面向高通量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的認(rèn)證計費(fèi)解決方案研究

李 妍，施永新，孫 萌

（1.中國衛(wèi)通集團(tuán)股份有限公司，北京 100094；2.航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

隨著航天技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)的高速發(fā)展，以及用戶對網(wǎng)絡(luò)全球化的迫切需求，高通量衛(wèi)星（HTS）已成為衛(wèi)星通信的主要發(fā)展方向。與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星相比，HTS衛(wèi)星采用多點(diǎn)波束、頻率復(fù)用、高波束增益等關(guān)鍵技術(shù)提升衛(wèi)星容量，大幅降低了單位帶寬成本，使得流量費(fèi)用降低，更加切合不斷上漲的數(shù)據(jù)流量市場。根據(jù)北方天空研究所（NSR）研究預(yù)測，到2020年，HTS衛(wèi)星在軌比例將從2015年的10%增至23%，到2025年，預(yù)計將進(jìn)一步增至34%；同時，2024年高通量衛(wèi)星主要應(yīng)用領(lǐng)域和收入來源將是公眾寬帶接入、移動載體通信和通信中繼，分別占到高通量衛(wèi)星行業(yè)收入的23.6%、22.3%和15%。

2017年4月12 日，由中國衛(wèi)通負(fù)責(zé)建設(shè)運(yùn)營管理的我國首顆高通量衛(wèi)星中星16號成功發(fā)射，實(shí)現(xiàn)對我國大部分陸地和近海近300km海域的覆蓋，單星通信總?cè)萘窟_(dá)到20G，下載和回傳速率最高分別達(dá)到150Mbps和12Mbps。隨著該衛(wèi)星投入商業(yè)運(yùn)營，我國高通量衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入了實(shí)質(zhì)性應(yīng)用階段。如何面向公眾寬帶接入、移動載體通信等主要應(yīng)用領(lǐng)域，對用戶進(jìn)行認(rèn)證，提供靈活多樣的計費(fèi)策略，更好地滿足用戶關(guān)于計費(fèi)方面的需求，是必須解決的問題。

2 應(yīng)用場景需求分析

2.1 傳統(tǒng)通信衛(wèi)星應(yīng)用模式

傳統(tǒng)通信衛(wèi)星以轉(zhuǎn)發(fā)器出租業(yè)務(wù)為主，主要面向企業(yè)、政府和軍方市場。如基站回傳、衛(wèi)星應(yīng)急、能源領(lǐng)域等。這些領(lǐng)域的客戶主要采用自組網(wǎng)方式，且在經(jīng)濟(jì)上能夠承擔(dān)較高的帶寬費(fèi)用。對于衛(wèi)星運(yùn)營商來說不面向個人用戶，無需考慮認(rèn)證計費(fèi)解決方案。

2.2 高通量衛(wèi)星應(yīng)用模式

高通量衛(wèi)星在保留傳統(tǒng)衛(wèi)星廣域覆蓋特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，傳輸能力成倍提升，而單位帶寬成本大幅降低，用戶只需購買終端就可以使用寬帶衛(wèi)星服務(wù)，滿足數(shù)據(jù)、視頻、話音等應(yīng)用需求。因此高通量衛(wèi)星市場應(yīng)用更側(cè)重流量數(shù)據(jù)通信端，寬帶普遍服務(wù)、移動載體通信等有望成為主要應(yīng)用領(lǐng)域。

在上述應(yīng)用中，用戶通常采用衛(wèi)星終端+無線局域網(wǎng)的方式擴(kuò)展衛(wèi)星寬帶網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一片區(qū)域內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)接入。普遍服務(wù)典型應(yīng)用案例主要有海上鉆井平臺、草原、牧區(qū)、沙漠等，用戶以WiFi橋接的方式，實(shí)現(xiàn)對一片區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，可為上百人提供話音通信及互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)。移動載體通信典型案例包括機(jī)載通信和船載通信。以機(jī)載通信為例，安裝于飛機(jī)頂部的衛(wèi)星天線和機(jī)艙內(nèi)的基帶設(shè)備共同組成機(jī)載動中通，其中基帶設(shè)備與艙內(nèi)娛樂系統(tǒng)（IFE）相連，通過飛機(jī)內(nèi)部的多個無線接入點(diǎn)（WAP）為每個乘客提供互聯(lián)網(wǎng)連接。

寬帶運(yùn)營商建設(shè)網(wǎng)絡(luò)的目的是為了給用戶提供各種網(wǎng)絡(luò)享受進(jìn)而獲取應(yīng)有的回報，這就要求寬帶運(yùn)營商建設(shè)寬帶認(rèn)證計費(fèi)系統(tǒng)，為享受網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的用戶提供從接入到認(rèn)證、計費(fèi)的完整解決方案，并按照既定的原則進(jìn)行費(fèi)用的收取。同時，高效、完善的認(rèn)證計費(fèi)管理平臺還有助于運(yùn)營商充分、及時的掌握用戶流量使用信息，進(jìn)而對用戶使用習(xí)慣及偏好進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，從而有針對性的研發(fā)套餐產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)資源的合理利用和分配。

圖1 高通量衛(wèi)星應(yīng)用模式

3 認(rèn)證計費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計原則

（1）大容量高性能。認(rèn)證計費(fèi)系統(tǒng)應(yīng)確保長期高穩(wěn)定性、高可靠性運(yùn)行，同時必須具備高吞吐量、強(qiáng)大的處理能力及無差錯傳輸能力，使整個系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。

（2）支持多種認(rèn)證方式。面向不同細(xì)分應(yīng)用場景，支持靈活的認(rèn)證策略，以及多種接入認(rèn)證方式的靈活配置。

（3）支持多樣化計費(fèi)方式。支持按時長、流量、寬帶業(yè)務(wù)內(nèi)容等方式靈活計費(fèi)，面向不同類型用戶實(shí)現(xiàn)精細(xì)化計費(fèi)策略和具備價格層次的差異化業(yè)務(wù)。

（4）準(zhǔn)確結(jié)算?；ヂ?lián)網(wǎng)應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸量巨大，計費(fèi)認(rèn)證系統(tǒng)需要具備強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，進(jìn)行準(zhǔn)確的流量采集和費(fèi)用計算，保證網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

（5）具備良好的可擴(kuò)展性、可維護(hù)性。系統(tǒng)應(yīng)具有良好的伸縮性，靈活適應(yīng)不同規(guī)模組網(wǎng)架構(gòu)，可以隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長平滑擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)容量隨需而變，滿足未來業(yè)務(wù)要求。

4 解決方案設(shè)計

4.1 集中式認(rèn)證計費(fèi)方案

集中式計費(fèi)認(rèn)證方案網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)如下，用戶通過無線路由器連接至衛(wèi)星小站，實(shí)現(xiàn)寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的接入。在衛(wèi)星運(yùn)營商地面運(yùn)營中心，BRAS作為無線寬帶接入管理的核心節(jié)點(diǎn)，對全網(wǎng)采用不同接入和認(rèn)證方式的用戶進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)完善的統(tǒng)一認(rèn)證功能，并作為核心業(yè)務(wù)控制節(jié)點(diǎn)承載所有寬帶業(yè)務(wù)。

4.1.1 Portal/Web認(rèn)證方式

Portal/Web認(rèn)證方式支持三層和二層兩種網(wǎng)絡(luò)模式。

（1）三層網(wǎng)絡(luò)模式下的Portal/Web認(rèn)證計費(fèi)。用戶通過無線接入點(diǎn)連接至衛(wèi)星終端，通過DHCP獲取衛(wèi)星終端分配的IP地址，接入到寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。此時用戶輸入任何網(wǎng)址，均會被BRAS設(shè)備推送（即重定向）到Portal頁面。用戶在該界面輸入賬號和密碼，發(fā)起上網(wǎng)請求。BRAS將用戶賬號、密碼及其他接入信息發(fā)送給AAA服務(wù)器，AAA服務(wù)器完成對用戶賬號、密碼的驗(yàn)證處理，并反饋認(rèn)證是否通過信息給BRAS。若認(rèn)證通過，BRAS對該用戶IP進(jìn)行放行，并顯示登錄成功頁面，用戶可以開始上網(wǎng)，同時AAA服務(wù)器開始對用戶賬號進(jìn)行流量統(tǒng)計和計費(fèi)。

圖2 集中式認(rèn)證計費(fèi)方案

為保證計費(fèi)準(zhǔn)確性，BRAS設(shè)備實(shí)時探測用戶狀態(tài)，檢測到用戶異常掉線后，及時通知AAA服務(wù)器將賬號下線。

圖3 三層網(wǎng)絡(luò)模式下基于Portal/Web方式的認(rèn)證計費(fèi)流程

（2）二層網(wǎng)絡(luò)模式下的Portal/Web認(rèn)證計費(fèi)。二層網(wǎng)絡(luò)模式下，衛(wèi)星終端也需要配置為二層模式，實(shí)現(xiàn)BRAS與用戶終端之間的透明傳輸。當(dāng)用戶通過無線接入點(diǎn)接入衛(wèi)星終端時，由BRAS設(shè)備通過DHCP為用戶終端分配IP地址。

圖4 二層網(wǎng)絡(luò)模式下基于Portal/Web方式的認(rèn)證計費(fèi)流程

4.1.2 PPPoE接入認(rèn)證方式

PPPoE接入方式下，用戶終端發(fā)起的PPPoE會話通過衛(wèi)星小站和高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)透傳至BRAS設(shè)備。BRAS作為用戶網(wǎng)關(guān)，終結(jié)并響應(yīng)用戶發(fā)起的PPPoE連接，將用戶名和密碼送到AAA服務(wù)器進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過后BRAS為用戶分配合法的IP地址并允許用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)，同時AAA服務(wù)器開始對用戶流量進(jìn)行統(tǒng)計和計費(fèi)。

4.2 分布式認(rèn)證計費(fèi)方案

高通量衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分布式認(rèn)證計費(fèi)方案包括用戶側(cè)和運(yùn)營中心側(cè)兩大部分。用戶側(cè)在衛(wèi)星終端之后部署前置智能網(wǎng)關(guān)，具備前置業(yè)務(wù)管理、智能業(yè)務(wù)門戶、本地認(rèn)證、應(yīng)用計費(fèi)、策略管理、DPI流量分析控制等功能。運(yùn)營中心側(cè)策略管理中心通過衛(wèi)星通信鏈路與前置智能網(wǎng)關(guān)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對上述功能的配置和集中管控。

圖5 PPPoE接入方式下的認(rèn)證計費(fèi)流程

圖6 分布式認(rèn)證計費(fèi)方案

用戶上網(wǎng)時通過無線接入點(diǎn)連接到前置智能網(wǎng)關(guān)，采用DHCP方式獲取IP地址，前置網(wǎng)關(guān)將用戶訪問的任意頁面重定向至業(yè)務(wù)門戶，提示用戶輸入用戶名及密碼，并完成本地認(rèn)證。認(rèn)證通過后，前置智能網(wǎng)關(guān)按照策略管理中心配置的策略和規(guī)則為用戶提供上網(wǎng)套餐選項(xiàng)供用戶靈活選擇，例如只開通微信或支付寶的套餐，或按照時長、流量、包月等不同計量形式的套餐。同時前置網(wǎng)關(guān)將用戶信息及所選套餐信息回傳至運(yùn)營中心策略管理中心，由策略管理中心通知BRAS允許用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)。

在用戶上網(wǎng)過程中，前置網(wǎng)關(guān)周期性回傳統(tǒng)計的用戶流量數(shù)據(jù)至策略管理中心，實(shí)現(xiàn)對用戶賬號的計費(fèi)。

圖7 分布式認(rèn)證計費(fèi)方案流程圖

4.3 方案對比分析

集中式認(rèn)證計費(fèi)方案網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：認(rèn)證計費(fèi)設(shè)備集中式部署，便于實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的維護(hù)和監(jiān)控，運(yùn)營成本較低；無需在用戶側(cè)增加設(shè)備，系統(tǒng)建設(shè)成本低；用戶側(cè)與中心側(cè)不需要進(jìn)行配置策略等的交互，節(jié)省衛(wèi)星鏈路帶寬；通過功能強(qiáng)大的集中式認(rèn)證計費(fèi)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)端到端業(yè)務(wù)質(zhì)量分析。

集中式方案的缺點(diǎn)是由于衛(wèi)星鏈路的固有特性，用戶進(jìn)行認(rèn)證時交互時延相對較長。

與之相對應(yīng)的，分布式方案優(yōu)勢主要有以下幾點(diǎn)：本地認(rèn)證能夠避免衛(wèi)星鏈路多次交互造成的長時延，用戶體驗(yàn)較好；通過前置網(wǎng)關(guān)阻斷用戶設(shè)備產(chǎn)生的無效流量，能夠減少運(yùn)營成本；前置網(wǎng)關(guān)結(jié)合服務(wù)器可以開發(fā)增值類業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)更靈活的服務(wù)；通過前置網(wǎng)關(guān)能夠更方便的對用戶使用行為進(jìn)行精細(xì)化管理。

但是分布式方案系統(tǒng)建設(shè)成本較高，并且前置智能網(wǎng)關(guān)需定期與運(yùn)營中心系統(tǒng)進(jìn)行交互，回傳用戶流量數(shù)據(jù)，以及策略配置等信息，會造成對衛(wèi)星帶寬的占用。更適用于船載、機(jī)載等應(yīng)用場景。

5 結(jié)束語

隨著高通量寬帶衛(wèi)星進(jìn)一步發(fā)展，將會延伸出各類互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用。寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商需要根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的特殊性搭建高性能、可擴(kuò)展、準(zhǔn)確、靈活的認(rèn)證計費(fèi)系統(tǒng)，針對不同場景提供靈活的認(rèn)證計費(fèi)方案，從而提供良好的用戶體驗(yàn)并獲取應(yīng)有的回報。