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天地一体化信息网络研制与建设的工程规模大、涉及的专业领域广、技术难度高，需要突破与掌握一系列的关键技术。
按照“网络一体化、功能服务化、应用定制化”的思路，采用网络功能虚拟化、软件定义网络等技术，从逻辑上将天地一体化信息网络的功能划分为信息传送、网络服务、应用系统3个层次。同时，立足提高体系安全防御及快速响应能力，突出安全防护和运维管理功能的一体化保障的支撑作用。天地一体化信息网络功能参考模型如图1-3所示。
图1-3 天地一体化信息网络功能参考模型
在统一的网络协议体系下，兼容微波传输和激光传输等多种通信手段，采用“分域自治、跨域互联”机制，确保各自独立运行和自主演化的天基 GEO 星座网、天基LEO星座网、地面关口站节点网等子网协同完成天地一体化信息网络路由和端到端信息传送，为实现大时空尺度联合组网应用提供支撑。
在统一的云平台框架下，按照“资源虚拟、云端汇聚”机制，实现天基分布式网络资源和信息资源向地面关口站（数据中心）网络聚合，并以多中心形式联合提供通信服务、定位导航授时增强服务和遥感与地理信息服务等，形成功能分布、逻辑一体的网络服务体系。
面向天地一体化信息网络的各应用领域（例如，航天支援、航空管理和海事综合应用以及全球移动通信等），将信息传送、网络服务等功能向各应用领域的用户端延伸，通过网络分域隔离、跨域安全控制等途径，动态构建面向不同领域的应用系统、具有不同安全等级的业务承载网，并与本地应用组合集成，构建满足不同需求的应用系统。
安全防护为信息传送、网络服务和应用系统3个层次提供安全防护功能。按照“弹性体系、内生安全”思路，强化物理安全和网络安全一体化设计，从体系结构层面建立弹性可扩展的网络体系，同时形成适应高动态网络特性，并能覆盖信息传送、网络服务、应用系统多层次的网络安全防护体系。
运维管理为信息传送、网络服务和应用系统3个层次提供运维管理与控制功能。在统一的运维管理框架下，采用“分级管理、跨域联合”机制，集成综合测控、网络管理、服务管理和运维支撑等手段，通过跨域联合管理，形成全网统一运行态势，支持实现全网资源跨域联合调度，为用户提供一体化运维服务。
天地一体化信息网络是涉及多轨道天基星座网、关口站节点网、地面互联网和移动通信网互联的异构网络，同时也是面向多个应用方向和多类服务对象互联的复杂系统。
网络内部存在激光、毫米波、微波等多种传输链路，以及全光电路、射频（RF）电路、分组等多种交换技术体制，其网络拓扑、规模和连接关系等均动态可变，需要适应近地空间（36000km以下）、临近空间（20～100km）、近地（20km以下）、海面和陆地等多种用户接入环境。如何按需实现网络结构自组织、网络状态自调节、网络传输自适应，提升网络多级安全和服务能力，需要结合技术发展现状，创新开展天地一体化信息网络体系结构设计与优化技术研究，以满足全球覆盖、按需服务、安全可信、灵活接入和天地一体等能力需求。
星座设计是天基网络的一项专有技术，是对天基星座网的构型、卫星节点轨道/频率、星间/星地互联链路等的总体设计，其目标是用最少的卫星节点实现对指定区域的覆盖，并获得最佳性能。在设计中，既要面向各类应用系统的服务范围和服务对象做“设计”，又需要结合空间卫星节点的轨位和频率等实际情况反复做“安置性”的优化。从网络中卫星节点所处轨道位置来看，由于 GEO 卫星节点对地相对静止，卫星节点间的网络拓扑相对固定，因此 GEO 卫星节点往往会成为构建天基星座骨干网的首要选择；而在非 GEO 卫星节点网络方面，由于不同轨道的卫星节点提供不同覆盖范围、传输速率、业务支持能力，因此其星座构型、轨道和频率等都需要进行优化设计。
天地一体化信息网络由天基星座网、地面关口站节点网、地面互联网和移动通信网互联构成，并且面向不同业务需求的应用系统和用户提供服务，而且具有网络传输链路距离长、时延及抖动大、连接通断频繁及通联关系动态可变、网络用户广域接入和突发业务量大等特点。一方面，需要在综合网络实现、成本与风险等约束条件下，开展与天地一体化信息网络特点相适应的信息传输、路由交换、接入控制等网络协议研究，解决“大时延带宽积”条件下的端到端可靠信息传送控制问题，以提升网络资源利用率及业务支持能力；另一方面，也要充分考虑地面网络技术（例如，软件定义网络、网络功能虚拟化、网络切片、边缘计算等技术）最新进展和发展趋势，以及天基网络与地面网络互联互通要求，开展新型天基网络协议的设计，并通过仿真和样机验证等手段，设计出适合我国天地一体化信息网络发展的网络协议体系，满足各类用户的使用需求。
在应用层面，天地一体化信息网络将面向陆、海、空、天各类用户提供服务，由于不同类别用户对网络服务质量（QoS）和安全性等的要求不同，如何实现天地一体化信息网络资源的灵活调度以及与任务的高度匹配，满足应用需求，可围绕天基网络节点资源受限、GEO卫星节点与非GEO卫星节点能力差异大、在轨硬件升级难度大等问题，开展GEO、MEO和LEO等不同轨道卫星节点、链路和地面关口站资源（如计算、存储、带宽、频率和功率等）的虚拟化研究。在网络服务层增加网络资源虚拟管理与调度、服务编排与封装等功能，使得网络能够根据不同应用系统的不同任务构建虚拟逻辑网络（网络切片），并提供按需服务，提高网络资源的利用率，实现网络资源可重组和网络功能可重构，提升网络的按需服务能力。
天地一体化信息网络中的卫星节点和链路动态变化且稀疏分布，使得多点到多点间的信息传输容量随网络拓扑的时变空变而发生变化，高动态时变网络对传统信息传输理论和技术带来巨大的挑战，需要重点开展星间/星地高速激光与微波通信技术研究工作。在高速激光通信技术方面，核心技术主要包括相干激光调制、多制式数字解调、兼容有/无信标光的快速捕获与高精度跟踪、基于光学相控阵的光多址接入技术等；在高速微波/毫米波通信技术方面，为实现数吉比特每秒的高速传输，核心技术主要包括超高速高频谱效率传输技术体制、多载波超高速调制解调和天基网络协作信息传输技术等。另外，考虑到天基网络卫星节点暴露、链路开放和复杂干扰等因素，有必要开展高频谱效率可靠信息传输与抗干扰技术研究工作。
天地一体化信息网络不同于传统上仅提供传输管道功能的通信网，在其信息传送层和应用系统层之间增加了网络服务层，它的主要功能是通过对底层网络信息传送资源和能力的抽象，向各类上层的应用系统提供开放访问底层网络资源和能力的接口，使得上层应用系统的开发与底层的异构网络实现技术无关，并且能够充分利用底层网络提供的丰富资源，以一种统一的方式，灵活和高效地实现全球移动通信、航天信息支援、航空管理和海事综合应用等信息服务的提供。天地一体化信息网络可以为各类应用系统提供多种应用服务，例如，通信服务、导航增强服务和遥感与地理信息服务等。通信服务既包括话音、数据和即时消息等信息传送类的传统的通信业务，也包括完成用户接入控制、移动性管理、会话控制和信息分发等通信服务；导航增强服务扩展到定位导航授时增强服务，包括世界标准时间/北斗时间（UTC/BDT）授时、精度定位等定位导航授时（PNT）辅助信息服务，集群定位、坐标转换等导航与坐标信息服务，以及干扰监测信息、航路引导增强、精密进近增强等生命安全服务；遥感与地理信息服务包括基础地理信息服务，以及城市遥感、海洋监视、生态监测等专业遥感信息服务。
本书主要涉及与天地一体化信息网络通信服务相关的技术。
天地一体化信息网络中卫星节点和星间/星地链路暴露在空间，更加容易受到人为干扰、窃听、网络入侵、病毒植入和拒绝服务等网络攻击。此外，还面临多用户类别、资源异构、复杂服务和多级安全等需求，需要解决天地一体化信息网络安全防护架构设计、网络安全功能内嵌、密码按需服务和分级安全防护等问题，确保天地一体化信息网络安全可靠运行。针对网络安全防护架构设计和网络安全功能内嵌问题，可基于“拟态防御”的思想，采用“动态异构冗余—多模裁决—异常清洗”的网络防御模式，实现安全功能内嵌，能够对“已知的未知”风险或“未知的未知”威胁实施可度量的安全防护。针对密码按需服务和分级安全防护等问题，开展跨用户域/网络域/应用服务域的密码资源统一管理与调度、星载资源受限设备轻量级可重构密码算法、多级安全加密和密码业务处理等关键技术研究，为天地一体化信息网络实体安全认证、信息保密传输和应用服务系统安全防护提供密码技术支撑。
天地一体化信息网络面临多尺度、多资源、异构性的复杂服务需求，如何获取有效而充分的网络资源，需要解决网络管理体系架构设计、网络资源优化利用和服务资源协调管理等问题，实现网络效能最大化和应用满意度最大化。针对网络管理体系架构和服务资源优化问题，可基于面向服务的架构体系（SOA），采用基于企业服务总线（ESB）的服务资源注册、发布、发现和管理方法，通过信息传输、格式转换、接口标准化、资源协同调度等技术，实现异构服务的重复高效运用，并采用模式匹配、事件序列分解、复杂语义检测、关键序列标定等方法，实现实时事件流分析和服务资源匹配优化。针对网络多维资源优化问题，可面向分布式资源管理，采用凸优化、稳健性优化和多目标优化理论，在多尺度下优化带宽、功率、波束、路由和转发器等网络资源，有效提高网络资源使用效率与网络服务效能。
天地一体化信息网络具有时空跨度大、网络拓扑高动态变化、用户广域分布和突发接入需求量大等特点，同时需要面向陆、海、空、天各类用户提供差异化服务。仅以用户接入速率为例，不同用户接入的信息速率差异很大（地面传感器用户接入速率只有几十比特/秒，甚至更少，而航天传感器用户接入速率可达几十兆比特/秒，甚至上百兆比特/秒），如何解决高并发、有差异化服务需求的用户接入控制问题，需要研究面向差异化服务需求的用户接入时变信道的速率自适应传输、时变网络结构的接入切换控制、时变网络资源的按需自适应灵活分配等关键技术，以提高天基网络用户接入的可靠性，提升用户信息端到端传送服务的能力。此外，地面5G移动通信系统的商用，也要考虑5G移动用户接入天基网络的相关技术问题。
天地一体化信息网络组成单元及相互通联关系动态复杂，涉及的关键技术和服务对象众多，需要依托OPNET、NS2及STK等仿真平台，构建完善的天地一体化信息网络仿真系统，建立不同轨道卫星节点的通信体制模型和不同轨道网系的网络模型库，开展信息传送层、网络服务层、应用系统层面的仿真研究。对关键算法和网络的整体性能指标、互联互通能力、资源利用率、运行状态等进行能力和运行情况仿真，对组网拓扑架构、路由与交换、网络安全防护、网络运维管理等技术体制进行仿真与验证，为不同任务类型网络的通信技术体制选取、性能指标设计提供支撑。并针对不同任务类型，合理选取效能评估方法和评价指标，构建面向多任务的网络总体效能评价体系，并与网络体系结构设计形成反馈迭代优化。