作者：郝云丰（中国电科54所）
迄今为止，美国的“阿波罗”登月项目已经过去50余年，但近期多项深空任务，如2018年12月NASA的“洞察号”火星探测器成功在火星着陆，重新获得了媒体的大量关注。未来太空探索和空间站任务将需要特定的网络互连地球与太阳系内其他行星，而这些网络的互联就是星际互联网（IPN）的核心。
IPN将各种物理基础设施、网络体系结构以及相关技术组合在一起，向未来星际任务提供通信和导航服务。有研究人员在现有星际互联网发展的基础上，提出了一种面向未来的分阶段实施的星际互联网体系结构，它可将国际上各种组织机构开发的各种空间网络互连成为一个统一网络，然后再与地球上的互联网进行连接。从长远来看，这种未来星际互联网体系结构将推动深空网络的扩展，能够实现与太阳系内其他行星，甚至更远星体互连互通。
一、星际互联网概念研究
自上世纪90年代末开始，NASA为了实现星际网络之间的高效通信，开展了星际互联网（IPN）研究，星际互联网就是由一些稳定、高效、大容量的中继卫星节点构成的深空网络。它包括行星之间的远距离数据链路（直接链路或多跳链路），向空间探测器、宇宙空间站、太空飞船以及行星轨道器等提供导航定位信息、遥测遥控信息，对科学数据进行存储转发。
星际互联网的基本构想是：在低时延的深空环境中应用互联网技术，在长时延的深空环境中需要建立合适的的星际骨干网来连接那些可以应用互联网技术的分布式行星网络，并建立低延时与高延时环境的中继网关。
NASA在2002年提出了一种星际互联网基础设施结构，它主要包括骨干网、航天器间网络、接入网、临近网四个部分。具体的组成情况为：
（1）骨干网：包括NASA的地面网、空间网、NASA内部网、VPN、互联网以及租用的商业和国外通信系统。
（2）航天器间网络：航天器以编队、星座、集群方式飞行时它们之间的网络。
（3）接入网：用于航天器和骨干网建立连接和信息交换所需的网络。
（4）临近网：空间航行器、着陆器和一些分布式传感器组成的ad hoc网络。
到目前为止，IPN的研究仍处于初级阶段，其体系结构需要进行周密的规划，并且大量的通用标准和研究工作需要在不同机构组织间达成协议，同时还要应对高额的部署成本问题。
众所周知，星际通信通常面临通信距离超长和传播延迟可变、间断的链路连接、低速和非对称带宽和缺少固定基础设施等挑战。为应对这些挑战，本文提出了一种新型IPN体系结构，它克服了传统机会网络的较高延迟和抖动以及长期自主运行受到限制等缺点，本文还提出了应对这些深空通信挑战需要采取的关键技术，最后给出了一种针对具体空间探索任务的演进型IPN实现架构。
二、未来IPN关键技术
星际互联网的信息传输路径具有传输媒介迥异、时延长且不断变化、上下行链路带宽不对称且有限、链路连接不连续等特点, 这些特点决定了星际通信与地面通信、卫星通信所采用的通信体系结构、频率范围、协议体系等方面大不相同。下文将主要梳理星际互联网发展所涉及的关键技术。
（1）容延迟网络（DTN）
IPN是一种端到端延迟可能达到1天，抖动以小时计的机会式网络，传统的基于TCP/IP协议栈的互联网体系结构并不适用于IPN。DTN最初就是为应对深空通信（长延迟、间断的网络连接）而提出的。DTN基础设施中的节点称为DTN网关，它们能够在链路不可用情况下提供存储-转发能力。
为了应对延迟长且可变的特点，DTN体系结构引入了一种称为Bundling协议（BP）的覆盖网络协议，提供异构链路间的端到端传输。这种覆盖网络协议运行于传输协议之上，确保与现有互联网基础设施兼容。在网络中每个点，Bundling协议采用了适应传输环境的传输协议，并且能够在TCP、UDP以及Licklider传输协议（LTP）（一种适用于长传播延迟、间歇链路的点对点传输协议）上运行。
为了将地球互联网与其他行星的互联网进行互连，IPN网络需要一种DTN路由器（也叫DTN网关）。DTN路由器提供了一种DTN实现方法，包含bundling协议、汇聚层协议以及传输层协议、LTP、TCP以及UDP。DTN路由器应满足卫星和航天器的有效载荷限制条件。
SmartSSR是一款由应用物理实验室（JPL）开发的固态记录器，它能够帮助航天器实现DTN路由器功能。SmartSSR具有重量和尺寸小，成本相对较低的特点，使其能够大量安装到任何航天器的有效载荷模块上。SmartSSR的主要目标是解决连通断续问题。
当下一跳链路不可用时，SmartSSR能够存储大量数据。SmartSSR选择LTP作为其传输协议，采用通用处理器和NAND闪存阵列组合实现多项紧密相关的功能。这种通用处理器基于LEON3FT处理器，使用SpaceWire接口与其他航天组件通信。SmartSSR使用空间文件系统（SpaceFFS）管理航天器数据。这种文件系统是由一种闪存文件系统改造而来，以适应空间工作环境的特殊需求。
DTN是实现IPN的一种重要技术途径，NASA启动了多项旨在提高DTN技术成熟度的飞行验证计划，以期将DTN技术应用于实际太空飞行任务中，最终实现IPN的建立。2008年10月和11月，NASA的JPL在“深度撞击”彗星探测器上测试了DTN的一些必要功能，即进行了“深度撞击”网络（DINET）试验，这是IPN的第一个实例。研究人员将DTN软件成功加载到“深度撞击”探测器上，并在备用计算机上启动DTN软件，该软件采用行星际覆盖网络（ION）代码实现。在整个试验过程中，“深度撞击”探测器共利用８次与深空网的低速率连接机会。试验中，研究人员从地球上的JPL节点向“深度撞击”探测器发送约300幅图像，探测器自动将这些图像转发到其他的JPL节点。在27天的试验过程中，研究人员测试了DTN中束的生成、发送、动态路由计算、拥塞控制、保管（Custody）传输和自动重传等功能。
2012年11月，NASA和欧洲航天局（ESA）使用IPN试验网，从“国际空间站”成功实现了对ESA达姆施塔特运行中心乐高机器人的控制。这项试验使用了NASA的DTN发送消息，模拟行星轨道飞行器上的航天员控制行星表面机器人的情景。航天员使用NASA开发的笔记本通过DTN实现对地面乐高机器人的控制。试验中的DTN将可用于火星轨道器上的航天员控制火星表面上的机器人，也可以利用围绕地球运转的卫星当作中继转发站。
（2）自主路由
当前空间通信系统都是为特定任务研制的，是点对点系统，并且严重依赖各个空间组织的资源。本文中的IPN体系结构旨在减少对地球运营商资源调度依赖的同时实现行星间的互连。为了实现此目标，IPN体系结构将提供航天器自主运行以及命令和数据的空间自主路由能力。
IPN体系结构将采用DTN技术实现与地面互联网路由能力类似的自主数据路由机制。此方法在OSI下5层之上增加一个覆盖层，解决了一半自主路由问题，这样传输就与底层路由协议无关。由于DTN以点对点通信模式运行，而IPN需要多点通信，因而DTN无法解决另一半自主路由问题。此问题的解决方案是允许路由协议控制天线指向、功率发射以及数据速率，并提供发射机和接收机之间的同步能力。此解决方案要求节点间实现交互式链路，这些链路可以根据需要在整个IPN网络中任何时间创建和移除。这些按需分配特性要求特定的硬件执行对准和聚焦传输。建议使用2轴万向支架（方位和俯仰）、粗瞄装置（CPA）和精瞄装置（FPA）确定天线和波束方向。
（3）光通信
提供光通信能力的关键设备是飞行激光终端、地面激光发射机和地面激光接收机。飞行激光终端和地面激光接收机均使用望远镜作为扩束镜来实现数百万千米的星间通信。飞行激光终端搭载有一个22厘米孔径、功率为4瓦的激光器，一个用以应对航天器振动干扰问题的隔离和瞄准装置（IPA）以及一个用于实现捕获、跟踪与接收信号的光子计数相机。地面终端包含有能够与大孔径地面望远镜相集成的光子计数地面探测器，可探测来自深空的微弱下行链路信号。
（4）其他技术
在IPN中，部署一个新节点往往需要数年的时间，然后这些系统会自主运行几十年，因此应将硬件故障概率降至最低。当前地面计算机网络的一个发展趋势是用软件取代硬件。这种方法在降低部署成本的同时，还能够在不物理接触硬件的情况下对系统进行升级更新。目前有两种此类技术非常适用于IPN。第一种技术是软件无线电（SDR），它将所有的调制工作都交由软件模块完成，并使用通用无线电天线进行传输。此体系结构能够在减少硬件故障的同时，还能够实现期望的小型化目标。第二种技术是软件定义网络（SDN），它将控制面与数据面分离，允许动态重新定义网络的逻辑体系结构，实现更为长远的灵活性。图1演示了如何在一项既定任务中利用SDN控制设备，SDN将被用于单元级。
图1 集成有SDN的IPN
三、未来 IPN体系结构
由于未来IPN部署起来非常复杂，本文提出的未来IPN体系结构需要分三个阶段实施，因此定义了3种互相兼容的体系：IPN近期通信体系结构；IPN中期通信体系结构；以及IPN长期通信体系结构。
（1）IPN近期通信体系结构
本文提出的IPN近期通信体系结构主要面向近期针对火星和月球的任务。此体系结构最大量重用现有可用技术以期以较短时间实现地球、火星以及月球互连。IPN近期通信体系结构由两个子系统组成：物理层的频谱子系统和更高层的网络子系统。频谱子系统提供两个微波频段承载数据：Ka（26.5-40GHz）和X（8-12.4GHz）波段。相较于传统射频频段，Ka频段和X频段能够提供更高的数据率。Ka频段频率较高，因而数据率更高，可用于骨干网通信和星间链路。X频段和Ka频段都可以用于卫星到行星表面通信。由于Ka波段易受湿度衰减的影响，因此可根据天气情况在两个频段间切换。
图2 IPN近期通信基础设施
网络子系统由三个子网络组成：临近网、接入网和骨干网。临近网包含相对靠近行星或者月球的单元间链路和行星表面网络。接入网由绕行星或者月球轨道飞行且彼此互连的卫星组成，本文提出的体系结构拥有三个绕每颗行星和月球飞行的卫星构成的接入网。骨干网将这三个接入网与地球上的DSN站互连。骨干网将提供两种互连链路：直接链路和间接链路。直接链路直接连接火星和月球中继卫星与地球上的DSN，而间接链路是将数据从火星和月球中继卫星传输到地球中继卫星，然后再传送到DSN天线进行接收。在此体系结构中，建议发射4颗月球中继卫星（LRS）（3颗工作星，1颗备份星）和1个火星中继轨道器（MRO），也可重复使用现有基础设施。例如NASA的火星勘测轨道器卫星预计将服役至2030年，因而可以用于IPN近期体系结构。地球中继卫星包括10颗运行于地球同步轨道的TDRS（跟踪与数据中继）卫星。从其他行星上的设备到地球的路径，每一个节点都将采用DTN技术，支持存储-转发机制。DTN技术的应用平台包括DSN、中继卫星（LRS、MRO以及TDRS）、临近网中的着陆器、机器人和漫游器以及空间网和任务中心（数据目的地）。
以从地球任务中心到火星漫游器的数据传输过程为例，TCP是一种地面互联网采用的传输协议，bundling协议作为覆盖协议运行在TCP协议之上。在该路径的第二个干线，bundling协议运行在DSN天线、火星轨道器以及火星漫游器之间的LTP协议之上。由于地球与火星之间存在距离远、延迟高的问题，此干线将利用Ka波段和LTP进行数据传输。
当前，火星和月球轨道器都使用Proximity-1数据链路协议实现与表面单元通信，并使用先进轨道系统（AOS）空间数据链路协议实现轨道器和地球上DSN天线之间的通信。
（2）IPN中期通信体系结构
本文提出的IPN中期通信体系结构是基于人类未来将在火星和月球远地面定居的设定，长期则有望扩展至在整个太阳系长期定居。这些应用中，双向大量数据交换需求会不断上升。这一现象在人类实现在其他行星长期定居时会进一步放大。在此场景中，星际链路不仅要在地球以外提供互联网接入，而且要互连其他行星的互联网。IPN中期通信体系结构将能够进行扩展，并能够解决带宽不对称问题。它可利用搭载在航天器上的光学模块和行星表面的光通信终端（OCT）实现高数据率双向通信。这些技术需要以更低功率、更小有效载荷实现更远距离、更高数据率通信能力，数据率可比RF通信高10~100倍。
图3 IPN中期通信基础设施
图3描述了将地球与火星以及其他行星互连起来的IPN中期通信体系结构。在此体系结构中，数据传输频谱由微波（X、Ka）升级为激光通信（亦称自由空间光通信）。激光波束的宽度要比RF波束窄得多，因此功率更加集中并可实现更高数据率。在外太空，自由空间光通信的通信距离都在数千千米量级，因此光学望远镜的作用就显得更为突出，它可以作为扩束镜来应对数百万千米的星际距离。
本文提出的中期IPN通信体系结构包含多个同步轨道轨道器或者卫星（地球轨道的光学TDRS（OTDRS）、火星同步轨道器以及其他行星同步轨道器）组成的星座，它们在其他行星表面的节点间、行星间以及行星与接入网之间提供中继服务。每颗卫星都集成有一个支持光通信的小型卡塞格伦天线（12厘米）。支持两种通信技术（RF和光通信）的光深空网（ODSN）将取代深空网地面站。这就需要在标准DSN34米波束波导天线内安装光学反光镜，保留RF通信的目的是保证天线在所有天气情况下运行。此体系结构还将运行新型激光通信终端（LCT），与火星同步轨道器（GMO）、行星同步轨道器（GPO）以及OTDRS卫星交换数据。LCT配备有6个小型折射望远镜（12厘米）作为发射机，1个大一些的反射望远镜作为接收机。后者通过光纤连接到相应发射机和接收机。
（3）IPN长期通信体系结构
由于空间光通信是视距通信，因此可能经历被遮挡或天体会合现象，例如地球和火星之间可能会受到太阳的遮挡。这种遮挡每26个月会持续出现两周时间。此外，由于自由空间损耗会随着距离增大而增长，空间视距通信会出现衰减现象，因此地球和更远行星之间的通信衰减要远高于地球和火星之间的通信衰减。地球和冥王星之间的距离为38.44个天文单位（A.U.），也就是5766百万千米，而地球和火星之间的距离为0.52A.U.，从地球发出的信号传输到冥王星需要5.4小时。
本文提出的IPN长期通信体系结构建议在日地拉格朗日点L1、L2、L3、L4以及L5设置航天器，解决上述问题。在每个拉格朗日点的位置，两个大型天体（如太阳和地球）的重力会抵消离心力。因此处于该点的航天器无需外部干预即可围绕太阳运动。这些点通常用于观测任务和通信中继任务。本文提出的IPN长期通信体系结构将在这些点运行航天器作为深空中继器和中继节点，利用激光通信向目的地转发数据，克服行星间的距离限制。利用这些点还可增加太阳系中的在轨点数量，从而在出现遮挡现象时提供迂回路径。此体系建议在L4和L5设置航天器解决遮挡问题，在L1和L2点设置航天器解决衰减问题。
在从行星到地球的数据传输中，数据首先发送到位于数据源行星L1点的前端中继航天器（FERS），然后再发送到位于L2点的后端中继航天器（BERS）。然后数据再经过中继行星L1点的前端中继航天器和L2点的后端中继航天器。最后在地球朗格朗日L1（EL1）点设置一个FERS，在EL2点设置一个BERS，在EL4设置一个引导中继航天器（LDRS）以及在EL5设置一个跟从中继航天器。这样即便LDRS和FWRS位于太阳背面，也可与其他行星保持通信联系。
图4 IPN长期通信基础设施
四、结语
目前，不同国家的空间机构和私营组织已经开发了多项技术用于宇宙探索任务、寻找替代资源以及拓展现有科学研究，但支撑这些任务的通信体系都采用点对点结构且与任务紧密相关。本文提出了一种未来星际互联网体系结构，实现从以任务为中心的体系结构向一种单一通用、灵活且可靠的体系结构的迁移。该体系结构是一种基于未来任务时间框架的演进型体系结构。近期IPN体系结构使用现有可用技术将当前和近期感兴趣区域（火星和月球）互连起来，并且将利用DTN和适合的协议，以应对深空通信所面临的挑战。中期IPN体系结构寻求满足行星间对海量数据交换不断增长的需求，尤其是移居火星后。其主要发展是在频谱方面，数据传输的方式从RF通信转向激光通信，同时伴随着硬件的发展。长期IPN体系结构将利用位于拉格朗日点的中继节点应对传输距离非常远、太阳遮挡以及信号衰减等问题，并将DTN技术整合到每一个IPN节点。
本文摘自《天地一体化信息网络情报专刊》2019年第13期
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