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國家重大基礎設施:天地一體化網絡

太空域和信息域是國家經濟發展和軍事斗爭的兩個重要戰略制高點,空間信息資源已成為各個國家的重要戰略資源。

天地一體化網絡以其戰略性、基礎性、帶動性和不可替代性的重要意義,成為發達國家國民經濟和國家安全的重大基礎設施,其所具有的獨特位置與地域優勢以及特有的信息服務能力,可帶動我國新興產業的發展,形成具有巨大潛力的核心競爭力和民族創造力。

天地一體化網絡的特點

天地一體化網絡(Space-Ground Integrated Network,SGIN)是綜合利用新型信息網絡技術,以使命為導向,以任務為驅動,以信息流為載體,充分發揮空、天、地信息技術的各自優勢,通過空、天、地、海等多維信息的有效獲取、協同、傳輸和匯聚,以及資源的統籌處理、任務的分發、動作的組織和管理,實現時空復雜網絡的一體化綜合處理和最大有效利用,為各類不同用戶提供實時、可靠、按需服務的泛在、機動、高效、智能、協作的信息基礎設施和決策支持系統。

天地一體化網絡的目標是對事件進行全面高效協同的處理。利用多維信息,協同各個工作模塊,增強事件的處理能力;結合空、天、地各類網絡和系統各自的優勢,實現功能互補,擴大可處理事件的范圍;利用空、天、地一體化網絡綜合信息系統強大的機動性能、廣泛的覆蓋范圍、全局的協作能力和對信息的智能處理能力,實現對事件和任務的高效處理。

天地一體化網絡,簡稱一體化網絡,是由通信、偵察、導航、氣象等多種功能的異構衛星/衛星網絡、深空網絡、空間飛行器以及地面有線和無線網絡設施組成的,通過星間星地鏈路將地面、海上、空中和深空中的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯合。地面和衛星之間可以根據應用需求建立星間鏈路,進行數據交換。它既可以是現有衛星系統的按需集成,也可以是根據需求進行“一體化”設計的結果,具有多功能融合、組成結構動態可變、運行狀態復雜、信息交換處理一體化等功能特點。


    天地一體化信息網絡組成示意圖。天地一體化網絡以衛星網絡作為骨干,由深空網絡、鄰近空間網絡、地面網絡共同構成。其中,衛星骨干網一般稱為天基網,包括各個軌道層面執行不同任務的衛星,深空網包括航天飛機、火星探測器等其他節點;鄰近空間網絡稱為空基網,包括飛機、熱氣球、飛艇、直升機、無人機等低空飛行器;地面網則包括輪船、潛艇、火車、汽車、坦克、手機等地面節點。這種高度綜合性的異構網絡系統打破了各自獨立的網絡系統間數據共享的壁壘,能夠有效地綜合利用各種資源(包括軌道資源、載荷資源、通信資源等),不僅可以為作戰提供一體化的偵察、導航、作戰指揮等服務,也可以為海—陸—空通信、海洋氣象預報、導航、應急救援等提供全方位的支持。

從組網、傳輸和路由等方面看,天地一體化網絡具有典型的大時空尺度屬性,是一個大時空尺度網絡,具有鮮明特征。

    天地一體化網絡典型特征

天地一體化使得網絡具有鮮明的特征。建設天地一體化網絡,將對我國的國民經濟、國防安全和科學研究產生深遠的影響,主要包括以下三個方面。

1.  天地一體化網絡是未來國家電子信息系統的重要基礎設施。天地一體化網絡系統建設關系到國家經濟和國家安全發展戰略,是國家競爭實力和生存能力的重要組成部分,也是突破西方發達國家高技術封鎖、對抗霸權主義、捍衛國家主權與領土完整的有力保障,將成為國家電子信息系統的重要基礎。

2.  天地一體化網絡是實現多系統、多信息融合和協同的重要平臺。天地一體化網絡是大容量、多層次異構網絡,承載海量、多維、協同信息,適應實時、高動態通信環境,它是構建空間信息從獲取、處理到應用的快速、高效的信息走廊。在天地一體化網絡條件下,空間信息的獲取涉及衛星、鄰近空間飛行器、航空器等多種平臺,有光學、紅外、雷達、高光譜等多種手段,空間信息多源、多維、異質,其時間、空間和譜段分辨率不同,信息數據量龐大,存儲模式、處理模式、信息服務時效性要求各異。天地一體化網絡已經成為具有超前性和創新性的交叉研究前沿領域,科學意義和戰略意義重大。

3.  天地一體化網絡可以帶動信息電子、航空宇航、空間科學、光學、材料、儀器等相關學科的發展。天地一體化網絡是人類利用空間的基礎,利用天地一體化網絡可以實現多維、多源、精細空間信息的一體化獲取、傳輸、處理、網絡化共享與應用服務等應用需求,涉及信息電子、航空宇航、空間科學、光學、材料、儀器等多個學科。大量的研究表明:空間寬帶網絡將形成巨大的空間產業;航天信息直接支持作戰有賴于網絡化支持;天地一體化網絡所具有的獨特位置與地域優勢可形成特有的信息服務能力,帶動新興產業的發展,具有形成核心競爭力的巨大潛力。其研究成果將為未來天地一體化網絡的建設提供理論支撐,對推動相關學科的發展具有重要的科學意義。

國內外研究發展現狀與趨勢

從研究發展角度來看,天地一體化網絡逐漸從單層拓撲結構向多層復雜結構演變,尤其是大橢圓軌道衛星、鄰近空間飛行器、深空探測器等網絡節點的出現,使網絡拓撲不再局限于低、中、高軌衛星和地面站組成的傳統星座結構;路由方式由面向連接式轉為面向非連接式,并尋求與Internet 無縫對接的可擴展路由方式;傳輸策略從基本的單測度、最短路徑策略向多測度、多路徑、自適應策略轉變,綜合考慮網絡吞吐、負載均衡等整體性能;對信息傳輸QoS 的優化,從單目標代價函數值最小化算法向啟發式多目標優化算法演變;同時,網絡層與其他層間的交互也逐漸得到了增強,并且出現了非層次協議結構下的設計方案。

國內現有技術基礎

我國的航空航天事業雖然較西方國家起步晚,但是也取得了重大突破和進展。“十五”“十一五”和“十二五”期間,在863、973 和國家自然科學基金等項目的資助下,眾多的科研機構和院校開展了天地一體化網絡相關領域的研究工作,主要包括中國科學院軟件研究所、北京交通大學、中國科學院空間科學與應用研究中心、清華大學、電子科技大學、四川大學、中國民航局第二研究所、北京航空航天大學、哈爾濱工業大學、西北工業大學、中國人民解放軍國防科學技術大學、中國人民解放軍理工大學等。總體看來,國內的天地一體化網絡技術雖然取得了一定的成果,但研究非常零散、缺乏積累,明顯落后于發達國家。天地一體化網絡的相關問題需要進一步深入研究。

    OSI 七層結構及互聯網四層結構與新網絡體系結構模型比較。北京交通大學和清華大學在天地一體化網絡方面進行了大量的研究,通過對傳統信息網絡分層體系結構理論的長期研究,提出了基于服務層和網絡層的一體化兩層體系結構模型,即網通層和服務層,并對網通層和服務層進行了詳細的分析和設計。但是側重點主要在地面異構網絡(如移動3G 網絡、WiMax 等)的融合方面。

天地一體化網絡主要問題分析

總的來說,天地一體化網絡是一個由深空通信網絡、同步衛星中繼網絡、中低軌衛星網絡、平流層網絡、航空自組網絡、地面有線/無線以及移動網絡、航天器、海上艦艇等組成的復雜巨系統。天地一體化網絡整體呈現高動態、多層次、大時空跨度、高延遲等特點。

縱觀現有天地一體化網絡關鍵技術的研究,主要存在以下問題。

1.  國內外對天地一體化組網的研究主要集中在規則的單層和多層衛星網絡,其特點就是每層都是由軌道高度相同的衛星按照一定的規律構成的星座,同層網絡內不考慮有其他類型衛星存在,如下圖所示。但是,天地一體化網絡是非同種異構系統,它是一個集偵察、導航、通信等衛星以及其他航天器和地面網絡的綜合一體化信息網絡。由于混合組網的規律更加復雜,所以需要從頂層上對組網結構和協議體系進行研究來保證一體化網絡的應用。

    一般研究涉及的網絡結構

2.  現有一體化信息網絡架構與組網研究大多片面地集中于深空段行星骨干網、空間段衛星骨干網和陸地無線傳感網,且僅滿足單一服務需求。其著眼點主要在地球同步空間,未涉及各網段之間的立體化通信。更重要的是,大多數空間信息網絡架構設計與組網技術在自重構和自優化等自組織特性方面考慮不夠充分。

3.  現有針對天地一體化網絡的動態時變圖模型研究大多考慮節點移動的規律性,且節點總數趨于穩定,并未涉及應急通信等場景下的“節點爆炸和拓撲膨脹”問題。此外,圖內鏈路參數簡單,節點能力表征不夠完善,無法直接應用到天地一體化的大時空尺度空間信息網絡中。

4.  現有天地一體化網絡路由算法設計正處于百家爭鳴階段,普適性較差;現有傳輸協議主要面向深空段、空間段或鄰近空間段的星際間或星地間通信,天地一體化的聯合路由和傳輸協議研究仍是空白。

5.  已有的路由算法在拓撲發生變化時(不考慮是鏈路故障還是鏈路擁塞)采用的都是重路由策略,這種方法的優點是簡單,但是對于一體化效率較差,對于天基環境下這種拓撲變化非常快的網絡就顯得不太適合,導致的后果是資源消耗大、傳輸效率低。如何在拓撲改變時,根據出現故障的原因設計高效的路由策略(根據產生的原因,確定是采用源節點重路由、從故障點重新路由還是在故障點等待恢復)就顯得尤為重要。

6.  目前聯合考慮陸地、遠洋、天空、空間與深空資源的大時空尺度空間信息網絡仿真測試平臺尚不完善,實驗范例缺乏,理論研究與實際應用之間存在差距。

本文由劉四旦摘編自劉立祥著《天地一體化網絡》一書第一章概論,有刪減。

 
 
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責任編輯:李忠明
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