空间信息网络体系验证技术研究

周红彬，尹　波

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



空间信息网络体系验证技术研究

周红彬，尹波

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要：介绍了国外空间信息网络的发展及相关项目演示验证情况，针对我国空间信息网络的体系架构及网络体系特点，对关键技术及验证需求进行了简要分析,并开展了以高轨卫星为骨干节点的网络模型构建与体系验证技术研究。基于复杂网络体系的研究方法，提出了基于需求、试验、性能评估的一体化验证框架，并对概念体系验证、技术体制验证及应用效能验证各阶段中的主要实验方法、测试流程与评价准则进行了重点描述。

关键词：空间信息网络；验证框架；体系建模；性能评估

0引言

针对复杂系统构建与验证方法，国内外均开展了很多研究[1,2]，演示验证技术在美国得到较早应用，就其近年来的系统建设实践来看，对于大规模系统的试验验证方法，正随着系统仿真、测试技术的发展，逐步从传统的仿真验证、半实物仿真验证方法向基于实况、虚拟、构造框架的体系验证方法转变，并以此为基础构建了面向特定应用领域的多个分布式验证环境。

近年来，演示验证技术在国内相关研究领域，尤其是在卫星通信、空间信息网络研究中得到了较广泛的应用，但在大系统集成验证方法、模型构建、开发标准与试验理论等方面还有待突破和完善。本文就空间信息网络体系验证的相关技术进行了探讨与分析，针对支撑空间信息网络的试验环境框架设计、实验方法及性能指标等方面提出了相应的解决方法与设计思路。

1国外空间信息网络试验验证情况

国外针对空间信息网络的研究自上世纪90年代中期就已展开。以欧美为代表的先进国家先后提出了一体化的空间信息网络体系架构设计，并开展了相关项目的演示验证[3-8]。典型的项目包括：OMNI、CLEO、IRIS、SCaN和ISICOM计划等。

OMNI项目先后开展了地面模拟试验、低轨卫星局域网试验及航天飞机IP平台试验。验证了IP协议成为通信应用协议的通用平台。CLEO项目是在卫星上搭载IP路由器，实现IP数据包在空间的路由和交换。2004年11月到2005年3月NASA对星载路由器分别进行了4次星地之间的IP路由测试，开展了移动IP和图像数据的传输试验。2006年IRIS JCTD项目开展，在GEO卫星上进行了 IP路由测试试验，将空间互联网路由转变为现实。太空互联网简化了卫星间的通信，可以在太空中卫星之间传输IP包，减少了数据传输延迟并提高了转发器利用效率。路由器软件可在轨更新，提高了灵活性并降低了成本。

NASA在2007年提出了一个完整的综合空间通信体系结构概念，并在国际太空站上试验了“行星际”互联网，对协议进行详细定义及演示验证。在2013年的月球激光通信演示(LLCD)项目中，通过月球轨道探测器上运行的激光定位系统进行了利用激光从地球向月球发送数字图像的试验验证。在试验过程中，演示了容中断网络(DTN)协议为光学链路提供数据完整性的能力，包括当云层暂时使链路中断数分钟的情况。

欧洲方面，由欧洲一体化卫星通信倡议(ISI)组织提出了一体化全球通信空间基础设施(ISICOM)系统概念，它是一种灵活、可靠、逐步部署的全球卫星通信基础设施，体系结构内的各种节点可提供一系列功能，包括广播应用大范围覆盖、通过HAP/UAV星座实现Ad Hoc热点覆盖、业务宽带接入、环境监控与早期预警系统使用的窄带覆盖等。在对关键技术的验证中，2014年11月，在“哨兵”-1A 卫星和“阿尔法”卫星之间进行了首次激光通信测试。2颗卫星通过激光链接起来，采集到的亚洲雷达数据通过下行链路近实时传送到地球，这验证了欧洲新型空间数据高速公路具备了快速传送大容量数据的能力。

2国内研究现状

国内的研究从90年代开始在空间信息网络体系结构、协议、管理、安全等领域陆续展开研究工作[9-12]。

2006年，沈荣骏院士首次提出了我国的天地一体化航天互联网构想[13]，针对我国航天任务的快速发展和问题，提出了构建综合星间、星地及地面互联互通网络系统，有机整合与航天器有关的数据接收、传输分发和运行控制等资源，向多种用户提供多种类型的信息,实现信息共享和统筹建设的构想。近期启动的空间站建设项目，旨在初步验证天、空、地一体化网络的体系结构、协议架构、组网方式和典型应用等。

与国外相比，我国在空间信息网络方面的研究虽然在顶层架构和关键技术方面已开展了广泛的工作，取得了一定的成果，但在一体化体系设计、关键技术验证和组织应用等方面还存在较大的不足。

3空间信息网体系架构

空间信息网络是以空间平台(如同步卫星、中低卫星、临近空间平台和航空器等)为载体，实时获取、传输和处理空间信息的网络系统[14-17]。作为国家重要基础设施，空间信息网络在服务远洋航行、应急救援、导航定位、航空运输、航天测控等重大应用的同时，向下可支持对地观测的高动态、宽带实时传输，向上可支持深空探测的超远程和大时延可靠传输。可从根本上解决现有信息网络全域覆盖能力有限、网络扩展和协同应用能力弱的问题。

空间信息网络可分为空间段、地面段和用户段部分，三者统一形成全球覆盖的一体化空间信息网络。

空间段主要由分布在GEO/MEO/LEO等不同轨道面上的多功能卫星及其他天基、空基信息平台等分层部署，通过星间、星空和空空等链路连接，汇集天基感知、时空基准、指挥控制等各类应用信息，为用户提供宽带传输、路由交换和信息处理等核心服务。

地面段包括所有与空间段信息平台有关的基础设施，承担着支撑网络运行的任务，主要包括了运行管理与控制中心、关口站网、数据接收网和地面测控网等。其中，运行控制与管理中心负责对空间信息网的资源、任务规划与分配和网络管理控制等功能；关口站网络完成信息的传输、交换与接入，实现与地面网络的互联互通；数据接收网络接收空间段各类飞行器的原始数据，实现一体化的信息处理、融合以及产品生成；测控网负责对航天器的测控通信、数据中继及同步等 。

用户段主要由各类应用卫星、用户航天器、用户飞行器和分布在全球不同地区的用户终端组成。在这一体系结构中，以高轨卫星为骨干的天基信息平台是空间信息网络的核心，地面系统是空间段信息网络的运行支撑，用户设备实现这一网络的应用。

4验证框架设计

目前，常用的复杂系统模型构建方法[18]，包括多代理模型、平行系统构建等，通常是将庞大的复杂系统衍化成规模较小、彼此协同和易于操作的系统，通过研究各组成部分的特性及其系统间的复杂关联，从而尽可能还原复杂系统的本质。在空间信息网络的体系验证中，除了能够合理地分解各系统，构建系统模型，明确系统间的接口，还需要考虑需求的牵引、新技术的驱动和建设周期等因素对系统演化的影响。

4.1体系验证框架

如图1中所示，空间信息网络的试验体系是与空间信息网络的建设相互作用和交替演进的。空间信息网络的应用需求与体系设计，指导着试验体系需要研究反应各种业务特征的应用模型、网络结构模型、网络节点模型和接口模型等，通过合理、有效的试验方法，来分析、验证各构成要素的功能、性能及其相互作用关系，试验的成果反过来支撑空间信息网络的顶层设计与技术体制论证，对体系设计的科学性与技术可行性提供验证手段，牵引后续技术的研究与项目实施。

图1　体系验证框架

4.2体系验证流程

在上述框架的指导下，试验体系的验证包括了3个阶段，体系验证、技术体制验证与应用效能的验证，如图2所示。一体化验证平台以需求为输入，将理论计算、仿真验证和物理验证相结合，在不同的阶段借助于不同的试验工具和手段，对网络体系设计、关键技术体制、典型应用模式等进行功能、性能验证与性能评价，从而形成一个完备的试验体系设计与评价流程。

图2　体系验证流程

5复杂网络体系验证方法

空间信息网络规模庞大、结构复杂，其空间节点高动态运动和网络时空行为复杂，业务需求随任务变化。要进行这样一个复杂大系统的演示验证，就必须借助于科学的试验方法或理论，通过从体系结构总体效能、关键技术可行性和协议及算法准确性等不同的角度对验证的内容进行逻辑分类，研究体系建模、网络级仿真、协议验证和物理验证等多种测试手段及测试方法进行协调和综合，以满足不同角度和不同应用的测试需求。

5.1体系设计与验证

系统体系建模主要面向系统应用需求，通常采用形式化描述方法来构建满足需求的体系模型与任务流程，在任务推演过程中可实时验证系统架构的有效性，为系统在概念验证与体系设计阶段提供验证手段。在体系设计领域[19]，近年来，美国、欧洲国家的主要工业部门，如雷神、洛克希德和格鲁曼公司等，也大多采用统一的建模平台，快速生成概念演示模型，从而达到科学及有效地开展系统体系与平台论证的目的。

在空间信息网设计过程中的总体论证、总体需求分析、总体设计和系统综合集成等阶段，均可以采用体系建模方法，即通过基于模型的系统工程方法，构建体系结构模型，来描述应用需求、各个组成部分的结构、逻辑关系、行为和接口等因素，同时进行体系模型的逻辑架构和行为的验证，从而支持空间信息网络的体系需求与系统架构设计的关联验证和性能评估。

开展体系建模通常包含以下阶段：第一步，进行系统需求分析，生成系统用例模型;第二步，基于系统用例进行系统功能分析、系统间的关联分析和架构设计等；最后，对已分解的系统进行详细架构设计，得到从场景出发的系统架构模型，指导技术体系设计。在空间信息网体系结构的系统分析、论证及设计过程中，可有效解决前期体系设计中的互联互通问题，提高后期综合集成的效率。

5.2系统/网络性能仿真验证

空间信息网络系统能力及关键技术的验证需要构建复杂的网络结构，利用计算机仿真工具进行辅助的仿真验证，搭建空间信息网络系统级的仿真平台，可有效支撑对系统能力、技术体制、协议和算法等方面的技术验证。

在系统仿真验证中，首先关注的是系统的覆盖性、组网能力、连通性和服务质量等性能及各项技术体制性能，期望通过仿真验证与评估，为系统的总体设计提供参考依据。因而，仿真的重点在于系统能力和技术体制应用，在仿真建模中，可简化对设备物理层的设计，对系统物理、链路等特性进行抽象，重点对系统的链路层、网络层及应用层面进行仿真性能分析与评估。在仿真实现过程中，基于统一的体系框架，分阶段、逐步地建立各节点仿真模型，最终将独立的系统仿真模型集成到一起，构成一个综合的系统仿真模型。

在模型构建方面，考虑设计支持空间骨干网络与地面网络一体化路由交换架构、多星组网可信可控路由的协议模型，包括从底层链路层到应用层的各层协议模型，并设计各模块之间的接口规范、通信流程。在此基础上，实现节点实体模型，包括骨干卫星节点模型、接入卫星节点模型、天基用户模型、临近空间平台模型、航空器模型以及地面网络及用户模型等。

5.3协议体系验证

在基本确定系统的技术体制后，协议体系的设计与验证是组网设计中的一项重要环节。空间信息网络的协议体系涉及到链路层、网络层、传送层和应用层等。协议体系的验证考虑以形式化方法为基础，包括了基于形式化描述的协议模型构建、协议验证和性能分析、协议实现及协议测试等方面。

在协议验证平台方面，一般包括专用的协议测试工具和通用的协议测试平台。专用型的测试工具是针对某一个协议进行测试，如TCpiunk专门用于测试TCP协议。通用平台如Telelogic Tau，是用于描述抽象测试集的一种形式化方法，它通过维护一种全球适用的标准测试语言来构建通用的测试平台，并开放广泛的接口用于描述许多类型的系统测试。在空间信息网的协议验证阶段，可借助于Tau等通用工具，实现协议的仿真、测试执行和错误检测等功能，并考虑从逻辑正确性、可达性、有界性、可恢复性和公平性等方面进行协议体系的全面、深入验证。

5.4性能评估与判定

空间信息网络需要验证体系结构设计的逻辑正确性、各类技术应用的可行性以及系统设计针对各类应用需求的满足程度，因而需要建立综合的性能指标评估体系，对网络体系各功能构成的效能进行分析和综合。

系统论证阶段可采用理论计算与仿真相结合的方式，对系统总体技术进行研究和分析，通过概念验证，确定系统的体系组成与应用流程，评估系统整体能力与应用需求的满足程度。

在技术验证阶段，基于技术仿真及实验环境测试数据，采用模拟仿真方法实现对关键技术及设备主要性能指标的分析及评价。

在集成测试阶段，建立性能评估模型及各类知识库，实现对系统及组成多角度、多体系的性能分析与判定。

各阶段的性能评价手段相互支撑、评价的内容互有侧重，从空间信息网络的实用性、先进性、扩展性、鲁棒性、安全性等多方位全面评价演示验证系统。

6结束语

目前，我国已开展了空间信息网络相关领域研究，在相关技术关键点的研究上得到了突破。但在系统总体规划、应用模式探索、新技术研究与设计等方面还存在较大的不确定性和技术风险，需要尽快开展技术可行性的验证研究。本文从展示新方法、新技术的综合应用及准确、及时地分析、评估系统能力出发，针对空间信息网的应用需求，开展了试验体系框架设计、关键试验方法及性能评价的初步研究，从而为复杂大系统试验、测试和综合性能评价提供技术参考。

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Research on Spatial Information Network System Validation Technology

ZHOU Hong-bin,YIN Bo

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

Abstract：The foreign spatial information network development and demonstration experiment projects are introduced in this paper.Considering the domestic spatial information architecture and characteristics,this paper briefly analyzes the key technologies and validation requirements,and studies the network model construction and system validation technologies by taking high-orbit satellite as backbone node.Based on research method of complex network system,an integrated architecture of requirement,experiment and performance assessment is designed.The main experiment method,test procedure and and assessment criterion in such stages as concept system validation,technical system validation and application effectiveness validation are described in detail.

Key words：spatial information network;validation architecture;system construction;performance assessment

中图分类号：TP391.4

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-16-4

作者简介：周红彬 (1973—)，女，高级工程师，主要研究方向：卫星通信。尹波 (1982—)，男，工程师，主要研究方向：卫星通信。

基金项目：国家部委基金资助项目

收稿日期：2015-11-19

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.04

引用格式：周红彬，尹波.空间信息网络体系验证技术研究[J].无线电通信技术,2016,42(2):16-19,47.