摘 要：针对高低轨混合卫星网络的（de）特点，探索卫星运控、网络管控（kòng）等功能的整合机制，提出基于统一管控平面的天地一体管（guǎn）控架构（gòu），包括系统组成、运（yùn）行机制（zhì）、技术体制（zhì）等，并（bìng）分析了（le）该管控架构优点及工程实现（xiàn）所（suǒ）面临的困难（nán）。
关键（jiàn）词: 高低轨混合卫星网络； 网（wǎng）络管（guǎn）控（kòng）架构；资源（yuán）调度和协（xié）同应用
引 言
高低轨（guǐ）卫星在覆盖范围、服务质（zhì）量（liàng）以及系统建设部署等方面具有各（gè）自的特点，不少典型的通信、导航（háng）等卫星系统采用高低轨（guǐ）混合（hé）的星座结构实现全（quán）球服（fú）务（wù），提（tí）供差异（yì）化、个性化的服务能力（lì）[1][2]。以高低轨（guǐ）混合（hé）星座的全球卫（wèi）星通信系统为例，该类卫星网络具有时空跨度（dù）大、节点分布动态变化、异质异构节点组网、节点传（chuán）输与处理资（zī）源有限等（děng）特点，不仅（jǐn）在扩展性、移动性、安全性等方面具有突出的问题，同时在网络管（guǎn）理控制方面也面临巨大挑（tiāo）战：
一方面，需（xū）要（yào）管理的网络设备（bèi）和业（yè）务服务规模大幅（fú）增（zēng）加（jiā），管理（lǐ）对象不仅包括天地网（wǎng）络设施以及终端，还包括（kuò）频（pín）率、功率、带宽以（yǐ）及地址（zhǐ）、标（biāo）识（shí）等资源；
另一方面（miàn），我国目前无（wú）法实现全球布站，单一（yī）依赖地基（jī）管理系统（tǒng）难以满足网络精细化、实时性（xìng）的管控需求。
综上所述，构建天地一体的管控系统（tǒng）是（shì）卫星网络实（shí）现全球服务、高效运行的（de）重要保障（zhàng）。
1.高低轨混合卫星网（wǎng）络管控面临的挑战（zhàn）
图1给（gěi）出了（le）一种应用（yòng）于全（quán）球（qiú）通（tōng）信（xìn）服务（wù）的典型（xíng）卫星网（wǎng）络组成（chéng）示意[1]。该卫星网（wǎng）络由天基骨干网、天基接入网（wǎng）和地基节点网组成，其中天基（jī）骨干网由布设在地球同步轨道的节点组成，节点之间通过高速的（de）激光星间链路互联互通，形成覆盖（gài）全（quán）球的（de）天基信息高速公路；天基（jī）接入（rù）网由布设在低轨的节点组成，为各类用户提供宽带接（jiē）入、移动通信（xìn）等服务；地基节点网主（zhǔ）要由多个地（dì）基节点（diǎn）互联而成，支（zhī）持空间数据落地、信息应用服务、地面（miàn）网络互联等（děng）功能。相比传统的卫星通信系统，该卫星网络具有（yǒu）体系结构复杂、拓扑动态（tài）变化等特点，从而使得网络的（de）管理需（xū）求复杂且实（shí）现难度高，主要体现在以下几个方（fāng）面（miàn）：
（1）管控对象（xiàng）复（fù）杂多样
网络管控对（duì）象涉（shè）及高轨、低轨以及（jí）地基等各类节点，通过组网使得（dé）各（gè）节（jiē）点互联形成“一张网（wǎng）”，节点数量众多（duō）且（qiě）功能各异，网络服（fú）务弹性可变（biàn）导致节点载荷功能复杂，不仅要实现天地网（wǎng）络（luò）设备状态及参数管控外，还要实现频率（lǜ）、功率（lǜ）、带宽以及地址、标（biāo）识等（děng）网络“软”资源的管控，管控信息急剧增（zēng）加。
（2）网络资源精细化、实时性调度要求高
网络提供面向用户的随遇（yù）接入、按需（xū）服务的（de）保障能力（lì），对网（wǎng）络（luò）资源精细化、实时性调度要（yào）求（qiú）较高。一方面通过全球布（bù）站（zhàn）的方式（shì）提高网络管（guǎn）控能（néng）力需实现较为（wéi）复（fù）杂的协（xié）调，而另一方（fāng）面星上处理能力有限以及网络安全性要求也制约着网（wǎng）络功能从地面向（xiàng）天基（jī）的迁（qiān）移，因此在网（wǎng）络工程（chéng）建（jiàn）设（shè）及实际（jì）运行（háng）中，如（rú）何优化星地功能分配，发挥（huī）网络星地协同（tóng）、多星协同的优势，是高低轨混合卫星（xīng）网（wǎng）络管控系统（tǒng）设计的（de）主要难点（diǎn）。
图（tú）1 天地（dì）一体化网络系统架（jià）构
（3）面向应用驱动的管控需求（qiú）：
面向全（quán）球服务的卫星通信网络由传统（tǒng）的专用系统向公共网络基础设施发展，需为不同的民商（shāng）用户提供不同等级的网络（luò）服务，将同时（shí）承载各类差异化的（de）用户业务，如话音通信、宽带接入、数据中（zhōng）继以及天基物联等（děng），各（gè）类业务对服务质量及网（wǎng）络资源要求各异。因此传统面向网（wǎng）元的管理模式难以为多并发（fā）用户应（yīng）用提供高效（xiào）高质量网络服务，需结合网络特点提（tí）出面向应用驱动的天地一体网络管控架构（gòu），实（shí）现网络灵（líng）活（huó）控制以（yǐ）及用户服（fú）务快（kuài）速响应。
2 天（tiān）基信（xìn）息网络管控（kòng）系（xì）统（tǒng）发展现状
随着天基信息网络快（kuài）速发展（zhǎn），网络管控系统（tǒng）的研究也持（chí）续深入。美军提出的以天、地骨干网络为核（hé）心的“三层多域”的全球信息栅格（gé）（GIG）设计并构建了面向（xiàng）陆（lù）、海、空、天（tiān）网络一体（tǐ）化管理的四级（jí）体系。海事卫星的管控系统（tǒng）主要分（fèn）为两级，一级为伦敦的网络（luò）操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海事卫星（xīng）的平台和载荷管（guǎn）理，以及（jí）地面站的频率分配，对全网（wǎng）的资源进行统一的维护（hù）调（diào）度[3][4]；二级由各地面关口站组成，负责对应（yīng）卫星的通信管理、运行维护和（hé）业务支撑。
OneWeb系统的管控主（zhǔ）要由（yóu）卫星控制中（zhōng）心（主备双中心（xīn））、网络（luò）运行控（kòng）制中心（主备双中心），以（yǐ）及（jí）遍布全球（qiú）的五十余（yú）个（gè）信关站来完成（chéng）[5]，其中（zhōng），卫（wèi）星控制中心主要负责（zé）卫星飞行动力（lì）、任务规划（huá）、地面站控制等（děng），网络控制中心主要负责通信网络资源（yuán）统一管理与（yǔ）动态调（diào）配，信（xìn）关站是网络用户接入地面网络的（de）互联关口。
国内也积极（jí）加（jiā）强卫星通信系统管控系统建设（shè），其架构经历了由设备（bèi）监控、通信网络（luò）管理、星（xīng）地一体（tǐ）化管（guǎn）控的历程（chéng），初步形成三级（jí）分布（bù）式（shì）的管理构架，并建设了一批具备自（zì）主可控能力的（de）管（guǎn）控系统[6][7]。天基（jī）网络管控系统的建设趋于集约化发展（zhǎn），技术也趋于自主化、智能（néng）化发展，提高系统的管控效率，针对（duì）多（duō）样化网络业务和用户应用（yòng）的自动化管控能力增强（qiáng）。
随着星上处理能力的增强，卫星载荷也（yě）能实现部分控制功能。J.Bao在论文中提出集中式的（de）管（guǎn）控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫（wèi）星设（shè）备（bèi））和控制层（控制卫（wèi）星）分离开，将控制层部署于地球同步轨（guǐ）道卫（wèi）星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网络中的卫星（xīng）进（jìn）行管控（kòng），从而无法全球建站的（de）情况（kuàng）下实现卫星的全程管控（kòng），如图2所（suǒ）示。这种将控制（zhì）与转（zhuǎn）发分离（lí）的思想应用于空间网络的设计被称为（wéi）软件定义卫星网络[10]，以（yǐ）解决传统空间网络连接（jiē）和（hé）重配置的时延较大，数（shù）据传输不（bú）灵活的问题（tí）。
图（tú）2 传统管控架构与集中式管控（kòng）架（jià）构对比
综上所述（shù），在（zài）卫星网络（luò）中分离数据转发、管理控制功能[11][12][13]，建立管（guǎn）控（kòng）平面，由专有设（shè）备来部署控制策略，实现复（fù）杂卫星网络的管理控制、运行维护、运（yùn）营服务等能力，体现了天（tiān）基网（wǎng）络管控系统当前发展的重要趋势。
3 基（jī）于（yú）统一管控（kòng）平面的管控架构设计
借鉴地面网（wǎng）络管（guǎn）控架构，参考软件定义卫星，本文提出了一种高低轨混合卫（wèi）星网络管控架构。该架构采用统一（yī）的管控平（píng）面，将高、低轨卫星和地面站均作为网络（luò）节点进行（háng）统（tǒng）一管（guǎn）理（lǐ），实（shí）现各（gè）类型卫星平台、载荷（hé）以及网络资源的统（tǒng）一、集中控制，如（rú）图（tú）3所示。
该管控架构（gòu）将网络从（cóng）功能层面分为数据平面、控制平（píng）面和管理平面：
图3 高低轨混（hún）合卫星网络管控架构
管理平面和控制平面共同构（gòu）成（chéng）网（wǎng）络的管控平（píng）面（miàn），整合卫星测控、运控、网管及网控等功能，实（shí）现（xiàn）卫星控制功能统一化、网络管理功（gōng）能（néng）集中化。其（qí）中管理（lǐ）平（píng）面根据（jù）网络规划和资源调度（dù）对卫星（xīng）节点和地基节点中的网络资源（接（jiē）入（rù）资源和路由转发资源）进行预（yù）分配和动态（tài）调整，并将与业务处理密（mì）切相关的无线资源分配、移（yí）动（dòng）性（xìng）管理、转（zhuǎn）发控制等控制（zhì）功能（néng）直接部署于控制平（píng）面。管理平面（miàn）和控制平面协同工（gōng）作，实现网络资源细粒度的（de）实时分配（pèi），确保（bǎo）网络可（kě）靠、高效（xiào）的（de）运行（háng），如图4所示。
图4 网络管控功能运行模式
管（guǎn）控平面的信息交互依赖于管（guǎn）控通道。传（chuán）统卫（wèi）星网络（luò）的管控通道（dào）由测（cè）控通（tōng）道或者业务通道组（zǔ）成，采用相应（yīng）的测（cè）控（kòng）协议或者网管协（xié）议（yì）。该管控架构设（shè）计统（tǒng）一管控（kòng）通（tōng）道，即由中心及代（dài）理构（gòu）成的网（wǎng）管网，由代理统（tǒng）一采集卫星运控、测控、网络信息，汇聚后经管控通（tōng）道传输至中（zhōng）心。中心与代理之（zhī）间采用基于统一的管控协（xié）议，主要包括通信模型、信息模型，其（qí）中通信模型定（dìng）义中心与代理之间（jiān）的数据交互流程（chéng）和通信原语，降（jiàng）低协议报文（wén）开销并满足不断演进（jìn）的（de）管控功能需求；信息模型，定义（yì）被管信（xìn）息的统一描述语言（yán），统一定义网络和设备（bèi）的管控信息（xī）库，实现天地管控（kòng）数据的统一描述和适配。
管控平（píng）面的物理部署于地（dì）基（jī）节点和卫（wèi）星节（jiē）点（diǎn）上，部署于地基（jī）节点的（de）管理系统实现全网（wǎng）的统筹管理和（hé）各控制系统（tǒng）之（zhī）间的协同工作，提高（gāo）资源利用率（lǜ）、避免指令（lìng）冲（chōng）突。部署于（yú）卫星节点（diǎn）和地基节点的控制系统（tǒng）受控于管理系统，负责网络的实时控制，通（tōng）过星（xīng）上处理减（jiǎn）少天地之间控制信息的交互，提（tí）高网（wǎng）络控制响应的时效性及（jí）星地（dì）、星间（jiān）协同能力。星地（dì）管控系统协同配合（hé），地面管控系统和天（tiān）基骨干节点共同实现管控信息（xī）网络化采集（jí）、网络化存储（chǔ）及管（guǎn）控功能网络化部（bù）署（shǔ），为卫星网络的管控系统“云（yún）化”提供支（zhī）撑，如图5所示。
图5 管控平面部署示意（yì）
4 实（shí）现困难
该管控架构可有（yǒu）效解决卫星网络各类节点的（de）异质（zhì）异构性和资（zī）源动态性带来的管理挑战，便于复杂的管理（lǐ）策略部署及灵活（huó）调整，满足细粒（lì）度的管理（lǐ）需（xū）求，也（yě）有利于新技术的应用和升级。但是（shì），该管（guǎn）控架构（gòu）在技术实（shí）现上还（hái）面临着许多（duō）亟待解决的（de）问题，主（zhǔ）要包括以下（xià）几（jǐ）个方面：
（1） 管控平（píng）面的（de）安（ān）全（quán）性
统一（yī）管控平面将（jiāng）卫星控制和网络管理统一整合，管控平面将获取并存（cún）储全网信息，控制网（wǎng）络（luò）行为，管（guǎn）理网络状态。相对于传（chuán）统的分布式网络架构，集中化的管控平面将成为网络的薄弱环节，降低网（wǎng）络（luò）管理控制的（de）安全性（xìng）和鲁棒性。
（2） 管控逻辑的一（yī）致性
统（tǒng）一管控（kòng）平（píng）面的架构虽然将（jiāng）管控（kòng）功能集中化（huà）处理，但本质上还是分布式（shì）和异步操作的。针对（duì）卫星网络拓扑及传输路径动态变（biàn）化等特点，网（wǎng）络化的管控对管控信息（xī）传输（shū）的时（shí）序控制以及网络节点时间（jiān）同步提出（chū）了更高要求。
（3） 管控平（píng）面（miàn）的可实现性
本架构提出的管控平面将一部（bù）分（fèn）功（gōng）能部署在（zài）卫星节点（diǎn）上，统一管控信息的采集、处理及网络化传输，提升网络（luò）管控的时效性及被（bèi）管节点管（guǎn）控接口的（de）标准化水平，但（dàn）需要（yào）卫星节（jiē）点提（tí）供较强（qiáng）的计算（suàn）、存（cún）储资源（yuán），并保（bǎo）证具备与（yǔ）传（chuán）统卫（wèi）星管控（如星务计算机、测控应答机等）相当的高可靠（kào）、长寿命要求。
结 语
天基信息网络（luò）正处在高速发（fā）展的阶段，可（kě）靠有效的管控手（shǒu）段是网络高效运行的前提。采用统一管控（kòng）平面（miàn）的管控架构（gòu）是未来天基网络管理的解决思路（lù），日益增强（qiáng）的星（xīng）上处理能力以（yǐ）及（jí）地面先进网络技术也为（wéi）该架构的实（shí）现（xiàn）提供了可（kě）能（néng），如云架（jià）构、边缘计算、高可靠低（dī）时延（yán）网络以（yǐ）及微系统等技术，通过强大的信息处理能力整合各类网络资源，高质（zhì）量的网络传（chuán）输保证网（wǎng）络的（de）及时响应。但（dàn）针对卫星（xīng）网络的特殊性，在安全性、一致性（xìng）及空间（jiān）可实现性（xìng）方面也提（tí）出了较高要求，包括各（gè）管控（kòng）系（xì）统的（de）安全防护（hù）、各系（xì）统（tǒng）之间的高效协同问题都（dōu）亟待解决。因此基于该（gāi）架构的卫星网络管控能力实现将是（shì）逐步（bù）推进、持续演进的。
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