天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐技術(shù)探討

吳曉麗，梁欣媛

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天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐技術(shù)探討

吳曉麗1，梁欣媛2

（1. 中國電信上海公司，上海 200040；2. 北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100876）

天地一體化應(yīng)用的實現(xiàn)過程中，需要提供一種共性服務(wù)支撐能力以實現(xiàn)天基與地基應(yīng)用在應(yīng)用層面的融合與協(xié)同。本文首先分析了天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐面臨的問題與挑戰(zhàn)，然后描述了一種天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺總體架構(gòu)和軟件體系結(jié)構(gòu)，最后介紹了天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺的部署方式。

天地一體化網(wǎng)絡(luò)；共性服務(wù)支撐；體系結(jié)構(gòu)；部署方式

0 引言

隨著通信技術(shù)的進(jìn)步和快速發(fā)展，衛(wèi)星通信網(wǎng)[1-3]融合地面5G網(wǎng)絡(luò)將實現(xiàn)通信行業(yè)質(zhì)的飛躍。以個人通信全球化為特征的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)正在成為下一代移動通信系統(tǒng)的重要組成部分[4]。比如，歐盟在5G移動通愿景白皮書《5G愿景—5G PPP：下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)》[5]中明確闡述“第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)將既包括（地面）蜂窩（網(wǎng)絡(luò)移動通信），又包括衛(wèi)星（移動通信）。各類異構(gòu)多層的移動通信無線接入網(wǎng)絡(luò)之間的無縫切換、同時使用多種無線接入技術(shù)來提高移動通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性與可用性，將是未來第五代移動通信系統(tǒng)的兩大本質(zhì)特征。”

未來5G通信衛(wèi)星與地面通信網(wǎng)絡(luò)之間，存在一個競爭、互補(bǔ)以及融合的過程。天地一體化已成為下一代移動通信網(wǎng)建設(shè)的基本要素[6-8]。天地一體化組網(wǎng)的目標(biāo)是在不需要全球地面建站的條件下，實現(xiàn)天地一體化網(wǎng)絡(luò)平臺的數(shù)據(jù)獲取、處理、傳輸、服務(wù)等各類功能，以最終達(dá)到各類信息資源共享的目標(biāo)，提高信息實時性，破除原有“煙囪林立”的現(xiàn)象。

在天地一體化應(yīng)用的實現(xiàn)過程中，需要面對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓痆9-12]，及相應(yīng)終端、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理與控制，并向天基應(yīng)用屏蔽其底層差異，使得應(yīng)用與具體的天基平臺技術(shù)體制和終端接入、網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)體制無關(guān)。這意味著必須提供一種共性服務(wù)支撐能力以實現(xiàn)這一控制層，以屏蔽這些差異，簡化天基應(yīng)用、地基應(yīng)用的開發(fā)，實現(xiàn)天基與地基應(yīng)用在應(yīng)用層面真正的融合與協(xié)同。本文研究的天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺所面對的天地一體化網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[10]。

圖1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)

1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐面臨的問題與挑戰(zhàn)

天空地一體化環(huán)境下，天基、空基、地基等海量終端、海量服務(wù)和應(yīng)用，通過天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)深度交融[13]。但由于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的高動態(tài)性，海量終端、服務(wù)應(yīng)用的異質(zhì)性，及空間信息網(wǎng)絡(luò)平臺承載能力的局限，天基網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部、天基網(wǎng)絡(luò)和地基網(wǎng)絡(luò)之間在融合過程中面臨的挑戰(zhàn)包括：

（1）終端、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大范圍移動的高動態(tài)性，用戶、終端、子網(wǎng)、服務(wù)動態(tài)加入、退出、遷移的不確定性，導(dǎo)致天地一體化網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有時變性問題，對通信一致性產(chǎn)生挑戰(zhàn)。如果通過地基平臺維護(hù)所有分布式星群的位置、終端的位置，以完成尋址，則面臨終端地址發(fā)現(xiàn)時延過長，且終端移動的頻繁注冊刷新對星間鏈路和星地鏈路負(fù)載增大等問題。而如果采用天基網(wǎng)絡(luò)自行維護(hù)終端和網(wǎng)絡(luò)，則面臨移動終端識別與發(fā)現(xiàn)、移動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組織與協(xié)同、通信持續(xù)性管理等問題。

（2）天基平臺的承載能力有限，無法提供大規(guī)模的存儲和計算資源，導(dǎo)致天基平臺在組網(wǎng)、移動性管理等過程中，難以參照地基平臺使用集中的管理節(jié)點進(jìn)行終端信息維護(hù)與管理，導(dǎo)致天地一體化網(wǎng)絡(luò)的通信與服務(wù)控制具有分布式特點，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)同的一致性產(chǎn)生挑戰(zhàn)。如果采用大型衛(wèi)星平臺提供充分的存儲和計算能力，則會引起衛(wèi)星節(jié)點造價昂貴，性價比低，研發(fā)時間長等問題。而如果采用少量中型衛(wèi)星平臺和大量微型衛(wèi)星平臺，則面臨單平臺性能不足，需多平臺協(xié)同完成所需功能等問題。

（3）終端能力差異明顯（從海陸空基平臺到個人終端）、網(wǎng)絡(luò)能力差異明顯（不同星基、空基通信平臺能力差異）、服務(wù)需求差異明顯（指揮、監(jiān)控、情報等對實時性、可靠性、安全性、帶寬、頻度的差異化需求），導(dǎo)致天地一體化網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能力具有異質(zhì)性，對服務(wù)一致性產(chǎn)生挑戰(zhàn)，使得不同服務(wù)自成體系，互操作困難。如果沿用業(yè)務(wù)落地后由地基服務(wù)管理和轉(zhuǎn)發(fā)模式，則時延太長，且對星間鏈路和星地鏈路壓力大，服務(wù)質(zhì)量難以保證。而如果采用天基網(wǎng)絡(luò)自行維護(hù)管理服務(wù)的模式，則面臨不同制式服務(wù)的互操作、點到點通信和點到多點通信的不同模式融合等問題。

解決上述問題，可以借鑒電信網(wǎng)中已經(jīng)相當(dāng)成熟的控制與承載相分離的理念，考慮天地一體化網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜特點[14]，在全I(xiàn)P化天地一體化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，建立共性服務(wù)支撐平臺。

2 天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺總體架構(gòu)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺的技術(shù)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）網(wǎng)絡(luò)接入層主要涵蓋協(xié)議適配、網(wǎng)絡(luò)適配、移動性管理、連接管理和鑒權(quán)等，主要解決終端差異性與網(wǎng)絡(luò)差異性，完成用戶、終端、網(wǎng)絡(luò)移動過程中的安全接入、移動位置綁定、持續(xù)連接等過程，向上層屏蔽終端接入能力、網(wǎng)絡(luò)接入能力的差異，實現(xiàn)異質(zhì)終端接入和網(wǎng)絡(luò)互操作。

圖2 共性服務(wù)支撐平臺功能體系結(jié)構(gòu)

（2）網(wǎng)絡(luò)資源層主要封裝終端管理、網(wǎng)絡(luò)管理，向上層屏蔽終端移動、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動對通信的影響，實現(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)移動性的透明管理。

1）終端管理涵蓋終端注冊管理、終端標(biāo)識與尋址等，主要解決終端移動性管理問題，完成基于多標(biāo)識的終端發(fā)現(xiàn)、定位、尋址，保證終端移動過程中的通信連接性、可持續(xù)性。

2）網(wǎng)絡(luò)管理涵蓋網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識與尋址、拓?fù)渑c路由管理等，主要解決網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性管理問題，完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點標(biāo)識的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)現(xiàn)、定位、尋址，完成面向終端、服務(wù)的路由匹配，維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點移動過程中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，向?yīng)用屏蔽終端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動。

（3）融合通信控制層主要封裝資源管理、協(xié)同管控等共性能力，向應(yīng)用屏蔽網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的差異，實現(xiàn)具體網(wǎng)絡(luò)傳輸與應(yīng)用控制分離，向應(yīng)用屏蔽平臺、終端、網(wǎng)絡(luò)的差異。

1）資源管理涵蓋能力資源管理、能力開放控制。能力資源管理將終端、服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等的位置發(fā)現(xiàn)、尋址等抽象為設(shè)備資源，將協(xié)同管控能力、業(yè)務(wù)觸發(fā)能力抽象為網(wǎng)絡(luò)能力資源，實現(xiàn)終端無關(guān)、網(wǎng)絡(luò)無關(guān)、應(yīng)用無關(guān)的終端與服務(wù)發(fā)現(xiàn)、定位，及能力訪問控制，向應(yīng)用屏蔽網(wǎng)絡(luò)訪問差異。能力開放控制涵蓋能力組織、能力簽約管理等，以通過信息資源的抽象與交互操作管理，實現(xiàn)應(yīng)用對共性服務(wù)能力的使用，讓應(yīng)用能夠通過統(tǒng)一通用的接口使用底層網(wǎng)絡(luò)能力，屏蔽具體的網(wǎng)絡(luò)操作細(xì)節(jié)。

2）協(xié)同管控涵蓋信息資源適配、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制、多種類型的網(wǎng)絡(luò)能力控制，以通過能力封裝、遠(yuǎn)程訪問控制、協(xié)議映射、對話與報文控制等實現(xiàn)共性服務(wù)能力的資源化調(diào)度，向應(yīng)用屏蔽終端、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互操作過程中的能力差異。

3 天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺軟件體系結(jié)構(gòu)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺的軟件體系結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

（1）任務(wù)執(zhí)行環(huán)境中包括任務(wù)調(diào)度管理支撐環(huán)境和共性計算支撐環(huán)境。

共性計算支撐環(huán)境將底層操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、共性處理等所提供的存儲能力、計算能力封裝為各種基礎(chǔ)庫，實現(xiàn)對運(yùn)行環(huán)境的封裝與屏蔽，并提供消息模版等通用的協(xié)議消息構(gòu)建、協(xié)議消息處理模版，以支持新協(xié)議的構(gòu)建。

任務(wù)調(diào)度管理支撐環(huán)境提供消息驅(qū)動引擎，支持對各種能力處理任務(wù)和協(xié)議適配任務(wù)抽象出的自動機(jī)的調(diào)度與管理。為了對融合通信的呼叫、報文等任務(wù)進(jìn)行管理控制，為了對數(shù)據(jù)采集分發(fā)等任務(wù)進(jìn)行管理控制，任務(wù)調(diào)度管理支撐環(huán)境提供通用的會話控制模型、事件控制模型、資源控制模型等的封裝，以利于能力控制任務(wù)的快速開發(fā)。

圖3 天地一體化共性服務(wù)支撐平臺軟件體系結(jié)構(gòu)

（2）任務(wù)執(zhí)行環(huán)境通過擴(kuò)展協(xié)議適配和網(wǎng)絡(luò)能力實現(xiàn)應(yīng)用系統(tǒng)能力。其中，

協(xié)議適配用于屏蔽終端與網(wǎng)絡(luò)接入能力的差異，包括電信網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)通信控制常用的呼叫控制協(xié)議、報文分發(fā)協(xié)議和終端控制協(xié)議（Sigtran、SIP、ISUP/BICC、INAP/MAP/CAP等，MQTT、CoAP等），包括面向系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)的能力開放協(xié)議（如SOAP、REST，甚至自定義、可擴(kuò)展接口等），包括用于系統(tǒng)組網(wǎng)的協(xié)同控制協(xié)議等，且可靈活擴(kuò)展，靈活加載使用。

網(wǎng)絡(luò)能力提供網(wǎng)絡(luò)資源管理所需的終端尋址能力和移動性管理能力。終端尋址能力提供對終端、網(wǎng)絡(luò)多種標(biāo)識體系的統(tǒng)一管理，多標(biāo)識的映射與尋址，實現(xiàn)海量終端接入與管理。網(wǎng)絡(luò)能力提供融合 通信控制所需的點到點呼叫控制能力、點到點報文控制能力、點到多點報文分發(fā)控制能力。

任務(wù)管理環(huán)境提供靈活的管控能力，向用戶提供系統(tǒng)的資源管理、性能管理、系統(tǒng)配置等支撐功能。任務(wù)管理環(huán)境提供自動生成環(huán)境，如消息自動生成、業(yè)務(wù)的快速開發(fā)等。提供配置管理、維護(hù)管理、性能管理、日志管理、用戶管理等，提供系統(tǒng)的自動化配置，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)告警、運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計等系統(tǒng)管控，系統(tǒng)資源監(jiān)測、動態(tài)多機(jī)集群管理等動態(tài)資源調(diào)配；提供系統(tǒng)級、應(yīng)用級、自定義SLA管控，全流程日志管控等。

4 天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺部署方式

天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺采用多節(jié)點分布式計算結(jié)構(gòu)，通過各個節(jié)點的協(xié)同完成共性支撐能力的提供，部署結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺部署方式

天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺在部署的時候，可以部署在終端、微衛(wèi)星節(jié)點、骨干衛(wèi)星節(jié)點、地基應(yīng)用上；其中終端和地基應(yīng)用可以接入微衛(wèi)星，也可以接入骨干衛(wèi)星；在接入終端的時候，星地鏈路可以采用IP技術(shù)，也可以采用專用接入技術(shù)；在進(jìn)行星間組網(wǎng)和與地基應(yīng)用進(jìn)行組網(wǎng)的時候，建議采用全I(xiàn)P技術(shù)，以保證網(wǎng)絡(luò)組織與協(xié)同的一致性。

根據(jù)終端、不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的不同功能需求，不同節(jié)點上可部署天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺的不同層次，以提供對應(yīng)的能力封裝和屏蔽。如終端僅需部署網(wǎng)絡(luò)接入層，以屏蔽終端與網(wǎng)絡(luò)接入能力之間的互操作差異，微衛(wèi)星節(jié)點僅需部署網(wǎng)絡(luò)接入層和網(wǎng)絡(luò)資源層，以屏蔽終端與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間、不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的互操作功能，同時屏蔽終端和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的移動性，以支持網(wǎng)絡(luò)控制能力對通信請求的接續(xù)、路由、分發(fā)控制等功能。而骨干衛(wèi)星節(jié)點則部署完整的共性服務(wù)支撐能力，在支持終端或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互操作、終端或網(wǎng)絡(luò)移動性管理基礎(chǔ)上，提供業(yè)務(wù)能力封裝與提供，以支持在骨干衛(wèi)星節(jié)點上部署復(fù)雜星基服務(wù)應(yīng)用的需求。

在天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐平臺部署過程中，地基應(yīng)用部署完整功能的高性能版本，以支持地基服務(wù)應(yīng)用的完整服務(wù)功能；骨干衛(wèi)星部署完整功能的專用版本，以適應(yīng)天基平臺的特殊平臺要求；而微衛(wèi)星則僅部署終端管理和網(wǎng)絡(luò)管理，以實現(xiàn)終端和網(wǎng)絡(luò)能力的分布式控制；終端則僅部署用于接入終端管理的終端控制能力。

基于這一部署模式，微衛(wèi)星與骨干衛(wèi)星組成的分布式星群將從縱向劃分為三個層面：傳送層、控制層和應(yīng)用層；從橫向劃分為兩部分：接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。其中傳送層用于完成端到端的數(shù)據(jù)傳輸；其中，核心網(wǎng)全部基于IP技術(shù)，以完成統(tǒng)一的天地一體化數(shù)據(jù)傳輸；接入網(wǎng)建議采用IP技術(shù)，也可以采用非IP技術(shù)，由接入節(jié)點完成接入數(shù)據(jù)信息向IP傳輸技術(shù)的映射。控制層由共性支撐平臺組成，用于完成終端與網(wǎng)絡(luò)的管理；其中，接入網(wǎng)用于完成終端的接入控制、終端的連接性管理、終端的通信控制等；核心網(wǎng)則用于完成全網(wǎng)終端的移動性管理、終端尋址、服務(wù)尋址、通信路由等管理與控制過程，并向應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)控制能力。應(yīng)用層則由接入網(wǎng)的終端和核心網(wǎng)上的星基業(yè)務(wù)應(yīng)用和地基業(yè)務(wù)應(yīng)用組成。

5 結(jié)束語

目前，全球化的衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以為用戶提供電話、數(shù)據(jù)和視頻等服務(wù)，已經(jīng)成為電信服務(wù)中的重要組成部分。隨著5G技術(shù)的快速發(fā)展，構(gòu)建天地一體化網(wǎng)絡(luò)已成為下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的關(guān)鍵要素之一。天地一體化網(wǎng)絡(luò)中共性服務(wù)支撐平臺基于層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過網(wǎng)絡(luò)接入層、網(wǎng)絡(luò)資源層、融合通信控制層三個層次的設(shè)計，由下層向上層分別屏蔽終端和網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)性、終端和網(wǎng)絡(luò)的移動性、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的異質(zhì)性三個天地一體化網(wǎng)絡(luò)面臨的底層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓邉討B(tài)性和網(wǎng)絡(luò)能力互操作問題，支撐天地一體化網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的高效與靈活開發(fā)。

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Discussion on Supporting Technology of Space-ground Integration Network Common Services

WU Xiao-li1, LIANG Xin-yuan2

(1. China Telecom Corporation Limited Shanghai Branch 200040, Shanghai, China; 2. Institute of Network Technology, Beijing University of Posts and Telecommunications, 100876, Beijing, China)

In the process of implementing Space-ground integration applications, it is necessary to provide a common service support capability to realize the integration and collaboration of space-based and ground-based applications at the application level. Firstly, this paper analyzes the problems and challenges faced by the common service support of the Space-ground integration network, then describes the overall architecture and software architecture of the common service support platform of the Space-ground integration network, and finally introduces the deployment mode of the common service support platform of the Space-ground integration network.

Space-ground integration network; Common service support; Architecture; Deployment mode

TP311.52

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.048

吳曉麗(1973-)，女，工程師，主要研究方向：上海政企信息化發(fā)展，以及天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研究和規(guī)劃；梁欣媛(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向：5G網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星通信關(guān)鍵技術(shù)。

吳曉麗，梁欣媛. 天地一體化網(wǎng)絡(luò)共性服務(wù)支撐技術(shù)探討[J]. 軟件，2018，39（11）：230-234