CN110012558A - 一种具有网络重构能力的卫星网络架构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有网络重构能力的卫星网络架构，包括天基网络和陆地骨干网，所述天基网络包括天基骨干网、天基接入网、天基感知网，其中，所述天基骨干网主要由地球同步轨道卫星组成，所述天基接入网主要由低轨卫星星座组成，所述天基感知网主要由遥感卫星、气象卫星、导航卫星中的任意一种或者其任意组合组成。本发明的有益效果是：解决了高、中、低轨道卫星联合组网融合利用，通信、导航、遥感卫星协同工作的天基信息网络的架构设计问题，实现了对现有空间各类卫星资源的整合利用，建成了混合异构的、具有卫星网络灵活重构功能的卫星网络架构。

Description

一种具有网络重构能力的卫星网络架构

技术领域

本发明涉及卫星网络架构，尤其涉及一种具有网络重构能力的卫星网络架构。

背景技术

天地一体化信息网络是一项信息基础设施研究和建设项目，通过融合天基卫星通信网络、空基飞行器通信网络、地基陆地通信网络，实现天、空、地三网协同，达到全球覆盖、随处接入、按需服务、安全可信全球网络连通的目标。

天地一体化信息网络包含三张网。第一张网是由各类卫星组成的天基信息网络，它将空间中的通信、导航、遥感卫星组成一张协同网络作为空间信息基础设施；第二张网是由各类飞行器组成的空基通信网络，它包括各类飞机、飞艇、热气球以及无人机等，空基网络多用于中继作用来沟通天基和地基网络；第三张网是由陆地通信网构成的地基网络，包括陆地蜂窝网和WLAN等陆地数据传输技术。

这三张网中，天基网络和地基网络分别构成天、地的骨干网络，是天地一体化信息网络中重要组成部分，空基网络在天、地骨干网间起中继传输作用，是骨干网络的辅助部分。就我国当前的技术和产业发展水平来看，地基网络技术先进、基础设施建设完善、市场发展成熟，我国在陆地通信网络方面占据国际话语权；然而，由于技术起步晚和一些历史原因，我国天基网络设施建设还不够完善，通信容量缺口较大，覆盖范围仍需进一步加强。因此，推进天地一体化信息网络的重中之重是建设和完善天基网络。

现有技术中公开号为104780569A，名称为“多层卫星网络信道资源管理方法”的专利，其主要目的是设计了一种多层卫星网络信道资源管理方法，该方案的多层卫星即高轨卫星和中低轨卫星。其首先提出了一段时间小区内允许接入新呼叫用户业务量的预测模型，预测了允许接入业务量，为不同用户接入多层卫星网络提供了决策支持；然后针对多层卫星网络进行信道资源分配，提高了整个卫星网络的信道资源利用率；再利用博弈论改进用户接入优先级策略，保证高优先级用户接入的同时，提高了整体用户满意度。该技术只介绍了信道资源分配的策略，对于如何设计能够实现这种分配策略的卫星网络架构并未提及，并且未提及卫星网络灵活重构功能的设计实现。

现有技术中公开号为107872348A的发明专利，名称为：“一种面向天地一体化网络的分域层次化控制方法、装置和系统”，其主要目的是设计一种面向天地一体化网络的分域的层次化控制方法、装置和系统。该方法在天地一体化网络中，通过将各网络传输设备节点信息进行上报，即最底层设备信息上报到下层控制器，再由下层控制器进行汇总上报到上层控制器，各层控制器得到自己管辖网络范围内的网络详细信息。在进行网络管理时，每个控制器负责自己管辖网络区域内的所有业务，业务跨域时由业务节点选择能够覆盖完整跨域区域的控制器进行管理，利用从管理者或上层控制器得到的相关控制策略进行计算，得到结果控制器下发给业务节点。其方案称满足了天地一体化信息系统需要混合化的管理模式，即在终端统一管理的基础上，各终端组、自治域中仍然具有一定程度的单独管理能力。该技术从卫星网络拓扑上介绍了卫星网络管理的方式，但未涉及到通信、导航、遥感多类型卫星数据融合协助要求下的异构卫星网络的组网架构设计方案，并且未提及卫星网络灵活重构功能的设计实现。

建设天基信息网络，就要把现有空间的卫星资源充分利用起来，建成一个混合异构的卫星网络，简要概括其特点就是：高、中、低轨卫星结合，通、导、遥卫星协同。

以往单纯的同步轨道（高轨）卫星通信系统和中低轨道卫星星座系统都存在各自不足。对于地球同步轨道卫星通信而言，由于卫星距离地球遥远，导致通信传播时延明显；同时，由于卫星与地球的相对位置是赤道上空的固定位置，导致所有的地球同步轨道卫星都无法有效覆盖两极地区；最后，由于地球同步轨道位置资源稀缺，频率资源有限，即使近年来高通量卫星投入使用，但有限数量的地球同步轨道卫星仍然无法满足日益增长的通信需求，且缺口巨大。

而对于中低轨卫星星座系统而言，由于其无法保持与地球保持相对静止，一直不断地进行绕地飞行，因此其通信链路稳定性不如地球同步轨道卫星，同时对终端天线的信号跟踪能力有着较高要求，这大大增加了用户终端成本。此外，中低轨道卫星系统如果要实现对全球的有效覆盖，其星座内所需的低轨通信卫星数目是庞大的，例如美国SpaceX公司最近向美国联邦通信委员会（FCC）提交了总数达4425颗卫星的低轨星座组网计划，OneWeb公司将于2019年开始运营的第一代低轨星座系统也达到了882颗卫星，并且已经计划增加2000颗卫星，数量庞大的卫星将大大激化空间卫星轨位和频率资源紧张的矛盾，完全实施全部低轨卫星计划非常困难。

尽管各自有不足，但地球同步轨道卫星和中低轨卫星各自的优势能够互补另一方的不足。例如高轨卫星广阔而稳定的覆盖面积能有效解决中低轨卫星星座通信不稳定的问题，再比如中低轨道卫星星座中数量繁多的卫星能够提供比单一地球同步轨道卫星大得多的通信容量。因此，打破两种卫星网络各自独立的网络体系，实现高中低轨卫星联合组网，应是设计天基网络的总原则。

除了实现不同轨道高度上卫星的联合组网，还应将我国现有各类型卫星综合考虑，统一融合入天基网络中来。当前，我国现有卫星从应用类型来分，主要有三大类，即通信、导航和遥感卫星。通信卫星执行的是我们日常生活中的语音通话和数据传输服务，如亚太系列卫星、中星系列卫星；导航卫星负责提供定位服务，如北斗导航系统；遥感卫星提供对地观测服务，如环境监测卫星、气象卫星等。导航卫星和遥感卫星虽然不是为通信而设计，但却是天基信息网络的重要组成部分，能够感知和获取地面环境信息，从而为天基通信网络资源重构和分配提供依据。

因此，如何解决高、中、低轨道卫星联合组网融合利用，通信、导航、遥感卫星协同工作的天基信息网络的架构设计问题，实现对现有空间各类卫星资源的整合升级，建成混合异构的、具有卫星网络灵活重构功能的卫星网络架构是本领域技术人员所亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种具有网络重构能力的卫星网络架构。

本发明提供了一种具有网络重构能力的卫星网络架构，包括天基网络和陆地骨干网，所述天基网络包括天基骨干网、天基接入网、天基感知网，其中，所述天基骨干网主要由地球同步轨道卫星组成，所述天基接入网主要由低轨卫星星座组成，所述天基感知网主要由遥感卫星、气象卫星、导航卫星中的任意一种或者其任意组合组成，所述天基骨干网分别与所述天基接入网、天基感知网、陆地骨干网通信连接，所述天基接入网与所述陆地骨干网通信连接。

所述天基骨干网除了承担数据传输、保证通信稳定覆盖以外，还负责与陆地骨干网交换控制天基网络各卫星节点的控制信令，用以调整和重配置天基网络、调配天基网络资源，所述天基接入网用于所述天基骨干网、陆地骨干网之间的通信中转，所述天基感知网用于向所述天基骨干网提供感知信息。

作为本发明的进一步改进，所述卫星网络架构还包括数据模块、认知模块和虚拟化控制模块，所述数据模块、认知模块分别与所述虚拟化控制模块连接。

作为本发明的进一步改进，所述认知模块从所述天基骨干网和所述天基接入网获取网络状态信息，并将所获得的网络中业务服务和可分配的无线资源信息提供给所述虚拟化控制模块，为所述虚拟化控制模块划分网络切片，实现资源共享提供参考，另一方面，所述认知模块收集所述天基接入网资源和位置的信息，根据业务特征相似度，将相似度高于设定阈值的卫星划分为群落。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟化控制模块收到所述认知模块提供的卫星网络状态和卫星接入网信息后，根据可分配的资源和用户业务将网络资源切片，每个切片是卫星网络资源共享的单位，用户分得网络资源切片，代表着可以使用切片对应的卫星和无线资源。

作为本发明的进一步改进，所述数据模块主要由天基网络的无线资源组成，用于天基网络中数据的传输。

作为本发明的进一步改进，在虚拟化控制的天基网络中，所述数据模块的资源被所述虚拟化控制模块切片并分配给用户。

作为本发明的进一步改进，所述认知模块对网络环境进行感知，将网络信息反馈给所述虚拟化控制模块，所述虚拟化控制模块则根据所述认知模块反馈的网络信息，按照地理位置和业务特征相似度集中地将无线网络设施划分为小区簇，无线网络设施为地球同步轨道卫星或者低轨卫星星座，而在每一个小区簇里，各种无线资源设施抽象为一个资源池，再在小区簇内按照本簇业务特征对簇内资源池的资源进行切片划分，每一个资源切片中包含的无线资源则映射到数据模块对应的物理资源上，在数据模块中传输数据。

本发明的有益效果是：通过上述方案，解决了高、中、低轨道卫星联合组网融合利用，通信、导航、遥感卫星协同工作的天基信息网络的架构设计问题，实现了对现有空间各类卫星资源的整合利用，建成了混合异构的、具有卫星网络灵活重构功能的卫星网络架构。

附图说明

图1是本发明一种具有网络重构能力的卫星网络架构的示意图。

图2是本发明一种具有网络重构能力的卫星网络架构的逻辑功能架构图。

具体实施方式

下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1至图2所示，一种具有网络重构能力的卫星网络架构，包括天基网络和陆地骨干网4，所述天基网络包括天基骨干网1、天基接入网2、天基感知网3，其中，所述天基骨干网1主要由地球同步轨道卫星组成，所述天基接入网2主要由低轨卫星星座组成，所述天基感知网3主要由遥感卫星、气象卫星、导航卫星中的任意一种或者其任意组合组成，陆地骨干网4主要由关口站和陆地骨干网4网关组成，所述天基骨干网1分别与所述天基接入网2、天基感知网3、陆地骨干网4通信连接，所述天基接入网与所述陆地骨干网通信连接。

如图1至图2所示，地球同步轨道卫星即地球同步轨道通信卫星，低轨卫星星座即低轨通信卫星星座。

卫星分类：卫星种类分为通信卫星、导航卫星和遥感卫星。通信卫星的作用是传输话音和多媒体数据，用于用户间的的通话、上网和多媒体服务；导航卫星用于定位服务，用户通过接受导航卫星的信号确定自己的位置，从而实现导航；遥感卫星用于对地观测，通过光学扫描、成像（即拍照），拍摄出地表的照片，从而知道地球上发生的情况，可用于气象、测绘、侦查等。

高轨通信卫星：本实施例中的高轨卫星特指地球同步轨道通信卫星。用位于赤道上方35800km的对地同步卫星开展通信业务的条件。在这个高度上，一颗卫星可以覆盖三分之一个地球，形成一个区域性通信系统，该系统可以为其卫星覆盖范围内的任何地点提供服务。静止卫星上的天线所辐射的电波，对地球的覆盖区域基本是稳定的，在这个覆盖区内，任何地球站之间可以实现24小时不间断通信。因此,同步轨道静止卫星主要用于陆地固定通信，如电话通信、电视节目的转播等，但也用于海上移动通信。

低轨通信卫星星座：低轨道卫星系统一般是指多个卫星构成的可以进行实时信息处理的大型的卫星系统，其中卫星的分布称之为卫星星座。低轨道卫星可以用于通讯，卫星的轨道高度低使得传输延时短，路径损耗小。多个卫星组成的通讯系统可以实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。蜂窝通信、多址、点波束、频率复用等技术也为低轨道卫星移动通信提供了技术保障。低轨道卫星是近年兴起的卫星移动通信系统。由于低轨卫星和地球不同步，所以星座在不断的变化，各卫星的相对位置也在不断的变化之中。

天基网络是天地一体化信息网络天、地两个骨干网之一，承担天基信息骨干网传输的重要任务，与地面骨干网的体系架构相类似，天基网络也分为天基骨干网1（核心网）和天基接入网2，如图 1所示。

图中，地球同步轨道卫星由于覆盖面积大、通信链路稳定可靠，作为天基网络的骨干核心网，其作用类似于陆地核心网，用来联通网络中各个卫星节点。地球同步轨道卫星组成的天基骨干（核心）网1除了承担骨干网数据传输（包括星间和星地）、保证通信稳定覆盖以外，还负责与地面的陆地骨干网4交换控制天基网络各卫星节点的控制信令，用以调整和重配置天基网络、调配天基网络资源。

中低轨道卫星星座（即低轨卫星星座）中的卫星处于不断绕行地球的状态，当卫星飞临用户上空时便可提供数据通信服务，还要保证用户上空总是至少有一颗卫星飞过，就可以保证连续通信。中低轨卫星距离地球较近，信号衰减较小，信道质量较好，同时由于卫星数量较多，所能提供的数据传输容量也大于地球同步轨道卫星，是作为天基接入网2的理想选择，其作用类似于陆地网络中的通信基站。

导航卫星、遥感卫星、气象卫星则组成了天基感知网4，导航卫星提供用户终端所处的位置，用以调配地区通信资源和决策如何就近接入天基网络，同时基于用户的地理位置提供诸如轨迹监控、遇险救援、经营调度等服务；气象卫星则对全球降雨、降雪等恶劣天气进行观测，用于天基网络资源的调度，以将恶劣天气对卫星信号衰减造成的影响降到最低；遥感卫星则可以配合导航卫星提供全球指定位置的图像信息，供天基网络分配资源到重点地区参考。

如图1至图2所示，所述卫星网络架构还包括数据模块、认知模块5和虚拟化控制模块6，所述数据模块、认知模块5分别与所述虚拟化控制模块6连接。

天基网络融合了高中低不同轨道的卫星和通信、导航、遥感各种类型的卫星，如果不对网络逻辑架构重新设计，那么天基网络仅仅是多种卫星“物理融合”的混合网络，为了真正实现多类型卫星融合组网，实现我国卫星资源的大联合，天基网络的各类型卫星资源需要进行“化学融合”。要实现这个目标，天基网络的逻辑架构必须重新设计，支持一个关键的网络功能：网络重构功能。

网络重构的核心是将卫星网络的实体进行功能抽取，屏蔽不同类型卫星网络的物理差别，形成一个虚拟统一的卫星网络资源池，来进行各类型资源的无差别统一调度，从而实现整个卫星网络的虚拟化控制和高度融合。新的天基网络逻辑架构设计按照如下方案实施，如图 2所示。

天基信息网络逻辑架构划分为数据模块（包括天基骨干网1、天基接入网2）、认知模块5、虚拟化控制模块6三个逻辑功能模块。各逻辑功能模块的作用如下。

认知模块5（又称认知平面）：认知模块5由各类导航卫星、遥感卫星、卫星测控系统和通信卫星的测量系统组成。卫星网络虚拟化控制需要实现对资源的灵活管控和共享，这需要捕获卫星网络的状态信息，包括数据业务类型，可用卫星节点和其位置、用户位置、无线空口资源、传播环境信息、用户业务QoS要求等。认知模块5可以从天基骨干网1和天基接入网2获取网络状态信息，并将所获得的网络中业务服务和可分配的无线资源信息提供给虚拟化控制模块6，为虚拟化控制模块6划分网络切片，实现资源共享提供参考。另一方面，认知模块5收集天基接入网2资源和位置的信息，根据业务特征相似度，将相似度高的卫星小区划分为群落，减少控制模块资源管理时的复杂度。

虚拟化控制模块6（又称虚拟化控制平面）：虚拟化控制模块6收到认知模块5提供的卫星网络状态和卫星接入网信息后，根据可分配的资源和用户业务将网络资源切片。每个切片是卫星网络资源共享的单位，其构成可能是多种资源，例如频谱、波束；卫星；时间、功率、编码等，如图 2右侧所示。用户分得网络资源切片，代表着可以使用切片对应的卫星和无线资源。例如，用户分到的资源切片由地球同步轨道卫星和低轨卫星资源组成，表示用户可以使用对应地球同步轨道卫星和低轨卫星及其资源来传输数据。

数据模块（又称数据平面）：数据模块包括了所有的天基接入网2节点（包括地球同步轨道卫星的通信能力）和其无线资源。在异构卫星网络中，它由高、中、低轨道卫星以及其对应无线资源构成。数据模块承载了天基网络中数据的传输。在虚拟化控制的天基网络中，数据模块的资源，如频率、波束和卫星，被控制模块切片并分配给用户。

这三个模块协作实现了天基网络虚拟化。认知模块利用遥感、导航卫星和认知无线网络技术，对网络环境进行感知，将网络信息（如业务需求类型、地理位置、流量大小、用户种类等）反馈给虚拟化控制模块6。虚拟化控制模块6采用“联邦管控”的集中加分布的方式管理网络，即根据认知模块5反馈的网络信息，按照地理位置和业务特征相似度集中地将无线网络设施（如高中低各轨道卫星）划分为小区簇，而在每一个小区簇里，各种设施的无线资源抽象为一个资源池，再在簇内按照本簇业务特征对簇内资源池的资源进行切片划分，每一个资源切片中包含的无线资源则映射到数据模块对应的物理资源上，在数据模块中传输数据。

需要指出的是，对网络设施（如高中低各轨道卫星）进行分簇，以联邦群落的方式进行管控，能够在相似业务特征的小区内，把资源切片的复杂度大大降低，这使大规模天基网络的资源灵活分配成为可能。此外，群落式分布管理也利于无线虚拟化天基网络简化信令流程。

本发明提供的一种具有网络重构能力的卫星网络架构，解决了高、中、低轨道卫星联合组网融合利用，通信、导航、遥感卫星协同工作的天基信息网络的架构设计问题，实现了对现有空间各类卫星资源的整合升级，建成了混合异构的、具有卫星网络灵活重构功能的卫星网络架构。

本发明提供的一种具有网络重构能力的卫星网络架构，与现有技术方相比，具有的优点和效果如下：

首先，现有方案至多从卫星网络拓扑上介绍了卫星网络管理的方式，或是只介绍了信道资源分配的策略，但并未提及如何设计卫星网络架构能够实现这种分配策略，也未涉及到通信、导航、遥感多类型卫星数据融合协助要求下的异构卫星网络的组网架构设计方案，并且未提及本提案核心的卫星网络灵活重构功能的设计实现。

而应用本方案阐述了高、中、低轨卫星结合，通、导、遥卫星信息融合、协同组网的异构卫星网络设计方案，其设计方案有如下优点：1.充分利用不同轨道高度、不同应用类型卫星的特点和优势，采用同步轨道卫星为骨干网、中低轨卫星为接入网的方式大大提升了网络传输容量和通信覆盖面积，将导航、遥感卫星融合进天基信息网络设计，有效利用了导航和遥感数据，提升了卫星综合服务能力；2.提出了具有卫星网络重构能力的卫星网络虚拟化逻辑功能设计，将卫星网络的实体进行功能抽取，屏蔽不同类型卫星网络的物理差别，形成一个虚拟统一的卫星网络资源池，来进行各类型资源的无差别统一调度，从而实现整个卫星网络的虚拟化控制和高度融合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：包括天基网络和陆地骨干网，所述天基网络包括天基骨干网、天基接入网、天基感知网，其中，所述天基骨干网主要由地球同步轨道卫星组成，所述天基接入网主要由低轨卫星星座组成，所述天基感知网主要由遥感卫星、气象卫星、导航卫星中的任意一种或者其任意组合组成，所述天基骨干网分别与所述天基接入网、天基感知网、陆地骨干网通信连接，所述天基接入网与所述陆地骨干网通信连接。

2.根据权利要求1所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：所述天基骨干网除了承担数据传输、保证通信稳定覆盖以外，还负责与陆地骨干网交换控制天基网络各卫星节点的控制信令，用以调整和重配置天基网络、调配天基网络资源，所述天基接入网用于所述天基骨干网、陆地骨干网之间的通信中转，所述天基感知网用于向所述天基骨干网提供感知信息。

3.根据权利要求1所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：所述卫星网络架构还包括数据模块、认知模块和虚拟化控制模块，所述数据模块、认知模块分别与所述虚拟化控制模块连接。

4.根据权利要求3所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：所述认知模块从所述天基骨干网和所述天基接入网获取网络状态信息，并将所获得的网络中业务服务和可分配的无线资源信息提供给所述虚拟化控制模块，为所述虚拟化控制模块划分网络切片，实现资源共享提供参考，另一方面，所述认知模块收集所述天基接入网资源和位置的信息，根据业务特征相似度，将相似度高于设定阈值的卫星划分为群落。

5.根据权利要求3所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：所述虚拟化控制模块收到所述认知模块提供的卫星网络状态和卫星接入网信息后，根据可分配的资源和用户业务将网络资源切片，每个切片是卫星网络资源共享的单位，用户分得网络资源切片，代表着可以使用切片对应的卫星和无线资源。

6.根据权利要求3所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：所述数据模块主要由天基网络的无线资源组成，用于天基网络中数据的传输。

7.根据权利要求6所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：在虚拟化控制的天基网络中，所述数据模块的资源被所述虚拟化控制模块切片并分配给用户。

8.根据权利要求3所述的具有网络重构能力的卫星网络架构，其特征在于：所述认知模块对网络环境进行感知，将网络信息反馈给所述虚拟化控制模块，所述虚拟化控制模块则根据所述认知模块反馈的网络信息，按照地理位置和业务特征相似度集中地将无线网络设施划分为小区簇，无线网络设施为地球同步轨道卫星或者低轨卫星星座，而在每一个小区簇里，各种无线资源设施抽象为一个资源池，再在小区簇内按照本簇业务特征对簇内资源池的资源进行切片划分，每一个资源切片中包含的无线资源则映射到数据模块对应的物理资源上，在数据模块中传输数据。