国家重大基础设施:天地一体化网络

太空域和信息域是国家经济发展和军事斗争的两个重要战略制高点,空间信息资源已成为各个国家的重要战略资源。

天地一体化网络以其战略性、基础性、带动性和不可替代性的重要意义,成为发达国家国民经济和国家安全的重大基础设施,其所具有的独特位置与地域优势以及特有的信息服务能力,可带动我国新兴产业的发展,形成具有巨大潜力的核心竞争力和民族创造力。

天地一体化网络的特点

天地一体化网络(Space-Ground Integrated Network,SGIN)是综合利用新型信息网络技术,以使命为导向,以任务为驱动,以信息流为载体,充分发挥空、天、地信息技术的各自优势,通过空、天、地、海等多维信息的有效获取、协同、传输和汇聚,以及资源的统筹处理、任务的分发、动作的组织和管理,实现时空复杂网络的一体化综合处理和最大有效利用,为各类不同用户提供实时、可靠、按需服务的泛在、机动、高效、智能、协作的信息基础设施和决策支持系统。

天地一体化网络的目标是对事件进行全面高效协同的处理。利用多维信息,协同各个工作模块,增强事件的处理能力;结合空、天、地各类网络和系统各自的优势,实现功能互补,扩大可处理事件的范围;利用空、天、地一体化网络综合信息系统强大的机动性能、广泛的覆盖范围、全局的协作能力和对信息的智能处理能力,实现对事件和任务的高效处理。

天地一体化网络,简称一体化网络,是由通信、侦察、导航、气象等多种功能的异构卫星/卫星网络、深空网络、空间飞行器以及地面有线和无线网络设施组成的,通过星间星地链路将地面、海上、空中和深空中的用户、飞行器以及各种通信平台密集联合。地面和卫星之间可以根据应用需求建立星间链路,进行数据交换。它既可以是现有卫星系统的按需集成,也可以是根据需求进行“一体化”设计的结果,具有多功能融合、组成结构动态可变、运行状态复杂、信息交换处理一体化等功能特点。


    天地一体化信息网络组成示意图。天地一体化网络以卫星网络作为骨干,由深空网络、邻近空间网络、地面网络共同构成。其中,卫星骨干网一般称为天基网,包括各个轨道层面执行不同任务的卫星,深空网包括航天飞机、火星探测器等其他节点;邻近空间网络称为空基网,包括飞机、热气球、飞艇、直升机、无人机等低空飞行器;地面网则包括轮船、潜艇、火车、汽车、坦克、手机等地面节点。这种高度综合性的异构网络系统打破了各自独立的网络系统间数据共享的壁垒,能够有效地综合利用各种资源(包括轨道资源、载荷资源、通信资源等),不仅可以为作战提供一体化的侦察、导航、作战指挥等服务,也可以为海—陆—空通信、海洋气象预报、导航、应急救援等提供全方位的支持。

从组网、传输和路由等方面看,天地一体化网络具有典型的大时空尺度属性,是一个大时空尺度网络,具有鲜明特征。

    天地一体化网络典型特征

天地一体化使得网络具有鲜明的特征。建设天地一体化网络,将对我国的国民经济、国防安全和科学研究产生深远的影响,主要包括以下三个方面。

1.  天地一体化网络是未来国家电子信息系统的重要基础设施。天地一体化网络系统建设关系到国家经济和国家安全发展战略,是国家竞争实力和生存能力的重要组成部分,也是突破西方发达国家高技术封锁、对抗霸权主义、捍卫国家主权与领土完整的有力保障,将成为国家电子信息系统的重要基础。

2.  天地一体化网络是实现多系统、多信息融合和协同的重要平台。天地一体化网络是大容量、多层次异构网络,承载海量、多维、协同信息,适应实时、高动态通信环境,它是构建空间信息从获取、处理到应用的快速、高效的信息走廊。在天地一体化网络条件下,空间信息的获取涉及卫星、邻近空间飞行器、航空器等多种平台,有光学、红外、雷达、高光谱等多种手段,空间信息多源、多维、异质,其时间、空间和谱段分辨率不同,信息数据量庞大,存储模式、处理模式、信息服务时效性要求各异。天地一体化网络已经成为具有超前性和创新性的交叉研究前沿领域,科学意义和战略意义重大。

3.  天地一体化网络可以带动信息电子、航空宇航、空间科学、光学、材料、仪器等相关学科的发展。天地一体化网络是人类利用空间的基础,利用天地一体化网络可以实现多维、多源、精细空间信息的一体化获取、传输、处理、网络化共享与应用服务等应用需求,涉及信息电子、航空宇航、空间科学、光学、材料、仪器等多个学科。大量的研究表明:空间宽带网络将形成巨大的空间产业;航天信息直接支持作战有赖于网络化支持;天地一体化网络所具有的独特位置与地域优势可形成特有的信息服务能力,带动新兴产业的发展,具有形成核心竞争力的巨大潜力。其研究成果将为未来天地一体化网络的建设提供理论支撑,对推动相关学科的发展具有重要的科学意义。

国内外研究发展现状与趋势

从研究发展角度来看,天地一体化网络逐渐从单层拓扑结构向多层复杂结构演变,尤其是大椭圆轨道卫星、邻近空间飞行器、深空探测器等网络节点的出现,使网络拓扑不再局限于低、中、高轨卫星和地面站组成的传统星座结构;路由方式由面向连接式转为面向非连接式,并寻求与Internet 无缝对接的可扩展路由方式;传输策略从基本的单测度、最短路径策略向多测度、多路径、自适应策略转变,综合考虑网络吞吐、负载均衡等整体性能;对信息传输QoS 的优化,从单目标代价函数值最小化算法向启发式多目标优化算法演变;同时,网络层与其他层间的交互也逐渐得到了增强,并且出现了非层次协议结构下的设计方案。

国内现有技术基础

我国的航空航天事业虽然较西方国家起步晚,但是也取得了重大突破和进展。“十五”“十一五”和“十二五”期间,在863、973 和国家自然科学基金等项目的资助下,众多的科研机构和院校开展了天地一体化网络相关领域的研究工作,主要包括中国科学院软件研究所、北京交通大学、中国科学院空间科学与应用研究中心、清华大学、电子科技大学、四川大学、中国民航局第二研究所、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、西北工业大学、中国人民解放军国防科学技术大学、中国人民解放军理工大学等。总体看来,国内的天地一体化网络技术虽然取得了一定的成果,但研究非常零散、缺乏积累,明显落后于发达国家。天地一体化网络的相关问题需要进一步深入研究。

    OSI 七层结构及互联网四层结构与新网络体系结构模型比较。北京交通大学和清华大学在天地一体化网络方面进行了大量的研究,通过对传统信息网络分层体系结构理论的长期研究,提出了基于服务层和网络层的一体化两层体系结构模型,即网通层和服务层,并对网通层和服务层进行了详细的分析和设计。但是侧重点主要在地面异构网络(如移动3G 网络、WiMax 等)的融合方面。

天地一体化网络主要问题分析

总的来说,天地一体化网络是一个由深空通信网络、同步卫星中继网络、中低轨卫星网络、平流层网络、航空自组网络、地面有线/无线以及移动网络、航天器、海上舰艇等组成的复杂巨系统。天地一体化网络整体呈现高动态、多层次、大时空跨度、高延迟等特点。

纵观现有天地一体化网络关键技术的研究,主要存在以下问题。

1.  国内外对天地一体化组网的研究主要集中在规则的单层和多层卫星网络,其特点就是每层都是由轨道高度相同的卫星按照一定的规律构成的星座,同层网络内不考虑有其他类型卫星存在,如下图所示。但是,天地一体化网络是非同种异构系统,它是一个集侦察、导航、通信等卫星以及其他航天器和地面网络的综合一体化信息网络。由于混合组网的规律更加复杂,所以需要从顶层上对组网结构和协议体系进行研究来保证一体化网络的应用。

    一般研究涉及的网络结构

2.  现有一体化信息网络架构与组网研究大多片面地集中于深空段行星骨干网、空间段卫星骨干网和陆地无线传感网,且仅满足单一服务需求。其着眼点主要在地球同步空间,未涉及各网段之间的立体化通信。更重要的是,大多数空间信息网络架构设计与组网技术在自重构和自优化等自组织特性方面考虑不够充分。

3.  现有针对天地一体化网络的动态时变图模型研究大多考虑节点移动的规律性,且节点总数趋于稳定,并未涉及应急通信等场景下的“节点爆炸和拓扑膨胀”问题。此外,图内链路参数简单,节点能力表征不够完善,无法直接应用到天地一体化的大时空尺度空间信息网络中。

4.  现有天地一体化网络路由算法设计正处于百家争鸣阶段,普适性较差;现有传输协议主要面向深空段、空间段或邻近空间段的星际间或星地间通信,天地一体化的联合路由和传输协议研究仍是空白。

5.  已有的路由算法在拓扑发生变化时(不考虑是链路故障还是链路拥塞)采用的都是重路由策略,这种方法的优点是简单,但是对于一体化效率较差,对于天基环境下这种拓扑变化非常快的网络就显得不太适合,导致的后果是资源消耗大、传输效率低。如何在拓扑改变时,根据出现故障的原因设计高效的路由策略(根据产生的原因,确定是采用源节点重路由、从故障点重新路由还是在故障点等待恢复)就显得尤为重要。

6.  目前联合考虑陆地、远洋、天空、空间与深空资源的大时空尺度空间信息网络仿真测试平台尚不完善,实验范例缺乏,理论研究与实际应用之间存在差距。

本文由刘四旦摘编自刘立祥著《天地一体化网络》一书第一章概论,有删减。

 
 
加载更多>>
责任编辑:李忠明
专题 更多>>
评论 更多>>
独家编译 更多>>