng）能（néng）部署在（zài）卫星节点上，统一管控信息的采集、处理及网络化传输，提升网（wǎng）络管（guǎn）控的时效性（xìng）及被管节点管控接口的标准化水平，但需要卫星节点提（tí）供较强的计算、存储资源，并保证具备与传统卫星管控（如星务计算机、测控（kòng）应答机等）相当（dāng）的（de）高可靠、长寿命要求。

　　结（jié） 语

　　天（tiān）基信息（xī）网络正处在高速（sù）发（fā）展的（de）阶段，可靠（kào）有（yǒu）效的管（guǎn）控（kòng）手段是网络高效运行的前（qián）提（tí）。采用统（tǒng）一管控平面（miàn）的管控架构是未来天（tiān）基网络（luò）管理的解决思路，日益增强的（de）星上处理能（néng）力以及（jí）地面先进网络技术也（yě）为该架构的（de）实现提供了可能，如云架构、边缘计算、高可靠（kào）低时延网络以及微系统（tǒng）等技术，通过强大（dà）的信息（xī）处理能力整合各类网络资源，高质量的网络传输保证网络的及（jí）时（shí）响应。但（dàn）针对卫（wèi）星网络的特殊性，在安全性、一致（zhì）性及空间（jiān）可实现性方（fāng）面（miàn）也提出了较高要求，包括各管控系统（tǒng）的安全防护、各（gè）系统之间（jiān）的（de）高效协同问题都（dōu）亟待解决。因此基于该架构的卫（wèi）星网络管控能（néng）力实（shí）现（xiàn）将是逐步推进、持续演进的。

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