一體化衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)

張永池，趙 麗

(1.中國電子科技集團(tuán)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(duì)，北京 100162)

0 引言

在衛(wèi)星通信地面系統(tǒng)中，系統(tǒng)運(yùn)維管理中心負(fù)責(zé)衛(wèi)星資源的管理調(diào)度，并根據(jù)用戶群、衛(wèi)星傳輸體制等的不同定義專用的通信網(wǎng)絡(luò)并部署網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)衛(wèi)星資源、關(guān)口站資源以及用戶站資源的管理和控制[1]。隨著衛(wèi)星數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)數(shù)量的增多及不同用戶群的增加，對(duì)應(yīng)的專用通信網(wǎng)絡(luò)及其網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備越來越多，維護(hù)成本和復(fù)雜度也越來越高。相互獨(dú)立的設(shè)計(jì)和部署也影響了各系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通及資源共享[2]。軟件平臺(tái)化、資源虛擬化及人工智能等技術(shù)已經(jīng)在地面網(wǎng)絡(luò)、5G移動(dòng)通信中得到廣泛應(yīng)用，對(duì)異構(gòu)無線資源統(tǒng)一管理、業(yè)務(wù)優(yōu)化承載，網(wǎng)絡(luò)性能提升發(fā)揮了重要作用[3-5]，許多思想可以在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)中借鑒使用。

1 現(xiàn)狀分析

衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理主要通過網(wǎng)管中心、網(wǎng)管信道和網(wǎng)管代理及在三者中傳遞的信令實(shí)施完成[6]。投運(yùn)的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)大都采用面向特定用戶群的分散單體制獨(dú)立組網(wǎng)管理架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，數(shù)量多、差異性大且相互獨(dú)立，已經(jīng)難以適應(yīng)資源統(tǒng)一管控、資源應(yīng)用共享及跨網(wǎng)互聯(lián)互通等智能化管理的需要[7]。

一些大的系統(tǒng)中，為了減少操作維護(hù)工作，通過對(duì)各網(wǎng)管做一些融合設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在原有各網(wǎng)系網(wǎng)管軟件的基礎(chǔ)上對(duì)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(wǎng)管的主體(如接入控制、資源管理和界面呈現(xiàn)等)實(shí)際上還是獨(dú)立的，相互之間沒有信息交互。操作員需要在不同網(wǎng)管操作界面間頻繁切換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的操作管理。

1.1 單體制網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)

該管理架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)完全依附于管理的專用網(wǎng)絡(luò)，無論從管理對(duì)象、服務(wù)用戶、軟件界面，還是數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)、軟件部署及硬件平臺(tái)等各方面都是獨(dú)占的，相互之間沒有任何聯(lián)系，獨(dú)立工作，單體制網(wǎng)管架構(gòu)如圖1所示。

圖1 單體制網(wǎng)管架構(gòu)

在組網(wǎng)應(yīng)用時(shí)，用戶只能按預(yù)先定義好的歸屬關(guān)系接入指定網(wǎng)絡(luò)并使用該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的資源，不同網(wǎng)絡(luò)的用戶之間不能進(jìn)行業(yè)務(wù)互通，如圖2所示，即使多網(wǎng)綜合站能同時(shí)提供2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信設(shè)備，但不支持分屬于不同網(wǎng)絡(luò)的用戶1和用戶2的通信。

圖2 單體制網(wǎng)管組網(wǎng)應(yīng)用

1.2 單體制網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的不足

單體制網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方式存在著非常明顯的不足：

① 衛(wèi)星資源獨(dú)屬于每個(gè)網(wǎng)絡(luò)，不具備跨網(wǎng)間的資源共享能力，即使一個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)非常空閑，也不能夠給其他網(wǎng)絡(luò)使用；

② 在分段使用同一個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器時(shí)，由于各網(wǎng)管平臺(tái)之間沒有信息交互能力， 難以獲悉整個(gè)衛(wèi)星功率占用、大小載波配置策略等信息，可能會(huì)導(dǎo)致相互之間干擾；

③ 在一些配置多體制信道設(shè)備的綜合站型中，由于網(wǎng)管之間缺乏信息交互能力，任何一個(gè)網(wǎng)管平臺(tái)都無法獲取整站的功率占用、業(yè)務(wù)互通能力，容易發(fā)生站內(nèi)資源分配沖突(如功率、接入配置等)，各體制的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化控制機(jī)制會(huì)進(jìn)一步惡化整站甚至網(wǎng)絡(luò)的性能；

④ 網(wǎng)管中心軟件差異性較大，操作維護(hù)復(fù)雜。即使部分功能融合設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)中，大部分管理功能和界面仍是專網(wǎng)專用的，一致性差，需要了解的專業(yè)知識(shí)沒有減少，對(duì)操作維護(hù)人員來說，能力要求不但沒有降低，反而更高了。

針對(duì)上述不足，結(jié)合大型綜合管理站的應(yīng)用需求和智能管理、虛擬化等新技術(shù)能力，構(gòu)建一個(gè)管理對(duì)象、管理功能歸一化的一體化網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)成為了可能，這也符合未來技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求的趨勢(shì)[8-9]。

2 一體化網(wǎng)絡(luò)管理體系架構(gòu)

2.1 主要組成

一體化的網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)采用資源虛擬化、智能調(diào)度等技術(shù)，通過資源歸一化方法，以抽象化的軟網(wǎng)絡(luò)替代條塊化硬網(wǎng)絡(luò)，屏蔽掉不同傳輸體制網(wǎng)絡(luò)的差異，對(duì)外提供統(tǒng)一的輸入輸出接口和內(nèi)容呈現(xiàn)[10-11]，對(duì)專用的實(shí)體以插件的形式擴(kuò)展接入，如圖3所示。

(1)信令接入代理服務(wù)

信令接入代理服務(wù)用于接收來自所有用戶的接入信令，兼容處理現(xiàn)有不同網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)信令格式。所有來自用戶站的異構(gòu)信令信息都先由該模塊進(jìn)行解析處理，并根據(jù)預(yù)定規(guī)則進(jìn)行歸一化處理后傳遞給接入管理等服務(wù)進(jìn)行處理。

(2)接入管理服務(wù)

負(fù)責(zé)對(duì)各用戶發(fā)送的入退網(wǎng)信令、業(yè)務(wù)接入信令等進(jìn)行完整性、正確性、合法性鑒權(quán)等安全驗(yàn)證工作，與單網(wǎng)的專用接入管理服務(wù)能力相比，接入信令中攜帶的信息量會(huì)相對(duì)較多且更抽象(由軟件實(shí)現(xiàn)，對(duì)使用人員無感覺)，同時(shí)還需實(shí)現(xiàn)虛擬信息與物理信息的匹配管理等功能。

(3)智能知識(shí)庫管理服務(wù)

衛(wèi)星通信系統(tǒng)的建設(shè)正在由“衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為主體(網(wǎng)絡(luò)能力決定用戶需求)”向“用戶需求為主體(網(wǎng)絡(luò)能力適應(yīng)用戶需求)”的方向轉(zhuǎn)變，管理對(duì)象也由側(cè)重于單維度的衛(wèi)星資源向由衛(wèi)星資源、業(yè)務(wù)服務(wù)能力、網(wǎng)絡(luò)組織關(guān)系和用戶特性等多維被管對(duì)象組成發(fā)展。為達(dá)到資源的最大利用和最佳服務(wù)保證，必須通過智能化的算法挖掘[12-13]用戶偏好、分析網(wǎng)絡(luò)性能、預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)以及評(píng)估用戶體驗(yàn)效果，并通過數(shù)據(jù)融合分析及時(shí)對(duì)網(wǎng)內(nèi)、網(wǎng)間資源進(jìn)行調(diào)配，如圖4所示。

基于歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、應(yīng)用場(chǎng)景、用戶偏好和資源剩余閾值等特征構(gòu)建的智能規(guī)則和預(yù)測(cè)算法[14-15]的集合存儲(chǔ)在網(wǎng)管的一體化智能知識(shí)庫中，通過先驗(yàn)匹配、優(yōu)化迭代，為用戶接入控制、資源分配和跨網(wǎng)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(duì)各類物理資源進(jìn)行特征提取、歸一化統(tǒng)籌后定義的邏輯資源，每個(gè)隸屬于不同傳輸體制網(wǎng)絡(luò)的物理資源都是虛擬資源的一個(gè)子集，但對(duì)上層應(yīng)用層看到的是一體化的邏輯資源。

(5)虛擬資源管理服務(wù)

負(fù)責(zé)處理用戶業(yè)務(wù)接入需求，并根據(jù)智能管理數(shù)據(jù)庫定義的規(guī)則進(jìn)行邏輯資源的選擇、測(cè)試，同時(shí)通過資源映射服務(wù)驅(qū)動(dòng)物理資源的調(diào)度。

(6)資源映射服務(wù)

負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)虛擬邏輯資源與實(shí)際的物理資源之間的解釋、翻譯和格式轉(zhuǎn)換工作。

(7)資源管理模塊

與各傳輸體制網(wǎng)絡(luò)和物理資源緊密關(guān)聯(lián)的資源分配[17-18]、測(cè)試單元，與單體制網(wǎng)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(xì)和聚焦，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的不同，以插件的形式靈活動(dòng)態(tài)加載。

(8)地面資源互聯(lián)服務(wù)

一體化網(wǎng)管平臺(tái)通過功能的擴(kuò)展或互聯(lián)接口建立與地面網(wǎng)絡(luò)之間的信息交口，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備的調(diào)度，以支持不同網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)互通。

2.2 異構(gòu)資源的虛擬化定義

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，一般將實(shí)現(xiàn)用戶間通信的物理資源定義為信道，根據(jù)衛(wèi)星通信網(wǎng)傳輸體制及多址連接方式的不同，網(wǎng)控中心可管理的信道資源有所不同，如表1所示。

但在實(shí)際應(yīng)用中，大部分管理維護(hù)人員根本不需要關(guān)心具體使用的碼字、時(shí)隙、中心頻點(diǎn)及調(diào)制編碼方式等參數(shù)，其更關(guān)心的是哪個(gè)用戶在通信及通信質(zhì)量的好壞，只在出現(xiàn)問題或網(wǎng)絡(luò)調(diào)整時(shí)才有必要關(guān)心表1中的資源屬性。為此，通過關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)屬性、用戶屬性等信息對(duì)上述物理資源屬性進(jìn)行邏輯化定義，創(chuàng)建由基本特征參數(shù)、互通關(guān)系參數(shù)、服務(wù)質(zhì)量參數(shù)等歸一化屬性表征異構(gòu)物理信道的虛擬衛(wèi)星信道資源，如表2所示。

表2 網(wǎng)管中心管理的虛擬衛(wèi)星信道資源

虛擬資源重點(diǎn)表達(dá)體現(xiàn)傳輸性能好壞的信息，對(duì)物理信道部分參數(shù)進(jìn)行隱藏，但每條虛擬衛(wèi)星信道通過資源映射服務(wù)都與一條物理信道資源對(duì)應(yīng)，信道之間的關(guān)聯(lián)過程由資源映射服務(wù)實(shí)現(xiàn)。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(yè)務(wù)互聯(lián)互通管理

當(dāng)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)2個(gè)用戶需要進(jìn)行業(yè)務(wù)通信時(shí)，需要在一體化網(wǎng)控中心的控制下，選擇同時(shí)支持2種網(wǎng)絡(luò)的地球站并通過協(xié)調(diào)控制站內(nèi)的PSTN程控交換設(shè)備或者網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備完成，如圖6所示。

圖6 互聯(lián)互通應(yīng)用過程

① 對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)的所有用戶按統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行編址規(guī)劃；

② 處于不同網(wǎng)絡(luò)的用戶1和用戶2首先完成在一體化網(wǎng)控中心的入網(wǎng)注冊(cè)；

③ 用戶2呼叫用戶1，由用戶2的網(wǎng)管代理轉(zhuǎn)發(fā)呼叫信令到網(wǎng)控中心；

④ 網(wǎng)控中心進(jìn)行接入控制合法性驗(yàn)證后，根據(jù)被叫號(hào)碼尋呼被叫用戶1，檢索其在哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)及是否在線；

⑤ 選擇同時(shí)支持2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的地面站，并各自選擇一條空閑信道；

⑥ 同時(shí)為2個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)控中心向地面交換設(shè)備管理平臺(tái)發(fā)送交換需求，由其在交換設(shè)備內(nèi)建立交換鏈路；

⑧ 用戶1與用戶2之間進(jìn)行信息交互；

⑨ 業(yè)務(wù)結(jié)束時(shí)，一體化網(wǎng)控中心收到任一用戶發(fā)起的拆鏈請(qǐng)求，則立即釋放2個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信資源，同時(shí)通知地面交換設(shè)備清除交換關(guān)系。

2.4 管理信令一體化設(shè)計(jì)

管理信令實(shí)現(xiàn)一體化網(wǎng)管與各被管用戶之間管理控制信息的交互，在單體制衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，都遵循專用的管理信令規(guī)范，無論從信令格式上還是信令交互流程、應(yīng)用時(shí)機(jī)上都不兼容。為實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，需對(duì)管理信令進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)，并能夠兼容已有衛(wèi)星通信系統(tǒng)管理信令協(xié)議。

對(duì)于已經(jīng)建好的地面站、網(wǎng)絡(luò)，可仍保持現(xiàn)有格式不變，但所有信令都轉(zhuǎn)發(fā)到中心站的信令接收代理單元，尤其負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信令的融合識(shí)別轉(zhuǎn)換后在進(jìn)行一體化處理。

對(duì)于新建的地面站和網(wǎng)絡(luò)，按與體制無關(guān)原則重新設(shè)計(jì)信令格式，通過統(tǒng)一的管理信道或者現(xiàn)有不同體制的管理信道向網(wǎng)管中心傳送，中心信令接收設(shè)備接收到信令信息后，直接轉(zhuǎn)發(fā)到信令接入管理服務(wù)進(jìn)行處理。

3 結(jié)束語

結(jié)合資源虛擬化、人工智能及服務(wù)云化等技術(shù)，構(gòu)建一體化網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)既是衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)的發(fā)展方向，也是未來多星聯(lián)合管控、資源統(tǒng)籌規(guī)劃、業(yè)務(wù)互聯(lián)互通等應(yīng)用的發(fā)展需求。在后續(xù)設(shè)計(jì)過程中，需有步驟地開展相關(guān)工作，在開放式平臺(tái)網(wǎng)管軟件架構(gòu)思想基礎(chǔ)上對(duì)各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理功能、管理對(duì)象、管理流程進(jìn)行深入的細(xì)化梳理，對(duì)虛擬資源管理策略、虛擬資源與物理資源間的映射機(jī)制、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的智能化資源調(diào)度算法、界面融合設(shè)計(jì)技術(shù)等進(jìn)行深入研究。