張然，劉江，楊丹，黃韜，劉韻潔

北京郵電大學(xué)，網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876

引 言

（1）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)背景與挑戰(zhàn)

自1969年第一個(gè)分組交換網(wǎng)絡(luò)ARPANET 建立，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的形態(tài)發(fā)生了翻天覆地的變化。隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，互聯(lián)網(wǎng)逐步深入到生產(chǎn)、生活、醫(yī)療、教育等人類行為的方方面面。用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)的接入、帶寬與服務(wù)體驗(yàn)等的需求越來(lái)越高，然而，現(xiàn)今地球上仍然有一半的人沒有快速而可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接，并且超過(guò)50%的陸地區(qū)域和占地球面積60%的海洋都沒有蜂窩網(wǎng)絡(luò)的覆蓋。近年來(lái)，具有覆蓋區(qū)域廣、抗毀能力強(qiáng)等特性的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐漸站上舞臺(tái)，構(gòu)建地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合的天地一體化網(wǎng)絡(luò)體系已成為當(dāng)今的發(fā)展趨勢(shì)。

相比于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高覆蓋范圍特性，使其能夠?yàn)槠h(yuǎn)地區(qū)提供高性價(jià)比的通信覆蓋。在此基礎(chǔ)上，多顆衛(wèi)星聯(lián)合組網(wǎng)，可以為高移動(dòng)性對(duì)象提供無(wú)縫的連接。此外，衛(wèi)星通信不受地形的限制，基礎(chǔ)設(shè)施不會(huì)受到地面災(zāi)害的損傷，因此其在災(zāi)害應(yīng)急通信方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。另外，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可以提供針對(duì)地面的大范圍廣播業(yè)務(wù)，在多媒體業(yè)務(wù)高效分發(fā)等方面有著巨大的優(yōu)勢(shì)。此外，星地鏈路給地面網(wǎng)絡(luò)提供了網(wǎng)絡(luò)回傳的新選擇，能夠在地面網(wǎng)絡(luò)容量飽和時(shí)提供天基回傳，提升網(wǎng)絡(luò)容量，保證用戶服務(wù)體驗(yàn)。

盡管衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有著上述的優(yōu)勢(shì)，但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由分布在不同軌道高度的衛(wèi)星、各類空間飛行器以及地面信關(guān)站等設(shè)備共同構(gòu)成的層次化、立體化的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，這給衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理與資源配置提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。此外，由于天地一體化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由天、空、地不同類型的多種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，彼此間相互獨(dú)立、復(fù)雜異構(gòu)，因此，天地一體化網(wǎng)絡(luò)存在著明顯的異構(gòu)性，在跨域互操作性方面有著迫切的需求。同時(shí)，除了高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星與中軌衛(wèi)星都在圍繞地球不斷公轉(zhuǎn)，這使得星間鏈路變化頻繁，星座拓?fù)鋾r(shí)刻發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)必須擁有具備敏捷重構(gòu)能力的控制系統(tǒng)。另外，衛(wèi)星設(shè)備由于處在復(fù)雜太空環(huán)境，其在計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸能力等方面都受到限制，因此需要根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源的精細(xì)配置，提高資源的利用效率。最后，隨著用戶與業(yè)務(wù)的極大豐富，衛(wèi)星星群已經(jīng)不再以單一功能為主，而是側(cè)重于承載業(yè)務(wù)越來(lái)越復(fù)雜多樣的綜合功能網(wǎng)絡(luò)，如何為需求各異的業(yè)務(wù)請(qǐng)求提供服務(wù)質(zhì)量保障也是一個(gè)富有挑戰(zhàn)力的問(wèn)題。

傳統(tǒng)衛(wèi)星系統(tǒng)沿用了傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)的分布式架構(gòu)，各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)不僅需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)，還需要進(jìn)行鏈路狀態(tài)收集、鏈路信息同步、路由表存儲(chǔ)等一系列功能，大量消耗了衛(wèi)星本就十分有限的資源，且由于網(wǎng)絡(luò)信息收斂緩慢、缺少全局視角，往往不能得到最優(yōu)的路由決策，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降。且衛(wèi)星設(shè)備的管理與配置對(duì)硬件的依賴性強(qiáng)，不同設(shè)備有不同的配置方法，使得網(wǎng)絡(luò)配置繁瑣不靈活，若有網(wǎng)絡(luò)功能需要更新，則需要收回或棄置原有硬件，更新后重新發(fā)射，不僅成本高，整個(gè)迭代升級(jí)過(guò)程也是十分緩慢。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Networking,SDN）具有控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的特性，并且支持網(wǎng)絡(luò)的集中控制，可以很好地解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所面對(duì)的上述挑戰(zhàn)。目前，已經(jīng)有較多的學(xué)者研究基于SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問(wèn)題。下文將簡(jiǎn)要介紹SDN 及其在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)。

（2）國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)外對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)展開了多層次、多角度的研究。多家國(guó)外公司均推出了自己的天地一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其中有的已經(jīng)在部署階段。最具代表性的是SpaceX 的Starlink 計(jì)劃，打造低軌寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)巨型星座，截至2020年5月5日在軌運(yùn)行衛(wèi)星已有420 顆；亞馬遜的Kuiper 計(jì)劃明確提出用軟件定義的系統(tǒng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高速、低延遲的衛(wèi)星寬帶服務(wù)。在學(xué)術(shù)界，歐盟委員會(huì)于2015年通過(guò)Horizon-2020 框架發(fā)起VITAL 項(xiàng)目，該項(xiàng)目將NFV引入衛(wèi)星-地面結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)，用SDN 實(shí)現(xiàn)聯(lián)合資源管理；同年，歐盟也發(fā)起了SANSA 項(xiàng)目，研究利用衛(wèi)星提供地面網(wǎng)絡(luò)高效彈性的無(wú)線回傳鏈路；2017年，Horizon-2020 也支持了Sat5G 項(xiàng)目，用于支持研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與新一代5G 通信網(wǎng)絡(luò)的融合。

我國(guó)也十分重視衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”已被列入“十三五”規(guī)劃的100 個(gè)重大工程項(xiàng)目。中國(guó)航天科技和中國(guó)航天科工兩大集團(tuán)都啟動(dòng)了各自的低軌通信項(xiàng)目“鴻雁星座”和“虹云工程”，兩大工程的首顆試驗(yàn)衛(wèi)星均在2018年12月發(fā)射升空。目前正依托衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目構(gòu)建更大規(guī)模的自主低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

（3）SDN 及其在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的優(yōu)勢(shì)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 起源于2006年斯坦福大學(xué)Nick McKeown 教授的Clean Slate 課題組，作為一種支持動(dòng)態(tài)、彈性管理的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，與傳統(tǒng)TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)中控制平面與數(shù)據(jù)平面緊密耦合的設(shè)計(jì)不同，SDN 采用分層思想，將網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面和控制平面解耦分離，控制平面通過(guò)統(tǒng)一開放的南向接口對(duì)數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行集中式控制。利用網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備組件進(jìn)行抽象，打破了物理設(shè)備層和邏輯業(yè)務(wù)層之間的綁定關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化將軟件和硬件分離，利用分布式的軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的抽象、分割和靈活調(diào)度，使網(wǎng)絡(luò)不再局限于硬件架構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)需要進(jìn)行定制化的高效編排、資源重構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)快速靈活組網(wǎng)。此外，軟件定義網(wǎng)絡(luò)提供了開放的可編程接口，便于硬件設(shè)備的迭代更新和功能擴(kuò)展，同時(shí)能根據(jù)需求構(gòu)建動(dòng)態(tài)的、管控靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可編程化。

利用SDN 的邏輯來(lái)設(shè)計(jì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

①控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，降低單星負(fù)載

將軟件定義網(wǎng)絡(luò)中控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思想應(yīng)用到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)僅需完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和硬件配置功能，而較為復(fù)雜的資源分配、路由策略和網(wǎng)絡(luò)管理等操作則放在控制中心，并向計(jì)算力強(qiáng)的高層衛(wèi)星或地面轉(zhuǎn)移，從而減少星上處理的壓力，很好地解決了星上資源有限的問(wèn)題。

②集中式控制，實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)管控

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜多變，與地面網(wǎng)絡(luò)相比配置更加困難，隨著衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的數(shù)量逐漸增加，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的管理難度也大大提高。SDN 邏輯上集中的控制平面可以獲得網(wǎng)絡(luò)的全局視圖，隨時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備狀態(tài)，掌握全網(wǎng)的用戶接入、節(jié)點(diǎn)故障、網(wǎng)絡(luò)擁塞、鏈路延遲等事件，并及時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的網(wǎng)絡(luò)管控，優(yōu)化路由決策，從而提供業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量保障，提升全網(wǎng)的管理能力，進(jìn)行高效的資源配置和網(wǎng)絡(luò)管理。

③軟硬件解耦，解除硬件廠商鎖定

軟件定義網(wǎng)絡(luò)將軟件和硬件解耦，對(duì)底層設(shè)備進(jìn)行抽象，將設(shè)備和功能分離，利用開放的編程接口可以方便的進(jìn)行軟件功能的遠(yuǎn)程維護(hù)和升級(jí)，解決了衛(wèi)星設(shè)備更新和維護(hù)困難的問(wèn)題，降低部署成本和升級(jí)成本，消除了由于硬件設(shè)備而帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)可控的跨域協(xié)同資源調(diào)度，同時(shí)提升了網(wǎng)絡(luò)的可編程能力，支持網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)的在線優(yōu)化調(diào)度。

④控制器模塊化，便于網(wǎng)絡(luò)功能擴(kuò)展

SDN 控制器負(fù)責(zé)對(duì)底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一控制，并為上層應(yīng)用業(yè)務(wù)層提供調(diào)控接口，很多SDN控制器采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，可以根據(jù)具體的架構(gòu)設(shè)計(jì)和業(yè)務(wù)需求增減相應(yīng)模塊，其控制模塊實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，應(yīng)用模塊調(diào)用控制器模塊的API，提供開放的編程接口可以應(yīng)用到不同的網(wǎng)絡(luò)中，具有很好的系統(tǒng)擴(kuò)展性。

軟件定義技術(shù)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合，有助于實(shí)現(xiàn)高效的網(wǎng)絡(luò)管控、靈活的網(wǎng)絡(luò)配置和網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)的兼容，優(yōu)化路由策略，降低部署成本和升級(jí)成本，保障業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。下文將對(duì)當(dāng)前基于SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究進(jìn)行介紹。第1 章，本文將介紹基于SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)；第2 章，本文將介紹SDN 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵技術(shù)研究；第3 章，對(duì)本文進(jìn)行了總結(jié)。

1 基于SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概述

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的物理結(jié)構(gòu)、通信載體的不同，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以大致分為以下三類組網(wǎng)架構(gòu)。

（1）地面-衛(wèi)星架構(gòu)

該場(chǎng)景下單層衛(wèi)星（多采用低軌衛(wèi)星）和地面之間進(jìn)行組網(wǎng)，多部署控制中心于地面網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)的決策和資源分配。

（2）多層衛(wèi)星架構(gòu)

大部分計(jì)算處理和數(shù)據(jù)交換都放在星上，通常為規(guī)模較大的全球組網(wǎng)系統(tǒng)。在具體研究中，要根據(jù)不同軌道衛(wèi)星的特點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)。

（3）空天地架構(gòu)

空天地一體化網(wǎng)絡(luò)是融合了天基網(wǎng)、空基網(wǎng)和地基網(wǎng)的一體化網(wǎng)絡(luò)，能夠處理各種復(fù)雜的通信任務(wù)。其網(wǎng)絡(luò)覆蓋多層多域多節(jié)點(diǎn)，各平臺(tái)的功能和傳輸能力各不相同，網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)程度相比前兩個(gè)場(chǎng)景大大提升，是最為動(dòng)態(tài)復(fù)雜的一個(gè)場(chǎng)景。

下文將分類介紹三類架構(gòu)，同時(shí)本文將在表1中展示對(duì)比各種架構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣勢(shì)。

1.1 地面-衛(wèi)星架構(gòu)

現(xiàn)有的分布式衛(wèi)星系統(tǒng)架構(gòu)大多只針對(duì)特定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特定業(yè)務(wù)功能，可重用性較差，網(wǎng)絡(luò)管理較為困難。而且星上、星地和地面三部分的傳輸協(xié)議未進(jìn)行一體化的設(shè)計(jì)，因此傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)通常分開考慮，結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)難以管理，調(diào)度協(xié)同較為復(fù)雜，給數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)造成困難。

對(duì)于存在星間鏈路的單層衛(wèi)星-地面組網(wǎng)，如圖1所示，可以通過(guò)SDN 進(jìn)行統(tǒng)一管理調(diào)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)集中和動(dòng)態(tài)的管理與控制，達(dá)到更細(xì)粒度的控制[1]。在此基礎(chǔ)上引入NFV，可以構(gòu)建分布式網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備功能的靈活部署，提供可靠運(yùn)行和應(yīng)急服務(wù)的保證，從而提升天地一體化網(wǎng)絡(luò)的管理能力、協(xié)同水平和服務(wù)質(zhì)量。

Bohao Feng 等將網(wǎng)絡(luò)劃分為核心網(wǎng)與邊緣網(wǎng)，不同的網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)可以選擇不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)于跨域的網(wǎng)絡(luò)流量，統(tǒng)一使用服務(wù)標(biāo)識(shí)、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)、用戶標(biāo)識(shí)以及與具體網(wǎng)絡(luò)有關(guān)的位置標(biāo)識(shí)[2]。采用SDN 思想分離數(shù)據(jù)與控制平面，數(shù)據(jù)面包含流轉(zhuǎn)發(fā)與緩存功能，控制面通過(guò)生成相關(guān)信息指導(dǎo)數(shù)據(jù)面生成相關(guān)的表來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)。這種身份地址相分離的標(biāo)識(shí)方式可以提升網(wǎng)絡(luò)的兼容性，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)服務(wù)的可感知提升了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)能力。然而，新機(jī)制的引入需要額外引入新的服務(wù)解析實(shí)體，某種程度增加了系統(tǒng)復(fù)雜度。

對(duì)于數(shù)量龐大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以采用分集群管理模式，引入SDN 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與控制分離，SDN控制器實(shí)時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信息的收集和指令下發(fā)，地面控制中心計(jì)算資源分配策略后通過(guò)SDN 控制器傳回衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，集中式的控制保障了獲取衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)性，增加了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源管理架構(gòu)的普適性，同時(shí)節(jié)省了星上資源，提高了衛(wèi)星資源分配的效率[3]。

這些地面-衛(wèi)星場(chǎng)景往往都存在同一個(gè)缺陷，當(dāng)衛(wèi)星在移動(dòng)期間脫離了地面站的監(jiān)控范圍，或者由于飛行物體遮擋而造成對(duì)地面不可視的情況，此時(shí)地面站無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控到衛(wèi)星，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性受到一定影響。單層衛(wèi)星的靈活性具有缺陷，因此多層衛(wèi)星和空天地場(chǎng)景被提出，這個(gè)問(wèn)題在下面兩種場(chǎng)景會(huì)得到可靠的解決。

圖1 地面-衛(wèi)星架構(gòu)示意圖Fig.1 Architecture of integrated terrestrial and satellite network

1.2 多層衛(wèi)星架構(gòu)

同步地球軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)衛(wèi)星的軌道位置較高，覆蓋范圍大的同時(shí)具有較大的傳輸延遲，而且經(jīng)過(guò)幾十年的開發(fā)后剩余位置有限，低地球軌道（Low Earth Orbit，LEO）衛(wèi)星則具有較低的功率損耗和傳播延時(shí)，同時(shí)由于軌道位置較低具有高度的動(dòng)態(tài)性，中地球軌道（Middle Earth Orbit，MEO）的性能則位于兩者之間，因此空間網(wǎng)絡(luò)的研究逐漸趨向多層衛(wèi)星系統(tǒng)遷移，根據(jù)各層衛(wèi)星的能力差異實(shí)現(xiàn)最佳布網(wǎng)。由于SDN 思想是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層化處理，與多層衛(wèi)星的場(chǎng)景十分貼合，且SDN 的集中式控制功能可以使異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性降低，目前已有較多的研究提出了基于SDN 的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其整體邏輯架構(gòu)如圖2所示。

對(duì)于GEO 衛(wèi)星和LEO 衛(wèi)星共同組成的雙層網(wǎng)絡(luò)，袁夢(mèng)珠采用SDN 集中控制的思想，將控制器部署于地面和GEO 衛(wèi)星，對(duì)眾多LEO 衛(wèi)星進(jìn)行分組管理，通過(guò)計(jì)算劃分所屬群組，地面控制器具有全局調(diào)度的能力，GEO 衛(wèi)星作為地面控制器和LEO 衛(wèi)星交換節(jié)點(diǎn)的中介，收集各組LEO 衛(wèi)星的數(shù)據(jù)信息匯總給地面控制器，并下發(fā)地面控制器的指令決策[4]?？刂破髂軌颢@取整體網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，從全局視角分配網(wǎng)絡(luò)資源，而且整體網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力不受衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的限制，可以滿足不同業(yè)務(wù)的各種需求，從而實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)控制和感知能力。

對(duì)于GEO 衛(wèi)星、MEO 衛(wèi)星和LEO 衛(wèi)星共同組成的三層網(wǎng)絡(luò)，楊虹以LEO 衛(wèi)星和MEO 衛(wèi)星作為數(shù)據(jù)平面，GEO 衛(wèi)星和地面共同作為控制平面，采用分組管理方式，高層衛(wèi)星分組管理低層衛(wèi)星，地基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行全局管理[5]。在地面設(shè)置一個(gè)公共數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)收集的全網(wǎng)信息，有利于空天網(wǎng)絡(luò)的整體控制管理。地面控制平面和GEO 衛(wèi)星共同連接公共數(shù)據(jù)庫(kù)，GEO 層控制器作為地面的備份控制節(jié)點(diǎn)，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，降低空天網(wǎng)絡(luò)和地面之間轉(zhuǎn)發(fā)造成的時(shí)延。GEO 層的局域控制器之間不進(jìn)行交互，減少了新數(shù)據(jù)流的請(qǐng)求數(shù)量，解決了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)載荷受限的問(wèn)題。

Taixin Li 提出了管理平面、控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的三層架構(gòu)[6]。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理平面實(shí)體（Satellite Network Management Center，SNMC）部署于地面，負(fù)責(zé)全網(wǎng)資源的登記和問(wèn)詢，以及相關(guān)策略的制定?？刂破矫娣譃镚EO 衛(wèi)星控制器、地面數(shù)據(jù)中心以及衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)控制器，并統(tǒng)一受到地面SNMC 的管理，低軌衛(wèi)星將信息收集到高軌控制器，再通過(guò)高軌控制器匯總到地面站，然后由地面站傳輸?shù)絊NMC，SNMC 的控制信息通過(guò)相反路徑傳到轉(zhuǎn)發(fā)平面的低軌和中軌衛(wèi)星。數(shù)據(jù)平面由低軌和中軌衛(wèi)星組成，低軌衛(wèi)星作為AP 收集用戶流量，MEO 提供LEO 之間的星間鏈路。天地聯(lián)合的SDN分層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的可管控?？梢栽诖思軜?gòu)集中化的決策與配置下，引入服務(wù)質(zhì)量保障的相關(guān)指標(biāo)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)服務(wù)質(zhì)量與網(wǎng)絡(luò)性能的優(yōu)化。

1.3 空天地架構(gòu)

空天地網(wǎng)絡(luò)作為一個(gè)全網(wǎng)融合、全域覆蓋的信息感知通信網(wǎng)絡(luò)，由天基、空基和地基多個(gè)平面的綜合網(wǎng)絡(luò)組成，天基網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)同步軌道衛(wèi)星、中軌道衛(wèi)星和低軌道衛(wèi)星組成星座，空基網(wǎng)絡(luò)由高空平臺(tái)、無(wú)人機(jī)編隊(duì)和空間浮空器等組成，地基網(wǎng)絡(luò)由地面測(cè)控網(wǎng)絡(luò)、關(guān)口站、數(shù)據(jù)管理中心等組成，連通各個(gè)平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)多網(wǎng)融合。

空天地網(wǎng)絡(luò)各平臺(tái)的協(xié)議互異，多種接入和控制設(shè)備共存，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)性高，沒有較為統(tǒng)一的互操作標(biāo)準(zhǔn)；網(wǎng)絡(luò)時(shí)空跨度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要提高網(wǎng)絡(luò)的可配置和可重構(gòu)能力；各平面節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方式各不相同，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)刻處于變化之中，鏈路狀態(tài)的穩(wěn)定性下降，信息交互頻繁，難以進(jìn)行有效直接的控制。因此，空天地場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)決定了網(wǎng)絡(luò)性能的上限，如何對(duì)規(guī)模龐大的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行合理編排，提供可靠的服務(wù)質(zhì)量保障。

圖2 多層衛(wèi)星架構(gòu)示意圖Fig.2 Architecture of integrated terrestrial and multi-layered satellite network

圖3 空天地架構(gòu)示意圖Fig.3 Architecture of integrated terrestrial, airborne, and satellite network

空天地網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)如圖3所示，其一目了然的多層次空間位置，對(duì)于軟件定義網(wǎng)絡(luò)中分層的結(jié)構(gòu)劃分有了更多靈活的選擇。

一種方式是將天基網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)平面，空基層和地基層設(shè)置多個(gè)SDN 控制器，來(lái)協(xié)調(diào)空地網(wǎng)絡(luò)的資源分配[7]。多控制器部署能夠更好地進(jìn)行空地協(xié)同傳輸，提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率；多級(jí)中繼的天基網(wǎng)絡(luò)與空基和地基網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成了分層網(wǎng)絡(luò)體系，提供迂回路徑，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的連通性和抗毀性；此外，空基網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)施無(wú)人機(jī)組編隊(duì)，通過(guò)靈活切換領(lǐng)航機(jī)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。這種集中式的管理模式可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行全局分配、全局優(yōu)化，能夠快速適應(yīng)不同場(chǎng)景，易于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)時(shí)延增大、全網(wǎng)控制吃力等弊端，因此還需要做進(jìn)一步的調(diào)整。

另一種方式中，將天基平面和空基平面各自分為兩層，平面內(nèi)較高層的節(jié)點(diǎn)部署控制器，控制平面內(nèi)較低層的節(jié)點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)各平面的區(qū)域自治[8]。地面站部署控制器負(fù)責(zé)與高軌衛(wèi)星和高空平臺(tái)的控制器進(jìn)行對(duì)接，而地面的數(shù)據(jù)中心部署主控制器，通過(guò)東西向接口與各個(gè)平臺(tái)的控制器進(jìn)行通信的協(xié)同管控。這種多級(jí)控制器的模式，實(shí)現(xiàn)了分布式的邏輯集中控制架構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的兼容性和擴(kuò)展性，大大提升了網(wǎng)絡(luò)決策的效率，而且在集中控制架構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步進(jìn)行流量分類、接入識(shí)別，實(shí)現(xiàn)智能流量卸載、接入安全等處理。然而，跨域的控制提升了系統(tǒng)的復(fù)雜度，增加了部署成本，且需要系統(tǒng)要有較強(qiáng)的控制能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)詳述

2.1 控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)和部署

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點(diǎn)時(shí)刻動(dòng)態(tài)變化，部署其上的控制器也是不斷變動(dòng)的，控制器系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)變化的要求較高，衛(wèi)星數(shù)量眾多，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模龐大，單個(gè)控制中心往往存在系統(tǒng)瓶頸、網(wǎng)絡(luò)安全等隱患。因此需要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方案，合理規(guī)劃控制器的數(shù)量和位置，同時(shí)部署多控制器滿足不同業(yè)務(wù)流程的控制需求，確?？刂菩畔⒌募皶r(shí)下發(fā)。

表1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比Table 1 Architecture of satellite-based network

任容瑋設(shè)計(jì)了區(qū)域自治的分層式控制結(jié)構(gòu)[9]。根據(jù)衛(wèi)星軌道的高度劃分為三層，每層相當(dāng)于一個(gè)局域網(wǎng)，層內(nèi)設(shè)置多個(gè)控制器建立控制器集群，集群內(nèi)部控制器負(fù)責(zé)各自直連的交換機(jī)。對(duì)層內(nèi)控制器進(jìn)行負(fù)載均衡算法推舉一個(gè)集中控制器，通過(guò)東西向接口實(shí)現(xiàn)信息的同步共享，創(chuàng)建全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑴p少信息冗余?？刂破髦粚?duì)交換機(jī)下發(fā)層內(nèi)流表，層間通信需要通過(guò)控制器轉(zhuǎn)發(fā)到其它層，不同層間建立控制器集群之間的連接，集群內(nèi)任意控制器都可實(shí)現(xiàn)跨域操作。分層式結(jié)構(gòu)將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性對(duì)底層交換機(jī)進(jìn)行隱藏，只需考慮層間控制器傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)問(wèn)題，簡(jiǎn)化了問(wèn)題規(guī)模，但其控制器數(shù)量隨著衛(wèi)星規(guī)模擴(kuò)大而增多，系統(tǒng)成本和處理難度增加，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能的下降。

楊虹設(shè)置了GEO 和地面站兩個(gè)控制平面，地面控制系統(tǒng)采用扁平型結(jié)構(gòu)，每個(gè)控制器實(shí)現(xiàn)相同功能，GEO 控制平面采用層次型結(jié)構(gòu)，局部控制器無(wú)需掌握網(wǎng)絡(luò)全局視圖，減輕衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)負(fù)載，緩解了存儲(chǔ)流表項(xiàng)的壓力[5]。設(shè)置地面公共數(shù)據(jù)庫(kù)，GEO主控制器定期更新設(shè)備和鏈路信息，當(dāng)GEO 主控制器出現(xiàn)故障后地面從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取網(wǎng)絡(luò)信息與其他局部控制器繼續(xù)通信，提高了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。在現(xiàn)有控制器的模塊化基礎(chǔ)上，添加控制器通信模塊和數(shù)據(jù)備份恢復(fù)模塊并提供接口，便于后續(xù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能的擴(kuò)展。

Jiajia Liu 針對(duì)空天地一體化網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了多域SDN 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[10]。將SDN 控制器分布式部署在GEO 衛(wèi)星、空中平臺(tái)和地面，通過(guò)主控制器對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)域統(tǒng)一管理和編排，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的靈活、智能、可重構(gòu)管理。多控制器的部署可以實(shí)現(xiàn)備份機(jī)制，有效解決天基網(wǎng)絡(luò)易故障的問(wèn)題。將SDN 控制器與網(wǎng)關(guān)的聯(lián)合放置定義為有時(shí)延約束的優(yōu)化問(wèn)題，考慮平均傳播時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)可靠性兩個(gè)因素，聯(lián)合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)性能均衡，能夠有效減少網(wǎng)絡(luò)控制開銷，提高網(wǎng)絡(luò)管理效率?？仗斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)中的用戶分布和服務(wù)需求具有差異性，需要根據(jù)數(shù)據(jù)量的不均勻分布進(jìn)行流量卸載等彈性管理措施。

2.2 軟件定義無(wú)線電

隨著衛(wèi)星數(shù)量的增加以及地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的部署，無(wú)線頻譜資源變得愈發(fā)緊張。同時(shí)，無(wú)線頻譜資源管理機(jī)構(gòu)眾多，且機(jī)構(gòu)之間缺少協(xié)作，導(dǎo)致無(wú)線接收機(jī)受到的干擾愈發(fā)嚴(yán)重。如何實(shí)現(xiàn)頻譜資源的有效管理，將是決定衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)能否成功的關(guān)鍵因素。在這一背景下，衛(wèi)星通信軟件定義無(wú)線電（Software Defined Radio, SDR）成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)，針對(duì)上述問(wèn)題，已有多項(xiàng)研究[11-13]。

Mamatha Ramapura Maheshwarappa 設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了SDR 的平臺(tái)架構(gòu)，同時(shí)對(duì)收發(fā)器的性能進(jìn)行了測(cè)試[11]。經(jīng)過(guò)性能分析，作者得出結(jié)論，系統(tǒng)的關(guān)鍵性能瓶頸出現(xiàn)在信號(hào)的上采樣、下采樣、以及快速傅里葉變換過(guò)程（FFT）。通過(guò)將上述功能從通用處理器轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array, FPGA）中實(shí)現(xiàn)，可以有效地提升系統(tǒng)性能。利用SDR 的可編程硬件進(jìn)行獨(dú)立前端調(diào)優(yōu)、濾波以及采樣的功能，實(shí)現(xiàn)了接收機(jī)最大同時(shí)對(duì)四顆衛(wèi)星的信號(hào)接受。

Xin Cai 針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)受到重量、硬件能力以及功率等因素的限制問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一個(gè)低功耗的SDR 發(fā)送器與接受的模型[12]。在該系統(tǒng)中，通過(guò)引入FPGA可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速升級(jí)與靈活配置。同時(shí)，針對(duì)信道編碼中廣泛采用的低密度奇偶校驗(yàn)（Low-Density Parity-Check, LDPC）碼，作者提出了一種新的LDPC 編碼方式。通過(guò)將傳統(tǒng)的奇偶校驗(yàn)矩陣轉(zhuǎn)換為雙對(duì)角矩陣，并采取一些機(jī)制上的變化，可以有效減少算法中需要進(jìn)行的異或運(yùn)算數(shù)量，提升了系統(tǒng)編碼效率。除此之外，作者采用了歐幾里得幾何方法來(lái)生成高碼率的LDPC 碼，可以提升編碼的誤碼性能。經(jīng)過(guò)測(cè)試，基于該模型實(shí)現(xiàn)的FPGA 接收器和發(fā)送器的功率消耗僅為3.2W 和2.1W。

Mamatha Ramapura Maheshwarappa 針對(duì)衛(wèi)星頻譜資源擁擠的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA 的并行SDR 架構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)可重新配置的并行接受架構(gòu)[13]。作者將接收器設(shè)計(jì)為三個(gè)階段。第一階段為異步的信號(hào)檢測(cè)階段，通過(guò)基于軟件實(shí)現(xiàn)的FFT 來(lái)進(jìn)行快速的頻譜掃描，同時(shí)配有基于軟件定義的前端功能，例如增益、濾波等，一旦有信號(hào)被檢測(cè)到，則可用的數(shù)字下變頻器（Digital Down Conversion, DDC）被配置為需要的中心頻率和抽樣速率。第二階段為同步抽樣階段，這一階段由單獨(dú)的封裝器組成。每個(gè)封裝器都包含基于硬件實(shí)現(xiàn)的DDC 塊，且每個(gè)DDC 塊都是由相應(yīng)的基于軟件的注冊(cè)信息配置而成，在這一階段中，每個(gè)被檢測(cè)到的信號(hào)都分配到單獨(dú)的封裝器中進(jìn)行下采樣處理。最后一階段是異步的信號(hào)讀取階段，經(jīng)過(guò)采樣得到的信號(hào)被存儲(chǔ)在內(nèi)存中，由直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)（Direct Memory Access,DMA）負(fù)責(zé)存儲(chǔ)內(nèi)容的訪問(wèn)，可以將存儲(chǔ)的信號(hào)分發(fā)給不同的進(jìn)程或解碼器。在這一工作中，作者通過(guò)有限的資源開銷增大實(shí)現(xiàn)了SDR 系統(tǒng)的可信配置與可擴(kuò)展性。

2.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芷谛詣?dòng)態(tài)變化，星上有效載荷和鏈路資源受限，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量不斷增加，導(dǎo)致傳統(tǒng)的分布式路由收集全網(wǎng)信息耗時(shí)長(zhǎng)，難以獲得全局視圖，星載路由計(jì)算困難。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流量分布不均易造成網(wǎng)絡(luò)擁塞，多樣業(yè)務(wù)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的需求各異，對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全性和故障處理能力有較高的要求，如何設(shè)計(jì)路由算法成為重要的一個(gè)問(wèn)題，目前已有大量研究著重于提高多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能。

針對(duì)GEO 和LEO 的雙層網(wǎng)絡(luò)，石曉東等將控制器部署于GEO 層，收集網(wǎng)絡(luò)中所有LEO 節(jié)點(diǎn)的信息，生成全局網(wǎng)絡(luò)視圖同時(shí)減輕了LEO 層節(jié)點(diǎn)負(fù)擔(dān)[14]。考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的多約束條件，將網(wǎng)絡(luò)中的剩余帶寬、端到端時(shí)延和丟包率作為優(yōu)化目標(biāo)，在權(quán)重因子中引入動(dòng)態(tài)步長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)更新時(shí)延和丟包率在鏈路權(quán)重中的比例，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息的有效反饋，一定程度上避免了網(wǎng)絡(luò)擁塞，更好地滿足用戶的多種QoS 需求。

在劉之瑩等人的工作中，將LEO 節(jié)點(diǎn)作為交換機(jī)，地面和GEO 衛(wèi)星共同組成控制平面，GEO 收集網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息以及下發(fā)地面控制器的指令，地面控制中心進(jìn)行復(fù)雜的路由計(jì)算并將結(jié)果發(fā)給GEO 衛(wèi)星，二者互補(bǔ)不僅緩解了星上計(jì)算壓力，而且彌補(bǔ)了地面站無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控的缺陷[15]。根據(jù)鏈路建立/斷開原則將星上動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)離散化為一系列快照，解決了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的問(wèn)題。綜合考慮用戶數(shù)量與主機(jī)分布對(duì)業(yè)務(wù)流的影響，構(gòu)建地面域的流量請(qǐng)求模型來(lái)預(yù)測(cè)星上流量需求，基于預(yù)測(cè)結(jié)果設(shè)計(jì)啟發(fā)式的預(yù)計(jì)算節(jié)能路由算法，將部分空閑節(jié)點(diǎn)休眠，在得到的網(wǎng)絡(luò)子集計(jì)算最短路徑，在降低網(wǎng)絡(luò)能耗的同時(shí)優(yōu)化了路徑?jīng)Q策。

針對(duì)GEO、MEO 和LEO 的三層網(wǎng)絡(luò)，賈夢(mèng)瑤等基于SDN 思想設(shè)計(jì)分層路由模型，地面控制器統(tǒng)一信息并計(jì)算路由，LEO 衛(wèi)星根據(jù)地面控制器上傳的路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，MEO 衛(wèi)星作為局部控制器收集底層網(wǎng)絡(luò)信息，GEO 負(fù)責(zé)廣播信息給地面控制中心[16]。MEO 層將故障情況分為可預(yù)測(cè)和突發(fā)性兩類，突發(fā)性失效則采用等待重傳機(jī)制，可預(yù)測(cè)故障啟用托管傳輸機(jī)制，在協(xié)議上層提供一個(gè)兼容覆蓋層，確保鏈路在不穩(wěn)定情況下所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不會(huì)丟失，有效降低鏈路中的丟包率。LEO 層設(shè)計(jì)基于故障塊的容錯(cuò)路由算法，將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和消息分類，當(dāng)拓?fù)鋼p壞較嚴(yán)重時(shí)，可以快速判斷并繞開拓?fù)渲械膿p壞部分，采用犧牲鏈路跳數(shù)的方式來(lái)獲得容錯(cuò)性能，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的故障處理能力。

朱小茹等基于接觸圖的思想設(shè)計(jì)路由策略，建立描述網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)的節(jié)點(diǎn)模型和鏈路模型[17]。GEO層和LEO 層衛(wèi)星作為交換設(shè)備，MEO 層衛(wèi)星作為空間局部控制器，地面部署全局控制器，同時(shí)進(jìn)行周期性更新和突發(fā)故障觸發(fā)更新。地面控制器周期性執(zhí)行預(yù)計(jì)算多路徑路由算法，生成系統(tǒng)在整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)間的多條路徑，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較大時(shí)，可以多路徑傳輸數(shù)據(jù)，降低時(shí)間開銷，緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞。局部控制器和全局控制器執(zhí)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)路由算法，在網(wǎng)絡(luò)突發(fā)狀況下能快速生成一條可達(dá)路徑。將靜態(tài)路由與動(dòng)態(tài)路由相結(jié)合，既保證了全局決策的正確性，又能夠有效應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)狀況。

2.4 切換與移動(dòng)性管理

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，LEO 衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)高于地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的速度，星地鏈路的頻繁切換會(huì)導(dǎo)致管理開銷增加，需要解決跨衛(wèi)星點(diǎn)波束和鏈路切換的切換管理問(wèn)題。傳統(tǒng)衛(wèi)星移動(dòng)管理更多的借鑒了IP 網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，較為依賴集中式的移動(dòng)實(shí)體，存在較大的切換延遲，且在地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)增多時(shí)網(wǎng)絡(luò)的帶寬負(fù)載嚴(yán)重，如何設(shè)計(jì)切換策略以最小化切換頻次、節(jié)省開銷、降低丟包率、高效利用網(wǎng)絡(luò)資源是一項(xiàng)很重要的研究。

在Bowei Yang 的工作中，數(shù)據(jù)平面由低軌LEO 衛(wèi)星交換機(jī)組成，地面控制器進(jìn)行信息的集中和智能控制[18]。地面便攜式終端可以同時(shí)連接多個(gè)衛(wèi)星，定期測(cè)量所有接收信號(hào)的強(qiáng)度，選擇信號(hào)最強(qiáng)的鏈路作為主數(shù)據(jù)鏈路。建立地面的位置存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)所有地面便攜式終端和LEO 衛(wèi)星的地址，當(dāng)便攜式終端的主數(shù)據(jù)鏈路改變時(shí)，向位置服務(wù)器報(bào)告并通過(guò)控制器進(jìn)行全網(wǎng)信息更新。周期性檢測(cè)衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度可以在發(fā)生切換前進(jìn)行鏈路的變更，在切換延遲、吞吐量方面都得到了有效提升，從而更好地提供靈活的衛(wèi)星服務(wù)。

李恒智等結(jié)合分布式移動(dòng)管理技術(shù)，提出基于SDN 的衛(wèi)星分布式移動(dòng)管理方案，在 SDN 控制器中實(shí)現(xiàn)位置管理和地址切換[19]。當(dāng)衛(wèi)星或地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)移動(dòng)到新的位置時(shí)，發(fā)送注冊(cè)信息到最近的地面網(wǎng)關(guān)，地面網(wǎng)關(guān)向SDN 控制器發(fā)送位置更新消息，控制器統(tǒng)一進(jìn)行位置的同步更新?？刂破髟谖恢酶碌耐瑫r(shí)將緩存報(bào)文從舊的地面站轉(zhuǎn)移到新的地面站，實(shí)現(xiàn)接入衛(wèi)星的地址唯一性，減少了管理開銷。建立隧道機(jī)制，當(dāng)?shù)孛嬉苿?dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生切換時(shí)，將通信中的數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)到存儲(chǔ)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置信息的網(wǎng)關(guān)，使地面移動(dòng)節(jié)點(diǎn)總能在最近的地面站進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的流量重定向問(wèn)題。

Yang Wu 等從二分圖框架著手建模切換過(guò)程[20]。在任何時(shí)刻，LEO 衛(wèi)星和移動(dòng)終端之間的連接關(guān)系都由二分圖表示，兩個(gè)頂點(diǎn)集分別包括所有LEO 衛(wèi)星和移動(dòng)終端節(jié)點(diǎn)。建立了衛(wèi)星資源共享博弈模型，地面移動(dòng)終端隨時(shí)在競(jìng)爭(zhēng)衛(wèi)星和可用信道資源，提出最大化移動(dòng)終端收益的切換算法，為新的移動(dòng)終端接入LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)選擇合適的衛(wèi)星和頻道，提出了基于用戶空間最大化目標(biāo)的隨機(jī)接入算法，用于地面移動(dòng)終端切換時(shí)的決策。兩種算法相結(jié)合獲得了移動(dòng)終端的最大利益，以上計(jì)算和存儲(chǔ)過(guò)程于地面的位置服務(wù)器中進(jìn)行。

2.5 天地一體化通信計(jì)算存儲(chǔ)聯(lián)合優(yōu)化

在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，通信、計(jì)算與緩存資源都是網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，都對(duì)用戶體驗(yàn)與系統(tǒng)能力的提升具有重要的意義?，F(xiàn)有研究有單獨(dú)考慮其中一種資源，也有針對(duì)用戶體驗(yàn)與系統(tǒng)性能聯(lián)合利用幾種資源進(jìn)行性能優(yōu)化。

在Christian Niephaus 等的工作中，作者提出，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)在時(shí)延、鏈路穩(wěn)定性、流量突發(fā)性等方面有很大不同，因此需要將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)融合，進(jìn)行動(dòng)態(tài)的流量卸載，將地面網(wǎng)絡(luò)的流量卸載到衛(wèi)星上，從而減輕地面網(wǎng)絡(luò)的帶寬消耗，同時(shí)保證用戶的服務(wù)體驗(yàn)（Quality of Experience, QoE）[21]。具體的方案為在地面網(wǎng)絡(luò)引入軟件定義的擴(kuò)展用戶前置設(shè)備（extended Customer Premise Equipment, eCPE），用于提供用戶的接入，并可以連接到衛(wèi)星或者地面網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，在eCPE 上可以部署一些網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization, NFV）的網(wǎng)絡(luò)功能，比如深度包檢測(cè)，以支持智能的流量卸載。在網(wǎng)絡(luò)的控制器側(cè)，作者設(shè)計(jì)了卸載決策函數(shù)、卸載執(zhí)行函數(shù)與卸載監(jiān)測(cè)函數(shù)。這三個(gè)函數(shù)分別負(fù)責(zé)地面流量向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的卸載決策、決策下發(fā)以及卸載后的監(jiān)測(cè)，三者配合實(shí)現(xiàn)合理的流量卸載。

在Xavier Artiga 的工作中，為了在星地網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)高效的頻譜共享，合理地將地面流量卸載到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來(lái)提升混合星地網(wǎng)絡(luò)的容量，作者提出了一種基于SDN 的混合星地組網(wǎng)架構(gòu)來(lái)支持流量卸載與頻譜共享[22]。具體來(lái)講，作者利用第二價(jià)格密封拍賣來(lái)建模地面與衛(wèi)星沖突頻譜的共享分配問(wèn)題，讓地面的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商作為地面頻譜資源的拍賣商，衛(wèi)星的所有波束組作為出價(jià)者，每經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，由衛(wèi)星參與競(jìng)拍，進(jìn)而決定沖突頻譜資源的分配。在此模型基礎(chǔ)上，分析得出了不同情況下衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)的最佳出價(jià)策略與地面流量卸載決策。

Chao Qiu 等提出將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算、存儲(chǔ)與通信資源聯(lián)合考慮來(lái)優(yōu)化天地融合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能[23]。具體來(lái)講，作者提出了一種邏輯上集中、物理上分離的SDN 融合星地網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，控制器綜合考慮計(jì)算、緩存與通信資源滿足用戶的請(qǐng)求。將整個(gè)資源分配問(wèn)題描述為馬爾可夫決策過(guò)程，采用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)來(lái)進(jìn)行復(fù)雜問(wèn)題的實(shí)時(shí)決策。作者將衛(wèi)星的計(jì)算、存儲(chǔ)與通信資源狀態(tài)描述為馬爾可夫決策過(guò)程的狀態(tài)空間，將LEO 衛(wèi)星-用戶的分配、計(jì)算任務(wù)的分配、內(nèi)容的緩存動(dòng)作聯(lián)合描述為動(dòng)作空間，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)向用戶收取的費(fèi)用與自身的資本支出比值作為收益函數(shù)。利用深度Q 學(xué)習(xí)算法來(lái)對(duì)這一復(fù)雜的聯(lián)合優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行求解。

2.6 接入安全

相比于地面移動(dòng)通信，衛(wèi)星通信所能覆蓋的范圍更大，這是衛(wèi)星通信的優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也給其帶來(lái)了更多的安全挑戰(zhàn)。巨大的覆蓋范圍給監(jiān)聽者提供了便利的監(jiān)聽條件，此外，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的復(fù)雜性，且星上處理能力有限，這給衛(wèi)星通信的安全性帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。針對(duì)這一問(wèn)題，有不少學(xué)者研究利用SDN 技術(shù)提升衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的安全性，這些解決方案有的是利用物理層安全，有的則是利用跨層、跨系統(tǒng)協(xié)作來(lái)提升網(wǎng)絡(luò)的安全性。

Min Lin 等提出了一種基于SDN 的認(rèn)知衛(wèi)星地面融合網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)組織方式與地面網(wǎng)絡(luò)相似，可以分為控制平面、數(shù)據(jù)平面與應(yīng)用平面[24]。網(wǎng)絡(luò)的控制平面負(fù)責(zé)采集包括信道狀態(tài)信息（Channel State Information, CSI）和QoS 等在內(nèi)的信息，為全局的優(yōu)化提供來(lái)源，并用于無(wú)線系統(tǒng)的資源分配。為消除竊聽者的存在對(duì)接入安全的影響，作者提出利用物理層安全技術(shù)來(lái)保證接入安全。在波束成形的過(guò)程中，利用地面網(wǎng)絡(luò)的干擾來(lái)輔助物理層安全傳輸。在給定采集信息的條件下，作者假設(shè)衛(wèi)星采用多波束天線、地面站采用統(tǒng)一平面陣列天線的條件下，在保證衛(wèi)星安全傳輸速率和地面用戶的服務(wù)質(zhì)量要求的前提下，最小化傳輸功率。針對(duì)提出的優(yōu)化問(wèn)題，作者根據(jù)竊聽者的數(shù)量分情況討論，分別提出兩個(gè)算法來(lái)將問(wèn)題轉(zhuǎn)化為梯度可解的問(wèn)題。

胡志言等針對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，存在網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)、間歇連通、節(jié)點(diǎn)高度暴露、且星上處理能力有限的特性，設(shè)計(jì)了一種跨層安全接入系統(tǒng)[25]。該系統(tǒng)分為認(rèn)證層、控制層和設(shè)備層?？刂茖邮占畔?，通過(guò)控制層傳輸給認(rèn)證層，認(rèn)證中心根據(jù)信息制定策略，通過(guò)控制層實(shí)現(xiàn)策略下發(fā)和實(shí)施。當(dāng)用戶請(qǐng)求接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)，若節(jié)點(diǎn)已存在相應(yīng)流表則直接轉(zhuǎn)發(fā)用戶的數(shù)據(jù)包，否則經(jīng)由控制器傳給認(rèn)證中心，由認(rèn)證中心制定合適的接入和路由策略，經(jīng)控制器下發(fā)到交換機(jī)，最后返回響應(yīng)信息，以實(shí)現(xiàn)用戶的接入認(rèn)證。

2.7 傳輸控制

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座規(guī)模龐大、多層分布，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適合進(jìn)行多徑TCP 傳輸（MPTCP），但現(xiàn)有解決方案中每個(gè)主機(jī)上所能支持的子流subflow 的數(shù)量固定，且subflow 在路由選擇時(shí)缺少對(duì)鏈路負(fù)載的認(rèn)知。Zhuo Jiang 等拓展了用戶終端使其支持SDN 化，然后拓展了TCP 選項(xiàng)令其支持動(dòng)態(tài)的subflow 數(shù)量配置[26]。作者將subflow 路徑選擇建模為優(yōu)化問(wèn)題，在subflow 數(shù)量和帶寬限制的條件下最大化系統(tǒng)效益。設(shè)計(jì)啟發(fā)式算法求解，受限遍歷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的可行路徑并計(jì)算提供帶寬；其次找到瓶頸鏈路，選擇可用帶寬最高并且不含瓶頸鏈路的路徑并在整個(gè)拓?fù)渲腥サ暨@些鏈路。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，算法能夠有效提升網(wǎng)絡(luò)的鏈路利用率，同時(shí)提升用戶體驗(yàn)。

寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組播業(yè)務(wù)資源分配算法難以實(shí)現(xiàn)公平性和高吞吐量之間的平衡，且算法復(fù)雜度較高。楊柳在其工作中融入感知無(wú)線電技術(shù)，提出基于業(yè)務(wù)服務(wù)速率限制的多媒體組播算法，以用戶信道質(zhì)量為主劃分組播子組，以維持較高的組播公平性[27]。結(jié)合無(wú)線信道資源分配技術(shù)與寬帶衛(wèi)星多波束波分復(fù)用技術(shù)，充分利用通信區(qū)域空閑頻帶，為接入網(wǎng)絡(luò)的用戶提供達(dá)到服務(wù)要求的下行速率。通過(guò)整合衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)資源，構(gòu)建GEO 衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星星座支撐地面多媒體業(yè)務(wù)組播，提升使用地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的靈活性，解決了組播資源分配效率低下的問(wèn)題。

3 結(jié)論

3.1 主要挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

盡管基于SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)取得了顯著的進(jìn)展，但是由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模過(guò)于龐大，且拓?fù)涮幱陬l繁動(dòng)態(tài)變化中，導(dǎo)致星座管理復(fù)雜。因此，基于SDN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也面臨著一系列的挑戰(zhàn)。（1）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)，該大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)存在著明顯的移動(dòng)性，此外，其專網(wǎng)特性也不同于地面互聯(lián)網(wǎng)，因此，其編址機(jī)制不能直接采用地面互聯(lián)網(wǎng)編址方式，借鑒新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如SDN 與信息中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是有前景的研究方向。（2）針對(duì)規(guī)模巨大的星座，無(wú)論是星座軌道還是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞墓芾?，都需要建立有效的分?jí)分域SDN 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。（3）針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的頻譜沖突問(wèn)題，需要提升頻譜管理部門間的合作，提供整體的、高效的頻譜管理。（4）針對(duì)大規(guī)模周期性變化星座，需要研究高效的路由協(xié)議與路由算法，減少系統(tǒng)路由信令開銷，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)可靠的路由更新，保證路由成功率。（5）針對(duì)大規(guī)模的星座，需要有效的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)與管理工具，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的精細(xì)配置，同時(shí)也可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障做出敏捷反應(yīng)。（6）針對(duì)多樣的用戶請(qǐng)求和業(yè)務(wù)特性，設(shè)計(jì)滿足衛(wèi)星通信特性的服務(wù)質(zhì)量保障機(jī)制，比如網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)切片等。

3.2 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并介紹了SDN 針對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所面臨的挑戰(zhàn)展現(xiàn)出的巨大優(yōu)勢(shì)?；谶@一思路，我們介紹了基于SDN 的衛(wèi)星與地面協(xié)同組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)，并介紹了SDN 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的若干關(guān)鍵支撐技術(shù)。文章的最后，我們討論了當(dāng)前工作的不足之處以及未來(lái)的發(fā)展方向?；赟DN 的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所體現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)讓我們看到了其成功的希望，但是同樣的困難也依舊存在，需要政策制定者、產(chǎn)業(yè)界與學(xué)術(shù)界的共同努力來(lái)推進(jìn)SDN 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。