寬帶衛星網絡管理系統設計

王燕++李長德++李霖++王雁秋++閆超

摘 要寬帶多媒體衛星網管負責整個衛星通信網絡的配置、管理、告警等相關的網絡管理服務。衛星網管具有高可用性、高可靠性要求，需要持續可靠的運行來提供監視管理服務，衛星網管故障可能會導致系統運行的不穩定甚至出現業務中斷；同時，兼顧到業務的增長、網絡規模的擴大，需要較為容易的對網管系統進行擴展。針對寬帶衛星的上述需要，本文提出了一種高可用、可擴展的衛星通信網絡管理體系結構。

【關鍵詞】衛星網管 高可用 可擴展

1 概述

我國是世界上最適合發展衛星通信的國度之一，三分之二的國土面積處于不適合鋪設地面光纜的地區，生活在那里的人民群眾想要享受到寬帶多媒體的信息服務，衛星通信無疑是一條可行的道路，在地面網絡比較發達的地區，衛星通信不是主要的通信傳輸手段，但是依然可以作為地面通信網絡很好的補充，特別是在地面網絡出現故障的時候。

寬帶多媒體通信衛星系統不同于傳統的彎管式單星通信模式，能更好的提供多業務的接入和承載能力。而寬帶多媒體通信衛星網絡是具有高度動態特性的網絡，隨著用戶數目的不斷增多，網絡結構變得復雜，網絡規模逐漸擴大，網絡中的資源不論是種類還是數目都有很大程度的增加，傳統的衛星網絡管理面臨了越來越多的困難和挑戰，在用戶的訪問量、突發量、高可靠性和可擴展性提出了新的要求。

寬帶多媒體衛星網絡管理需要更加快速、準確、高效的做出海量用戶訪問回應，以盡量減少因網絡管理而引起的網絡運行性能下降。而衛星網絡管理系統的穩定、高效運行，離不開一個結構設計良好的系統架構的支持，它不僅能使衛星網絡管理信息快速、高效化得到持久，也使得網絡管理中的用戶訪問數據訪問效率得到保障，還可以使系統的性能達到最佳。

本文提出了一種新的系統架構具有高可靠、可靈活擴展的衛星通信系統網絡管理的體系結構，滿足了寬帶多媒體衛星網絡管理的需求。

2 系統體系架構設計

寬帶衛星網絡管理的體系結構如圖1所示，它由資源控制管理和地面設備管理兩部分組成。其中資源控制管理主要實現通信業務信令業務處理和衛星帶寬資源分配功能。地面設備管理主要實現網絡管理功能，資源控制管理與地面設備管理之間通過管控接口完成信息的交互。

2.1 系統功能組成

資源控制管理負責實時通信業務的處理，是寬帶衛星資源管理的業務處理核心。負責控制地面終端站的入網和退網；處理地面終端站的呼叫申請，為合法用戶分配衛星通信資源，通信結束時——負責收回衛星通信資源；沒有業務需要處理時，輪詢地面終端站的狀態；控制衛星上衛星鏈路的建立或拆除交叉連接；向地面設備管理報告系統運產的事件與結果。

地面設備管理包括性能管理、告警管理、配置管理、前臺用戶應用管理及負載均衡管理。

性能管理是對設備性能指標及關鍵設備的核心參數實時監視控制。

告警管理是記錄、診斷系統內的告警信息記錄。

配置管理是初始化、自動配置系統內的設備相關參數指標。

應用管理是用戶前臺應用請求管理。

負載均衡服務將用戶的訪問流量均衡至各功能管理服務器，當其中一臺功能管理服務器出現故障時，負載均衡服務能夠及時的將全部用戶的訪問流量轉移至剩余可用的功能管理服務上。同時，當系統中的功能管理服務器的用戶流量負載過高時，可以通過增加功能管理服務器并對負載均衡服務進行配置來均衡用戶流量，實現寬帶衛星網絡管理服務的高可用以及可擴展。

同理，對于衛星網絡中的性能管理、告警管理、配置管理、應用服務信息同樣可以通過負載均衡服務將采集的性能流量、告警流量、配置信息、用戶訪問等信息負載均衡至性能、告警、配置、應用的集群中。

對于數據庫的部署采用主從部署的方式保證數據庫的高可用，在系統運行過程主數據庫與備數據庫定期進行同步，當主數據庫出現故障時，系統能夠使用備數據庫進行提供服務。

2.2 資源控制管理功能設計

入網，退網，資源分配，等這些功能是基本的星上資源管理功能，相關設計本文中不再贅述。本文重點針對寬帶衛星大容量管理的可擴展支撐進行設計。

星上資源管理中一個資源控制模塊管理著8-10個網段（此處的網段是指共享相同一段衛星頻段資源，邏輯上劃分的一個組），每個網段支持1-2萬用戶信令交互和業務處理。每個資源控制模塊對應著一個控制板塊，當當前的系統配置無法滿足用戶量的需求時，只需添加控制板塊的數量（增加相同的控制板塊，將板塊直接插入到卡槽中）。反之若當前的系統配置高于用戶的需求量，可根據用戶的需求量減少相應的控制板塊數。從而可根據用戶的需求量靈活的配置控制板塊，提高系統對大容量管理的可擴展性。

2.3 地面設備管理功能設計

地面設備管理需對地面設備的主控站和全網所有的終端站的工作狀態監視、控制和管理，對設備部件功能控制，對故障的診斷及對告警信息記錄、衛星資源的動態按需分配等功能。

地面設備管理覆蓋故障管理、配置管理，性能管理、設備管理、系統管理及用戶管理等六大功能。

為實現這些功能，寬帶多媒體地面設備管理采用分層、模塊化設計，本文中把整個地面設備管理系統分成表示層（GUI）、應用層（Manager）、適配層（Adapter）三層構建。數據庫作為數據保存和交換的媒介，為這三層提供數據存取支持。

其中下層為上層提供服務，各層之間通過異步消息方式進行通信，通過數據庫交換數據信息。

由于各個廠家設備自成系統，互不兼容，缺少通用性，為提高衛星資源設備的利用率，便于后續的各廠家不同設備的擴展，針對各個系統設備，設計接口層封裝的功能，將與設備相關的具體接口協議剝離出來形成單獨的接口融合在適配層中，接口封裝各類協議的具體實現，提高地面設備管理中設備的靈活擴展性和系統的高可用性。

地面設備管理具體實現的功能分層圖如圖2所示。

其中表示層：表示層運行在用戶終端上，負責實現與客戶端用戶交互，表示層提供配置管理、告警管理、性能管理、資源管理、系統管理、用戶管理等功能；

應用層：運行在衛星網管應用服務器上，提供網管系統應用服務，包括：配置服務、告警服務、性能服務等；

適配層：運行在衛星網管適配服務器上，直接與被管設備和網絡進行通信；

數據庫：數據保存和交換的媒介。

3 關鍵技術

3.1 衛星信道抗干擾軟實現

寬帶衛星與衛星網絡管理系統之間利用衛星信道來業務傳輸交互和信令控制通信，即上行信道用于衛星網管向寬帶衛星上傳發送信令或者是業務交互的請求，下行信道用于寬帶衛星向衛星網管發送信令或者是業務應答。

衛星信道在上行、下行的通信交互過程中，往往會因為環境、天氣、人為因素等受到一定的影響，衛星信號被干擾，影響了衛星與衛星網管之間傳遞的控制信令與業務傳輸的可靠性，在一定程度上較嚴重的影響衛星業務，導致衛星業務的音視頻、大數據傳輸等出現卡、頓、中斷的問題。

除了傳統的通過在地面加裝衛星防干擾設備，如天線罩、金屬網等，對一定頻率范圍內的干擾信號進行屏蔽，本文中在地面設備管理中的資源管理模塊里，設置了冗余的衛星信道資源，當衛星信號被干擾的情況時，觸發資源管理模塊的一鍵抗干擾的軟實現功能，快速的評估被干擾信號的頻段范圍，通過抗干擾模型在冗余的衛星信道中選擇一個安全性最高和被干擾性最小的衛星信道，同時將要切換的衛星信道資源信息通過衛星網管的配置管理模塊加密傳輸，下發到每一個地面中心的設備上，另外通過衛星信道的上行鏈路加密發送信令和業務交互的請求，建立一條新的衛星與地面的通信鏈路。軟實現的衛星信道抗干擾，無需添加額外的抗干擾設備與手動更改室內外的設備及其參數，就能在用戶在收到衛星信號被干擾報警短短幾分鐘內，迅速屏蔽衛星的干擾信號，快速進行不同衛星信道間的切換，恢復正常的業務傳輸和信令交互，保障衛星關鍵業務的正常應用。

3.2 告警壓縮

隨著全網設備的增加或者是擴容，網絡規模會不斷的加大，網絡告警會同步激增，頻繁出現大量重復的告警，導致真正有用的告警篩選率減低。針對衛星網絡管理告警的要求，在告警管理模塊中，制定了告警的分析、過濾、抑制的規則和模型。

對于頻繁出現的同類型不同時間點的告警，調用告警模塊的知識庫，對告警信息進行分析，若分析告警為致命或者是嚴重等級，則告警提示加強（告警聲音刺耳且一直蜂鳴報警）、告警等級加大（包括告警顏色升級為紅色加粗且告警信息置頂），快速引起運維人員注意，根據告警分析出來的維護建議進行運維，消除告警后填寫告警解決方案并入并更新知識庫，觸發告警消除（停止報警蜂鳴、告警狀態為已解決）。

若經過分析重復出現的告警等級為一般告警，僅更新該告警的出現時間與出現次數，調用告警的知識庫，對該重復告警的原因進行匯總并更新該類告警原因后，同時調用告警壓縮模塊對同類告警進行壓縮，不增加告警的數量，以一條告警信息代替所有重復告警。

若經過分析重復出現的告警信息為冗余告警或者是為互斥告警（兩類邏輯上不能同時存在的告警稱為互斥告警，當一類告警出現的時候，則另一類告警為無用告警，應該清除），則調用告警壓縮模塊的過濾清除功能，對告警進行刪除。

經過告警壓縮，提高真正嚴重告警的篩選效率，及時發現并排除真正的系統故障，保障整個寬帶衛星系統的安全穩健。

3.3 負載均衡

寬帶衛星網絡管理中，系統支持10萬用戶的并發訪問，負載均衡技術可使衛星網管系統的性能和資源得到優化，合理分配用戶突發的訪問量和海量用戶業務處理的性能，提高系統資源的高可用性。

衛星網管系統將告警、性能、配置、應用（前臺用戶應用）服務等部署在系統中的多臺服務器上，并通過負載均衡服務器提供對外虛擬訪問地址，將一組服務（如部署了性能服務的4臺性能服務器）虛擬化為一臺設備（一臺性能服務器）。

當有大量的訪問處理請求通過虛擬地址到達后，負載均衡通過策略查看每個服務存儲節點的負載情況，將用戶請求分配到存儲節點清閑的服務器上，同時，當系統中的功能管理服務器的用戶流量負載過高時，也可以通過增加功能管理服務器并對負載均衡服務進行配置來均衡用戶流量，解決系統中因某一個服務設備出現故障或者的訪問量出現超高異常時，出現單點故障而影響整個系統運行與用戶訪問的問題。

并且負載均衡策略持續學習在熱點時間段關于服務類型、用戶訪問數量、服務的最佳負載量，來完善負載策略，提高在熱點時間階段智能應用均衡策略、系統的資源可用性以及用戶與衛星通信系統交互的體驗。

4 系統應用及驗證

衛星網絡管理系統在正式上線運行前，通過網絡仿真測試系統對衛星通信系統的結構、行為的仿真，對網絡管理進行行為測試、性能測試、陷阱測試、完整性測試、回歸測試和測試分析，來驗證衛星網管系統結構的合理性、系統的可靠性和抗毀性、功能的正確性和完整性、性能特性。通過人為地設置故障，網管系統能可在納秒數量級實現用戶請求的無縫分配，將用戶請求合理均衡的分配到其它正常的設備上，對衛星通信系統的正常運行幾乎沒有影響，從而驗證了網管系統體系結構的合理性。

在衛星網管系統正式上線實際運行的近兩年的時間里，系統經受住了在熱點時間用戶數量、訪問量爆發式增加、近730天每天24小時無間歇的運行、不同角色的用戶對系統進行訪問與使用的考驗，在實踐中也證明了衛星網管系統體系結構與功能業務實現的合理性、實用性及系統的高可用性。

其中衛星網絡管理的登陸及其主功能界面如圖3、圖4所示。

5 結束語

高頻段資源使用、多點波束技術、星上交換、星上處理的應用在提高衛星通信系統的帶寬、處理能力和抗干擾能力的同時，也對衛星通信系統管理技術提出了更高的要求。文提出的一種一體化管理、具有高可用、可擴展的衛星通信網絡管理體系結構，通過仿真測試系統的測試和正式的上線應用，驗證了其合理性，對于衛星通信網管理系統的研究具有重要意義。

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作者單位

航天恒星科技有限公司 北京市 100089