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                        高低軌混合衛星網絡管控架構設計
                        來源:新聞中心
                        發布時間:2021年02月26日 編輯:中國電子科學研究院專家陸洲,田建召,趙晶,趙偉程

                          摘 要:針對高低軌混合衛星網絡的特點,探索衛星運控、網絡管控等功能的整合機制,提出基于統一管控平面的天地一體管控架構,包括系統組成、運行機制、技術體制等,并分析了該管控架構優點及工程實現所面臨的困難。

                          關鍵詞: 高低軌混合衛星網絡; 網絡管控架構;資源調度和協同應用

                          

                        引 言

                          高低軌衛星在覆蓋范圍、服務質量以及系統建設部署等方面具有各自的特點,不少典型的通信、導航等衛星系統采用高低軌混合的星座結構實現全球服務,提供差異化、個性化的服務能力[1][2]。以高低軌混合星座的全球衛星通信系統為例,該類衛星網絡具有時空跨度大、節點分布動態變化、異質異構節點組網、節點傳輸與處理資源有限等特點,不僅在擴展性、移動性、安全性等方面具有突出的問題,同時在網絡管理控制方面也面臨巨大挑戰:

                        •   一方面,需要管理的網絡設備和業務服務規模大幅增加,管理對象不僅包括天地網絡設施以及終端,還包括頻率、功率、帶寬以及地址、標識等資源;

                        •   另一方面,我國目前無法實現全球布站,單一依賴地基管理系統難以滿足網絡精細化、實時性的管控需求。

                          綜上所述,構建天地一體的管控系統是衛星網絡實現全球服務、高效運行的重要保障。

                          1.高低軌混合衛星網絡管控面臨的挑戰

                          圖1給出了一種應用于全球通信服務的典型衛星網絡組成示意[1]。該衛星網絡由天基骨干網、天基接入網和地基節點網組成,其中天基骨干網由布設在地球同步軌道的節點組成,節點之間通過高速的激光星間鏈路互聯互通,形成覆蓋全球的天基信息高速公路;天基接入網由布設在低軌的節點組成,為各類用戶提供寬帶接入、移動通信等服務;地基節點網主要由多個地基節點互聯而成,支持空間數據落地、信息應用服務、地面網絡互聯等功能。相比傳統的衛星通信系統,該衛星網絡具有體系結構復雜、拓撲動態變化等特點,從而使得網絡的管理需求復雜且實現難度高,主要體現在以下幾個方面:

                        (1)管控對象復雜多樣

                          網絡管控對象涉及高軌、低軌以及地基等各類節點,通過組網使得各節點互聯形成“一張網”,節點數量眾多且功能各異,網絡服務彈性可變導致節點載荷功能復雜,不僅要實現天地網絡設備狀態及參數管控外,還要實現頻率、功率、帶寬以及地址、標識等網絡“軟”資源的管控,管控信息急劇增加。

                        (2)網絡資源精細化、實時性調度要求高

                          網絡提供面向用戶的隨遇接入、按需服務的保障能力,對網絡資源精細化、實時性調度要求較高。一方面通過全球布站的方式提高網絡管控能力需實現較為復雜的協調,而另一方面星上處理能力有限以及網絡安全性要求也制約著網絡功能從地面向天基的遷移,因此在網絡工程建設及實際運行中,如何優化星地功能分配,發揮網絡星地協同、多星協同的優勢,是高低軌混合衛星網絡管控系統設計的主要難點。

                        圖1 天地一體化網絡系統架構

                        (3)面向應用驅動的管控需求:

                          面向全球服務的衛星通信網絡由傳統的專用系統向公共網絡基礎設施發展,需為不同的民商用戶提供不同等級的網絡服務,將同時承載各類差異化的用戶業務,如話音通信、寬帶接入、數據中繼以及天基物聯等,各類業務對服務質量及網絡資源要求各異。因此傳統面向網元的管理模式難以為多并發用戶應用提供高效高質量網絡服務,需結合網絡特點提出面向應用驅動的天地一體網絡管控架構,實現網絡靈活控制以及用戶服務快速響應。

                          2 天基信息網絡管控系統發展現狀

                          隨著天基信息網絡快速發展,網絡管控系統的研究也持續深入。美軍提出的以天、地骨干網絡為核心的“三層多域”的全球信息柵格(GIG)設計并構建了面向陸、海、空、天網絡一體化管理的四級體系。海事衛星的管控系統主要分為兩級,一級為倫敦的網絡操作中心(NOC,Network Operation Center),NOC負責海事衛星的平臺和載荷管理,以及地面站的頻率分配,對全網的資源進行統一的維護調度[3][4];二級由各地面關口站組成,負責對應衛星的通信管理、運行維護和業務支撐。

                          OneWeb系統的管控主要由衛星控制中心(主備雙中心)、網絡運行控制中心(主備雙中心),以及遍布全球的五十余個信關站來完成[5],其中,衛星控制中心主要負責衛星飛行動力、任務規劃、地面站控制等,網絡控制中心主要負責通信網絡資源統一管理與動態調配,信關站是網絡用戶接入地面網絡的互聯關口。

                          國內也積極加強衛星通信系統管控系統建設,其架構經歷了由設備監控、通信網絡管理、星地一體化管控的歷程,初步形成三級分布式的管理構架,并建設了一批具備自主可控能力的管控系統[6][7]。天基網絡管控系統的建設趨于集約化發展,技術也趨于自主化、智能化發展,提高系統的管控效率,針對多樣化網絡業務和用戶應用的自動化管控能力增強。

                          隨著星上處理能力的增強,衛星載荷也能實現部分控制功能。J.Bao在論文中提出集中式的管控架構OpenSAN[8][9],將數據層(衛星設備)和控制層(控制衛星)分離開,將控制層部署于地球同步軌道衛星(Geosynchronous Earth Orbit, GEO)上,由GEO對網絡中的衛星進行管控,從而無法全球建站的情況下實現衛星的全程管控,如圖2所示。這種將控制與轉發分離的思想應用于空間網絡的設計被稱為軟件定義衛星網絡[10],以解決傳統空間網絡連接和重配置的時延較大,數據傳輸不靈活的問題。

                          

                        圖2 傳統管控架構與集中式管控架構對比

                          綜上所述,在衛星網絡中分離數據轉發、管理控制功能[11][12][13],建立管控平面,由專有設備來部署控制策略,實現復雜衛星網絡的管理控制、運行維護、運營服務等能力,體現了天基網絡管控系統當前發展的重要趨勢。

                          3 基于統一管控平面的管控架構設計

                          借鑒地面網絡管控架構,參考軟件定義衛星,本文提出了一種高低軌混合衛星網絡管控架構。該架構采用統一的管控平面,將高、低軌衛星和地面站均作為網絡節點進行統一管理,實現各類型衛星平臺、載荷以及網絡資源的統一、集中控制,如圖3所示。

                          該管控架構將網絡從功能層面分為數據平面、控制平面和管理平面:

                          數據平面主要包括衛星節點、地基節點的天線射頻、基帶處理、路由/交換等設備,數據平面在控制平面的控制下實現網絡的數據通信,在管理平面的管理下維持網絡的正常運行。
                          控制平面功能部署于地基節點以及空間計算存儲能力強的衛星節點上,實現網絡業務的實時控制,保障數據的高效流轉,同時上報全網狀態信息至管理平面并接收管理平面的管理策略;
                          管理平面對衛星狀態、地基節點狀態、網絡狀態、路由、安全、業務、資源等方面進行管理,將管理指令下發至控制平面和數據平面。 
                          

                        圖3 高低軌混合衛星網絡管控架構

                          管理平面和控制平面共同構成網絡的管控平面,整合衛星測控、運控、網管及網控等功能,實現衛星控制功能統一化、網絡管理功能集中化。其中管理平面根據網絡規劃和資源調度對衛星節點和地基節點中的網絡資源(接入資源和路由轉發資源)進行預分配和動態調整,并將與業務處理密切相關的無線資源分配、移動性管理、轉發控制等控制功能直接部署于控制平面。管理平面和控制平面協同工作,實現網絡資源細粒度的實時分配,確保網絡可靠、高效的運行,如圖4所示。

                          

                        圖4 網絡管控功能運行模式

                          管控平面的信息交互依賴于管控通道。傳統衛星網絡的管控通道由測控通道或者業務通道組成,采用相應的測控協議或者網管協議。該管控架構設計統一管控通道,即由中心及代理構成的網管網,由代理統一采集衛星運控、測控、網絡信息,匯聚后經管控通道傳輸至中心。中心與代理之間采用基于統一的管控協議,主要包括通信模型、信息模型,其中通信模型定義中心與代理之間的數據交互流程和通信原語,降低協議報文開銷并滿足不斷演進的管控功能需求;信息模型,定義被管信息的統一描述語言,統一定義網絡和設備的管控信息庫,實現天地管控數據的統一描述和適配。

                          管控平面的物理部署于地基節點和衛星節點上,部署于地基節點的管理系統實現全網的統籌管理和各控制系統之間的協同工作,提高資源利用率、避免指令沖突。部署于衛星節點和地基節點的控制系統受控于管理系統,負責網絡的實時控制,通過星上處理減少天地之間控制信息的交互,提高網絡控制響應的時效性及星地、星間協同能力。星地管控系統協同配合,地面管控系統和天基骨干節點共同實現管控信息網絡化采集、網絡化存儲及管控功能網絡化部署,為衛星網絡的管控系統“云化”提供支撐,如圖5所示。

                          

                        圖5 管控平面部署示意

                          4 實現困難

                          該管控架構可有效解決衛星網絡各類節點的異質異構性和資源動態性帶來的管理挑戰,便于復雜的管理策略部署及靈活調整,滿足細粒度的管理需求,也有利于新技術的應用和升級。但是,該管控架構在技術實現上還面臨著許多亟待解決的問題,主要包括以下幾個方面:

                        (1) 管控平面的安全性

                          統一管控平面將衛星控制和網絡管理統一整合,管控平面將獲取并存儲全網信息,控制網絡行為,管理網絡狀態。相對于傳統的分布式網絡架構,集中化的管控平面將成為網絡的薄弱環節,降低網絡管理控制的安全性和魯棒性。

                        (2) 管控邏輯的一致性

                          統一管控平面的架構雖然將管控功能集中化處理,但本質上還是分布式和異步操作的。針對衛星網絡拓撲及傳輸路徑動態變化等特點,網絡化的管控對管控信息傳輸的時序控制以及網絡節點時間同步提出了更高要求。

                        (3) 管控平面的可實現性

                          本架構提出的管控平面將一部分功能部署在衛星節點上,統一管控信息的采集、處理及網絡化傳輸,提升網絡管控的時效性及被管節點管控接口的標準化水平,但需要衛星節點提供較強的計算、存儲資源,并保證具備與傳統衛星管控(如星務計算機、測控應答機等)相當的高可靠、長壽命要求。

                          結 語

                          天基信息網絡正處在高速發展的階段,可靠有效的管控手段是網絡高效運行的前提。采用統一管控平面的管控架構是未來天基網絡管理的解決思路,日益增強的星上處理能力以及地面先進網絡技術也為該架構的實現提供了可能,如云架構、邊緣計算、高可靠低時延網絡以及微系統等技術,通過強大的信息處理能力整合各類網絡資源,高質量的網絡傳輸保證網絡的及時響應。但針對衛星網絡的特殊性,在安全性、一致性及空間可實現性方面也提出了較高要求,包括各管控系統的安全防護、各系統之間的高效協同問題都亟待解決。因此基于該架構的衛星網絡管控能力實現將是逐步推進、持續演進的。

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