基于空间计算的卫星通信系统架构及业务应用处理方法与流程

1.本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于空间计算的卫星通信系统架构及业务应用处理方法。


背景技术：

2.随着商业航天的迅猛发展，世界各国纷纷制定发展战略和投入巨资，布局以低轨卫星网络为重点的天地网络建设，引发全球性卫星通信系统发展热潮。卫星通信以其覆盖范围广、移动性强、广播分发等优势，逐渐成为全球信息基础设施的重要组成部分，重点解决老少边穷地区的互联网接入问题。
3.卫星通信系统通常可以分为用户端、地面段和空间段三部分。其中，用户端是指分布于海陆空天领域的各种卫星用户；地面段是由数据处理中心、运控中心、管理服务平台等构成的地面站，是空间段与地面网络的接口；空间段是整个通信系统的核心，主要由部署于高中低轨等不同轨道高度的一颗或多颗卫星的星座构成，其在空中起信号中转站的作用，负责空间信息传输处理。纵观卫星通信系统的发展脉络，其始终在技术、应用的双重推动下滚动发展。
4.技术方面，空间段计算处理能力(简称空间计算)直接影响着整个卫星通信系统的组网架构。此前，受限于航天器件，空间计算能力十分受限，星上仅有的计算能力主要用于卫星平台的控制，而对于业务应用数据则采用透明转发模式，即卫星不对业务应用数据进行信息处理，仅仅在物理信号层面放大、变频和转发；当前和未来一段时期内，随着航天电子技术的进步，以及商用货架器件(cots)在航天领域的规范化使用，卫星通信系统将具有较强的空间计算能力，可以对业务应用数据进行解调再生、信号转换等处理，实现通信、组网和业务应用处理等功能。卫星通信系统也将逐渐从透明转发向星上处理模式转变，星上处理已经成为卫星通信系统的发展趋势。
5.应用方面，以卫星通信为代表的空间网络技术发展日新月异，其应用除了干线互联、专网通话、全球移动通信等传统业务应用外，也逐渐实现了宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等垂直行业应用，差异化的业务应用呈现出需求复杂多变、服务质量需求迥异的特征，如控制应用要求低时延小抖动，物联应用侧重大连接。传统卫星通信系统存在结构单一、功能固定、缺乏灵活性等问题，无法感知应用，且难以高效调度空间资源快速适配多样化应用需求。
6.为实现全球无缝覆盖，卫星通信系统的组网架构可以细分为“天星地网”、“天网地网”两条技术路线。其中，天星地网——即星上采用透明转发，通过全球部署地面站实现地面组网；天网地网——即依托星间链技术，卫星和地面都要组网，且两张网络优势互补。鉴于我国没有全球分布的地面站，无法采用“天星地网”的组网架构实现全球覆盖，采用“天网地网”的组网架构是我们的必然选择。
7.综上，面向空间计算能力的提升、卫星业务应用差异化的需求，亟需提出一种新的卫星通信系统架构，充分利用日益提升的空间计算能力，敏捷高效的调度空间资源完成通
信、组网和业务应用处理，满足垂直行业的差异化服务保障需求。


技术实现要素：

8.本发明要解决的技术问题是如何基于业务需求差异，高效利用和调度空间资源，本发明提出一种基于空间计算的卫星通信系统架构及业务应用处理方法。
9.根据本发明实施例的基于空间计算的卫星通信系统架构，包括：
10.业务编排层，用于将接入的不同业务应用需求转化为对应的资源需求，并将所述资源需求传递至网络功能层；
11.网络功能层，用于接收所述资源需求，并根据所述资源需求从基础资源层调度对应的资源设备；
12.基础资源层，用于将空间异构处理资源设备和地面资源设备汇聚形成虚拟资源池，以供所述网络功能层从所述虚拟资源池中调度虚拟资源，并通过所述虚拟资源映射到对应的所述资源设备。
13.根据本发明实施例的基于空间计算的卫星通信系统架构，通过虚拟化技术，完成异构资源的统一描述和流动部署，实现空间资源的高效调度；针对宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等不同应用需求，根据需求调度对应的资源设备，满足垂直行业应用的差异化服务保障需求。
14.根据本发明的一些实施例，所述资源需求包括：空间计算资源、存储资源和网络资源中的至少一种。
15.在本发明的一些实施例中，所述基础资源层还包括：专用资源层，用于为预定业务提供专用资源设备。
16.在本发明的一些实施例中，所述空间异构处理资源设备包括：高轨节点卫星、中轨节点卫星及低轨节点卫星；所述地面资源设备包括：信关站、网络运维管理设备、信息处理设备、信息存储设备及应用服务设备。
17.根据本发明的一些实施例，所述高轨节点卫星包括：境内可视节点和境内非可视节点，所述境内可视与所述地面资源设备直接互联通信，所述境内非可视节点通过所述境内可视节点与所述地面资源设备间接互联通信。
18.在本发明的一些实施例中，所述中轨节点卫星和所述低轨节点卫星通过高频段传输链路与所述地面资源设备互联通信，所述中轨节点卫星和所述低轨节点卫星与所述高轨节点卫星通过s频段测控链路互联通信，所述中轨节点卫星与所述低轨节点卫星通过ka频段或激光频段互联通信。
19.根据本发明的一些实施例，所述业务应用需求包括：宽带接入需求、天基中继需求、广域物联需求以及时敏控制需求。
20.根据本发明实施例的基于卫星通信的业务应用处理方法，所述方法采用如上述所述的基于空间计算的卫星通行架构进行业务应用处理，所述方法包括：
21.s1，根据接入的业务应用需求，通过所述业务编排层转译成所需资源需求，并通过标准化接口向所述网络功能层发送需求指令；
22.s2，所述网络功能层基于接收的所述需求指令，将所述资源需求映射至网络切片模板；
23.s3，基于所述网络切片模板，在所述基础资源层的虚拟资源池上进行网络功能部署；
24.s4，所述基础资源层根据网络功能部署，通过所述虚拟资源池中的虚拟资源配置对应的资源设备。
25.根据本发明实施例的基于卫星通信的业务应用处理方法，通过虚拟化技术，完成异构资源的统一描述模型、接入/承载/核心等网络功能的流动部署，实现空间资源的高效调度；针对宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等不同应用需求，提供端到端网络切片，满足垂直行业应用的差异化服务保障需求；采用高中低轨联合组网的架构，无需全球布站可实现全球覆盖的卫星通信系统。
26.根据本发明的一些实施例，所述方法还包括：
27.a1，对于预定业务，所述业务编排层通过卫星运控系统指挥监控卫星的运行并向卫星网控系统发送指令，指挥卫星工作及信息传输；
28.a2，卫星网控根据所述卫星运控系统的指令，结合空间资源工作状态，从专用资源层调度专用资源，完成所述预定业务。
附图说明
29.图1为根据本发明实施例的卫星网络物理架构示意图；
30.图2为根据本发明实施例的高轨网络结构示意图；
31.图3为根据本发明实施例的中低轨网络结构示意图；
32.图4为根据本发明实施例的地面节点网拓扑结构示意图；
33.图5为根据本发明实施例的卫星网络功能架构示意图；
34.图6为根据本发明实施例的基础资源层示意图；
35.图7为根据本发明实施例的网络功能层示意图；
36.图8为根据本发明实施例的业务编排层示意图。
具体实施方式
37.为更进一步阐述本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对本发明进行详细说明如后。
38.现有卫星通信系统存在如下缺陷：
39.传统卫星通信系统不对业务应用数据进行信息处理，无法利用空间资源实现通信、组网和业务应用处理；传统卫星通信系统结构单一、功能固定、缺乏灵活性，无法满足垂直行业差异化需求；为实现全球覆盖，天星地网的组网架构不适合我国没有全球分布地面站的国情。
40.针对上述问题，本发明提出一种基于空间计算的卫星通信系统架构及业务应用处理方法。
41.根据本发明实施例的基于空间计算的卫星通信系统架构，包括：业务编排层、网络功能层和基础资源层。
42.其中，业务编排层用于将接入的不同业务应用需求转化为对应的资源需求，并将资源需求传递至网络功能层；
43.网络功能层用于接收资源需求，并根据资源需求从基础资源层调度对应的资源设备；
44.基础资源层用于将空间异构处理资源设备和地面资源设备汇聚形成虚拟资源池，以供网络功能层从虚拟资源池中调度虚拟资源，并通过虚拟资源映射到对应的资源设备。
45.根据本发明实施例的基于空间计算的卫星通信系统架构，通过虚拟化技术，完成异构资源的统一描述和流动部署，实现空间资源的高效调度；针对宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等不同应用需求，根据需求调度对应的资源设备，满足垂直行业应用的差异化服务保障需求。
46.根据本发明的一些实施例，资源需求包括：空间计算资源、存储资源和网络资源中的至少一种。也就是说，资源需求可以包括空间计算资源，也可以包括存储资源，还可以包括网络资源，当然还可以是包括：空间计算资源、存储资源和网络资源中的两种或三种。
47.在本发明的一些实施例中，基础资源层还包括：专用资源层，用于为预定业务提供专用资源设备。例如，对于传统的卫星业务应用，业务编排层通过调度专用资源层中的专用资源设备完成。
48.在本发明的一些实施例中，空间异构处理资源设备包括：高轨节点卫星、中轨节点卫星及低轨节点卫星；地面资源设备包括：信关站、网络运维管理设备、信息处理设备、信息存储设备及应用服务设备。
49.根据本发明的一些实施例，高轨节点卫星包括：境内可视节点和境内非可视节点，境内可视与地面资源设备直接互联通信，境内非可视节点通过境内可视节点与地面资源设备间接互联通信。
50.在高轨节点方面，为满足我国空间用户传输容量、覆盖性能等方面的需求，同时考虑我国的频率、轨位资源情况，选取布设在地球同步轨道的六个高轨节点，每个节点由一颗或多颗距离相近或共轨的通信卫星组成，利用星间激光或微波链路组网，为空间用户提供全球中继传输、大容量信息传送服务。高轨各节点分布及网络拓扑如图2所示，高轨节点1、高轨节点2、高轨节点3、高轨节点4为境内可视节点，与地面节点直接互连；高轨节点5、高轨节点6为境内非可视节点，通过1
‑
4号高轨节点与地面节点连接。
51.在本发明的一些实施例中，中轨节点卫星和低轨节点卫星通过高频段传输链路与地面资源设备互联通信，中轨节点卫星和低轨节点卫星与高轨节点卫星通过s频段测控链路互联通信，中轨节点卫星与低轨节点卫星通过ka频段或激光频段互联通信。
52.根据本发明的一些实施例，业务应用需求包括：宽带接入需求、天基中继需求、广域物联需求以及时敏控制需求。
53.根据本发明实施例的基于卫星通信的业务应用处理方法，方法采用如上述的基于空间计算的卫星通行架构进行业务应用处理，方法包括：
54.s1，根据接入的业务应用需求，通过业务编排层转译成所需资源需求，并通过标准化接口向网络功能层发送需求指令；
55.s2，网络功能层基于接收的需求指令，将资源需求映射至网络切片模板；
56.s3，基于网络切片模板，在基础资源层的虚拟资源池上进行网络功能部署；
57.s4，基础资源层根据网络功能部署，通过虚拟资源池中的虚拟资源配置对应的资源设备。
58.根据本发明实施例的基于卫星通信的业务应用处理方法，通过虚拟化技术，完成异构资源的统一描述模型、接入/承载/核心等网络功能的流动部署，实现空间资源的高效调度；针对宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等不同应用需求，提供端到端网络切片，满足垂直行业应用的差异化服务保障需求；采用高中低轨联合组网的架构，无需全球布站可实现全球覆盖的卫星通信系统。
59.根据本发明的一些实施例，方法还包括：
60.a1，对于预定业务，业务编排层通过卫星运控系统指挥监控卫星的运行并向卫星网控系统发送指令，指挥卫星工作及信息传输；
61.a2，卫星网控根据卫星运控系统的指令，结合空间资源工作状态，从专用资源层调度专用资源，完成预定业务。
62.下面参照附图详细描述根据本发明的基于空间计算的卫星通信系统架构及业务应用处理方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
63.本发明的目的在于提供一种基于空间计算的卫星通信系统架构，为了充分利用日益提升的空间计算能力，敏捷高效地利用和调度空间资源完成通信、组网和业务应用处理，满足垂直行业应用差异化服务保障需求，同时减少全球布站、降低对地面处理的依赖。
64.根据本发明的基于空间计算的卫星通信系统架构，以空间计算为基础构建高中低轨卫星混合组网架构，包括功能架构和物理架构。
65.1、功能架构：借鉴sdn/nfv等先进技术理念，参考地面5g网络架构，提出卫星网络功能架构，主要包括基础资源层、网络功能层、业务编排层。
66.(1)基础资源层，为卫星通信系统提供云化基础平台。主要由两部分组成：虚拟化资源层，基于空间计算，通过虚拟化和云计算技术，将空间异构处理资源和地面资源汇聚形成统一虚拟资源池；专用资源层，主要为兼容卫星中继、骨干互联等传统业务应用所需的专用载荷，此部分资源采用专用设备难以实现资源虚拟化。
67.(2)网络功能层，为卫星通信系统构建泛在智能的网络。主要包括虚拟化的接入/承载/核心等网络功能、软件定义网络控制器以及负责控制专用设备的卫星网控系统等，在地面、高中低轨节点软件化部署接入、承载、核心等功能，并实现面向垂直行业差异化服务的资源高效管控和端到端切片。
68.(3)业务编排层，为卫星通信系统提供差异化的按需服务。将应用需求转译为网络参数，通过标准的api接口传递给网络功能层，实现按典型业务应用需求对空间计算、存储、网络等资源高效调度。
69.2、物理架构：采用高中低轨卫星协同、天地一体的物理架构，由若干高轨节点、中轨节点、低轨节点、地面节点构成，节点间通过各类星地、星间链路互联而成，实现高中低轨卫星联合组网。
70.高轨节点是指部署在地球同步轨道的卫星，单颗卫星覆盖范围广，只需要3 颗高轨卫星就可以实现全球覆盖，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，可提供宽带接入、骨干互连、中继传输及天基测控等功能。高轨节点还包括高轨信息港，它是由一簇在同步轨道上共轨的多颗模块化卫星组成，卫星通过星间链路连接，形成虚拟大卫星，可为用户提供高性能、高效能空间信息处理服务。
71.中轨节点是轨道高度在10000～20000km之间的卫星，星座一般由十几颗卫星构成，可以提供话音服务和宽带数据服务。作为高轨节点和低轨节点的折衷，中轨卫星传输时延小于高轨卫星，较少数目的中轨卫星即可构成全球覆盖的通信系统，星座切换概率低于低轨卫星。
72.低轨节点分布在500～2000km的圆或椭圆轨道上，星座一般由几十颗卫星组成，可以提供话音服务、报文服务以及宽带数据服务。低轨节点的轨道低，星地链路性能优越，传输时延小，且卫星体积小，便于发射。但是单颗卫星可见时间短，需要波束之间切换和卫星之间切换。
73.地面节点由信关站、网络运维管理、信息处理、信息存储及应用服务等功能部分组成，主要完成网络控制、资源管理、协议转换、信息处理、融合共享等功能，并与其它地面网络互联互通。
74.除此之外，还将现有的各类型卫星融合入网络架构中，包括通信、导航和遥感卫星。通信卫星完成语音和数据传输，导航卫星负责定位服务，遥感卫星提供对地观测信息。导航卫星和遥感卫星能感知和获取地面环境信息，为通信网络资源的重构和分配提供依据。
75.综上所述，利用本发明提供的方法构建卫星通信系统，具有以下优点：
76.通过虚拟化技术，完成异构资源的统一描述模型、接入/承载/核心等网络功能的流动部署，实现空间资源的高效调度；针对宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等不同应用需求，提供端到端网络切片，满足垂直行业应用的差异化服务保障需求；采用高中低轨联合组网的架构，无需全球布站可实现全球覆盖的卫星通信系统。
77.下面结合附图以三个具体的实施例对本发明的基于空间计算的卫星通信系统架构进行详细描述。值得理解的是，下述描述仅是示例性描述，而不应理解为对本发明的具体限制。
78.实施例一：
79.本发明的物理架构示意图如图1所示，主要包括以下内容：
80.(1)用户接入包括陆、海、空、天等多层海量用户的各种网络接入服务，形成覆盖全球(包括两极地区)、随遇接入、按需服务的网络，用户端可通过高轨节点、中低轨节点、地面移动通信网络、地面互联网接入。
81.(2)在高轨节点方面，为满足我国空间用户传输容量、覆盖性能等方面的需求，同时考虑我国的频率、轨位资源情况，选取布设在地球同步轨道的六个高轨节点，每个节点由一颗或多颗距离相近或共轨的通信卫星组成，利用星间激光或微波链路组网，为空间用户提供全球中继传输、大容量信息传送服务。高轨各节点分布及网络拓扑如图2所示，高轨节点1、2、3、4为境内可视节点，与地面节点直接互连；高轨节点5、6为境内非可视节点，通过1
‑
4号节点与地面节点连接。
82.(3)中低轨节点网络拓扑为动态非全贯通的立体网格结构，同一轨道面之间全连通，不同轨道面之间非全贯通，如图3所示。中低轨节点配置高频段(ka、 ehf等)传输链路，支持与地面节点的互连；中低轨节点可选择配置与高轨节点之间的s频段测控链路；中低轨节点之间的星间链路，可选择ka或激光频段。面向不同类型用户应用需求，配置ka和l频段用户链路，实现宽窄用户随遇接入。
83.(4)地面节点之间通过地面网络完成组网。综合考虑经济、技术、应用三方面因素，暂选15个境内地点部署地面节点(见图4)，利用地面光纤传输链路互连构成地面节点网。地面节点还包括地面信息港，实现空间网络、地面互联网、移动通信网的互联互通，同时，对网络资源进行一体化控制，根据用户类型和业务应用类型对资源进行整体调控。
84.(5)除上述节点外，还包括负责天基信息获取、天基时空基准等卫星传统业务应用的空间节点。天基信息获取系统主要依靠预警、测绘、气象等遥感卫星，从外层空间发现、识别和监视地表、空中及空间的目标，获取目标和环境信息。天基时空基准系统是以导航卫星为主，能为陆地、海洋、空中、空间用户提供时间和空间基准，
85.实施例二：
86.本发明的功能架构示意图如图5所示，主要包括以下内容：
87.(1)基础资源层包括卫星、地面节点可虚拟化资源和卫星节点专用资源，如图6所示。可虚拟化资源是将分散于各个卫星节点的cpu、gpu、dsp、fpga 等异构处理资源和地面资源进行虚拟化处理，形成统一虚拟资源池，是下一代卫星网络的基础设施，是网络功能与业务应用等具体任务的实体，虚拟资源池的资源采用统一的异构资源描述模型，屏蔽节点资源的差异化。
88.除此之外，还包括专用资源，主要为兼容卫星中继、骨干互联等传统业务应用所需的专用载荷，此部分资源采用专用设备难以实现资源虚拟化。
89.(2)网络功能层包括云管理平台、虚拟网络功能管理、软件定义网络控制和卫星网控，如图7所示。
90.云管理平台利用物理资源和虚拟资源之间映射形成的虚拟资源池，实现对网络内各节点资源的统一表征和池化管理，同时，根据业务应用特征和资源细粒度状态，实时发现并调整资源的分配策略，支持服务的自动化部署与故障容错恢复。
91.虚拟网络功能管理采用基于容器的资源虚拟化技术，根据业务应用需求及空间计算能力，在高轨、中低轨、地面节点部署无线接入、承载、核心网处理功能，实现网络功能的轻量级流动部署，满足不同业务应用的通信服务需求。
92.软件定义网络控制通过解耦控制层面和数据层面，从基础的网络资源中剥离出控制层面，简化底层资源的复杂度，并屏蔽底层资源的区别，上层应用可以通过软件控制器提供的api操作底层资源，从而控制整个网络。
93.卫星网控是针对传统业务应用的专用资源，主要解决资源调度、设备管理、与地面网络连接等问题。结合空间资源特点，通过任务规划，调度卫星和地面测控资源实施应用策略，组织系统实现卫星任务的高可靠完成。同时，卫星网控还负责监视和控制各设备的工作状态和参数，负责频率、功率等可控信道资源的分配和回收。
94.(3)业务编排层如图8所示，针对卫星网络接入的宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等业务应用，根据天地、军民异构网络应用特征模型，对应用的需求进行分析并转译成所需的计算、存储、网络资源参数，然后统筹分析需求资源与网络负载状态，通过标准化接口将资源需求传递给网络功能层，实现按典型业务应用需求对计算、存储、网络等资源高效调度，满足垂直行业差异化服务保障需求。
95.除此之外，面向传统卫星业务应用，业务编排层还设置有卫星运控系统，用数台计算机指挥和监视传统业务应用卫星的运行，负责向卫星发出各种指令，安排卫星工作程序，
控制卫星运行姿态，指挥卫星工作及信息的传输，以及控制星载仪器与地面站的工作配合等。
96.实施例三：
97.本发明中对于接入业务应用的处理流程如下：
98.1)将接收到的宽带接入、天基中继、广域物联、时敏控制等业务应用需求，通过业务编排层转译成所需的计算、存储、网络资源参数，通过标准化接口向基础资源层和网络功能层发送需求指令；
99.2)网络功能层接收到业务编排层的需求指令后，将用户需求映射至网络切片模板，分解为接入网、传输网和核心网子切片，实现端到端网络切片，满足业务应用部署需求；
100.3)根据网络切片模板的需求，在基础资源层的虚拟化资源上进行接入/承载 /核心等网络功能部署；
101.4)基础资源层通过轻量级虚拟化技术完成对卫星和地面节点的虚拟化，形成虚拟化资源池，根据网络功能部署方案，配置虚拟化资源。
102.5)除上述流程外，对于传统的卫星业务应用，业务编排层通过卫星运控系统指挥监控卫星的运行并向卫星网控系统发送指令，指挥卫星工作及信息传输；卫星网控根据卫星运控的指令，结合空间资源工作状态，调度卫星和地面专用资源，高可靠的完成卫星任务。
103.通过具体实施方式的说明，应当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图示仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。