卫星互联网组网技术研究

中国电子信息产业集团有限公司第六研究所 北京 100083

引言

2020年4月，卫星互联网被列入新型基础设施范围并上升为国家战略性工程，是我国天地一体化信息系统的重要组成部分[1]。在未来网络演进中，卫星互联网将与新一代地面通信系统、人工智能、物联网、工业互联网等信息技术深度融合，形成天、空、地三维一体互联互通的立体化智能化通信网络[2]。卫星互联网主要依托空间卫星星座，实现全球范围内互联网无缝链接，随时随地向用户提供宽带互联网接入和业务服务，是继有线互联、无线互联之后的第三代互联网基础设施，是未来网络基础设施发展的必然趋势[3-4]。

由于空间卫星运行轨道和频谱资源有限，当前采取“先申报就可优先使用”的抢占方式，很多国家和组织出于自身利益考虑，先占领轨道位置及频率而后发射卫星，空间卫星频率与轨道资源日益成为各国抢占对象，因此卫星互联网对外层空间主动权具有重要战略意义[5]，不仅在军事(侦察、导弹预警等)领域举重若轻，而且在气象、环保、海洋、无人机等民用领域有着较大的应用需求。当前国外已进入卫星星座密集部署阶段，而国内企业尚处于卫星互联网空间及地面段早期基础设施建设阶段，国内外卫星互联网技术发展存在较大差距。除此以外，卫星批量化制造、快速组网、星座运营控制、网络协议和星间链路的设计等关键核心问题还没完全解决。

本文归纳了卫星互联网系统的发展趋势，并给出建设卫星互联网系统需要突破的关键技术，为建设卫星互联网系统的建造提供思路、借鉴与参考，为空间信息综合利用信息网的构建提供参考。

1 卫星网络结构

卫星组网主要有单层卫星网络和多层卫星网络两种，较为成熟的卫星网络通常采用单层卫星网络方式。随着卫星网络发展，单层卫星网络已难以满足系统设计需求，具有星间链路的立体化多层卫星网络成为卫星领域研究热点。

1.1 单层卫星网络

单层卫星网络是指具有相同轨道高度的卫星星座组成的网络。单层卫星网络包括高轨卫星网络(Geosynchronous Earth Orbit，GEO)、中轨卫星网络(Medium Earth Orbit，MEO)和低轨卫星网络(Low Earth Orbit，LEO)。

GEO卫星网络典型系统有Spaceway、Inmarsat等，在军、民应用中取得巨大成功。GEO卫星网络系统具有卫星数量少、全球覆盖、切换少和卫星跟踪控制简单等优点，其缺点主要表现在通信链路距离长、链路损耗大、传播时延大、不适合地面端小功率用户、无法覆盖高纬度地区。

MEO卫星网络一般由十几颗卫星构成，典型系统主要有Odyssey、ICO等。MEO卫星网络满足时延的要求，相对于LEO卫星网络，MEO卫星网络切换概率低、多普勒效应少，空间控制系统和跟瞄系统简化。

LEO卫星网络一般由几十颗卫星组成。近年来，国外高科技公司纷纷投资LEO卫星通信领域，提出了OneWeb、Starlink等十余个LEO卫星通信系统方案。LEO卫星链路性能优越、传输时延小、体积小，但系统建设周期长、投资大、空间控制系统复杂。不同轨道高度卫星网络优缺点汇总，如表1所示。

表1 不同轨道卫星组网优缺点

1.2 多层卫星网络

由于单层卫星网络的局限性，很难满足业务多样化、传输可靠化、覆盖全球化的新需求。综合各层卫星网络的优势，多层立体卫星网络的概念逐渐被提出。在空间进行多层混合布星，利用星间链路建立一个层间、层内相互通信的立体卫星网络，实现所有卫星节点的组网通信。与单层卫星网络相比，多层卫星网络较单层卫星网络系统有更好的空间频谱利用率、覆盖仰角、重数等特征[6]。

多层卫星网络典型的代表是双层和三层卫星网络结构。

1.2.1 双层卫星网络

双层卫星网络一般以LEO-MEO双层卫星网络居多。Kimura首先提出了LEO-MEO双层卫星网络，其中MEO间由层内星间链路(Inter-Satellite Links，ISL)相连接，并与可视范围内的LEO通过轨内星间链路(Inter-Orbital Links，IOL)相连接；LEO间无ISL。LEO负责与小型移动终端通信，以减少链路损失；MEO作为LEO的中继，同时负责地面站与大型终端的通信[7]。进一步地，Jaeook提出了LEO间具有ISL连接的SoS(Satellite over Satellite)网络结构。对于短距离业务，LEO卫星通过LEO层的ISL进行传输，对于长距离业务，LEO卫星通过MEO-LEO层的ISL由MEO进行中继。

1.2.2 三层卫星网络

三层卫星网络以LEO-MEO-GEO三层结构为主。MEO-MEO、LEO-LEO、GEO-MEO、MEO-LEO之间都存在星间链路。GEO卫星为路由算法决策中枢，负责资源调度和路由信息的分发；MEO卫星实现全球覆盖；LEO卫星为地面移动终端提供接入服务，承载通信业务。

1.3 卫星网络选取

为满足用户能够随时随地进行通信的需求以及多种业务的性能要求，卫星互联网网络中节点的高速移动、拓扑结构的动态变化对星座设计和最短路径优化提出难题和挑战。单层卫星网络拓扑结构持续变动、时延指标过高、网络阻塞概率大、网络抗毁性差，管理比较复杂；需要在全球布置地面站对网络进行管理，带来复杂的地缘政治问题，不符合当前我国的基本国情。多层卫星网络组网，可以实现优势互补，提高星座管理效率。

2 卫星网络链路

图1为典型的LEO-MEO双层卫星网络星间链路示意图。通过星间链路可实现层内、轨间卫星之间的信息传输和交换，降低卫星系统对地面网络的依赖。其中，LEO卫星分为若干个卫星群，每个卫星群分别通过IOL链路与MEO卫星寻址对接；MEO卫星之间也会通过ISL链路进行数据通讯。多层卫星网络系统链路分工明确、可替换链路多、抗毁能力强。但由于其节点类型复杂多变，组网实施比较复杂，对技术要求较高。本节主要展望了星间链路的发展趋势和未来的研究方向，相关内容可为星间链路的进一步研究提供参考。

图1 卫星网络星间链路示意图

目前，大部分卫星系统主要依靠地面通信站来进行信息中继服务，如果地面站发生故障或被摧毁，卫星系统将整体陷入瘫痪状态。卫星链路降低了卫星通信对地面站的依赖，可实现空中网络节点的连接和组网，将多颗卫星有机地组合为一个整体，形成星座系统，达到网络优化管理以及连续性服务的目标。

近年来，在具备宽带、大容量、低延迟和全球覆盖等特色的低轨卫星系统的推动下，星间链路成为研究热点。卫星系统链路按照工作频率主要分为微波链路和激光链路两种。

2.1 微波链路

微波是指频率在0.3~300 GHz之间的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称。微波频率比一般的无线电波频率高，因此微波也被称为超高频电磁波。国际电信联盟(International Telecommunication Union，ITU)和电气和电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)划分的通信卫星微波频率如表2所示。

表2 卫星通信系统链路频率

卫星通信一般使用L、S、C、X、Ku和Ka频段电磁波。低频率(如L、S、C频段)电磁波，具有增益低、雨衰小、需要天线口径较大的特点，该频段电磁波更适合对通信质量有严格要求的业务场景，目前该频段空间资源紧张。高频率(如Ku和Ka频段)电磁波，具有增益高、雨衰大、需要天线口径较小的特点，该频段微波适合于数据高速传输的业务场景。当前，大多数低轨卫星星座选用高频段的Ka或V电磁波实现全球通信服务。

星间微波链路具有成本低廉、测距方式灵活、组网灵活方便、跟瞄捕获容易、技术比较成熟、系统可靠性较高等优点，但由于微波通信频段的容量有限，难以满足信息技术高速增加的空间卫星通信需求；同时，微波通信系统之间的干扰问题随轨道内的卫星数量的增加不断突显[8]。

2.2 激光链路

卫星激光通信指在卫星信道当中，以激光光束作为传输信息载体在空间进行图像、信号等信息传递。目前，空间激光通信系统主要选用半导体激光器作为光源，激光通信系统波长主要选用0.8~1.0μm波段。激光链路通信可用于相同轨道内卫星间通信(如GEOGEO、LEO-LEO)，也可以用于不同轨道内卫星间通信(如GEO-LEO)。随着全球低轨卫星星座的快速布局，星间链路对激光链路的需求更加急迫[9]。

与微波链路相比，激光链路的优势具体表现在：频带宽，链路通信容量较大；设备功耗、质量、体积较小，对卫星平台和卫星通信终端的轻量化、小型化具有重要意义；波束发散角较小，具有良好的抗干扰和抗截获性能，系统安全性高；设备间无射频信号干扰，无需申请空间频率使用许可证。但星间激光链路波束窄，瞄准、捕获、跟踪系统复杂，因此激光跟踪技术是激光星间链路的关键技术之一[10]。

2.3 星间链路选取

微波链路卫星通信系统在数据中继卫星、军事通信卫星、中低轨道通信卫星等系统应用较为广泛。按照目前中低轨道星座项目公布的资料来看，Iridium系统建立Ka频段星间链路；O3b、OneWeb和Globalstar系统不设置星间链路；Starlink、LeoSat和Telesat系统计划采用激光链路建立空间骨干网；“鸿雁”和“行云”系统均计划采用激光链路实现空间组网，达到网络优化管理以及服务连续性的目标。目前，“行云”二号卫星已完成星间激光链路技术试验。

在大规模卫星通信星座发展的推动下，使用高频段微波链路或激光链路通信技术，实现更高的测量精度和更快的通信速率是必然发展趋势，星地微波通信结合星间激光通信技术方案已成为星座组网主流。

3 卫星网络协议

未来空间网络是卫星、航天器、空间站以及探测传感器等多元载体与地面网络深度融合形成的一体化复杂异构型网络，传统的点对点单通道网络模式转变为点对面的多通道网络模式。由于空间环境限制，卫星互联网具有网络拓扑结构动态变化、传播延时长、误码率高、带宽不对称的特点。随着空间资源探索，卫星网络及其互联技术的研究和开发受到越来越多重视[11]。

3.1 空间网络CCSDS协议

为促进空间机构之间以标准化方式来实现资源互用和数据交换与处理，各国空间组织管理部门正式组建成立空间数据系统协商委员会(Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS)。该组织负责空间信息技术标准制定，开发一系列的空间数据系统标准化通信体系结构，形成CCSDS协议，有部分CCSDS协议已经成为国际标准化组织的正式标准[12]。

3.1.1 CCSDS协议发展

20世纪80年代的CCSDS空间数据链路协议主要包括遥测(Telemetry，TM)空间数据链路协议、遥控(Telecommand，TC)空间数据链路协议和高级在轨系统标准(Advanced Orbiting system，AOS)空间数据链路协议。TC数据链路协议使用可变长度的传输帧，将数据从航天器发送遥测信息到地面；TM数据链路协议使用固定长度传输帧，将控制信号从地面发送到航天器；AOS空间数据链路协议使用固定长度传输帧，在航天器和地面间建立双向数据链路。

TC、TM、AOS空间数据链路协议均无法保证数据传输的完整性和时效性，引入重传控制机制保障数据信息无间隔、无重传、按顺序发送到接收端。随后CCSDS进一步对TC、TM和AOS三个协议进行分解和合并，形成TM、TC、AOS空间链路协议和TM/TC同步与信道编码等协议。以上两个协议涵盖了数据链路层和网络层。此外，CCSDS在物理层开发了一个用于航天器与地面站之间通信的射频与调制系统。

TC、TM、AOS空间数据链路协议假定数据传输的路由是静态的，数据格式的设计没有考虑动态路由选择的要求，无法适应空间通信环境。

20世纪90年代，针对空间网络特性需求，CCSDS对地面TCP/IP协议进行修改和扩展[13]，开发了一套涵盖网络层到应用层的空间通信协议规范(Space Communication Protocol Specification，SCPS)。该协议规范主要包括：网络协议(SCPS Network Protocol，SCPS-NP)、安全协议(SCPS Security Protocol，SCPS-SP)、传输协议(SCPS Transport Protocol，SCPS-TP)和文件传输协议(SCPS File Protocol，SCPS-FP)。它们与地面互联网TCP/IP协议有着良好兼容性和互操作性，在底层协议(数据链路层、物理层)支持下，构成完整网络模型，实现空间通信网络与地面通信环境之间网络互连。

3.1.2 CCSDS协议体系结构

参考开放式通信系统互联参考模型(Open System Interconnection，OSI)七层结构，国际性空间组织建立空间网络协议模型。由于OSI模型会话层和表示层相关协议很少用于空间链路，所以空间网络CCSDS协议模型自下而上有物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层五层结构。整个CCSDS协议可以看作是一个混合、匹配工具包，可以根据特定任务的处理要求，从这个工具包中选择出合适的协议进行组合并进行应用，每一层又可包括若干个可供组合的协议，CCSDS空间网络协议的参考模型如图2所示。

图2 CCSDS协议参考模型

1)物理层

CCSDS空间网络协议参考模型物理层主要是由Proximity-1协议和射频与调制系统两部分组成。Proximity-1邻近空间链路协议是一个专门为近距离、低功耗的空间链路而设计的邻近空间链路物理层跨层协议，具有时延短、强度信号中等、对话简短独立的特征，一般主要用于固定探测器、星球着陆器、在轨星座等相互之间的通信。射频与调制系统，用于航天器与地面站之间链路的物理层标准。

2)数据链路层

CCSDS空间网络协议参考模型数据链路协议的主要功能是传输可变长度的数据单元，以基本数据单元为传输帧，提供传输各种类型数据能力，数据链路层定义了数据链路协议子层与同步和信道编码子层。

数据链路协议子层规定了数据帧传输方式，主要包括：TM、TC、AOS空间数据链路协议和Proximity-1空间链路协议中的数据链路层四种协议，以上协议统称为空间数据链路协议(Space Date Link Protocol，SDLP)。同步和信道编码子层规定了数据帧编码方式和同步方式，主要包括TM、TC和Proximity-1空间链路协议中的同步与通信编码三种协议，其中TM和AOS空间数据链路协议基于TM同步与通信编码标准，TC和Proximity-1空间数据链路协议分别基于TC和Proximity-1同步与通信编码标准。

3)网络层

网络层的空间网络协议实现了星上子网和地面子网两大部分的数据路由功能。面向空间数据路由需求，CCSDS已经开发了空间分组协议(Space Packet Protocol，SPP)和SCPS-NP两种网络协议用于在网络层进行接口连接。互联网IPv4和IPv6协议也可以通过空间数据链路进行传输，与SPP和SCPS-NP协议进行多路复用或非复用。SCPS-NP对应互联网中的IP协议，是一种新的网络层数据结构空间传输协议，在空间网络上支持报文的静态路由、动态路由和洪泛路由，并可应用于多种信道环境。

4)传输层

针对包含一条或多条空间链路网络的终端之间数据传输服务，CCSDS开发了SCPS-TP协议。SCPSTP协议对应互联网传输控制协议(Transmission Control Protocol，TCP)和用户数据报协议(User Datagram Protocol，UDP)，支持基于优先级的处理，支持无连接多播和面向数据包的应用，能与TCP、UDP协议产品互操作。

空间网络SCPS-SP安全协议位于传输层和网络层之间，提供端到端的安全保护，可提供认证、完整性、保密性和访问控制中的一项或全部服务，该协议可与互联网IPSec安全协议结合使用，负责网络安全性能。

5)应用层

应用层空间网络协议主要向用户提供端到端应用服务，主要包括SCPS-FP、文件传输协议(File Transfer Protocol，FTP)、空间文件传输的协议(CCSDS File Delivery Protocol，CFDP)、无损数据压缩(Lossless Data Compression，LDC)和应用规范协议(Application Specific Protocols，ATP)等。

SCPS-FP协议是对互联网中FTP协议的扩展，将传输文件和数据分割成数据单元，向用户提供端到端应用服务，保持了与FTP的互操作性。该协议在空间环境中具有阅读和更新个人文件记录的能力、允许用户暂时停止文件传送并稍后重传、允许数据通信中断后自动恢复传输、支持重复本文压缩、支持文件和记录的完整性检验等功能，提高空间数据应用效率。

针对大链路延迟和非对称带宽的航天器通信环境，CCSDS为星间文件传输制定了CFDP文件传输协议，该协议即有传输层的功能，又有应用层文件管理功能。

SCPS-FP在一定程度上适应大空间网络环境，在性能上比FTP协议有一定提高。但是在时延较大的情况下，这种性能的提高表现不明显，而CFDP在这方面的性能更加突出。随着空间技术的提高，航天器的计算能力在不断提高，CFDP在与SCPS-FP的竞争中会有更大的优势。

3.2 空间网络DTN协议

容迟容断网络(Delay /Disruption-Tolerant Network，DTN)协议体系是美国航空航天局喷气推进实验室提出的一种专门针对长延时、链路切换频繁、误码率高、间歇性连接等空间网络环境问题而设计的新兴的通信结构，具有容忍延迟、中断的特性[14]。DTN协议使用逐跳转发的数据发送模式，不再要求发送端与接收端建立持续连接，同时使用保管传递机制，保证数据传输的可靠性。DTN协议采用存储转发的方式应对空间网络中的链路中断问题，当缺少直接的传输路径时，中间节点将暂时把数据存储下来，等待传输机会[15]。

DTN协议结构在传统的TCP/IP五层结构中引入束层(Bundle Layer)和汇聚层(如图3所示)，束层和汇聚层增加了DTN协议对高挑战性空间网络环境的适应能力，通过束层和不同的汇聚层协议，支持不同类型的低层网络的互联互通。

束层位于应用层的底部，运行束协议(Bundle Protocol，BP)，该协议是DTN协议栈中最重要的组成协议之一，主要包括消息转发、节点与端点、命名与寻址、路由与转发、安全等不同机制，负责应用层数据承载、路由转发等功能。由于BP协议位于传输层协议之上，且能够与各区域之间的底层协议相互配合，使得应用程序能够跨区进行通信。

为了束层与传输层数据的格式匹配以及保障BP协议与下层传输协议的交互，在两层之间引入汇聚层。汇聚层充当了BP与传输层协议之间的接口，通过该层可增加底层传输协议应对恶劣环境的能力，支持适配包括TCP、UDP、LTP、Saratoga传输协议等。

图3 DTN协议示意图

3.3 空间网络协议选取

SCPS协议经过多年研究与发展，已经遍布各个主要空间网络之中，但其存在的问题也逐渐暴露出来，该协议感知能力较弱，没有从根本上解决空间网络中的固有缺陷。目前，除了SCPS-TP协议仍然在一些商用设备中使用，其他协议已经全部停止更新维护，在CCSDS官网上建议采用DTN协议体系。

目前，关于DTN协议的许多关键技术仍在开发过程中，大部分研究只是给出了一个框架，国内外研究内容以理论为主，关于DTN协议在网络中应用、实施和部署相对匮乏。

我国在轨卫星数量和种类繁多，但目前没有统一协议标准。协议标准欠缺是现阶段组建我国空间信息网络的首要问题，在执行特殊任务和军事冲突情况下，无法提供可靠持续的通信服务。

4 卫星网络路由协议

针对多层卫星网络，主要采用卫星分组思想来划分拓扑结构。典型星间路由协议主要有MLSR(Multilayered Satellite Routing)、SGRP(Satellite Grouping and Routing Protocol)和TDRP(Time Division Routing Protocol)三种类型。

MLSR路由协议基于每颗GEO卫星对MEO层卫星的覆盖性，以及MEO卫星对LEO层卫星的覆盖性，划分为MEO卫星分组和LEO卫星分组两种分组，对应GEO卫星和MEO卫星分别作为MEO卫星分组和LEO卫星分组管理者。其拓扑信息汇总和路由计算逐层进行。SGRP路由协议与MLSR路由协议拓扑结构不同，只有LEO卫星分组。MEO卫星分别作为对应LEO卫星分组管理者，负责收集LEO组拓扑状态信息，然后进行路由计算并下发至LEO分组中各卫星。TDRP路由协议与MLSR和SGRP路由协议基本一致，逐层进行链路状态信息汇总和路由计算与分发，但该路由协议路由计算过程中考虑了层间链路切换引起多层卫星网络时隙划分的问题。

MLSR、TDRP和SGRP星间路由协议均采用集中式计算方式，高层卫星逐层汇总整个卫星网络的拓扑状态信息后，经过路由计算，将路由表逐层分发给各低层卫星。由于多层卫星层间相对运动，层间链路频繁切换，卫星网络分组动态性变化，现有多层卫星网络星间路由协议均不能满足层间链路切换频繁的特点。因此，多层网络结构需基于卫星运行轨迹的可预知性以及卫星网络拓扑变化周期性，进一步完善基于卫星链路切换策略的多层卫星网络路由协议。

5 总结

本文围绕卫星互联网星间组网的技术关键点，从星间网络、星间链路、星间通信协议和星间路由四个方面系统归纳了国内外卫星互联网组网技术，进一步探讨了组网技术需要突破的关键技术、发展方向和解决办法，主要结论如下。

1)单层卫星网络拓扑结构持续变动、时延大、网络阻塞概率大、网络抗毁性差，管理比较复杂，需要在全球布置地面站对网络进行管理，不符合我国基本国情，采用多层卫星组网，可以实现优势互补，提高星座管理效率。

2)高频段微波链路(Ka、V频段等)或激光链路技术，是实现更高星间测量精度和更快链路数据通信速率的必然发展趋势，星地微波通信结合星间激光通信技术方案已成为星座组网主流。

3)空间网络协议标准欠缺是我国空间信息网络的首要问题，空间网络通信协议体系只可参考国外现有的CCSDS、DNT协议，无法照搬。

4)基于卫星运行轨迹的可预知性以及卫星网络拓扑变化的周期性，需进一步完善基于卫星链路切换策略的多层卫星网络路由协议。