中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所 北京 100083

引言

2020年4月，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)被列入新型基礎設施范圍并上升為國家戰(zhàn)略性工程，是我國天地一體化信息系統(tǒng)的重要組成部分[1]。在未來網(wǎng)絡演進中，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)將與新一代地面通信系統(tǒng)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等信息技術深度融合，形成天、空、地三維一體互聯(lián)互通的立體化智能化通信網(wǎng)絡[2]。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)主要依托空間衛(wèi)星星座，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)無縫鏈接，隨時隨地向用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入和業(yè)務服務，是繼有線互聯(lián)、無線互聯(lián)之后的第三代互聯(lián)網(wǎng)基礎設施，是未來網(wǎng)絡基礎設施發(fā)展的必然趨勢[3-4]。

由于空間衛(wèi)星運行軌道和頻譜資源有限，當前采取“先申報就可優(yōu)先使用”的搶占方式，很多國家和組織出于自身利益考慮，先占領軌道位置及頻率而后發(fā)射衛(wèi)星，空間衛(wèi)星頻率與軌道資源日益成為各國搶占對象，因此衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對外層空間主動權具有重要戰(zhàn)略意義[5]，不僅在軍事(偵察、導彈預警等)領域舉重若輕，而且在氣象、環(huán)保、海洋、無人機等民用領域有著較大的應用需求。當前國外已進入衛(wèi)星星座密集部署階段，而國內(nèi)企業(yè)尚處于衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)空間及地面段早期基礎設施建設階段，國內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術發(fā)展存在較大差距。除此以外，衛(wèi)星批量化制造、快速組網(wǎng)、星座運營控制、網(wǎng)絡協(xié)議和星間鏈路的設計等關鍵核心問題還沒完全解決。

本文歸納了衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，并給出建設衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要突破的關鍵技術，為建設衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的建造提供思路、借鑒與參考，為空間信息綜合利用信息網(wǎng)的構建提供參考。

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡結構

衛(wèi)星組網(wǎng)主要有單層衛(wèi)星網(wǎng)絡和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡兩種，較為成熟的衛(wèi)星網(wǎng)絡通常采用單層衛(wèi)星網(wǎng)絡方式。隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡發(fā)展，單層衛(wèi)星網(wǎng)絡已難以滿足系統(tǒng)設計需求，具有星間鏈路的立體化多層衛(wèi)星網(wǎng)絡成為衛(wèi)星領域研究熱點。

1.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡

單層衛(wèi)星網(wǎng)絡是指具有相同軌道高度的衛(wèi)星星座組成的網(wǎng)絡。單層衛(wèi)星網(wǎng)絡包括高軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)、中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(Medium Earth Orbit，MEO)和低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(Low Earth Orbit，LEO)。

GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡典型系統(tǒng)有Spaceway、Inmarsat等，在軍、民應用中取得巨大成功。GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)具有衛(wèi)星數(shù)量少、全球覆蓋、切換少和衛(wèi)星跟蹤控制簡單等優(yōu)點，其缺點主要表現(xiàn)在通信鏈路距離長、鏈路損耗大、傳播時延大、不適合地面端小功率用戶、無法覆蓋高緯度地區(qū)。

MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡一般由十幾顆衛(wèi)星構成，典型系統(tǒng)主要有Odyssey、ICO等。MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡滿足時延的要求，相對于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡，MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡切換概率低、多普勒效應少，空間控制系統(tǒng)和跟瞄系統(tǒng)簡化。

LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡一般由幾十顆衛(wèi)星組成。近年來，國外高科技公司紛紛投資LEO衛(wèi)星通信領域，提出了OneWeb、Starlink等十余個LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)方案。LEO衛(wèi)星鏈路性能優(yōu)越、傳輸時延小、體積小，但系統(tǒng)建設周期長、投資大、空間控制系統(tǒng)復雜。不同軌道高度衛(wèi)星網(wǎng)絡優(yōu)缺點匯總，如表1所示。

表1 不同軌道衛(wèi)星組網(wǎng)優(yōu)缺點

1.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡

由于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡的局限性，很難滿足業(yè)務多樣化、傳輸可靠化、覆蓋全球化的新需求。綜合各層衛(wèi)星網(wǎng)絡的優(yōu)勢，多層立體衛(wèi)星網(wǎng)絡的概念逐漸被提出。在空間進行多層混合布星，利用星間鏈路建立一個層間、層內(nèi)相互通信的立體衛(wèi)星網(wǎng)絡，實現(xiàn)所有衛(wèi)星節(jié)點的組網(wǎng)通信。與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡相比，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡較單層衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)有更好的空間頻譜利用率、覆蓋仰角、重數(shù)等特征[6]。

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡典型的代表是雙層和三層衛(wèi)星網(wǎng)絡結構。

1.2.1 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡

雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡一般以LEO-MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡居多。Kimura首先提出了LEO-MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡，其中MEO間由層內(nèi)星間鏈路(Inter-Satellite Links，ISL)相連接，并與可視范圍內(nèi)的LEO通過軌內(nèi)星間鏈路(Inter-Orbital Links，IOL)相連接；LEO間無ISL。LEO負責與小型移動終端通信，以減少鏈路損失；MEO作為LEO的中繼，同時負責地面站與大型終端的通信[7]。進一步地，Jaeook提出了LEO間具有ISL連接的SoS(Satellite over Satellite)網(wǎng)絡結構。對于短距離業(yè)務，LEO衛(wèi)星通過LEO層的ISL進行傳輸，對于長距離業(yè)務，LEO衛(wèi)星通過MEO-LEO層的ISL由MEO進行中繼。

1.2.2 三層衛(wèi)星網(wǎng)絡

三層衛(wèi)星網(wǎng)絡以LEO-MEO-GEO三層結構為主。MEO-MEO、LEO-LEO、GEO-MEO、MEO-LEO之間都存在星間鏈路。GEO衛(wèi)星為路由算法決策中樞，負責資源調(diào)度和路由信息的分發(fā)；MEO衛(wèi)星實現(xiàn)全球覆蓋；LEO衛(wèi)星為地面移動終端提供接入服務，承載通信業(yè)務。

1.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡選取

為滿足用戶能夠隨時隨地進行通信的需求以及多種業(yè)務的性能要求，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡中節(jié)點的高速移動、拓撲結構的動態(tài)變化對星座設計和最短路徑優(yōu)化提出難題和挑戰(zhàn)。單層衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構持續(xù)變動、時延指標過高、網(wǎng)絡阻塞概率大、網(wǎng)絡抗毀性差，管理比較復雜；需要在全球布置地面站對網(wǎng)絡進行管理，帶來復雜的地緣政治問題，不符合當前我國的基本國情。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡組網(wǎng)，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高星座管理效率。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡鏈路

圖1為典型的LEO-MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡星間鏈路示意圖。通過星間鏈路可實現(xiàn)層內(nèi)、軌間衛(wèi)星之間的信息傳輸和交換，降低衛(wèi)星系統(tǒng)對地面網(wǎng)絡的依賴。其中，LEO衛(wèi)星分為若干個衛(wèi)星群，每個衛(wèi)星群分別通過IOL鏈路與MEO衛(wèi)星尋址對接；MEO衛(wèi)星之間也會通過ISL鏈路進行數(shù)據(jù)通訊。多層衛(wèi)星網(wǎng)絡系統(tǒng)鏈路分工明確、可替換鏈路多、抗毀能力強。但由于其節(jié)點類型復雜多變，組網(wǎng)實施比較復雜，對技術要求較高。本節(jié)主要展望了星間鏈路的發(fā)展趨勢和未來的研究方向，相關內(nèi)容可為星間鏈路的進一步研究提供參考。

圖1 衛(wèi)星網(wǎng)絡星間鏈路示意圖

目前，大部分衛(wèi)星系統(tǒng)主要依靠地面通信站來進行信息中繼服務，如果地面站發(fā)生故障或被摧毀，衛(wèi)星系統(tǒng)將整體陷入癱瘓狀態(tài)。衛(wèi)星鏈路降低了衛(wèi)星通信對地面站的依賴，可實現(xiàn)空中網(wǎng)絡節(jié)點的連接和組網(wǎng)，將多顆衛(wèi)星有機地組合為一個整體，形成星座系統(tǒng)，達到網(wǎng)絡優(yōu)化管理以及連續(xù)性服務的目標。

近年來，在具備寬帶、大容量、低延遲和全球覆蓋等特色的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的推動下，星間鏈路成為研究熱點。衛(wèi)星系統(tǒng)鏈路按照工作頻率主要分為微波鏈路和激光鏈路兩種。

2.1 微波鏈路

微波是指頻率在0.3~300 GHz之間的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，因此微波也被稱為超高頻電磁波。國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union，ITU)和電氣和電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)劃分的通信衛(wèi)星微波頻率如表2所示。

表2 衛(wèi)星通信系統(tǒng)鏈路頻率

衛(wèi)星通信一般使用L、S、C、X、Ku和Ka頻段電磁波。低頻率(如L、S、C頻段)電磁波，具有增益低、雨衰小、需要天線口徑較大的特點，該頻段電磁波更適合對通信質(zhì)量有嚴格要求的業(yè)務場景，目前該頻段空間資源緊張。高頻率(如Ku和Ka頻段)電磁波，具有增益高、雨衰大、需要天線口徑較小的特點，該頻段微波適合于數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)臉I(yè)務場景。當前，大多數(shù)低軌衛(wèi)星星座選用高頻段的Ka或V電磁波實現(xiàn)全球通信服務。

星間微波鏈路具有成本低廉、測距方式靈活、組網(wǎng)靈活方便、跟瞄捕獲容易、技術比較成熟、系統(tǒng)可靠性較高等優(yōu)點，但由于微波通信頻段的容量有限，難以滿足信息技術高速增加的空間衛(wèi)星通信需求；同時，微波通信系統(tǒng)之間的干擾問題隨軌道內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量的增加不斷突顯[8]。

2.2 激光鏈路

衛(wèi)星激光通信指在衛(wèi)星信道當中，以激光光束作為傳輸信息載體在空間進行圖像、信號等信息傳遞。目前，空間激光通信系統(tǒng)主要選用半導體激光器作為光源，激光通信系統(tǒng)波長主要選用0.8~1.0μm波段。激光鏈路通信可用于相同軌道內(nèi)衛(wèi)星間通信(如GEOGEO、LEO-LEO)，也可以用于不同軌道內(nèi)衛(wèi)星間通信(如GEO-LEO)。隨著全球低軌衛(wèi)星星座的快速布局，星間鏈路對激光鏈路的需求更加急迫[9]。

與微波鏈路相比，激光鏈路的優(yōu)勢具體表現(xiàn)在：頻帶寬，鏈路通信容量較大；設備功耗、質(zhì)量、體積較小，對衛(wèi)星平臺和衛(wèi)星通信終端的輕量化、小型化具有重要意義；波束發(fā)散角較小，具有良好的抗干擾和抗截獲性能，系統(tǒng)安全性高；設備間無射頻信號干擾，無需申請空間頻率使用許可證。但星間激光鏈路波束窄，瞄準、捕獲、跟蹤系統(tǒng)復雜，因此激光跟蹤技術是激光星間鏈路的關鍵技術之一[10]。

2.3 星間鏈路選取

微波鏈路衛(wèi)星通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星、軍事通信衛(wèi)星、中低軌道通信衛(wèi)星等系統(tǒng)應用較為廣泛。按照目前中低軌道星座項目公布的資料來看，Iridium系統(tǒng)建立Ka頻段星間鏈路；O3b、OneWeb和Globalstar系統(tǒng)不設置星間鏈路；Starlink、LeoSat和Telesat系統(tǒng)計劃采用激光鏈路建立空間骨干網(wǎng)；“鴻雁”和“行云”系統(tǒng)均計劃采用激光鏈路實現(xiàn)空間組網(wǎng)，達到網(wǎng)絡優(yōu)化管理以及服務連續(xù)性的目標。目前，“行云”二號衛(wèi)星已完成星間激光鏈路技術試驗。

在大規(guī)模衛(wèi)星通信星座發(fā)展的推動下，使用高頻段微波鏈路或激光鏈路通信技術，實現(xiàn)更高的測量精度和更快的通信速率是必然發(fā)展趨勢，星地微波通信結合星間激光通信技術方案已成為星座組網(wǎng)主流。

3 衛(wèi)星網(wǎng)絡協(xié)議

未來空間網(wǎng)絡是衛(wèi)星、航天器、空間站以及探測傳感器等多元載體與地面網(wǎng)絡深度融合形成的一體化復雜異構型網(wǎng)絡，傳統(tǒng)的點對點單通道網(wǎng)絡模式轉變?yōu)辄c對面的多通道網(wǎng)絡模式。由于空間環(huán)境限制，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)具有網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化、傳播延時長、誤碼率高、帶寬不對稱的特點。隨著空間資源探索，衛(wèi)星網(wǎng)絡及其互聯(lián)技術的研究和開發(fā)受到越來越多重視[11]。

3.1 空間網(wǎng)絡CCSDS協(xié)議

為促進空間機構之間以標準化方式來實現(xiàn)資源互用和數(shù)據(jù)交換與處理，各國空間組織管理部門正式組建成立空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)協(xié)商委員會(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)。該組織負責空間信息技術標準制定，開發(fā)一系列的空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)標準化通信體系結構，形成CCSDS協(xié)議，有部分CCSDS協(xié)議已經(jīng)成為國際標準化組織的正式標準[12]。

3.1.1 CCSDS協(xié)議發(fā)展

20世紀80年代的CCSDS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議主要包括遙測(Telemetry，TM)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、遙控(Telecommand，TC)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和高級在軌系統(tǒng)標準(Advanced Orbiting system，AOS)空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議。TC數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用可變長度的傳輸幀，將數(shù)據(jù)從航天器發(fā)送遙測信息到地面；TM數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用固定長度傳輸幀，將控制信號從地面發(fā)送到航天器；AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議使用固定長度傳輸幀，在航天器和地面間建立雙向數(shù)據(jù)鏈路。

TC、TM、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議均無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾院蜁r效性，引入重傳控制機制保障數(shù)據(jù)信息無間隔、無重傳、按順序發(fā)送到接收端。隨后CCSDS進一步對TC、TM和AOS三個協(xié)議進行分解和合并，形成TM、TC、AOS空間鏈路協(xié)議和TM/TC同步與信道編碼等協(xié)議。以上兩個協(xié)議涵蓋了數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡層。此外，CCSDS在物理層開發(fā)了一個用于航天器與地面站之間通信的射頻與調(diào)制系統(tǒng)。

TC、TM、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議假定數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚墒庆o態(tài)的，數(shù)據(jù)格式的設計沒有考慮動態(tài)路由選擇的要求，無法適應空間通信環(huán)境。

20世紀90年代，針對空間網(wǎng)絡特性需求，CCSDS對地面TCP/IP協(xié)議進行修改和擴展[13]，開發(fā)了一套涵蓋網(wǎng)絡層到應用層的空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communication Protocol Specification，SCPS)。該協(xié)議規(guī)范主要包括：網(wǎng)絡協(xié)議(SCPS Network Protocol，SCPS-NP)、安全協(xié)議(SCPS Security Protocol，SCPS-SP)、傳輸協(xié)議(SCPS Transport Protocol，SCPS-TP)和文件傳輸協(xié)議(SCPS File Protocol，SCPS-FP)。它們與地面互聯(lián)網(wǎng)TCP/IP協(xié)議有著良好兼容性和互操作性，在底層協(xié)議(數(shù)據(jù)鏈路層、物理層)支持下，構成完整網(wǎng)絡模型，實現(xiàn)空間通信網(wǎng)絡與地面通信環(huán)境之間網(wǎng)絡互連。

3.1.2 CCSDS協(xié)議體系結構

參考開放式通信系統(tǒng)互聯(lián)參考模型(Open System Interconnection，OSI)七層結構，國際性空間組織建立空間網(wǎng)絡協(xié)議模型。由于OSI模型會話層和表示層相關協(xié)議很少用于空間鏈路，所以空間網(wǎng)絡CCSDS協(xié)議模型自下而上有物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、運輸層和應用層五層結構。整個CCSDS協(xié)議可以看作是一個混合、匹配工具包，可以根據(jù)特定任務的處理要求，從這個工具包中選擇出合適的協(xié)議進行組合并進行應用，每一層又可包括若干個可供組合的協(xié)議，CCSDS空間網(wǎng)絡協(xié)議的參考模型如圖2所示。

圖2 CCSDS協(xié)議參考模型

1)物理層

CCSDS空間網(wǎng)絡協(xié)議參考模型物理層主要是由Proximity-1協(xié)議和射頻與調(diào)制系統(tǒng)兩部分組成。Proximity-1鄰近空間鏈路協(xié)議是一個專門為近距離、低功耗的空間鏈路而設計的鄰近空間鏈路物理層跨層協(xié)議，具有時延短、強度信號中等、對話簡短獨立的特征，一般主要用于固定探測器、星球著陸器、在軌星座等相互之間的通信。射頻與調(diào)制系統(tǒng)，用于航天器與地面站之間鏈路的物理層標準。

2)數(shù)據(jù)鏈路層

CCSDS空間網(wǎng)絡協(xié)議參考模型數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議的主要功能是傳輸可變長度的數(shù)據(jù)單元，以基本數(shù)據(jù)單元為傳輸幀，提供傳輸各種類型數(shù)據(jù)能力，數(shù)據(jù)鏈路層定義了數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層與同步和信道編碼子層。

數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀傳輸方式，主要包括：TM、TC、AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議和Proximity-1空間鏈路協(xié)議中的數(shù)據(jù)鏈路層四種協(xié)議，以上協(xié)議統(tǒng)稱為空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議(Space Date Link Protocol，SDLP)。同步和信道編碼子層規(guī)定了數(shù)據(jù)幀編碼方式和同步方式，主要包括TM、TC和Proximity-1空間鏈路協(xié)議中的同步與通信編碼三種協(xié)議，其中TM和AOS空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議基于TM同步與通信編碼標準，TC和Proximity-1空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議分別基于TC和Proximity-1同步與通信編碼標準。

3)網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層的空間網(wǎng)絡協(xié)議實現(xiàn)了星上子網(wǎng)和地面子網(wǎng)兩大部分的數(shù)據(jù)路由功能。面向空間數(shù)據(jù)路由需求，CCSDS已經(jīng)開發(fā)了空間分組協(xié)議(Space Packet Protocol，SPP)和SCPS-NP兩種網(wǎng)絡協(xié)議用于在網(wǎng)絡層進行接口連接?；ヂ?lián)網(wǎng)IPv4和IPv6協(xié)議也可以通過空間數(shù)據(jù)鏈路進行傳輸，與SPP和SCPS-NP協(xié)議進行多路復用或非復用。SCPS-NP對應互聯(lián)網(wǎng)中的IP協(xié)議，是一種新的網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)結構空間傳輸協(xié)議，在空間網(wǎng)絡上支持報文的靜態(tài)路由、動態(tài)路由和洪泛路由，并可應用于多種信道環(huán)境。

4)傳輸層

針對包含一條或多條空間鏈路網(wǎng)絡的終端之間數(shù)據(jù)傳輸服務，CCSDS開發(fā)了SCPS-TP協(xié)議。SCPSTP協(xié)議對應互聯(lián)網(wǎng)傳輸控制協(xié)議(Transmission Control Protocol，TCP)和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議(User Datagram Protocol，UDP)，支持基于優(yōu)先級的處理，支持無連接多播和面向數(shù)據(jù)包的應用，能與TCP、UDP協(xié)議產(chǎn)品互操作。

空間網(wǎng)絡SCPS-SP安全協(xié)議位于傳輸層和網(wǎng)絡層之間，提供端到端的安全保護，可提供認證、完整性、保密性和訪問控制中的一項或全部服務，該協(xié)議可與互聯(lián)網(wǎng)IPSec安全協(xié)議結合使用，負責網(wǎng)絡安全性能。

5)應用層

應用層空間網(wǎng)絡協(xié)議主要向用戶提供端到端應用服務，主要包括SCPS-FP、文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol，F(xiàn)TP)、空間文件傳輸?shù)膮f(xié)議(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)、無損數(shù)據(jù)壓縮(Lossless Data Compression，LDC)和應用規(guī)范協(xié)議(Application Specific Protocols，ATP)等。

SCPS-FP協(xié)議是對互聯(lián)網(wǎng)中FTP協(xié)議的擴展，將傳輸文件和數(shù)據(jù)分割成數(shù)據(jù)單元，向用戶提供端到端應用服務，保持了與FTP的互操作性。該協(xié)議在空間環(huán)境中具有閱讀和更新個人文件記錄的能力、允許用戶暫時停止文件傳送并稍后重傳、允許數(shù)據(jù)通信中斷后自動恢復傳輸、支持重復本文壓縮、支持文件和記錄的完整性檢驗等功能，提高空間數(shù)據(jù)應用效率。

針對大鏈路延遲和非對稱帶寬的航天器通信環(huán)境，CCSDS為星間文件傳輸制定了CFDP文件傳輸協(xié)議，該協(xié)議即有傳輸層的功能，又有應用層文件管理功能。

SCPS-FP在一定程度上適應大空間網(wǎng)絡環(huán)境，在性能上比FTP協(xié)議有一定提高。但是在時延較大的情況下，這種性能的提高表現(xiàn)不明顯，而CFDP在這方面的性能更加突出。隨著空間技術的提高，航天器的計算能力在不斷提高，CFDP在與SCPS-FP的競爭中會有更大的優(yōu)勢。

3.2 空間網(wǎng)絡DTN協(xié)議

容遲容斷網(wǎng)絡(Delay /Disruption-Tolerant Network，DTN)協(xié)議體系是美國航空航天局噴氣推進實驗室提出的一種專門針對長延時、鏈路切換頻繁、誤碼率高、間歇性連接等空間網(wǎng)絡環(huán)境問題而設計的新興的通信結構，具有容忍延遲、中斷的特性[14]。DTN協(xié)議使用逐跳轉發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)送模式，不再要求發(fā)送端與接收端建立持續(xù)連接，同時使用保管傳遞機制，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。DTN協(xié)議采用存儲轉發(fā)的方式應對空間網(wǎng)絡中的鏈路中斷問題，當缺少直接的傳輸路徑時，中間節(jié)點將暫時把數(shù)據(jù)存儲下來，等待傳輸機會[15]。

DTN協(xié)議結構在傳統(tǒng)的TCP/IP五層結構中引入束層(Bundle Layer)和匯聚層(如圖3所示)，束層和匯聚層增加了DTN協(xié)議對高挑戰(zhàn)性空間網(wǎng)絡環(huán)境的適應能力，通過束層和不同的匯聚層協(xié)議，支持不同類型的低層網(wǎng)絡的互聯(lián)互通。

束層位于應用層的底部，運行束協(xié)議(Bundle Protocol，BP)，該協(xié)議是DTN協(xié)議棧中最重要的組成協(xié)議之一，主要包括消息轉發(fā)、節(jié)點與端點、命名與尋址、路由與轉發(fā)、安全等不同機制，負責應用層數(shù)據(jù)承載、路由轉發(fā)等功能。由于BP協(xié)議位于傳輸層協(xié)議之上，且能夠與各區(qū)域之間的底層協(xié)議相互配合，使得應用程序能夠跨區(qū)進行通信。

為了束層與傳輸層數(shù)據(jù)的格式匹配以及保障BP協(xié)議與下層傳輸協(xié)議的交互，在兩層之間引入?yún)R聚層。匯聚層充當了BP與傳輸層協(xié)議之間的接口，通過該層可增加底層傳輸協(xié)議應對惡劣環(huán)境的能力，支持適配包括TCP、UDP、LTP、Saratoga傳輸協(xié)議等。

圖3 DTN協(xié)議示意圖

3.3 空間網(wǎng)絡協(xié)議選取

SCPS協(xié)議經(jīng)過多年研究與發(fā)展，已經(jīng)遍布各個主要空間網(wǎng)絡之中，但其存在的問題也逐漸暴露出來，該協(xié)議感知能力較弱，沒有從根本上解決空間網(wǎng)絡中的固有缺陷。目前，除了SCPS-TP協(xié)議仍然在一些商用設備中使用，其他協(xié)議已經(jīng)全部停止更新維護，在CCSDS官網(wǎng)上建議采用DTN協(xié)議體系。

目前，關于DTN協(xié)議的許多關鍵技術仍在開發(fā)過程中，大部分研究只是給出了一個框架，國內(nèi)外研究內(nèi)容以理論為主，關于DTN協(xié)議在網(wǎng)絡中應用、實施和部署相對匱乏。

我國在軌衛(wèi)星數(shù)量和種類繁多，但目前沒有統(tǒng)一協(xié)議標準。協(xié)議標準欠缺是現(xiàn)階段組建我國空間信息網(wǎng)絡的首要問題，在執(zhí)行特殊任務和軍事沖突情況下，無法提供可靠持續(xù)的通信服務。

4 衛(wèi)星網(wǎng)絡路由協(xié)議

針對多層衛(wèi)星網(wǎng)絡，主要采用衛(wèi)星分組思想來劃分拓撲結構。典型星間路由協(xié)議主要有MLSR(Multilayered Satellite Routing)、SGRP(Satellite Grouping and Routing Protocol)和TDRP(Time Division Routing Protocol)三種類型。

MLSR路由協(xié)議基于每顆GEO衛(wèi)星對MEO層衛(wèi)星的覆蓋性，以及MEO衛(wèi)星對LEO層衛(wèi)星的覆蓋性，劃分為MEO衛(wèi)星分組和LEO衛(wèi)星分組兩種分組，對應GEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星分別作為MEO衛(wèi)星分組和LEO衛(wèi)星分組管理者。其拓撲信息匯總和路由計算逐層進行。SGRP路由協(xié)議與MLSR路由協(xié)議拓撲結構不同，只有LEO衛(wèi)星分組。MEO衛(wèi)星分別作為對應LEO衛(wèi)星分組管理者，負責收集LEO組拓撲狀態(tài)信息，然后進行路由計算并下發(fā)至LEO分組中各衛(wèi)星。TDRP路由協(xié)議與MLSR和SGRP路由協(xié)議基本一致，逐層進行鏈路狀態(tài)信息匯總和路由計算與分發(fā)，但該路由協(xié)議路由計算過程中考慮了層間鏈路切換引起多層衛(wèi)星網(wǎng)絡時隙劃分的問題。

MLSR、TDRP和SGRP星間路由協(xié)議均采用集中式計算方式，高層衛(wèi)星逐層匯總整個衛(wèi)星網(wǎng)絡的拓撲狀態(tài)信息后，經(jīng)過路由計算，將路由表逐層分發(fā)給各低層衛(wèi)星。由于多層衛(wèi)星層間相對運動，層間鏈路頻繁切換，衛(wèi)星網(wǎng)絡分組動態(tài)性變化，現(xiàn)有多層衛(wèi)星網(wǎng)絡星間路由協(xié)議均不能滿足層間鏈路切換頻繁的特點。因此，多層網(wǎng)絡結構需基于衛(wèi)星運行軌跡的可預知性以及衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲變化周期性，進一步完善基于衛(wèi)星鏈路切換策略的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡路由協(xié)議。

5 總結

本文圍繞衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星間組網(wǎng)的技術關鍵點，從星間網(wǎng)絡、星間鏈路、星間通信協(xié)議和星間路由四個方面系統(tǒng)歸納了國內(nèi)外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術，進一步探討了組網(wǎng)技術需要突破的關鍵技術、發(fā)展方向和解決辦法，主要結論如下。

1)單層衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構持續(xù)變動、時延大、網(wǎng)絡阻塞概率大、網(wǎng)絡抗毀性差，管理比較復雜，需要在全球布置地面站對網(wǎng)絡進行管理，不符合我國基本國情，采用多層衛(wèi)星組網(wǎng)，可以實現(xiàn)優(yōu)勢互補，提高星座管理效率。

2)高頻段微波鏈路(Ka、V頻段等)或激光鏈路技術，是實現(xiàn)更高星間測量精度和更快鏈路數(shù)據(jù)通信速率的必然發(fā)展趨勢，星地微波通信結合星間激光通信技術方案已成為星座組網(wǎng)主流。

3)空間網(wǎng)絡協(xié)議標準欠缺是我國空間信息網(wǎng)絡的首要問題，空間網(wǎng)絡通信協(xié)議體系只可參考國外現(xiàn)有的CCSDS、DNT協(xié)議，無法照搬。

4)基于衛(wèi)星運行軌跡的可預知性以及衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲變化的周期性，需進一步完善基于衛(wèi)星鏈路切換策略的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡路由協(xié)議。