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按需服务卫星通信网络的设计、建设与运行旨在优化效费比。本节从科学问题、技术问题和工程问题3个方面，简要梳理其面临的问题和挑战。
按需服务卫星通信网络作为一种新的网络架构，厘清、探究并刻画其背后蕴含的科学问题是推动其发展的根本。本书从网络规模与能力的数学关系、多域不均匀分布的业务建模问题、网络和业务相互作用机理3个方面阐述按需服务卫星通信网络涉及的主要科学问题。
① 网络规模与能力的数学关系。目前，国际上一些卫星通信网络计划拟通过发射大规模数量的卫星以提升其用户服务能力。然而，庞大数量规模的卫星星座建设受到多方面复杂因素的影响，若化解不佳易形成复杂系统。一般而言，复杂系统付出的代价与系统复杂度呈超线性关系，系统复杂度与代价、收益的一般关系如图1-1所示。在达到一定复杂度后，系统获得的收益往往偏向亚线性，极端情况下收益有可能崩塌。因此，我们需要对卫星通信网络规模和能力的数学关系进行分解、抽象和表征，但其理论研究仍处于起步阶段，亟待进一步深入。
图1-1 系统复杂度与代价、收益的一般关系
② 多域不均匀分布的业务建模问题。业务分布模型是研究按需服务卫星通信网络的基础。与地面网络不同，卫星通信网络广域业务呈现显著的时空非均匀特性。例如，从全球人口分布来看，地球总面积的29.2%为陆地，而全球90%的人口集中在10%的陆地面积上，陆地人口聚集特性明显。目前，对于广域业务需求分布的模型研究不足，缺少一般性的数学模型描述，导致卫星通信网络能力需求的研究与实际情况存在较大差距。
③ 网络和业务相互作用机理。网络效能包含多元化的评价指标，除了总吞吐量、端到端时延、抖动等客观指标，还涉及用户的主观评价指标。实际上，网络效能与业务输入是相互作用、紧密耦合的。一方面，业务需求及分布决定了网络的服务成本，而用户体验可激发或抑制业务需求，从而决定运营商效益；另一方面，网络服务也能影响用户的消费使用习惯，如服务质量和价格可影响用户的使用偏好，通过为用户推荐低成本的热门内容或索引可以协助用户进行业务选择等。通过网络和业务相互作用机理研究，在不同业务条件下优化网络效能，可为灵活调配卫星通信网络受限的通信与信息处理资源提供重要的参考依据。
为达成预定的系统服务能力，能否优化和降低系统实现的复杂度，是系统可持续发展的关键因素。要实现卫星通信网络受限资源与业务精准匹配的按需服务，涉及的使能技术主要包括以下5个方面。
① 受限通信资源的分配使用方法。传统的卫星通信资源分配多采用预先规划的方式。单一的资源利用模式制约网络容量的优化，而拓展资源分配自由度是提升资源利用效率的关键。随着卫星通信载荷可编程能力的提升以及星载相控阵技术的发展，一般可对卫星通信的时间、空间、频率、功率等多域资源进行分配。支持精细化资源分配、高频谱效率和高功率效率并重的通信体制设计是资源划分的基础。时间、空间、频率、功率资源划分的粒度越细，资源分配的灵活性和自由度越高，资源利用率越高，但资源划分的分配复杂度、处理复杂度和通信开销也会随之提升。因此，资源粒度也并非越细越好，需要合适的“度”。实际上，卫星通信网络资源分配是一个多目标优化问题，即运营商希望最大化系统吞吐量，而用户希望资源分配能按其所需。对于系统能力而言，既需要保障尽力而为（Best-Effort）业务的公平性，又需要保障特殊业务的差异化服务质量。如何平衡全局性能与个性化的服务体验，并降低通信处理和资源管理的复杂度，是受限资源分配与使用的重要挑战。
② 星座设计及评估技术。星座设计是卫星通信网络总体技术的核心之一，直接影响系统建设成本和运行效率。易于实施的星座方案有助于我们在发展主动权上获得先机，简洁可迭代演进的星座构型可降低复杂度，并促进空间资源的科学合理利用。传统星座设计通常着眼于实现最优覆盖效率 [27] ，较少考虑频谱资源可获得性、网络服务质量和安全性等因素。按需服务卫星通信网络的星座设计需要考虑覆盖效率、容量效率、多星座共存、可用性和安全性等因素，用可解释的数值分析结果为星座设计提供可靠的评价依据。相关多约束模型的建立和评估指标设计仍然是开放课题。
③ 频率共存与干扰处理技术。频谱资源是卫星通信网络的基础资源之一，对于系统建设和发展至关重要。当前卫星通信系统数量和规模不断增加，频谱资源日趋紧缺，为提升频率利用率，频率共存与干扰处理技术研究势在必行。目前已有的NGSO 卫星通信系统间的干扰分析和干扰减缓设计大多沿用 GSO 系统间的静态干扰分析思路，适用性有较大局限。考虑实际业务的动态分布情况，通过非合作或合作的方式实现NGSO卫星通信系统间干扰减缓和抑制，是按需服务卫星通信网络的重要研究方向。
④ 星载路由交换技术。星载路由交换技术是卫星通信网络的核心关键技术。基于星载再生处理、星载交换与星间链路组网，可以实现单星内业务交换以及星座网络内的多跳路由转发，因此卫星通信网络的服务范围不受信关站分布的约束。星载交换机根据路由计算的结果执行报文处理和转发。相应的路由计算分为分布式与集中式两类。分布式路由是指卫星自主完成路由计算，路由生成速度快，但面临局部网络信息下的全局最优策略估计、大时空尺度和动态网络拓扑下的路由快速收敛与环路规避等技术挑战。集中式路由主要依靠地面运控中心进行全网状态收集与全局路由计算，星载交换机执行运控中心指令进行网络转发处理和状态统计，其优势在于路由计算可以达到全局最优，在网络重负载下能够保障高优先级用户的服务质量，但面临低复杂度业务编排、同步和异步路由更新、大规模流状态监测等技术挑战。在软件定义卫星通信网络新技术框架下，星载路由交换技术将产生质的飞跃，系统可以对不同业务按照用户需求采用适时可定义的路由策略，例如，对常态化业务采用集中式路由策略，以提高网络全局服务质量，而对少量突发业务可采用自主分布式路由策略，从而提高网络重路由速度。
⑤ 软件定义卫星通信网络技术。软件定义卫星通信网络技术支持在线按需配置网络功能。这种在线按需配置通过控制面与数据面解耦来实现。软件定义的控制面扩展了传统路由的功能，可以部署在运控中心、卫星、信关站和用户站等网元，根据需求动态调整差异化的服务质量保障策略。软件定义的数据面，又被称为可编程数据面，可部署在卫星、信关站和用户站等网元，通过扩展传统网络交换设备的灵活性，实现报文解析、转发和状态采集等线速处理功能的在线可编程，支持卫星通信网络切片灵活配置，以及卫星通信网络私有协议、各类公网协议和专网协议的迭代演进。同时，控制面对业务流的全局优化管控、数据面对多样化网络协议的兼容处理都将带来计算复杂度和响应速度等方面的技术挑战，这些也成为按需服务卫星通信网络需要攻克的主要技术难题。
卫星通信网络是一个复杂的航天系统工程，需要面对多样化的需求以及相互制约的工程约束，在充分考虑性能、费用、进度和风险等因素的基础上，设计、建设和运行使用系统，使系统以最优的效费比安全实现其应用目标 [28] 。
按需服务卫星通信网络以“资源灵活配置、服务按需适变”为工程设计基本原则，传统航天工程的定制化工程设计方法将面临新的挑战，如何在灵活性、复杂度和可靠性之间找到合理的平衡至关重要。相关工程技术挑战主要包括以下3个方面。
① 软定义与定制化的平衡
卫星通信网络的“软定义”是指利用可编程设备构建网络。相对于采用专用硬件构建的功能固化的卫星通信网络，在卫星发射后，软定义的卫星通信网络在波形、波束大小和指向、编码调制和多址方式、报文处理策略等均可按需配置。然而，软定义将引入额外的工程代价，包括功能增加/变化/升级引入的代价以及星载设备采取可靠性防护措施引入的代价等。例如，基于通用中央处理器（Central Processing Unit，CPU）实现的星载软定义交换相对于定制化的硬处理交换，在同等功耗开销的条件下，总吞吐量可以有数量级差距 [29] 。在系统设计迭代过程中，如果软定义对于系统效能的贡献不足以抵消工程代价与可靠性风险时，定制化的技术方案反而会占据优势。同时，如果出现新的低功耗星载软定义交换方式，全硬件定制化的技术方案又有可能处于劣势。工程方案设计是一个长期且不断迭代的过程，特别是软定义工程技术的持续创新往往受制于系统设计者对于代价和收益的评估和权衡，同时还会受到服务场景和潜在需求的变化、成本（费用、时间、智力资源投入）和风险等因素的影响。
② 成本、性能与可靠性的平衡
在轨使用现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）、CPU、图形处理单元（Graphics Processing Unit，GPU）、数字信号处理器（Digtial Signal Processor，DSP）等各类可编程器件、各类易失/非易失性存储器件、大规模相控阵天线组件等，可为实现卫星通信网络按需服务提供基础条件，但这些新器件、新设计的使用也给航天系统可靠性保障和成本控制带来新的挑战，需要通过工程技术创新来平衡高性能、高可靠性和低成本之间的矛盾。
以半导体器件为例，先进制程的工业级半导体器件成本低、性能高，但在轨使用时其可靠性容易受到空间辐照引起的单粒子翻转、单粒子闩锁和总剂量效应等影响。为减少这些影响，一般需要提高元器件的空间环境适应等级。传统提高设备在轨可靠性的办法大多依赖提高元器件的等级和冗余备份设计。但随着人们对轨道辐照环境与目标器件翻转截面等辐照敏感性参数认识的不断加深，新的工程技术方法可以通过建立从器件到系统的在轨失效模型，开展系统级优化设计，在满足系统可用性与合理裕度的前提下，有效延长卫星寿命、降低成本、提高性能。
③ 系统能力的数字化验证
一是基于软定义网络架构与星载可编程设备，在按需服务卫星通信网络中可以产生和获得大量的运行数据。丰富的历史运行数据是实现网络模拟、训练、验证、预测和控制的基础，能够辅助生成优化的网络管控及资源配置策略。
二是利用数字孪生技术与先进算法模型，可以辅助网络运营商适应复杂和快速多变的用户需求，实现包括规划、建设、监控、优化和运维等在内的网络全生命周期的数字化保障。
三是以软定义的卫星通信网络切片能力为基础，可按需划分与业务系统并行且相互隔离的测试切片，构建多个在轨创新试验验证系统。在轨创新试验验证系统可以直接调用卫星与地面运控设施实体资源，完整复现被测技术在工程化部署后的实际工况，提供权威的在轨验证数据，从而加快未来天地融合卫星通信网络新体制、新技术、新设备和新应用的研发进程。