天地一體化網絡共性服務支撐技術探討

吳曉麗，梁欣媛

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天地一體化網絡共性服務支撐技術探討

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 網絡技術研究院，北京 100876）

天地一體化應用的實現過程中，需要提供一種共性服務支撐能力以實現天基與地基應用在應用層面的融合與協同。本文首先分析了天地一體化網絡共性服務支撐面臨的問題與挑戰，然后描述了一種天地一體化網絡共性服務支撐平臺總體架構和軟件體系結構，最后介紹了天地一體化網絡共性服務支撐平臺的部署方式。

天地一體化網絡；共性服務支撐；體系結構；部署方式

0 引言

隨著通信技術的進步和快速發展，衛星通信網[1-3]融合地面5G網絡將實現通信行業質的飛躍。以個人通信全球化為特征的衛星移動通信系統正在成為下一代移動通信系統的重要組成部分[4]。比如，歐盟在5G移動通愿景白皮書《5G愿景—5G PPP：下一代移動通信網絡及服務》[5]中明確闡述“第五代移動通信網絡將既包括（地面）蜂窩（網絡移動通信），又包括衛星（移動通信）。各類異構多層的移動通信無線接入網絡之間的無縫切換、同時使用多種無線接入技術來提高移動通信網絡的可靠性與可用性，將是未來第五代移動通信系統的兩大本質特征。”

未來5G通信衛星與地面通信網絡之間，存在一個競爭、互補以及融合的過程。天地一體化已成為下一代移動通信網建設的基本要素[6-8]。天地一體化組網的目標是在不需要全球地面建站的條件下，實現天地一體化網絡平臺的數據獲取、處理、傳輸、服務等各類功能，以最終達到各類信息資源共享的目標，提高信息實時性，破除原有“煙囪林立”的現象。

在天地一體化應用的實現過程中，需要面對復雜網絡拓撲變化[9-12]，及相應終端、網絡節點的管理與控制，并向天基應用屏蔽其底層差異，使得應用與具體的天基平臺技術體制和終端接入、網絡組網體制無關。這意味著必須提供一種共性服務支撐能力以實現這一控制層，以屏蔽這些差異，簡化天基應用、地基應用的開發，實現天基與地基應用在應用層面真正的融合與協同。本文研究的天地一體化網絡共性服務支撐平臺所面對的天地一體化網絡總體結構如圖1所示[10]。

圖1 天地一體化網絡總體結構

1 天地一體化網絡共性服務支撐面臨的問題與挑戰

天空地一體化環境下，天基、空基、地基等海量終端、海量服務和應用，通過天地一體化信息網絡深度交融[13]。但由于天地一體化網絡的高動態性，海量終端、服務應用的異質性，及空間信息網絡平臺承載能力的局限，天基網絡內部、天基網絡和地基網絡之間在融合過程中面臨的挑戰包括：

（1）終端、服務、網絡節點大范圍移動的高動態性，用戶、終端、子網、服務動態加入、退出、遷移的不確定性，導致天地一體化網絡的網絡拓撲結構具有時變性問題，對通信一致性產生挑戰。如果通過地基平臺維護所有分布式星群的位置、終端的位置，以完成尋址，則面臨終端地址發現時延過長，且終端移動的頻繁注冊刷新對星間鏈路和星地鏈路負載增大等問題。而如果采用天基網絡自行維護終端和網絡，則面臨移動終端識別與發現、移動網絡節點組織與協同、通信持續性管理等問題。

（2）天基平臺的承載能力有限，無法提供大規模的存儲和計算資源，導致天基平臺在組網、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點進行終端信息維護與管理，導致天地一體化網絡的通信與服務控制具有分布式特點，對網絡協同的一致性產生挑戰。如果采用大型衛星平臺提供充分的存儲和計算能力，則會引起衛星節點造價昂貴，性價比低，研發時間長等問題。而如果采用少量中型衛星平臺和大量微型衛星平臺，則面臨單平臺性能不足，需多平臺協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）、網絡能力差異明顯（不同星基、空基通信平臺能力差異）、服務需求差異明顯（指揮、監控、情報等對實時性、可靠性、安全性、帶寬、頻度的差異化需求），導致天地一體化網絡的網絡應用能力具有異質性，對服務一致性產生挑戰，使得不同服務自成體系，互操作困難。如果沿用業務落地后由地基服務管理和轉發模式，則時延太長，且對星間鏈路和星地鏈路壓力大，服務質量難以保證。而如果采用天基網絡自行維護管理服務的模式，則面臨不同制式服務的互操作、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，可以借鑒電信網中已經相當成熟的控制與承載相分離的理念，考慮天地一體化網絡的復雜特點[14]，在全IP化天地一體化網絡基礎上，建立共性服務支撐平臺。

2 天地一體化網絡共性服務支撐平臺總體架構

天地一體化網絡共性服務支撐平臺的技術體系結構如圖2所示。

（1）網絡接入層主要涵蓋協議適配、網絡適配、移動性管理、連接管理和鑒權等，主要解決終端差異性與網絡差異性，完成用戶、終端、網絡移動過程中的安全接入、移動位置綁定、持續連接等過程，向上層屏蔽終端接入能力、網絡接入能力的差異，實現異質終端接入和網絡互操作。

圖2 共性服務支撐平臺功能體系結構

（2）網絡資源層主要封裝終端管理、網絡管理，向上層屏蔽終端移動、網絡節點移動對通信的影響，實現終端和網絡移動性的透明管理。

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

2）網絡管理涵蓋網絡標識與尋址、拓撲與路由管理等，主要解決網絡節點的移動性管理問題，完成網絡節點標識的網絡節點發現、定位、尋址，完成面向終端、服務的路由匹配，維護網絡節點移動過程中的網絡拓撲，向應用屏蔽終端和網絡節點的移動。

（3）融合通信控制層主要封裝資源管理、協同管控等共性能力，向應用屏蔽網絡服務能力的差異，實現具體網絡傳輸與應用控制分離，向應用屏蔽平臺、終端、網絡的差異。

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、網絡節點等的位置發現、尋址等抽象為設備資源，將協同管控能力、業務觸發能力抽象為網絡能力資源，實現終端無關、網絡無關、應用無關的終端與服務發現、定位，及能力訪問控制，向應用屏蔽網絡訪問差異。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，實現應用對共性服務能力的使用，讓應用能夠通過統一通用的接口使用底層網絡能力，屏蔽具體的網絡操作細節。

2）協同管控涵蓋信息資源適配、網絡協同控制、多種類型的網絡能力控制，以通過能力封裝、遠程訪問控制、協議映射、對話與報文控制等實現共性服務能力的資源化調度，向應用屏蔽終端、網絡節點互操作過程中的能力差異。

3 天地一體化網絡共性服務支撐平臺軟件體系結構

天地一體化網絡共性服務支撐平臺的軟件體系結構示意圖如圖3所示。

（1）任務執行環境中包括任務調度管理支撐環境和共性計算支撐環境。

共性計算支撐環境將底層操作系統、數據庫、共性處理等所提供的存儲能力、計算能力封裝為各種基礎庫，實現對運行環境的封裝與屏蔽，并提供消息模版等通用的協議消息構建、協議消息處理模版，以支持新協議的構建。

任務調度管理支撐環境提供消息驅動引擎，支持對各種能力處理任務和協議適配任務抽象出的自動機的調度與管理。為了對融合通信的呼叫、報文等任務進行管理控制，為了對數據采集分發等任務進行管理控制，任務調度管理支撐環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的快速開發。

圖3 天地一體化共性服務支撐平臺軟件體系結構

（2）任務執行環境通過擴展協議適配和網絡能力實現應用系統能力。其中，

協議適配用于屏蔽終端與網絡接入能力的差異，包括電信網、物聯網、衛星網通信控制常用的呼叫控制協議、報文分發協議和終端控制協議（Sigtran、SIP、ISUP/BICC、INAP/MAP/CAP等，MQTT、CoAP等），包括面向系統應用開發的能力開放協議（如SOAP、REST，甚至自定義、可擴展接口等），包括用于系統組網的協同控制協議等，且可靈活擴展，靈活加載使用。

網絡能力提供網絡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、網絡多種標識體系的統一管理，多標識的映射與尋址，實現海量終端接入與管理。網絡能力提供融合 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、點到多點報文分發控制能力。

任務管理環境提供靈活的管控能力，向用戶提供系統的資源管理、性能管理、系統配置等支撐功能。任務管理環境提供自動生成環境，如消息自動生成、業務的快速開發等。提供配置管理、維護管理、性能管理、日志管理、用戶管理等，提供系統的自動化配置，系統的業務告警、運行狀態統計等系統管控，系統資源監測、動態多機集群管理等動態資源調配；提供系統級、應用級、自定義SLA管控，全流程日志管控等。

4 天地一體化網絡共性服務支撐平臺部署方式

天地一體化網絡共性服務支撐平臺采用多節點分布式計算結構，通過各個節點的協同完成共性支撐能力的提供，部署結構如圖4所示。

圖4 天地一體化網絡共性服務支撐平臺部署方式

天地一體化網絡共性服務支撐平臺在部署的時候，可以部署在終端、微衛星節點、骨干衛星節點、地基應用上；其中終端和地基應用可以接入微衛星，也可以接入骨干衛星；在接入終端的時候，星地鏈路可以采用IP技術，也可以采用專用接入技術；在進行星間組網和與地基應用進行組網的時候，建議采用全IP技術，以保證網絡組織與協同的一致性。

根據終端、不同網絡節點的不同功能需求，不同節點上可部署天地一體化網絡共性服務支撐平臺的不同層次，以提供對應的能力封裝和屏蔽。如終端僅需部署網絡接入層，以屏蔽終端與網絡接入能力之間的互操作差異，微衛星節點僅需部署網絡接入層和網絡資源層，以屏蔽終端與網絡節點之間、不同網絡節點之間的互操作功能，同時屏蔽終端和網絡節點的移動性，以支持網絡控制能力對通信請求的接續、路由、分發控制等功能。而骨干衛星節點則部署完整的共性服務支撐能力，在支持終端或網絡節點互操作、終端或網絡移動性管理基礎上，提供業務能力封裝與提供，以支持在骨干衛星節點上部署復雜星基服務應用的需求。

在天地一體化網絡共性服務支撐平臺部署過程中，地基應用部署完整功能的高性能版本，以支持地基服務應用的完整服務功能；骨干衛星部署完整功能的專用版本，以適應天基平臺的特殊平臺要求；而微衛星則僅部署終端管理和網絡管理，以實現終端和網絡能力的分布式控制；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，微衛星與骨干衛星組成的分布式星群將從縱向劃分為三個層面：傳送層、控制層和應用層；從橫向劃分為兩部分：接入網和核心網。其中傳送層用于完成端到端的數據傳輸；其中，核心網全部基于IP技術，以完成統一的天地一體化數據傳輸；接入網建議采用IP技術，也可以采用非IP技術，由接入節點完成接入數據信息向IP傳輸技術的映射。控制層由共性支撐平臺組成，用于完成終端與網絡的管理；其中，接入網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；核心網則用于完成全網終端的移動性管理、終端尋址、服務尋址、通信路由等管理與控制過程，并向應用提供網絡控制能力。應用層則由接入網的終端和核心網上的星基業務應用和地基業務應用組成。

5 結束語

目前，全球化的衛星通信系統可以為用戶提供電話、數據和視頻等服務，已經成為電信服務中的重要組成部分。隨著5G技術的快速發展，構建天地一體化網絡已成為下一代移動通信網絡建設的關鍵要素之一。天地一體化網絡中共性服務支撐平臺基于層次化結構設計，通過網絡接入層、網絡資源層、融合通信控制層三個層次的設計，由下層向上層分別屏蔽終端和網絡的異質性、終端和網絡的移動性、網絡服務能力的異質性三個天地一體化網絡面臨的底層網絡拓撲高動態性和網絡能力互操作問題，支撐天地一體化網絡應用的高效與靈活開發。

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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：上海政企信息化發展，以及天地一體化網絡的研究和規劃；梁欣媛(1993-)，女，碩士研究生，主要研究方向：5G網絡中衛星通信關鍵技術。

吳曉麗，梁欣媛. 天地一體化網絡共性服務支撐技術探討[J]. 軟件，2018，39（11）：230-234