寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)計

王燕++李長德++李霖++王雁秋++閆超

摘 要寬帶多媒體衛(wèi)星網(wǎng)管負(fù)責(zé)整個衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的配置、管理、告警等相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。衛(wèi)星網(wǎng)管具有高可用性、高可靠性要求，需要持續(xù)可靠的運行來提供監(jiān)視管理服務(wù)，衛(wèi)星網(wǎng)管故障可能會導(dǎo)致系統(tǒng)運行的不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)業(yè)務(wù)中斷；同時，兼顧到業(yè)務(wù)的增長、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴大，需要較為容易的對網(wǎng)管系統(tǒng)進(jìn)行擴展。針對寬帶衛(wèi)星的上述需要，本文提出了一種高可用、可擴展的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)。

【關(guān)鍵詞】衛(wèi)星網(wǎng)管 高可用 可擴展

1 概述

我國是世界上最適合發(fā)展衛(wèi)星通信的國度之一，三分之二的國土面積處于不適合鋪設(shè)地面光纜的地區(qū)，生活在那里的人民群眾想要享受到寬帶多媒體的信息服務(wù)，衛(wèi)星通信無疑是一條可行的道路，在地面網(wǎng)絡(luò)比較發(fā)達(dá)的地區(qū)，衛(wèi)星通信不是主要的通信傳輸手段，但是依然可以作為地面通信網(wǎng)絡(luò)很好的補充，特別是在地面網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障的時候。

寬帶多媒體通信衛(wèi)星系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的彎管式單星通信模式，能更好的提供多業(yè)務(wù)的接入和承載能力。而寬帶多媒體通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是具有高度動態(tài)特性的網(wǎng)絡(luò)，隨著用戶數(shù)目的不斷增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸擴大，網(wǎng)絡(luò)中的資源不論是種類還是數(shù)目都有很大程度的增加，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理面臨了越來越多的困難和挑戰(zhàn)，在用戶的訪問量、突發(fā)量、高可靠性和可擴展性提出了新的要求。

寬帶多媒體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理需要更加快速、準(zhǔn)確、高效的做出海量用戶訪問回應(yīng)，以盡量減少因網(wǎng)絡(luò)管理而引起的網(wǎng)絡(luò)運行性能下降。而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行，離不開一個結(jié)構(gòu)設(shè)計良好的系統(tǒng)架構(gòu)的支持，它不僅能使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理信息快速、高效化得到持久，也使得網(wǎng)絡(luò)管理中的用戶訪問數(shù)據(jù)訪問效率得到保障，還可以使系統(tǒng)的性能達(dá)到最佳。

本文提出了一種新的系統(tǒng)架構(gòu)具有高可靠、可靈活擴展的衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理的體系結(jié)構(gòu)，滿足了寬帶多媒體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理的需求。

2 系統(tǒng)體系架構(gòu)設(shè)計

寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，它由資源控制管理和地面設(shè)備管理兩部分組成。其中資源控制管理主要實現(xiàn)通信業(yè)務(wù)信令業(yè)務(wù)處理和衛(wèi)星帶寬資源分配功能。地面設(shè)備管理主要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理功能，資源控制管理與地面設(shè)備管理之間通過管控接口完成信息的交互。

2.1 系統(tǒng)功能組成

資源控制管理負(fù)責(zé)實時通信業(yè)務(wù)的處理，是寬帶衛(wèi)星資源管理的業(yè)務(wù)處理核心。負(fù)責(zé)控制地面終端站的入網(wǎng)和退網(wǎng)；處理地面終端站的呼叫申請，為合法用戶分配衛(wèi)星通信資源，通信結(jié)束時——負(fù)責(zé)收回衛(wèi)星通信資源；沒有業(yè)務(wù)需要處理時，輪詢地面終端站的狀態(tài)；控制衛(wèi)星上衛(wèi)星鏈路的建立或拆除交叉連接；向地面設(shè)備管理報告系統(tǒng)運產(chǎn)的事件與結(jié)果。

地面設(shè)備管理包括性能管理、告警管理、配置管理、前臺用戶應(yīng)用管理及負(fù)載均衡管理。

性能管理是對設(shè)備性能指標(biāo)及關(guān)鍵設(shè)備的核心參數(shù)實時監(jiān)視控制。

告警管理是記錄、診斷系統(tǒng)內(nèi)的告警信息記錄。

配置管理是初始化、自動配置系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備相關(guān)參數(shù)指標(biāo)。

應(yīng)用管理是用戶前臺應(yīng)用請求管理。

負(fù)載均衡服務(wù)將用戶的訪問流量均衡至各功能管理服務(wù)器，當(dāng)其中一臺功能管理服務(wù)器出現(xiàn)故障時，負(fù)載均衡服務(wù)能夠及時的將全部用戶的訪問流量轉(zhuǎn)移至剩余可用的功能管理服務(wù)上。同時，當(dāng)系統(tǒng)中的功能管理服務(wù)器的用戶流量負(fù)載過高時，可以通過增加功能管理服務(wù)器并對負(fù)載均衡服務(wù)進(jìn)行配置來均衡用戶流量，實現(xiàn)寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的高可用以及可擴展。

同理，對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的性能管理、告警管理、配置管理、應(yīng)用服務(wù)信息同樣可以通過負(fù)載均衡服務(wù)將采集的性能流量、告警流量、配置信息、用戶訪問等信息負(fù)載均衡至性能、告警、配置、應(yīng)用的集群中。

對于數(shù)據(jù)庫的部署采用主從部署的方式保證數(shù)據(jù)庫的高可用，在系統(tǒng)運行過程主數(shù)據(jù)庫與備數(shù)據(jù)庫定期進(jìn)行同步，當(dāng)主數(shù)據(jù)庫出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)能夠使用備數(shù)據(jù)庫進(jìn)行提供服務(wù)。

2.2 資源控制管理功能設(shè)計

入網(wǎng)，退網(wǎng)，資源分配，等這些功能是基本的星上資源管理功能，相關(guān)設(shè)計本文中不再贅述。本文重點針對寬帶衛(wèi)星大容量管理的可擴展支撐進(jìn)行設(shè)計。

星上資源管理中一個資源控制模塊管理著8-10個網(wǎng)段（此處的網(wǎng)段是指共享相同一段衛(wèi)星頻段資源，邏輯上劃分的一個組），每個網(wǎng)段支持1-2萬用戶信令交互和業(yè)務(wù)處理。每個資源控制模塊對應(yīng)著一個控制板塊，當(dāng)當(dāng)前的系統(tǒng)配置無法滿足用戶量的需求時，只需添加控制板塊的數(shù)量（增加相同的控制板塊，將板塊直接插入到卡槽中）。反之若當(dāng)前的系統(tǒng)配置高于用戶的需求量，可根據(jù)用戶的需求量減少相應(yīng)的控制板塊數(shù)。從而可根據(jù)用戶的需求量靈活的配置控制板塊，提高系統(tǒng)對大容量管理的可擴展性。

2.3 地面設(shè)備管理功能設(shè)計

地面設(shè)備管理需對地面設(shè)備的主控站和全網(wǎng)所有的終端站的工作狀態(tài)監(jiān)視、控制和管理，對設(shè)備部件功能控制，對故障的診斷及對告警信息記錄、衛(wèi)星資源的動態(tài)按需分配等功能。

地面設(shè)備管理覆蓋故障管理、配置管理，性能管理、設(shè)備管理、系統(tǒng)管理及用戶管理等六大功能。

為實現(xiàn)這些功能，寬帶多媒體地面設(shè)備管理采用分層、模塊化設(shè)計，本文中把整個地面設(shè)備管理系統(tǒng)分成表示層（GUI）、應(yīng)用層（Manager）、適配層（Adapter）三層構(gòu)建。數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)保存和交換的媒介，為這三層提供數(shù)據(jù)存取支持。

其中下層為上層提供服務(wù)，各層之間通過異步消息方式進(jìn)行通信，通過數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)信息。

由于各個廠家設(shè)備自成系統(tǒng)，互不兼容，缺少通用性，為提高衛(wèi)星資源設(shè)備的利用率，便于后續(xù)的各廠家不同設(shè)備的擴展，針對各個系統(tǒng)設(shè)備，設(shè)計接口層封裝的功能，將與設(shè)備相關(guān)的具體接口協(xié)議剝離出來形成單獨的接口融合在適配層中，接口封裝各類協(xié)議的具體實現(xiàn)，提高地面設(shè)備管理中設(shè)備的靈活擴展性和系統(tǒng)的高可用性。

地面設(shè)備管理具體實現(xiàn)的功能分層圖如圖2所示。

其中表示層：表示層運行在用戶終端上，負(fù)責(zé)實現(xiàn)與客戶端用戶交互，表示層提供配置管理、告警管理、性能管理、資源管理、系統(tǒng)管理、用戶管理等功能；

應(yīng)用層：運行在衛(wèi)星網(wǎng)管應(yīng)用服務(wù)器上，提供網(wǎng)管系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)，包括：配置服務(wù)、告警服務(wù)、性能服務(wù)等；

適配層：運行在衛(wèi)星網(wǎng)管適配服務(wù)器上，直接與被管設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；

數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)保存和交換的媒介。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 衛(wèi)星信道抗干擾軟實現(xiàn)

寬帶衛(wèi)星與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)之間利用衛(wèi)星信道來業(yè)務(wù)傳輸交互和信令控制通信，即上行信道用于衛(wèi)星網(wǎng)管向?qū)拵l(wèi)星上傳發(fā)送信令或者是業(yè)務(wù)交互的請求，下行信道用于寬帶衛(wèi)星向衛(wèi)星網(wǎng)管發(fā)送信令或者是業(yè)務(wù)應(yīng)答。

衛(wèi)星信道在上行、下行的通信交互過程中，往往會因為環(huán)境、天氣、人為因素等受到一定的影響，衛(wèi)星信號被干擾，影響了衛(wèi)星與衛(wèi)星網(wǎng)管之間傳遞的控制信令與業(yè)務(wù)傳輸?shù)目煽啃?，在一定程度上較嚴(yán)重的影響衛(wèi)星業(yè)務(wù)，導(dǎo)致衛(wèi)星業(yè)務(wù)的音視頻、大數(shù)據(jù)傳輸?shù)瘸霈F(xiàn)卡、頓、中斷的問題。

除了傳統(tǒng)的通過在地面加裝衛(wèi)星防干擾設(shè)備，如天線罩、金屬網(wǎng)等，對一定頻率范圍內(nèi)的干擾信號進(jìn)行屏蔽，本文中在地面設(shè)備管理中的資源管理模塊里，設(shè)置了冗余的衛(wèi)星信道資源，當(dāng)衛(wèi)星信號被干擾的情況時，觸發(fā)資源管理模塊的一鍵抗干擾的軟實現(xiàn)功能，快速的評估被干擾信號的頻段范圍，通過抗干擾模型在冗余的衛(wèi)星信道中選擇一個安全性最高和被干擾性最小的衛(wèi)星信道，同時將要切換的衛(wèi)星信道資源信息通過衛(wèi)星網(wǎng)管的配置管理模塊加密傳輸，下發(fā)到每一個地面中心的設(shè)備上，另外通過衛(wèi)星信道的上行鏈路加密發(fā)送信令和業(yè)務(wù)交互的請求，建立一條新的衛(wèi)星與地面的通信鏈路。軟實現(xiàn)的衛(wèi)星信道抗干擾，無需添加額外的抗干擾設(shè)備與手動更改室內(nèi)外的設(shè)備及其參數(shù)，就能在用戶在收到衛(wèi)星信號被干擾報警短短幾分鐘內(nèi)，迅速屏蔽衛(wèi)星的干擾信號，快速進(jìn)行不同衛(wèi)星信道間的切換，恢復(fù)正常的業(yè)務(wù)傳輸和信令交互，保障衛(wèi)星關(guān)鍵業(yè)務(wù)的正常應(yīng)用。

3.2 告警壓縮

隨著全網(wǎng)設(shè)備的增加或者是擴容，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模會不斷的加大，網(wǎng)絡(luò)告警會同步激增，頻繁出現(xiàn)大量重復(fù)的告警，導(dǎo)致真正有用的告警篩選率減低。針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理告警的要求，在告警管理模塊中，制定了告警的分析、過濾、抑制的規(guī)則和模型。

對于頻繁出現(xiàn)的同類型不同時間點的告警，調(diào)用告警模塊的知識庫，對告警信息進(jìn)行分析，若分析告警為致命或者是嚴(yán)重等級，則告警提示加強（告警聲音刺耳且一直蜂鳴報警）、告警等級加大（包括告警顏色升級為紅色加粗且告警信息置頂），快速引起運維人員注意，根據(jù)告警分析出來的維護(hù)建議進(jìn)行運維，消除告警后填寫告警解決方案并入并更新知識庫，觸發(fā)告警消除（停止報警蜂鳴、告警狀態(tài)為已解決）。

若經(jīng)過分析重復(fù)出現(xiàn)的告警等級為一般告警，僅更新該告警的出現(xiàn)時間與出現(xiàn)次數(shù)，調(diào)用告警的知識庫，對該重復(fù)告警的原因進(jìn)行匯總并更新該類告警原因后，同時調(diào)用告警壓縮模塊對同類告警進(jìn)行壓縮，不增加告警的數(shù)量，以一條告警信息代替所有重復(fù)告警。

若經(jīng)過分析重復(fù)出現(xiàn)的告警信息為冗余告警或者是為互斥告警（兩類邏輯上不能同時存在的告警稱為互斥告警，當(dāng)一類告警出現(xiàn)的時候，則另一類告警為無用告警，應(yīng)該清除），則調(diào)用告警壓縮模塊的過濾清除功能，對告警進(jìn)行刪除。

經(jīng)過告警壓縮，提高真正嚴(yán)重告警的篩選效率，及時發(fā)現(xiàn)并排除真正的系統(tǒng)故障，保障整個寬帶衛(wèi)星系統(tǒng)的安全穩(wěn)健。

3.3 負(fù)載均衡

寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理中，系統(tǒng)支持10萬用戶的并發(fā)訪問，負(fù)載均衡技術(shù)可使衛(wèi)星網(wǎng)管系統(tǒng)的性能和資源得到優(yōu)化，合理分配用戶突發(fā)的訪問量和海量用戶業(yè)務(wù)處理的性能，提高系統(tǒng)資源的高可用性。

衛(wèi)星網(wǎng)管系統(tǒng)將告警、性能、配置、應(yīng)用（前臺用戶應(yīng)用）服務(wù)等部署在系統(tǒng)中的多臺服務(wù)器上，并通過負(fù)載均衡服務(wù)器提供對外虛擬訪問地址，將一組服務(wù)（如部署了性能服務(wù)的4臺性能服務(wù)器）虛擬化為一臺設(shè)備（一臺性能服務(wù)器）。

當(dāng)有大量的訪問處理請求通過虛擬地址到達(dá)后，負(fù)載均衡通過策略查看每個服務(wù)存儲節(jié)點的負(fù)載情況，將用戶請求分配到存儲節(jié)點清閑的服務(wù)器上，同時，當(dāng)系統(tǒng)中的功能管理服務(wù)器的用戶流量負(fù)載過高時，也可以通過增加功能管理服務(wù)器并對負(fù)載均衡服務(wù)進(jìn)行配置來均衡用戶流量，解決系統(tǒng)中因某一個服務(wù)設(shè)備出現(xiàn)故障或者的訪問量出現(xiàn)超高異常時，出現(xiàn)單點故障而影響整個系統(tǒng)運行與用戶訪問的問題。

并且負(fù)載均衡策略持續(xù)學(xué)習(xí)在熱點時間段關(guān)于服務(wù)類型、用戶訪問數(shù)量、服務(wù)的最佳負(fù)載量，來完善負(fù)載策略，提高在熱點時間階段智能應(yīng)用均衡策略、系統(tǒng)的資源可用性以及用戶與衛(wèi)星通信系統(tǒng)交互的體驗。

4 系統(tǒng)應(yīng)用及驗證

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)在正式上線運行前，通過網(wǎng)絡(luò)仿真測試系統(tǒng)對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為的仿真，對網(wǎng)絡(luò)管理進(jìn)行行為測試、性能測試、陷阱測試、完整性測試、回歸測試和測試分析，來驗證衛(wèi)星網(wǎng)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的合理性、系統(tǒng)的可靠性和抗毀性、功能的正確性和完整性、性能特性。通過人為地設(shè)置故障，網(wǎng)管系統(tǒng)能可在納秒數(shù)量級實現(xiàn)用戶請求的無縫分配，將用戶請求合理均衡的分配到其它正常的設(shè)備上，對衛(wèi)星通信系統(tǒng)的正常運行幾乎沒有影響，從而驗證了網(wǎng)管系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的合理性。

在衛(wèi)星網(wǎng)管系統(tǒng)正式上線實際運行的近兩年的時間里，系統(tǒng)經(jīng)受住了在熱點時間用戶數(shù)量、訪問量爆發(fā)式增加、近730天每天24小時無間歇的運行、不同角色的用戶對系統(tǒng)進(jìn)行訪問與使用的考驗，在實踐中也證明了衛(wèi)星網(wǎng)管系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)與功能業(yè)務(wù)實現(xiàn)的合理性、實用性及系統(tǒng)的高可用性。

其中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理的登陸及其主功能界面如圖3、圖4所示。

5 結(jié)束語

高頻段資源使用、多點波束技術(shù)、星上交換、星上處理的應(yīng)用在提高衛(wèi)星通信系統(tǒng)的帶寬、處理能力和抗干擾能力的同時，也對衛(wèi)星通信系統(tǒng)管理技術(shù)提出了更高的要求。文提出的一種一體化管理、具有高可用、可擴展的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)，通過仿真測試系統(tǒng)的測試和正式的上線應(yīng)用，驗證了其合理性，對于衛(wèi)星通信網(wǎng)管理系統(tǒng)的研究具有重要意義。

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航天恒星科技有限公司 北京市 100089