區塊鏈技術下的全維抗毀衛星通信系統探討

趙曉晶

（航天恒星科技有限公司，北京 100195）

0 引 言

隨著衛星通信的廣泛應用，積極探索區塊鏈技術下的全方位抗破壞性衛星通信系統對未來的衛星發展有重要意義。與移動或固定地面通信技術相比，衛星通信的載體是人造地球衛星，在實際應用中有著龐大的系統。應用先進的區塊鏈技術對衛星通信系統進行改造與優化，能夠有效提高衛星通信系統的抗毀性，讓通信系統更加可靠。

1 衛星通信系統的局限性

衛星通信系統的示意如圖1所示。衛星通信是一種在微波頻段上進行無線信息傳輸的方法，衛星通信系統由一顆衛星和對應的地面站構成，以統一的通信協議和頻率資源為基礎，不同的地面站將信息傳輸到衛星中進行傳輸工作，以實現信息交互。其中，衛星通信系統有以下幾個方面的局限性：（1）無線傳輸，頻率受限，系統數據傳輸率較低；（2）數據傳輸可靠性較差；（3）無線信道導致其受外界干擾較大，如頻率越高的系統受降雨影響越大；（4）衛星軌道位置有限，無法不受限制地部署衛星數量；（5）距離遠，需要足夠大的增益，導致發射接收設備較大（天線）；（6）衛星通信一般使用在偏僻的地方，通信資費比一般通信資費高[1]。

圖1 衛星通信系統

2 區塊鏈技術

區塊鏈技術在過去10年中的發展速度非常快，其數據組織的不變性框架以及區塊鏈網絡的數據規劃和維護方法是區塊鏈技術發展的主要驅動力。從數據組織方面來講，區塊鏈技術使用各種標準加密技術來加密具有偽用戶身份和標簽的資產交易進行有效鏈接，以證明資產所有權[2]。

區塊鏈將交易定義為區塊，組合加密連接到上一個交易目錄以維護交易順序。同時，通過開放網絡區塊鏈創造性地解決了重復交易的問題。與傳統的一致性機制相比，區塊鏈一致性機制可以確保大量不受信任節點之間全局賬本數據狀態的一致性，無需身份驗證，只需較少的消息傳輸工作量。從這個意義上講，區塊鏈可以被視為網絡的通用存儲，將網絡看做節點的分布式虛擬機。此外，區塊鏈網絡為在分布式應用中執行面向事務的指令提供了通用平臺，如自由組織網絡編排以及P2P資源事務。

區塊鏈隨著信息技術的快速優化發展逐漸趨于成熟，并投入了實際應用中，這是未來互聯網發展的新趨勢。目前，它主要用于金融和貨幣部門。在由中央銀行主導的現代貨幣體系中，貨幣由國家中央銀行發行和集中管理，在區塊鏈的條件下，貨幣以數字形式存在于互聯網上。與中央銀行的網絡節點存在明顯的差異，所有節點都存儲賬簿以顯示每個網絡節點的實際貨幣狀況，系統算法實現了外幣的折算和調整。基于區塊鏈的系統結構如圖2所示，為“去中心化”架構，即系統中沒有中心結，即使系統中的某些節點損壞，也可以繼續正常工作。

圖2 基于區塊鏈的系統組成

3 抗毀衛星通信系統的必要性

20世紀40年代，美國首次在其軍事信息技術中引入可靠性概念，這一概念的出現對人們產生了巨大的影響。人們對電子產品和能源系統質量的評估依據主要是基于其可靠性。在衛星通信中，單個衛星是一個包含各種科學信息和技術的復雜系統，集成了各種尖端科學技術，其可靠性受到多種因素的影響[3]。同時，隨著人類社會的不斷進步和經濟的快速發展，對系統的可靠性要求越來越高，導致系統的發展越來越復雜，對可靠性的影響也在逐步提高。然而，在眾多的可靠性威脅因素中，損傷抗力是最為重要的因素之一。一旦通信衛星遭到摧毀喪失通信功能，則可能危及國家安全，因此研究基于抗毀性的衛星通信系統具有重要意義。

4 區塊鏈技術下的全維抗毀衛星通信系統

4.1 基于區塊鏈的衛星通信系統理想構想

參照區塊鏈技術框架，由衛星以及地面站作為系統節點，應用現代新型數據庫替換掉傳統資源數據庫，使用通信協議取代智能合約，可以構建一個完整的衛星通信系統，大幅度提高系統的抗毀能力[4]。如果衛星或地面站損壞，衛星通信系統可以繼續正常工作。基于區塊鏈的衛星通信系統組成如圖3所示。

圖3 基于區塊鏈的衛星通信系統組成

4.2 用區塊鏈改造衛星通信系統

在完整的全維抗毀衛星通信系統中，沒有設置中心站，因為每個系統節點都可以稱為中心站，只有損毀系統中的所有節點，才能致使整個系統停止運行，即只要系統中存在一個可用節點，系統都能夠實現正常運行。區塊鏈技術框架在衛星通信系統中的應用主要有以下發展方向。第一，節點的大數據[5]。如果衛星或地面站部署系統需要操作和維護管理記錄庫、資源數據庫以及通信協議才能正常工作，則必然會導致大量數據存儲在所有衛星和地面站節點中。第二，系統去中心化。以去中心化為核心，即系統不需應用到控制中心就可正常運行。第三，智能信息傳輸。所有衛星和用戶站構成一個綜合系統，用戶站智能地選擇匹配衛星和頻率資源，并根據其他站和服務類型智能地設置自己的參數。第四，智能故障處理。科學應用冗余系統資源以及節點大數據，制定系統應急預案，完善通信協議，實現系統和錯誤節點的智能處理。

4.3 衛星通信系統的抗毀性

目前，人類使用的網絡拓撲結構通常比較復雜，而全聯通網絡結構緊湊，具有極強的抗毀性，這是經過多年實踐得出的結果。即使單個節點損壞，網絡應用程序也不會失去連接，能夠保證正常的通信功能，同時網絡中的不同節點可以實現任意連接。雖然它已被證明是最實用的，抗毀性也最高，但在實踐中中的應用成本很高。目前，通過提高研究力度能夠大幅度提高通信衛星的抗毀性。在整個全聯通網絡中，隨意兩個節點都可以進行多路徑連接，完成正常的運行，這充分證明了在網絡抗毀性構建的過程中充分利用網絡路徑應用的可行性。同時，將節點間最短路徑有效地應用于抗毀模型的構建中。在確定全國聯通網絡最強抗毀能力的基礎上，對上述結構差異進行量化分析，確定抗毀能力指數。眾所周知，網絡的鄰接矩陣允許評估網絡中不同節點的實際連接，從而確定網絡節點的實際應用狀況，因此可以使用鄰接矩陣計算網絡的抗毀性[6]。

5 衛星通信系統進行區塊鏈改造

5.1 技術框架改造

（1）用于運行維護管理的數據庫。基于當前的通信記錄庫，實現了同一級幾點參數的變更記錄數量，在運維管理記錄庫中能夠記錄所有相關系統的狀態變更以及運行日志目標。（2）資源數據庫。構建完善的系統運行資源數據，全面利用所有系統運行相關數據。（3）通信協議。對基本協議進行全面綜合設計，避免了由于信道不足導致的系統阻塞、信道短缺等隱患。在通信設置之前、期間以及之后，細化和整理系統中兩個或多個通信方之間的交互機制，制定合理的系統應急預案，以自適應通信場景，無需人工參與[7]。

5.2 衛星和地面站改造

在實現中心站功能的理念下，系統中的每個衛星或地面站都必須進行整體的結構框架改造，這導致后續將出現兩個方面的問題。一方面，系統站小型化和便攜性的發展趨勢可以促進地面站發射功率、接收品質因數以及數據庫存數量不能與中心站實際需求相匹配；另一方面，由于衛星節點的特殊宇宙空間位置，節點的存儲容量和處理能力受到限制，不適合提供大數據和高速數據處理。

解決方案主要有數據分類和數據分層次部署兩點。數據可分為系統類、衛星類以及地面站用戶類3類。與系統類相比，衛星類減少了地面站的大部分數據，大幅度降低了對存儲和處理能力的要求[8]。數據分層次部署是利用系統數據提供既有中心站、區域站、固定站、非移動運輸站以及箱式站，所有通信衛星必須提供衛星數據，移動傳輸站、便攜站、手持站必須提供地面站用戶數據。

5.3 關鍵技術升級

根據衛星通信系統無人值守自動運行的要求，對關鍵技術進行改進，主要包括以下幾個方面。

5.3.1 同步系統

（1）鏈路層的同步算法。現有的衛星通信系統主要包括時分多址（Time Division Multiple Access，TDMA）和頻分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA）兩種多址方式，可以獨立聯網的單個系統不能使用多個訪問方法。系統集成的第一步是建立不同接入方式的同步機制。（2）衛星同步機制。為地面站建立衛星-衛星協商機制，雙方都不知道星標的狀況下可以與同一顆衛星通信。（3）參數同步機制。建立通信參數自適應調整機制，如果站類型與接收參數不一致，則自適應的調整參數以實現通信連接[9]。

5.3.2 基本協議算法

（1）基本的操作和維護算法，系統的傳輸通道和應用通道從現有的單一傳輸通道和固定數量的應用通道切換到自適應機制。（2）通信連接算法，它根據衛星可利用資源、端到端站點和信息傳輸服務的類型定義頻點、信道帶寬等參數，參數整定方法可以通過提前規劃和信息傳輸質量的強化學習來實現。（3）錯誤恢復算法，包括系統錯誤恢復和節點錯誤恢復，利用已有的規劃方法和改進的差錯恢復質量學習方法，實現了差錯恢復算法。當系統廣播信號因敵人攻擊而消失時，其他節點可以立即發送廣播信號，這是整個反破壞衛星通信系統的核心。

5.3.3 智能硬件改造

根據不同站點類型的數據交付類別計算數據存儲和處理能力需求，并更新現有地面站。如果現有衛星不能滿足轉換條件，則需要對后續衛星進行改造，以逐步實現智能轉換的目標[10]。

6 結 論

現代信息技術飛速發展，信息創新能力大幅度提升，衛星通信系統和技術得到了廣泛應用，區塊鏈本質上是一個分布式數據庫，可以在沒有第三方的情況下安全地更新其狀態。將區塊鏈技術引入衛星通信系統能夠實現系統抗毀性能的大幅度提高，降低通信資源的分配和服務成本，支持多種分布式應用，實現衛星通信系統與區塊鏈技術的高質量融合。