一體化衛星通信網絡管理平臺設計

張永池，趙 麗

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081； 2.中國人民解放軍63629部隊，北京 100162)

0 引言

在衛星通信地面系統中，系統運維管理中心負責衛星資源的管理調度，并根據用戶群、衛星傳輸體制等的不同定義專用的通信網絡并部署網絡管理設備，實現對網絡內衛星資源、關口站資源以及用戶站資源的管理和控制[1]。隨著衛星數量、網絡數量的增多及不同用戶群的增加，對應的專用通信網絡及其網絡管理設備越來越多，維護成本和復雜度也越來越高。相互獨立的設計和部署也影響了各系統之間的互聯互通及資源共享[2]。軟件平臺化、資源虛擬化及人工智能等技術已經在地面網絡、5G移動通信中得到廣泛應用，對異構無線資源統一管理、業務優化承載，網絡性能提升發揮了重要作用[3-5]，許多思想可以在衛星通信網絡管理系統中借鑒使用。

1 現狀分析

衛星通信網絡管理主要通過網管中心、網管信道和網管代理及在三者中傳遞的信令實施完成[6]。投運的衛星通信網絡管理系統大都采用面向特定用戶群的分散單體制獨立組網管理架構進行建設，數量多、差異性大且相互獨立，已經難以適應資源統一管控、資源應用共享及跨網互聯互通等智能化管理的需要[7]。

一些大的系統中，為了減少操作維護工作，通過對各網管做一些融合設計，實現了在原有各網系網管軟件的基礎上對具有相同特征的部分功能(如日志管理、用戶管理等)整合和疊加。但各網管的主體(如接入控制、資源管理和界面呈現等)實際上還是獨立的，相互之間沒有信息交互。操作員需要在不同網管操作界面間頻繁切換，以實現對不同網絡的操作管理。

1.1 單體制網絡管理架構

該管理架構中，網絡管理平臺完全依附于管理的專用網絡，無論從管理對象、服務用戶、軟件界面，還是數據庫存儲、軟件部署及硬件平臺等各方面都是獨占的，相互之間沒有任何聯系，獨立工作，單體制網管架構如圖1所示。

圖1 單體制網管架構

在組網應用時，用戶只能按預先定義好的歸屬關系接入指定網絡并使用該網絡內的資源，不同網絡的用戶之間不能進行業務互通，如圖2所示，即使多網綜合站能同時提供2個網絡的通信設備，但不支持分屬于不同網絡的用戶1和用戶2的通信。

圖2 單體制網管組網應用

1.2 單體制網絡管理平臺的不足

單體制網絡管理平臺的設計及應用方式存在著非常明顯的不足：

① 衛星資源獨屬于每個網絡，不具備跨網間的資源共享能力，即使一個網絡業務非?？臻e，也不能夠給其他網絡使用；

② 在分段使用同一個衛星轉發器時，由于各網管平臺之間沒有信息交互能力， 難以獲悉整個衛星功率占用、大小載波配置策略等信息，可能會導致相互之間干擾；

③ 在一些配置多體制信道設備的綜合站型中，由于網管之間缺乏信息交互能力，任何一個網管平臺都無法獲取整站的功率占用、業務互通能力，容易發生站內資源分配沖突(如功率、接入配置等)，各體制的網絡優化控制機制會進一步惡化整站甚至網絡的性能；

④ 網管中心軟件差異性較大，操作維護復雜。即使部分功能融合設計的網絡管理平臺中，大部分管理功能和界面仍是專網專用的，一致性差，需要了解的專業知識沒有減少，對操作維護人員來說，能力要求不但沒有降低，反而更高了。

針對上述不足，結合大型綜合管理站的應用需求和智能管理、虛擬化等新技術能力，構建一個管理對象、管理功能歸一化的一體化網絡管理平臺成為了可能，這也符合未來技術發展和應用需求的趨勢[8-9]。

2 一體化網絡管理體系架構

2.1 主要組成

一體化的網絡管理平臺采用資源虛擬化、智能調度等技術，通過資源歸一化方法，以抽象化的軟網絡替代條塊化硬網絡，屏蔽掉不同傳輸體制網絡的差異，對外提供統一的輸入輸出接口和內容呈現[10-11]，對專用的實體以插件的形式擴展接入，如圖3所示。

(1)信令接入代理服務

信令接入代理服務用于接收來自所有用戶的接入信令，兼容處理現有不同網絡的異構信令格式。所有來自用戶站的異構信令信息都先由該模塊進行解析處理，并根據預定規則進行歸一化處理后傳遞給接入管理等服務進行處理。

(2)接入管理服務

負責對各用戶發送的入退網信令、業務接入信令等進行完整性、正確性、合法性鑒權等安全驗證工作，與單網的專用接入管理服務能力相比，接入信令中攜帶的信息量會相對較多且更抽象(由軟件實現，對使用人員無感覺)，同時還需實現虛擬信息與物理信息的匹配管理等功能。

(3)智能知識庫管理服務

衛星通信系統的建設正在由“衛星網絡為主體(網絡能力決定用戶需求)”向“用戶需求為主體(網絡能力適應用戶需求)”的方向轉變，管理對象也由側重于單維度的衛星資源向由衛星資源、業務服務能力、網絡組織關系和用戶特性等多維被管對象組成發展。為達到資源的最大利用和最佳服務保證，必須通過智能化的算法挖掘[12-13]用戶偏好、分析網絡性能、預測網絡發展趨勢以及評估用戶體驗效果，并通過數據融合分析及時對網內、網間資源進行調配，如圖4所示。

基于歷史經驗數據、應用場景、用戶偏好和資源剩余閾值等特征構建的智能規則和預測算法[14-15]的集合存儲在網管的一體化智能知識庫中，通過先驗匹配、優化迭代，為用戶接入控制、資源分配和跨網接力通信選擇等功能提供支持[16]。

(4)虛擬資源池

虛擬資源是對各類物理資源進行特征提取、歸一化統籌后定義的邏輯資源，每個隸屬于不同傳輸體制網絡的物理資源都是虛擬資源的一個子集，但對上層應用層看到的是一體化的邏輯資源。

(5)虛擬資源管理服務

負責處理用戶業務接入需求，并根據智能管理數據庫定義的規則進行邏輯資源的選擇、測試，同時通過資源映射服務驅動物理資源的調度。

(6)資源映射服務

負責實現虛擬邏輯資源與實際的物理資源之間的解釋、翻譯和格式轉換工作。

(7)資源管理模塊

與各傳輸體制網絡和物理資源緊密關聯的資源分配[17-18]、測試單元，與單體制網管中的資源管理模塊所處的角色類似，但該模塊功能更加精細和聚焦，根據網絡的不同，以插件的形式靈活動態加載。

(8)地面資源互聯服務

一體化網管平臺通過功能的擴展或互聯接口建立與地面網絡之間的信息交口，實現對地面網絡交換設備的調度，以支持不同網絡間的互聯互通。

2.2 異構資源的虛擬化定義

在衛星通信系統中，一般將實現用戶間通信的物理資源定義為信道，根據衛星通信網傳輸體制及多址連接方式的不同，網控中心可管理的信道資源有所不同，如表1所示。

但在實際應用中，大部分管理維護人員根本不需要關心具體使用的碼字、時隙、中心頻點及調制編碼方式等參數，其更關心的是哪個用戶在通信及通信質量的好壞，只在出現問題或網絡調整時才有必要關心表1中的資源屬性。為此，通過關聯業務屬性、用戶屬性等信息對上述物理資源屬性進行邏輯化定義，創建由基本特征參數、互通關系參數、服務質量參數等歸一化屬性表征異構物理信道的虛擬衛星信道資源，如表2所示。

表2 網管中心管理的虛擬衛星信道資源

虛擬資源重點表達體現傳輸性能好壞的信息，對物理信道部分參數進行隱藏，但每條虛擬衛星信道通過資源映射服務都與一條物理信道資源對應，信道之間的關聯過程由資源映射服務實現。虛擬信道與物理信道映射如圖5所示。

圖5 虛擬信道與物理信道映射

2.3 業務互聯互通管理

當異構網絡2個用戶需要進行業務通信時，需要在一體化網控中心的控制下，選擇同時支持2種網絡的地球站并通過協調控制站內的PSTN程控交換設備或者網絡交換設備完成，如圖6所示。

圖6 互聯互通應用過程

① 對不同網絡的所有用戶按統一的規則進行編址規劃；

② 處于不同網絡的用戶1和用戶2首先完成在一體化網控中心的入網注冊；

③ 用戶2呼叫用戶1，由用戶2的網管代理轉發呼叫信令到網控中心；

④ 網控中心進行接入控制合法性驗證后，根據被叫號碼尋呼被叫用戶1，檢索其在哪個網絡及是否在線；

⑤ 選擇同時支持2個網絡的地面站，并各自選擇一條空閑信道；

⑥ 同時為2個網絡分配資源，建立用戶1與地面站、用戶2與地面站之間的通信鏈路；

⑦ 一體化網控中心向地面交換設備管理平臺發送交換需求，由其在交換設備內建立交換鏈路；

⑧ 用戶1與用戶2之間進行信息交互；

⑨ 業務結束時，一體化網控中心收到任一用戶發起的拆鏈請求，則立即釋放2個網絡的通信資源，同時通知地面交換設備清除交換關系。

2.4 管理信令一體化設計

管理信令實現一體化網管與各被管用戶之間管理控制信息的交互，在單體制衛星通信系統中，都遵循專用的管理信令規范，無論從信令格式上還是信令交互流程、應用時機上都不兼容。為實現一體化設計，需對管理信令進行重新規劃設計，并能夠兼容已有衛星通信系統管理信令協議。

對于已經建好的地面站、網絡，可仍保持現有格式不變，但所有信令都轉發到中心站的信令接收代理單元，尤其負責實現信令的融合識別轉換后在進行一體化處理。

對于新建的地面站和網絡，按與體制無關原則重新設計信令格式，通過統一的管理信道或者現有不同體制的管理信道向網管中心傳送，中心信令接收設備接收到信令信息后，直接轉發到信令接入管理服務進行處理。

3 結束語

結合資源虛擬化、人工智能及服務云化等技術，構建一體化網絡管理平臺既是衛星通信網絡管理技術的發展方向，也是未來多星聯合管控、資源統籌規劃、業務互聯互通等應用的發展需求。在后續設計過程中，需有步驟地開展相關工作，在開放式平臺網管軟件架構思想基礎上對各系統網絡管理功能、管理對象、管理流程進行深入的細化梳理，對虛擬資源管理策略、虛擬資源與物理資源間的映射機制、異構網絡間的智能化資源調度算法、界面融合設計技術等進行深入研究。