基于微服務架構(gòu)的新一代衛(wèi)星移動通信運營支撐系統(tǒng)

馬凱旋

摘 要：衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶終端組成。文章闡述如何應用目前在IT業(yè)界流行的微服務架構(gòu)，在地面段構(gòu)建一套整合無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡運維管理，融合各種業(yè)務支撐功能的、一體化可擴展的新一代衛(wèi)星移動通信運營支撐系統(tǒng)。文章認為，得益于微服務本身可以使用輕量級的虛擬化容器技術(shù)在云服務平臺快速構(gòu)建部署，新一代的運營支撐系統(tǒng)能夠順應地面電信“云網(wǎng)融合”的潮流，充分發(fā)揮IT領域云計算技術(shù)在彈性擴展、動態(tài)監(jiān)控、高可用性方面的優(yōu)勢。

關鍵詞：衛(wèi)星移動通信;微服務架構(gòu);運營支撐系統(tǒng);云網(wǎng)融合

0 引言

2020年11月，2021年1月我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心相繼發(fā)射“天通一號”02星和03星，與2016年發(fā)射的“天通一號”01星完成組網(wǎng)，為我國國土全范圍及周邊海域提供衛(wèi)星移動通信業(yè)務。隨著天通系統(tǒng)業(yè)務應用越來越普及，用戶終端越來越多，通信服務的可靠性愈發(fā)顯得尤為重要。而保證系統(tǒng)能夠持續(xù)提供可靠、高質(zhì)量的通信服務的關鍵之一在于一個能夠幫助運營單位及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題，快速故障定位的運營支撐系統(tǒng)，比如由關鍵設備故障引起的通信鏈路中斷，或者通信資源調(diào)度不合理造成某些地區(qū)通信質(zhì)量下降等等。地面組網(wǎng)設備的成倍增多對運營支撐系統(tǒng)提出了更高的要求。

電信網(wǎng)絡中的運營支撐系統(tǒng)通常包括兩部分，一部分是業(yè)務支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS），包含客戶管理、產(chǎn)品管理、資源管理、客戶服務、渠道管理、計費、賬務、結(jié)算、合作伙伴管理等多方面的功能;另一部分是狹義的運營支撐系統(tǒng)（Operation Support System，OSS），側(cè)重于電信網(wǎng)絡的管理維護[1]。由于文章篇幅所限，文章將重點關注狹義上的運營支撐系統(tǒng)，即如何對全網(wǎng)設備執(zhí)行監(jiān)管，從全網(wǎng)各類通信設備上收集各種運行數(shù)據(jù)，檢查全網(wǎng)通信質(zhì)量，從而幫助運營單位快速定位和修復故障。而實現(xiàn)上述監(jiān)管的核心在于與設備的連接和交互。

作為我國首個自主研制建設的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，從立項到研制建設歷時十余載，參研廠家眾多，地面段設備的組成也龐大復雜，過去地面段的運維管理系統(tǒng)采用“煙囪式”的單體架構(gòu)，各個通信子網(wǎng)的網(wǎng)絡管理功能是孤立的，由不同廠家的不同開發(fā)團隊獨立開發(fā)建設，使用的技術(shù)棧和網(wǎng)絡管理的設計理念、思路互不相同，導致了系統(tǒng)內(nèi)部的一些數(shù)據(jù)無法透明共享，運營單位不能全面直觀地了解到整個系統(tǒng)的運行狀況。此外，還存在著為滿足運營單位新提出的種種網(wǎng)絡管理需求，需要在多套系統(tǒng)中重復開發(fā)的弊端。因此，迫切需要一種機制將原先分散在各個分系統(tǒng)中的網(wǎng)絡管理系統(tǒng)整合起來，形成一個面向“天通一號”全網(wǎng)的、融合全系統(tǒng)運行維護和業(yè)務服務支撐功能的、一體化的新一代運營支撐系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)建設思路和設計理念

新一代的運營支撐系統(tǒng)作為全網(wǎng)的大腦，很難由一家單位獨立研發(fā)，需要多方合作來完成。相對來說，運營單位和系統(tǒng)技術(shù)總體單位最了解業(yè)務需求，通信設備的廠商對于其各自研制的通信設備和技術(shù)理解最深刻，傳統(tǒng)IT廠商最熟悉軟件開發(fā)工具和系統(tǒng)運維流程。因此，為了結(jié)合各方面的優(yōu)勢，應該由系統(tǒng)設計總體單位牽頭制定框架和接口，傳統(tǒng)IT廠商和通信設備廠家提供技術(shù)能力，以組件化集成的方式，共同完成系統(tǒng)開發(fā)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務的快速創(chuàng)新。

文章正是結(jié)合上述原則，基于軟件微服務架構(gòu)的設計理念，以服務拆分的方式實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的組件化，重點解決系統(tǒng)組成設備管理協(xié)議異構(gòu)的問題。以統(tǒng)一的系統(tǒng)框架、開發(fā)平臺、接口規(guī)范，運維管理思路，整合無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡管理能力，構(gòu)建一套綜合的、新型的、具有彈性的運營支撐系統(tǒng)。

2 微服務架構(gòu)

在微服務架構(gòu)出現(xiàn)之前，大部分Web應用軟件使用單體架構(gòu)構(gòu)建。單體架構(gòu)軟件符合人們構(gòu)建軟件的自然思考方式，是指應用中所有的UI界面、業(yè)務處理邏輯和數(shù)據(jù)庫訪問代碼都放在一個代碼工程中編譯、測試。最后打包成單個可執(zhí)行應用程序部署在服務器上，處理來自客戶端瀏覽器的HTTP請求，執(zhí)行相應的業(yè)務邏輯，從數(shù)據(jù)庫中獲取或者更新數(shù)據(jù)，再生成HTML頁面返回給客戶端的瀏覽器。單體架構(gòu)隨著業(yè)務需求功能不斷迭代加入，其缺點也日益凸顯。

例如，單體架構(gòu)軟件中的功能組件耦合比較緊密，一次小的迭代往往需要重新編譯測試整個軟件項目，這無疑增加了軟件迭代的周期和難度，不便于應用軟件的需求擴展;單體架構(gòu)的軟件需要多個開發(fā)團隊將他們各自開發(fā)的代碼同步合并到同一個代碼倉庫中，再作為一個整體進行編譯測試，當項目中的代碼量不斷擴大，代碼合并的工作會變得非常艱難，因此其不便于多個開發(fā)團隊協(xié)作開發(fā)，尤其是不同單位的開發(fā)團隊。微服務架構(gòu)的出現(xiàn)正是為了應對上述在單體架構(gòu)軟件中的出現(xiàn)的種種缺陷和技術(shù)挑戰(zhàn)。

微服務架構(gòu)[2]的設計思路是將一個大的軟件拆解為多個小的、職能明確、可獨立開發(fā)、測試、維護的“服務”，因此，基于微服務架構(gòu)設計的軟件，其最終形態(tài)是一套服務程序的集合。“服務”可以看作是相互獨立的進程，“服務”之間通過輕量級的通信協(xié)議交互，通常使用 RESTful 風格的API形式來通信。RESTful 風格的API通常是在HTTP通道上傳輸JSON格式的數(shù)據(jù)，其具有跨語言、跨異構(gòu)系統(tǒng)、前后端通用、接口定義靈活的優(yōu)點。

微服務架構(gòu)本身也是一種面向云計算的持續(xù)解決方案[3]，強調(diào)敏捷開發(fā)，業(yè)務邏輯和技術(shù)的簡潔性， 允許開發(fā)團隊在云環(huán)境中快速擴展、部署應用，充分發(fā)揮云計算平臺彈性擴展、熱部署、動態(tài)監(jiān)控和高可用的技術(shù)優(yōu)勢，降低應用部署到生產(chǎn)環(huán)境中的復雜性。正因如此，近年來，越來越多包括互聯(lián)網(wǎng)領域在內(nèi)的眾多IT企業(yè)，均在向微服務架構(gòu)遷移演進自己的產(chǎn)品。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設計

運營支撐系統(tǒng)的核心之一是與設備的通信，因為設備是組成整個網(wǎng)絡的關鍵元素，脫離了設備，網(wǎng)絡也就無從談起。設備運行的狀態(tài)和數(shù)據(jù)反映了整個網(wǎng)絡的運行情況，各類通信數(shù)據(jù)的最終來源也是通信設備本身。

天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，其地面段組成設備多種多樣，參研廠家眾多，各廠家管理設備的方式和所采用的設備管理通信協(xié)議也多種多樣，例如有基于UDP/TCP傳輸?shù)乃接袌笪膮f(xié)議，有SNMP協(xié)議等。如果采用傳統(tǒng)單體架構(gòu)開發(fā)，那么軟件需要處理多種異構(gòu)的設備管理協(xié)議，實現(xiàn)上會變得非常復雜，因此非常有必要借鑒微服務架構(gòu)的設計思路，將整個系統(tǒng)的功能拆分實現(xiàn)。

如圖1所示，系統(tǒng)采用前后端分離技術(shù)，大體上，由前端UI、API網(wǎng)關、后端微服務集群三大部分組成。前端UI作為獨立應用部署，API網(wǎng)關其實也可以看作是后端的一個微服務，獨立部署。后端微服務集群的內(nèi)部，從邏輯上劃分為兩層，上層為服務聚合層，下層為基礎核心服務層。

位于基礎核心服務層的微服務，承擔著直接與設備交互數(shù)據(jù)的責任，為了解決設備管理協(xié)議異構(gòu)多樣的問題，人們將設備按照地面段系統(tǒng)的邏輯組成，劃分為若干通信分系統(tǒng)，每個分系統(tǒng)下的設備由專門的微服務負責管理，例如位于無線接入網(wǎng)內(nèi)的“天線射頻分系統(tǒng)微服務”專門負責處理與天線塔基內(nèi)的設備的交互協(xié)議，其中包括了天線伺服設備、功放和低噪放設備等，同樣位于無線接入網(wǎng)內(nèi)的“變頻分系統(tǒng)微服務”專門負責處理整個地面段的變頻設備，以此類推。

位于服務聚合層的微服務，為了聚合基礎核心服務層中的各個通信分系統(tǒng)服務提供的數(shù)據(jù)，并作必要的適配，以在用戶前端統(tǒng)一呈現(xiàn)。比如，服務聚合層中的“故障告警管理服務”用來聚合全系統(tǒng)內(nèi)不同分系統(tǒng)上報的設備故障告警，并在前端頁面上，統(tǒng)一提示用戶;類似的，“拓撲管理服務”用來聚合全系統(tǒng)內(nèi)設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在統(tǒng)一的拓撲視圖上呈現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)。未來在服務聚合層中，可以放置更多業(yè)務支撐功能，如計費，賬單、客戶服務等。

位于后端微服務集群中的所有微服務之間通過系統(tǒng)內(nèi)部定義的服務總線交互數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)交互采用同步和異步兩種方式，同步方式即采用RESTful API調(diào)用方式，異步方式采用基于異步消息中間件的異步推送方式。同步方式主要用于前端向后端，或者后端微服務之間獲取數(shù)據(jù)，異步方式主要用于設備告警、設備狀態(tài)變更之類的實時數(shù)據(jù)推送。

服務總線的定義是系統(tǒng)的重點和難點。其核心思想，是把整個系統(tǒng)內(nèi)的所有設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)、運行參數(shù)、各種通信模式下的通信業(yè)務數(shù)據(jù)等，都視作為系統(tǒng)中的可獲取資源，每個資源都可以由唯一的URL路徑通過RESTful接口定位獲取。此外，在服務總線中還約定了所有后端服務訪問RESTful API接口的訪問路徑規(guī)范、傳輸數(shù)據(jù)的格式規(guī)范等。

4 未來演進

4.1 業(yè)務支撐功能的不斷加入

由于我國衛(wèi)星移動通信事業(yè)正處于起步階段，通信工作發(fā)展重心還集中在無線接入設備、網(wǎng)絡交換設備、移動終端設備的研發(fā)制造上，因此，系統(tǒng)運營維護的重點在于對通信設備的監(jiān)控管理。未來，隨著用戶數(shù)量的不斷增長和各類業(yè)務應用的不斷推廣，會有越來越多的業(yè)務支撐功能加入系統(tǒng)。得益于微服務架構(gòu)本身的優(yōu)勢，新的業(yè)務支撐功能可以通過開發(fā)新的微服務的方式集成到系統(tǒng)中，系統(tǒng)也會越來越向地面電信運營商的運營支撐系統(tǒng)演進，更加重視客戶服務，提高服務保障能力。

4.2 基礎運行環(huán)境向云平臺融合

近年來，隨著云計算的快速發(fā)展，5G建設的全面啟動，“云網(wǎng)融合”成了地面電信運營商關注的焦點。2021年，國家把新基建作為戰(zhàn)略發(fā)展方向，“云網(wǎng)融合”也隨之提升到了更高的高度，更加引人矚目?！霸凭W(wǎng)融合”是指IT領域云計算技術(shù)與通信領域網(wǎng)絡技術(shù)的融合。從技術(shù)的角度看，就是云計算中引入網(wǎng)絡的技術(shù)，而在網(wǎng)絡中又引入云計算的技術(shù)。例如，地面5G核心網(wǎng)已經(jīng)做到完全不使用專用硬件，完全采用x86通用服務器硬件。5G核心網(wǎng)所有的服務，都可以構(gòu)建在云計算技術(shù)原生的虛擬化技術(shù)和容器化技術(shù)上。網(wǎng)絡的云化改造實現(xiàn)了從預定義的剛性網(wǎng)絡向軟件可定義的彈性敏捷網(wǎng)絡轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的集中管控、靈活按需分配，具備了面向客戶快速提供靈活按需網(wǎng)絡和差異化運營的能力[3]。

衛(wèi)星移動通信也應該順應地面電信“云網(wǎng)融合”的潮流，充分利用云服務商提供的云計算技術(shù)的優(yōu)勢，將所有服務構(gòu)建在云上，打通各個平臺，消除煙囪效應，降低系統(tǒng)建設和運維成本，提高服務綜合保障能力。

5 結(jié)語

文章以天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)為立足點，給出一個未來可持續(xù)演進的衛(wèi)星移動通信運營支撐系統(tǒng)的架構(gòu)。該架構(gòu)基于微服務架構(gòu)的理念設計，因此能夠充分發(fā)揮微服務架構(gòu)本身可持續(xù)擴展、開發(fā)部署方便、容錯能力強大等諸多優(yōu)勢。運營支撐系統(tǒng)本身是個非常寬泛復雜的主題，由于篇幅所限，文章側(cè)重于闡述網(wǎng)絡運維管理方面，其他方面沒有做過多展開。未來在此架構(gòu)的基礎上，還會擴充更多衛(wèi)星移動通信相關的業(yè)務支撐功能，讓天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的應用前景更加廣闊。

[參考文獻]

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[3]孟曉斌.面向云網(wǎng)融合的運營商網(wǎng)絡架構(gòu)演進[J].信息通信技術(shù)，2019（4）：32-37.

（編輯 王永超）

New generation of satellite mobile communication operation support system based on microservices architecture

Ma Kaixuan

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：The satellite mobile communication system consists of space segment， ground segment and user terminal. This paper expounds how to apply the microservices architecture currently popular in the IT domain， to build an expandable new generation satellite mobile communication operation support system that integrated maintenance management ability of wireless access network， core network in the ground segment， and other various business support functions. Thanks to the rapid build and deployment of microservices architecture using lightweight virtualization container technology on cloud service platforms， the next generation of operational support systems can adapt to the trend of “cloud-network integration” in terrestrial telecommunications and take full advantage of the elastic expansion， dynamic monitoring， and high availability of cloud computing technologies in the IT domain.

Key words：satellite mobile communication; microservices architecture; operational support system; cloud-network integration