由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的天地一體化網(wǎng)絡(luò)一旦實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作，將會(huì)引發(fā)前所未有的信息革命。
文字閱讀、圖片查看、影音播放、下載傳輸、游戲、即時(shí)聊天……網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展給人們的生活帶來了極大的便捷和享受。然而，網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到今天仍沒有實(shí)現(xiàn)隨意接入和時(shí)時(shí)暢通，國產(chǎn)電影《無人區(qū)》中男主角的遭遇就形象地展示了我們網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的另一面：死角和盲區(qū)無處不在，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力仍有待提高。
網(wǎng)絡(luò)覆蓋死角的存在，從側(cè)面反映了地基通訊設(shè)施的局限，建設(shè)寬帶衛(wèi)星將有助于解決此類問題。然而，就算地面上的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能在衛(wèi)星的幫助下做到無縫連接，人類足跡所至的地方仍有網(wǎng)絡(luò)不及的地方：飛機(jī)上呢？衛(wèi)星上呢？空間站呢？
其實(shí)科學(xué)家們早就注意到這些問題。中國科學(xué)院軟件研究所研究員劉立祥告訴《中國科學(xué)報(bào)》記者：“作為國家重大基礎(chǔ)設(shè)施，‘天地一體化網(wǎng)絡(luò)’相關(guān)技術(shù)已取得了重大突破，預(yù)計(jì)‘十三五’期間我國將逐步開展相關(guān)的建設(shè)工作。”
“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”之義
劉立祥介紹說，天地一體化網(wǎng)絡(luò)是由通信、偵察、導(dǎo)航、氣象等多種功能的異構(gòu)衛(wèi)星/衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、深空網(wǎng)絡(luò)、空間飛行器以及地面有線和無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)施組成，其中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將承擔(dān)大量信息的獲取、傳輸和分發(fā)作用。但是，“天星地網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)還遠(yuǎn)不能達(dá)到一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的要求。
自1957年10月4日前蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造衛(wèi)星之后，人類已經(jīng)向太空發(fā)射了超過上千顆人造衛(wèi)星。這些人造衛(wèi)星個(gè)個(gè)“身懷絕技”，有的專為地球資源勘探，有的長于軍事偵察，有的幫助人們預(yù)報(bào)氣象，有的大大便捷了現(xiàn)代通訊。然而，這些衛(wèi)星同在太空，彼此之間的“了解”卻甚少，幾乎所有的溝通都要依賴地面基地。
“功能單一、結(jié)構(gòu)規(guī)則、運(yùn)行依賴地面、相互之間孤立的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足人們實(shí)時(shí)、綜合的服務(wù)需求。具有多種功能、軌道互補(bǔ)、智能程度高、可自主運(yùn)行、便于擴(kuò)展的異構(gòu)衛(wèi)星組網(wǎng)成為新的發(fā)展方向。”劉立祥說。
目前，世界上主要的航天大國在調(diào)整并制定新的航天發(fā)展戰(zhàn)略時(shí)，都把下一步發(fā)展目標(biāo)定位在完善衛(wèi)星系統(tǒng)種類和提高衛(wèi)星系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，發(fā)展并建立網(wǎng)絡(luò)化的新型綜合衛(wèi)星系統(tǒng)體系。美國國家航空航天局（NASA）的“天基通信導(dǎo)航網(wǎng)”（SCaN）計(jì)劃的構(gòu)想就是建立并保持一個(gè)便于擴(kuò)展、可縮放的綜合基礎(chǔ)設(shè)施，提供全面、有效、更高量級數(shù)據(jù)速率的天基服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)NASA的各類任務(wù)。
天地一體化網(wǎng)絡(luò)即是如此。劉立祥告訴記者，它通過星間、星地鏈路將地面、海上、空中和深空的用戶、飛行器以及各種通信平臺密集聯(lián)合。比如，地面和衛(wèi)星之間可以根據(jù)應(yīng)用需求建立鏈路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。
劉立祥指出，從組網(wǎng)、傳輸和路由等角度來看，天地一體化網(wǎng)絡(luò)具有典型的大時(shí)空尺度屬性，具有網(wǎng)絡(luò)全覆蓋、空天地海網(wǎng)絡(luò)協(xié)作、智能控制和處理、快速反應(yīng)、高效應(yīng)對等鮮明特征。“舉一個(gè)最簡單的例子，天地一體化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，無論何時(shí)何地，電話服務(wù)、信息傳輸將徹底告別‘無法連通’的時(shí)代?！?/p>
“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”之用
隨著信息技術(shù)的迅猛發(fā)展，未來信息服務(wù)行業(yè)對多維綜合信息資源的需求日益提高，國家安全、航空航天、環(huán)境監(jiān)測、交通管理、教育醫(yī)療衛(wèi)生、工農(nóng)業(yè)、反恐、抗災(zāi)救險(xiǎn)等領(lǐng)域的戰(zhàn)略信息服務(wù)將在空、天、地多維空間展開，任何單一維度上的信息利用都無法滿足全方位的需求。由多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)共同構(gòu)成的天地一體化網(wǎng)絡(luò)一旦實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通和互操作，將會(huì)引發(fā)前所未有的信息革命。
“這種高度綜合性的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)打破了各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)共享的壁壘，空、天、地跨維度服務(wù)將成為未來全方位服務(wù)的主要形式，能夠有效地綜合利用各種資源（包括軌道資源、傳感器資源、通信資源等），不僅可以為作戰(zhàn)提供一體化的偵察、導(dǎo)航、作戰(zhàn)指揮等服務(wù)，也可以為海陸空通信、海洋氣象預(yù)報(bào)、導(dǎo)航、農(nóng)林牧漁、應(yīng)急救援等提供全方位的支持。這就需要一體化網(wǎng)絡(luò)具有充分的信息統(tǒng)籌獲取、快速的信息傳輸、高效的任務(wù)協(xié)同等能力。”劉立祥說。
此外，智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等概念的提出和具體項(xiàng)目的實(shí)施，將極大地促進(jìn)我國一體化信息基礎(chǔ)設(shè)施的高速發(fā)展。
目前，我國有近百顆在軌運(yùn)行空間飛行器，覆蓋了導(dǎo)航、通信、遙感、深空探測、載人航天等領(lǐng)域。而隨著我國空間信息網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求不斷增加，建設(shè)天基衛(wèi)星、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信網(wǎng)等全面融合的天地一體化的信息網(wǎng)絡(luò)，將是提升我國信息服務(wù)能力的有效途徑。
劉立祥還指出，天地一體化網(wǎng)絡(luò)還將帶動(dòng)信息電子、航空航天、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，“對推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義”。
“天地一體化網(wǎng)絡(luò)”之難
天地一體化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)類型眾多，在天、空、地、海運(yùn)行的不同節(jié)點(diǎn)的功能、接入傳輸能力迥異，使得網(wǎng)絡(luò)將變?yōu)橐粋€(gè)高度異構(gòu)、動(dòng)態(tài)復(fù)雜的巨系統(tǒng)。這就給一體化網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建帶來了方方面面的挑戰(zhàn)。
組網(wǎng)技術(shù)是保障一體化網(wǎng)絡(luò)信息安全可靠傳輸?shù)年P(guān)鍵基石。劉立祥介紹說，盡管采用骨干+接入的機(jī)制普遍得到了認(rèn)同，但是對天地一體化網(wǎng)絡(luò)這樣一個(gè)復(fù)雜、異構(gòu)的“巨系統(tǒng)”來說，骨干網(wǎng)和接入網(wǎng)如何設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系如何設(shè)計(jì)，系統(tǒng)安全如何保障，系統(tǒng)如何管理仍然是建設(shè)的難題。
“這需要在頂層設(shè)計(jì)中充分考量。”劉立祥告訴記者，“體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞對系統(tǒng)的可靠性、抗毀性、服務(wù)能力、通信效率都會(huì)產(chǎn)生重大的影響。如高軌骨干衛(wèi)星需要多少顆，衛(wèi)星之間有沒有鏈路，是采用激光還是微波，地面網(wǎng)絡(luò)處于什么地位以及網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性都要進(jìn)行深入的分析和論證?！?/p>
對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系，是采用IP交換還是采用其他的交換方式，不僅要考慮現(xiàn)有的系統(tǒng)，更重要的是要兼顧未來的發(fā)展，傳輸協(xié)議，路由協(xié)議和接入機(jī)制都要進(jìn)行有針對性的設(shè)計(jì)和開發(fā)。目前，天地一體化網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議正處于“百家爭鳴”階段，普適性較差；現(xiàn)有傳輸協(xié)議主要面向深空段、空間段或鄰近空間段的星際間或星地間通信。針對未來大量用戶的按需接入機(jī)制還沒有一個(gè)完整的解決方案。
安全問題同樣重要?！皬木W(wǎng)絡(luò)的物理層到應(yīng)用層，天地一體化網(wǎng)絡(luò)都存在安全隱患，并呈現(xiàn)出與地面網(wǎng)絡(luò)不同的安全特征，信息安全保障的任務(wù)艱巨?！眲⒘⑾閷τ浾哒f，天地一體化網(wǎng)絡(luò)的無線傳輸特性、復(fù)雜組網(wǎng)結(jié)構(gòu)、軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)缺陷、空間環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，使得它更容易受到竊聽、假冒、信息重放、物理損傷等手段的攻擊和破壞。
此外，由于地面設(shè)備、衛(wèi)星和其他航天航空設(shè)備距離較遠(yuǎn)，相互之間通信時(shí)延較大，通信鏈路也容易受到來自外界的干擾（如宇宙射線、電磁信號等），可能會(huì)加大信號傳輸中的錯(cuò)誤率。
對于一體化網(wǎng)絡(luò)的管理問題，劉立祥指出，首先要明確管理對象，地面網(wǎng)管關(guān)注的是資源，一體化網(wǎng)絡(luò)不僅要對整個(gè)系統(tǒng)的資源進(jìn)行管理，還應(yīng)具有對系統(tǒng)的控制能力和服務(wù)的管理能力以及接入用戶的管理能力。這是一個(gè)非常復(fù)雜的過程。
“這些問題在沒有實(shí)際網(wǎng)絡(luò)平臺可供測試的情況下，只能通過仿真以及概念演示進(jìn)行相應(yīng)解決方案的研判，并在逐步開展的實(shí)際工作中慢慢摸索?！眲⒘⑾橹赋?，“未來隨著聯(lián)合考慮陸地、遠(yuǎn)洋、天空、空間與深空資源的大時(shí)空尺度空間信息網(wǎng)絡(luò)仿真測試平臺的逐步完善，以及局部天地互聯(lián)系統(tǒng)的搭建，理論研究與實(shí)際應(yīng)用之間的差距將越來越小，一體化網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中出現(xiàn)的困難將逐步得到解決?！?/p>
