一体化卫星通信网络管理平台设计

张永池，赵 丽

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081； 2.中国人民解放军63629部队，北京 100162)

0 引言

在卫星通信地面系统中，系统运维管理中心负责卫星资源的管理调度，并根据用户群、卫星传输体制等的不同定义专用的通信网络并部署网络管理设备，实现对网络内卫星资源、关口站资源以及用户站资源的管理和控制[1]。随着卫星数量、网络数量的增多及不同用户群的增加，对应的专用通信网络及其网络管理设备越来越多，维护成本和复杂度也越来越高。相互独立的设计和部署也影响了各系统之间的互联互通及资源共享[2]。软件平台化、资源虚拟化及人工智能等技术已经在地面网络、5G移动通信中得到广泛应用，对异构无线资源统一管理、业务优化承载，网络性能提升发挥了重要作用[3-5]，许多思想可以在卫星通信网络管理系统中借鉴使用。

1 现状分析

卫星通信网络管理主要通过网管中心、网管信道和网管代理及在三者中传递的信令实施完成[6]。投运的卫星通信网络管理系统大都采用面向特定用户群的分散单体制独立组网管理架构进行建设，数量多、差异性大且相互独立，已经难以适应资源统一管控、资源应用共享及跨网互联互通等智能化管理的需要[7]。

一些大的系统中，为了减少操作维护工作，通过对各网管做一些融合设计，实现了在原有各网系网管软件的基础上对具有相同特征的部分功能(如日志管理、用户管理等)整合和叠加。但各网管的主体(如接入控制、资源管理和界面呈现等)实际上还是独立的，相互之间没有信息交互。操作员需要在不同网管操作界面间频繁切换，以实现对不同网络的操作管理。

1.1 单体制网络管理架构

该管理架构中，网络管理平台完全依附于管理的专用网络，无论从管理对象、服务用户、软件界面，还是数据库存储、软件部署及硬件平台等各方面都是独占的，相互之间没有任何联系，独立工作，单体制网管架构如图1所示。

图1 单体制网管架构

在组网应用时，用户只能按预先定义好的归属关系接入指定网络并使用该网络内的资源，不同网络的用户之间不能进行业务互通，如图2所示，即使多网综合站能同时提供2个网络的通信设备，但不支持分属于不同网络的用户1和用户2的通信。

图2 单体制网管组网应用

1.2 单体制网络管理平台的不足

单体制网络管理平台的设计及应用方式存在着非常明显的不足：

① 卫星资源独属于每个网络，不具备跨网间的资源共享能力，即使一个网络业务非常空闲，也不能够给其他网络使用；

② 在分段使用同一个卫星转发器时，由于各网管平台之间没有信息交互能力， 难以获悉整个卫星功率占用、大小载波配置策略等信息，可能会导致相互之间干扰；

③ 在一些配置多体制信道设备的综合站型中，由于网管之间缺乏信息交互能力，任何一个网管平台都无法获取整站的功率占用、业务互通能力，容易发生站内资源分配冲突(如功率、接入配置等)，各体制的网络优化控制机制会进一步恶化整站甚至网络的性能；

④ 网管中心软件差异性较大，操作维护复杂。即使部分功能融合设计的网络管理平台中，大部分管理功能和界面仍是专网专用的，一致性差，需要了解的专业知识没有减少，对操作维护人员来说，能力要求不但没有降低，反而更高了。

针对上述不足，结合大型综合管理站的应用需求和智能管理、虚拟化等新技术能力，构建一个管理对象、管理功能归一化的一体化网络管理平台成为了可能，这也符合未来技术发展和应用需求的趋势[8-9]。

2 一体化网络管理体系架构

2.1 主要组成

一体化的网络管理平台采用资源虚拟化、智能调度等技术，通过资源归一化方法，以抽象化的软网络替代条块化硬网络，屏蔽掉不同传输体制网络的差异，对外提供统一的输入输出接口和内容呈现[10-11]，对专用的实体以插件的形式扩展接入，如图3所示。

(1)信令接入代理服务

信令接入代理服务用于接收来自所有用户的接入信令，兼容处理现有不同网络的异构信令格式。所有来自用户站的异构信令信息都先由该模块进行解析处理，并根据预定规则进行归一化处理后传递给接入管理等服务进行处理。

(2)接入管理服务

负责对各用户发送的入退网信令、业务接入信令等进行完整性、正确性、合法性鉴权等安全验证工作，与单网的专用接入管理服务能力相比，接入信令中携带的信息量会相对较多且更抽象(由软件实现，对使用人员无感觉)，同时还需实现虚拟信息与物理信息的匹配管理等功能。

(3)智能知识库管理服务

卫星通信系统的建设正在由“卫星网络为主体(网络能力决定用户需求)”向“用户需求为主体(网络能力适应用户需求)”的方向转变，管理对象也由侧重于单维度的卫星资源向由卫星资源、业务服务能力、网络组织关系和用户特性等多维被管对象组成发展。为达到资源的最大利用和最佳服务保证，必须通过智能化的算法挖掘[12-13]用户偏好、分析网络性能、预测网络发展趋势以及评估用户体验效果，并通过数据融合分析及时对网内、网间资源进行调配，如图4所示。

基于历史经验数据、应用场景、用户偏好和资源剩余阈值等特征构建的智能规则和预测算法[14-15]的集合存储在网管的一体化智能知识库中，通过先验匹配、优化迭代，为用户接入控制、资源分配和跨网接力通信选择等功能提供支持[16]。

(4)虚拟资源池

虚拟资源是对各类物理资源进行特征提取、归一化统筹后定义的逻辑资源，每个隶属于不同传输体制网络的物理资源都是虚拟资源的一个子集，但对上层应用层看到的是一体化的逻辑资源。

(5)虚拟资源管理服务

负责处理用户业务接入需求，并根据智能管理数据库定义的规则进行逻辑资源的选择、测试，同时通过资源映射服务驱动物理资源的调度。

(6)资源映射服务

负责实现虚拟逻辑资源与实际的物理资源之间的解释、翻译和格式转换工作。

(7)资源管理模块

与各传输体制网络和物理资源紧密关联的资源分配[17-18]、测试单元，与单体制网管中的资源管理模块所处的角色类似，但该模块功能更加精细和聚焦，根据网络的不同，以插件的形式灵活动态加载。

(8)地面资源互联服务

一体化网管平台通过功能的扩展或互联接口建立与地面网络之间的信息交口，实现对地面网络交换设备的调度，以支持不同网络间的互联互通。

2.2 异构资源的虚拟化定义

在卫星通信系统中，一般将实现用户间通信的物理资源定义为信道，根据卫星通信网传输体制及多址连接方式的不同，网控中心可管理的信道资源有所不同，如表1所示。

但在实际应用中，大部分管理维护人员根本不需要关心具体使用的码字、时隙、中心频点及调制编码方式等参数，其更关心的是哪个用户在通信及通信质量的好坏，只在出现问题或网络调整时才有必要关心表1中的资源属性。为此，通过关联业务属性、用户属性等信息对上述物理资源属性进行逻辑化定义，创建由基本特征参数、互通关系参数、服务质量参数等归一化属性表征异构物理信道的虚拟卫星信道资源，如表2所示。

表2 网管中心管理的虚拟卫星信道资源

虚拟资源重点表达体现传输性能好坏的信息，对物理信道部分参数进行隐藏，但每条虚拟卫星信道通过资源映射服务都与一条物理信道资源对应，信道之间的关联过程由资源映射服务实现。虚拟信道与物理信道映射如图5所示。

图5 虚拟信道与物理信道映射

2.3 业务互联互通管理

当异构网络2个用户需要进行业务通信时，需要在一体化网控中心的控制下，选择同时支持2种网络的地球站并通过协调控制站内的PSTN程控交换设备或者网络交换设备完成，如图6所示。

图6 互联互通应用过程

① 对不同网络的所有用户按统一的规则进行编址规划；

② 处于不同网络的用户1和用户2首先完成在一体化网控中心的入网注册；

③ 用户2呼叫用户1，由用户2的网管代理转发呼叫信令到网控中心；

④ 网控中心进行接入控制合法性验证后，根据被叫号码寻呼被叫用户1，检索其在哪个网络及是否在线；

⑤ 选择同时支持2个网络的地面站，并各自选择一条空闲信道；

⑥ 同时为2个网络分配资源，建立用户1与地面站、用户2与地面站之间的通信链路；

⑦ 一体化网控中心向地面交换设备管理平台发送交换需求，由其在交换设备内建立交换链路；

⑧ 用户1与用户2之间进行信息交互；

⑨ 业务结束时，一体化网控中心收到任一用户发起的拆链请求，则立即释放2个网络的通信资源，同时通知地面交换设备清除交换关系。

2.4 管理信令一体化设计

管理信令实现一体化网管与各被管用户之间管理控制信息的交互，在单体制卫星通信系统中，都遵循专用的管理信令规范，无论从信令格式上还是信令交互流程、应用时机上都不兼容。为实现一体化设计，需对管理信令进行重新规划设计，并能够兼容已有卫星通信系统管理信令协议。

对于已经建好的地面站、网络，可仍保持现有格式不变，但所有信令都转发到中心站的信令接收代理单元，尤其负责实现信令的融合识别转换后在进行一体化处理。

对于新建的地面站和网络，按与体制无关原则重新设计信令格式，通过统一的管理信道或者现有不同体制的管理信道向网管中心传送，中心信令接收设备接收到信令信息后，直接转发到信令接入管理服务进行处理。

3 结束语

结合资源虚拟化、人工智能及服务云化等技术，构建一体化网络管理平台既是卫星通信网络管理技术的发展方向，也是未来多星联合管控、资源统筹规划、业务互联互通等应用的发展需求。在后续设计过程中，需有步骤地开展相关工作，在开放式平台网管软件架构思想基础上对各系统网络管理功能、管理对象、管理流程进行深入的细化梳理，对虚拟资源管理策略、虚拟资源与物理资源间的映射机制、异构网络间的智能化资源调度算法、界面融合设计技术等进行深入研究。