高低轨混合卫星网络管控架构设计

Posted 2021-04-10 卫星与网络

北京呼风唤雨文化传媒有限公司

引言：

高低轨卫星在覆盖范围、服务质量以及系统建设部署等方面具有各自的特点，不少典型的通信、导航等卫星系统采用高低轨混合的星座结构实现全球服务，提供差异化、个性化的服务能力。以高低轨混合星座的全球卫星通信系统为例，该类卫星网络具有时空跨度大、节点分布动态变化、异质异构节点组网、节点传输与处理资源有限等特点，不仅在扩展性、移动性、安全性等方面具有突出的问题，同时在网络管理控制方面也面临巨大挑战：

· 一方面，需要管理的网络设备和业务服务规模大幅增加，管理对象不仅包括天地网络设施以及终端，还包括频率、功率、带宽以及地址、标识等资源；

· 另一方面，我国目前无法实现全球布站，单一依赖地基管理系统难以满足网络精细化、实时性的管控需求。

综上所述，构建天地一体的管控系统是卫星网络实现全球服务、高效运行的重要保障。

1.高低轨混合卫星网络管控面临的挑战

图1给出了一种应用于全球通信服务的典型卫星网络组成示意。该卫星网络由天基骨干网、天基接入网和地基节点网组成，其中天基骨干网由布设在地球同步轨道的节点组成，节点之间通过高速的激光星间链路互联互通，形成覆盖全球的天基信息高速公路；天基接入网由布设在低轨的节点组成，为各类用户提供宽带接入、移动通信等服务；地基节点网主要由多个地基节点互联而成，支持空间数据落地、信息应用服务、地面网络互联等功能。相比传统的卫星通信系统，该卫星网络具有体系结构复杂、拓扑动态变化等特点，从而使得网络的管理需求复杂且实现难度高，主要体现在以下几个方面：

（1）管控对象复杂多样

网络管控对象涉及高轨、低轨以及地基等各类节点，通过组网使得各节点互联形成“一张网”，节点数量众多且功能各异，网络服务弹性可变导致节点载荷功能复杂，不仅要实现天地网络设备状态及参数管控外，还要实现频率、功率、带宽以及地址、标识等网络“软”资源的管控，管控信息急剧增加。

（2）网络资源精细化、实时性调度要求高

网络提供面向用户的随遇接入、按需服务的保障能力，对网络资源精细化、实时性调度要求较高。一方面通过全球布站的方式提高网络管控能力需实现较为复杂的协调，而另一方面星上处理能力有限以及网络安全性要求也制约着网络功能从地面向天基的迁移，因此在网络工程建设及实际运行中，如何优化星地功能分配，发挥网络星地协同、多星协同的优势，是高低轨混合卫星网络管控系统设计的主要难点。

图1 天地一体化网络系统架构

（3）面向应用驱动的管控需求：

面向全球服务的卫星通信网络由传统的专用系统向公共网络基础设施发展，需为不同的民商用户提供不同等级的网络服务，将同时承载各类差异化的用户业务，如话音通信、宽带接入、数据中继以及天基物联等，各类业务对服务质量及网络资源要求各异。因此传统面向网元的管理模式难以为多并发用户应用提供高效高质量网络服务，需结合网络特点提出面向应用驱动的天地一体网络管控架构，实现网络灵活控制以及用户服务快速响应。

2 天基信息网络管控系统发展现状

随着天基信息网络快速发展，网络管控系统的研究也持续深入。美军提出的以天、地骨干网络为核心的“三层多域”的全球信息栅格（GIG）设计并构建了面向陆、海、空、天网络一体化管理的四级体系。海事卫星的管控系统主要分为两级，一级为伦敦的网络操作中心（NOC，Network Operation Center），NOC负责海事卫星的平台和载荷管理，以及地面站的频率分配，对全网的资源进行统一的维护调度；二级由各地面关口站组成，负责对应卫星的通信管理、运行维护和业务支撑。

OneWeb系统的管控主要由卫星控制中心（主备双中心）、网络运行控制中心（主备双中心），以及遍布全球的五十余个信关站来完成[5]，其中，卫星控制中心主要负责卫星飞行动力、任务规划、地面站控制等，网络控制中心主要负责通信网络资源统一管理与动态调配，信关站是网络用户接入地面网络的互联关口。

国内也积极加强卫星通信系统管控系统建设，其架构经历了由设备监控、通信网络管理、星地一体化管控的历程，初步形成三级分布式的管理构架，并建设了一批具备自主可控能力的管控系统[6][7]。天基网络管控系统的建设趋于集约化发展，技术也趋于自主化、智能化发展，提高系统的管控效率，针对多样化网络业务和用户应用的自动化管控能力增强。

随着星上处理能力的增强，卫星载荷也能实现部分控制功能。J.Bao在论文中提出集中式的管控架构OpenSAN[8][9]，将数据层（卫星设备）和控制层（控制卫星）分离开，将控制层部署于地球同步轨道卫星（Geosynchronous Earth Orbit, GEO）上，由GEO对网络中的卫星进行管控，从而无法全球建站的情况下实现卫星的全程管控，如图2所示。这种将控制与转发分离的思想应用于空间网络的设计被称为软件定义卫星网络[10]，以解决传统空间网络连接和重配置的时延较大，数据传输不灵活的问题。

图2 传统管控架构与集中式管控架构对比

综上所述，在卫星网络中分离数据转发、管理控制功能，建立管控平面，由专有设备来部署控制策略，实现复杂卫星网络的管理控制、运行维护、运营服务等能力，体现了天基网络管控系统当前发展的重要趋势。

3 基于统一管控平面的管控架构设计

借鉴地面网络管控架构，参考软件定义卫星，本文提出了一种高低轨混合卫星网络管控架构。该架构采用统一的管控平面，将高、低轨卫星和地面站均作为网络节点进行统一管理，实现各类型卫星平台、载荷以及网络资源的统一、集中控制，如图3所示。

该管控架构将网络从功能层面分为数据平面、控制平面和管理平面：

数据平面主要包括卫星节点、地基节点的天线射频、基带处理、路由/交换等设备，数据平面在控制平面的控制下实现网络的数据通信，在管理平面的管理下维持网络的正常运行。

控制平面功能部署于地基节点以及空间计算存储能力强的卫星节点上，实现网络业务的实时控制，保障数据的高效流转，同时上报全网状态信息至管理平面并接收管理平面的管理策略；

管理平面对卫星状态、地基节点状态、网络状态、路由、安全、业务、资源等方面进行管理，将管理指令下发至控制平面和数据平面。 

图3 高低轨混合卫星网络管控架构

管理平面和控制平面共同构成网络的管控平面，整合卫星测控、运控、网管及网控等功能，实现卫星控制功能统一化、网络管理功能集中化。其中管理平面根据网络规划和资源调度对卫星节点和地基节点中的网络资源（接入资源和路由转发资源）进行预分配和动态调整，并将与业务处理密切相关的无线资源分配、移动性管理、转发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协同工作，实现网络资源细粒度的实时分配，确保网络可靠、高效的运行，如图4所示。

图4 网络管控功能运行模式

管控平面的信息交互依赖于管控通道。传统卫星网络的管控通道由测控通道或者业务通道组成，采用相应的测控协议或者网管协议。该管控架构设计统一管控通道，即由中心及代理构成的网管网，由代理统一采集卫星运控、测控、网络信息，汇聚后经管控通道传输至中心。中心与代理之间采用基于统一的管控协议，主要包括通信模型、信息模型，其中通信模型定义中心与代理之间的数据交互流程和通信原语，降低协议报文开销并满足不断演进的管控功能需求；信息模型，定义被管信息的统一描述语言，统一定义网络和设备的管控信息库，实现天地管控数据的统一描述和适配。

管控平面的物理部署于地基节点和卫星节点上，部署于地基节点的管理系统实现全网的统筹管理和各控制系统之间的协同工作，提高资源利用率、避免指令冲突。部署于卫星节点和地基节点的控制系统受控于管理系统，负责网络的实时控制，通过星上处理减少天地之间控制信息的交互，提高网络控制响应的时效性及星地、星间协同能力。星地管控系统协同配合，地面管控系统和天基骨干节点共同实现管控信息网络化采集、网络化存储及管控功能网络化部署，为卫星网络的管控系统“云化”提供支撑，如图5所示。

图5 管控平面部署示意

4 实现困难

该管控架构可有效解决卫星网络各类节点的异质异构性和资源动态性带来的管理挑战，便于复杂的管理策略部署及灵活调整，满足细粒度的管理需求，也有利于新技术的应用和升级。但是，该管控架构在技术实现上还面临着许多亟待解决的问题，主要包括以下几个方面：

（1） 管控平面的安全性

统一管控平面将卫星控制和网络管理统一整合，管控平面将获取并存储全网信息，控制网络行为，管理网络状态。相对于传统的分布式网络架构，集中化的管控平面将成为网络的薄弱环节，降低网络管理控制的安全性和鲁棒性。

（2） 管控逻辑的一致性

统一管控平面的架构虽然将管控功能集中化处理，但本质上还是分布式和异步操作的。针对卫星网络拓扑及传输路径动态变化等特点，网络化的管控对管控信息传输的时序控制以及网络节点时间同步提出了更高要求。

（3） 管控平面的可实现性

本架构提出的管控平面将一部分功能部署在卫星节点上，统一管控信息的采集、处理及网络化传输，提升网络管控的时效性及被管节点管控接口的标准化水平，但需要卫星节点提供较强的计算、存储资源，并保证具备与传统卫星管控（如星务计算机、测控应答机等）相当的高可靠、长寿命要求。

结 语

天基信息网络正处在高速发展的阶段，可靠有效的管控手段是网络高效运行的前提。采用统一管控平面的管控架构是未来天基网络管理的解决思路，日益增强的星上处理能力以及地面先进网络技术也为该架构的实现提供了可能，如云架构、边缘计算、高可靠低时延网络以及微系统等技术，通过强大的信息处理能力整合各类网络资源，高质量的网络传输保证网络的及时响应。但针对卫星网络的特殊性，在安全性、一致性及空间可实现性方面也提出了较高要求，包括各管控系统的安全防护、各系统之间的高效协同问题都亟待解决。因此基于该架构的卫星网络管控能力实现将是逐步推进、持续演进的。 

【参考文献】

[1]  陆洲,秦智超,张平,. 天地一体化信息网络系统初步设想[J]. 国际太空,2016,(7).

[2]  孙晨华,. 天基传输网络和天地一体化信息网络发展现状与问题思考[J]. 无线电工程,2017,(1).

[3]  张振运,. Inmarsat海事卫星系统的应用与发展[J]. 中国新通信,2013,(5). 

[4]  石世怡,. 关于Inmarsat海事卫星通信系统[J]. 广播电视信息,2009,(6).蔡娟娟,. 基于OpenFlow的SDN技术研究[J]. 电脑迷,2016,(6).

[5]  翟继强,李雄飞,. OneWeb卫星系统及国内低轨互联网卫星系统发展思考[J]. 空间电子技术,2017,(6).

[6]  梁金山,刘薇,. 一种卫星通信网络管理系统设计[J]. 无线电通信技术,2010,(2).

[7]  孙鲲,. 卫星网络中基于策略的网络管理体系结构[J]. 科技创新导报,2009,(2).

[8]  Bao J, Zhao B, Yu W, et al. OpenSAN: a software-defined satellite network architecture[J]. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 2014, 44(4):347-348

[9]  李泰新. 基于智慧协同网络的空间网络建模及资源适配方法研究[D]. 北京交通大学: 北京交通大学,2018.

[10]  Li T, Zhou H, et al. Modeling software defined satellite networks using queueing theory[C]// IEEE International Conference on Communications, Paris, France, 2017:1-6.

[11]  蔡娟娟,. 基于OpenFlow的SDN技术研究[J]. 电脑迷,2016,(6).

[12]  徐凌泽,. 基于SDN的5G移动通信网络构架[J]. 通信电源技术,2017,(1). 

[13]  张臻,. 5G通信系统中的SDN/NFV和云计算分析[J]. 移动通信,2016,(17). 

END

本文转载自“学术plus”，原标题《【深度】高低轨混合卫星网络管控架构设计》；文 | 陆洲，田建召，赵晶，赵伟程；来源 | 《中国电子科学研究院学报》

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