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不同于地面互联网络，天地一体化信息网络结构极其复杂，具有如下特征 [2] 。
（1）天地异构网络互联
天地一体化信息网络由天基骨干网、天基接入网、地基节点（网）构成，包括Ka大容量宽带卫星、Ku宽带卫星和高轨卫星移动等现有和规划建设的卫星通信系统，其数据交换方式包括信道化透明转发、分组交换等，具有明显的异构性。
（2）高动态多类型实体组网
天地一体化信息网络由涵盖陆、海、空、天在内的多种异构网络互联融合而成，网络节点包括卫星节点、地面节点等多种类型的节点，并且卫星节点始终处于高速运转状态，可能频繁地加入或退出网络，导致网络拓扑每时每刻都在发生变化。
（3）多链路信道特性差异
天基骨干节点支持光交换、微波交换、分组交换等多模式混合交换。其中，信息获取类的卫星数据以光交换为主，通信类的用户数据采用微波交换和分组交换，控制类的运维信息采用分组（多播方式）交换。部分低轨接入节点采用微波或激光链路与天基骨干节点互联，实现高低轨卫星组网和数据通信。根据用户接入链路特点和业务需求，可采用与其适应的 FDMA、TDMA、CDMA、OFDMA 以及与5G融合的混合多址接入体制。
（4）天基节点资源受限
受卫星有效载荷技术及太空恶劣自然环境等因素的影响，卫星节点的计算、存储、带宽、物理空间等资源均受到较大限制，处理能力有限；并且在卫星发射后，现有技术条件无法支持硬件层面的升级改造，难以从根本上扩展卫星节点的处理能力。
（5）数据传输高时延、大方差、间歇链路
由于链路传输距离远大于传统地面网络，天地一体化信息网络中的数据传输存在高时延的问题。且由于卫星通信链路始终处于变化的恶劣自然环境中，如太阳黑子爆发、暴雨天气等，链路的连通难以像传统网络一样保持时间连通性，进而造成通信时延变化幅度大。此外，因卫星始终处于高速运动状态，加之地球的自转与公转，星间通信无法长时间处于各自的信号覆盖范围内，进一步加大了通信链路持续保持的难度和通信时延抖动的幅度，因而，天地一体化信息网络呈现连通间断性、时延方差大等特点。