基于微服務架構的新一代衛星移動通信運營支撐系統

馬凱旋

摘 要：衛星移動通信系統由空間段、地面段、用戶終端組成。文章闡述如何應用目前在IT業界流行的微服務架構，在地面段構建一套整合無線接入網、核心網等網絡運維管理，融合各種業務支撐功能的、一體化可擴展的新一代衛星移動通信運營支撐系統。文章認為，得益于微服務本身可以使用輕量級的虛擬化容器技術在云服務平臺快速構建部署，新一代的運營支撐系統能夠順應地面電信“云網融合”的潮流，充分發揮IT領域云計算技術在彈性擴展、動態監控、高可用性方面的優勢。

關鍵詞：衛星移動通信;微服務架構;運營支撐系統;云網融合

0 引言

2020年11月，2021年1月我國在西昌衛星發射中心相繼發射“天通一號”02星和03星，與2016年發射的“天通一號”01星完成組網，為我國國土全范圍及周邊海域提供衛星移動通信業務。隨著天通系統業務應用越來越普及，用戶終端越來越多，通信服務的可靠性愈發顯得尤為重要。而保證系統能夠持續提供可靠、高質量的通信服務的關鍵之一在于一個能夠幫助運營單位及時發現系統中的問題，快速故障定位的運營支撐系統，比如由關鍵設備故障引起的通信鏈路中斷，或者通信資源調度不合理造成某些地區通信質量下降等等。地面組網設備的成倍增多對運營支撐系統提出了更高的要求。

電信網絡中的運營支撐系統通常包括兩部分，一部分是業務支撐系統（Business Support System，BSS），包含客戶管理、產品管理、資源管理、客戶服務、渠道管理、計費、賬務、結算、合作伙伴管理等多方面的功能;另一部分是狹義的運營支撐系統（Operation Support System，OSS），側重于電信網絡的管理維護[1]。由于文章篇幅所限，文章將重點關注狹義上的運營支撐系統，即如何對全網設備執行監管，從全網各類通信設備上收集各種運行數據，檢查全網通信質量，從而幫助運營單位快速定位和修復故障。而實現上述監管的核心在于與設備的連接和交互。

作為我國首個自主研制建設的衛星移動通信系統，從立項到研制建設歷時十余載，參研廠家眾多，地面段設備的組成也龐大復雜，過去地面段的運維管理系統采用“煙囪式”的單體架構，各個通信子網的網絡管理功能是孤立的，由不同廠家的不同開發團隊獨立開發建設，使用的技術棧和網絡管理的設計理念、思路互不相同，導致了系統內部的一些數據無法透明共享，運營單位不能全面直觀地了解到整個系統的運行狀況。此外，還存在著為滿足運營單位新提出的種種網絡管理需求，需要在多套系統中重復開發的弊端。因此，迫切需要一種機制將原先分散在各個分系統中的網絡管理系統整合起來，形成一個面向“天通一號”全網的、融合全系統運行維護和業務服務支撐功能的、一體化的新一代運營支撐系統。

1 系統建設思路和設計理念

新一代的運營支撐系統作為全網的大腦，很難由一家單位獨立研發，需要多方合作來完成。相對來說，運營單位和系統技術總體單位最了解業務需求，通信設備的廠商對于其各自研制的通信設備和技術理解最深刻，傳統IT廠商最熟悉軟件開發工具和系統運維流程。因此，為了結合各方面的優勢，應該由系統設計總體單位牽頭制定框架和接口，傳統IT廠商和通信設備廠家提供技術能力，以組件化集成的方式，共同完成系統開發，并且能夠實現業務的快速創新。

文章正是結合上述原則，基于軟件微服務架構的設計理念，以服務拆分的方式實現系統內部的組件化，重點解決系統組成設備管理協議異構的問題。以統一的系統框架、開發平臺、接口規范，運維管理思路，整合無線接入網、核心網等網絡管理能力，構建一套綜合的、新型的、具有彈性的運營支撐系統。

2 微服務架構

在微服務架構出現之前，大部分Web應用軟件使用單體架構構建。單體架構軟件符合人們構建軟件的自然思考方式，是指應用中所有的UI界面、業務處理邏輯和數據庫訪問代碼都放在一個代碼工程中編譯、測試。最后打包成單個可執行應用程序部署在服務器上，處理來自客戶端瀏覽器的HTTP請求，執行相應的業務邏輯，從數據庫中獲取或者更新數據，再生成HTML頁面返回給客戶端的瀏覽器。單體架構隨著業務需求功能不斷迭代加入，其缺點也日益凸顯。

例如，單體架構軟件中的功能組件耦合比較緊密，一次小的迭代往往需要重新編譯測試整個軟件項目，這無疑增加了軟件迭代的周期和難度，不便于應用軟件的需求擴展;單體架構的軟件需要多個開發團隊將他們各自開發的代碼同步合并到同一個代碼倉庫中，再作為一個整體進行編譯測試，當項目中的代碼量不斷擴大，代碼合并的工作會變得非常艱難，因此其不便于多個開發團隊協作開發，尤其是不同單位的開發團隊。微服務架構的出現正是為了應對上述在單體架構軟件中的出現的種種缺陷和技術挑戰。

微服務架構[2]的設計思路是將一個大的軟件拆解為多個小的、職能明確、可獨立開發、測試、維護的“服務”，因此，基于微服務架構設計的軟件，其最終形態是一套服務程序的集合。“服務”可以看作是相互獨立的進程，“服務”之間通過輕量級的通信協議交互，通常使用 RESTful 風格的API形式來通信。RESTful 風格的API通常是在HTTP通道上傳輸JSON格式的數據，其具有跨語言、跨異構系統、前后端通用、接口定義靈活的優點。

微服務架構本身也是一種面向云計算的持續解決方案[3]，強調敏捷開發，業務邏輯和技術的簡潔性， 允許開發團隊在云環境中快速擴展、部署應用，充分發揮云計算平臺彈性擴展、熱部署、動態監控和高可用的技術優勢，降低應用部署到生產環境中的復雜性。正因如此，近年來，越來越多包括互聯網領域在內的眾多IT企業，均在向微服務架構遷移演進自己的產品。

3 系統架構設計

運營支撐系統的核心之一是與設備的通信，因為設備是組成整個網絡的關鍵元素，脫離了設備，網絡也就無從談起。設備運行的狀態和數據反映了整個網絡的運行情況，各類通信數據的最終來源也是通信設備本身。

天通一號衛星移動通信系統，其地面段組成設備多種多樣，參研廠家眾多，各廠家管理設備的方式和所采用的設備管理通信協議也多種多樣，例如有基于UDP/TCP傳輸的私有報文協議，有SNMP協議等。如果采用傳統單體架構開發，那么軟件需要處理多種異構的設備管理協議，實現上會變得非常復雜，因此非常有必要借鑒微服務架構的設計思路，將整個系統的功能拆分實現。

如圖1所示，系統采用前后端分離技術，大體上，由前端UI、API網關、后端微服務集群三大部分組成。前端UI作為獨立應用部署，API網關其實也可以看作是后端的一個微服務，獨立部署。后端微服務集群的內部，從邏輯上劃分為兩層，上層為服務聚合層，下層為基礎核心服務層。

位于基礎核心服務層的微服務，承擔著直接與設備交互數據的責任，為了解決設備管理協議異構多樣的問題，人們將設備按照地面段系統的邏輯組成，劃分為若干通信分系統，每個分系統下的設備由專門的微服務負責管理，例如位于無線接入網內的“天線射頻分系統微服務”專門負責處理與天線塔基內的設備的交互協議，其中包括了天線伺服設備、功放和低噪放設備等，同樣位于無線接入網內的“變頻分系統微服務”專門負責處理整個地面段的變頻設備，以此類推。

位于服務聚合層的微服務，為了聚合基礎核心服務層中的各個通信分系統服務提供的數據，并作必要的適配，以在用戶前端統一呈現。比如，服務聚合層中的“故障告警管理服務”用來聚合全系統內不同分系統上報的設備故障告警，并在前端頁面上，統一提示用戶;類似的，“拓撲管理服務”用來聚合全系統內設備狀態數據，并在統一的拓撲視圖上呈現整個系統的運行狀態。未來在服務聚合層中，可以放置更多業務支撐功能，如計費，賬單、客戶服務等。

位于后端微服務集群中的所有微服務之間通過系統內部定義的服務總線交互數據;數據交互采用同步和異步兩種方式，同步方式即采用RESTful API調用方式，異步方式采用基于異步消息中間件的異步推送方式。同步方式主要用于前端向后端，或者后端微服務之間獲取數據，異步方式主要用于設備告警、設備狀態變更之類的實時數據推送。

服務總線的定義是系統的重點和難點。其核心思想，是把整個系統內的所有設備的運行狀態數據、運行參數、各種通信模式下的通信業務數據等，都視作為系統中的可獲取資源，每個資源都可以由唯一的URL路徑通過RESTful接口定位獲取。此外，在服務總線中還約定了所有后端服務訪問RESTful API接口的訪問路徑規范、傳輸數據的格式規范等。

4 未來演進

4.1 業務支撐功能的不斷加入

由于我國衛星移動通信事業正處于起步階段，通信工作發展重心還集中在無線接入設備、網絡交換設備、移動終端設備的研發制造上，因此，系統運營維護的重點在于對通信設備的監控管理。未來，隨著用戶數量的不斷增長和各類業務應用的不斷推廣，會有越來越多的業務支撐功能加入系統。得益于微服務架構本身的優勢，新的業務支撐功能可以通過開發新的微服務的方式集成到系統中，系統也會越來越向地面電信運營商的運營支撐系統演進，更加重視客戶服務，提高服務保障能力。

4.2 基礎運行環境向云平臺融合

近年來，隨著云計算的快速發展，5G建設的全面啟動，“云網融合”成了地面電信運營商關注的焦點。2021年，國家把新基建作為戰略發展方向，“云網融合”也隨之提升到了更高的高度，更加引人矚目。“云網融合”是指IT領域云計算技術與通信領域網絡技術的融合。從技術的角度看，就是云計算中引入網絡的技術，而在網絡中又引入云計算的技術。例如，地面5G核心網已經做到完全不使用專用硬件，完全采用x86通用服務器硬件。5G核心網所有的服務，都可以構建在云計算技術原生的虛擬化技術和容器化技術上。網絡的云化改造實現了從預定義的剛性網絡向軟件可定義的彈性敏捷網絡轉型，實現網絡資源的集中管控、靈活按需分配，具備了面向客戶快速提供靈活按需網絡和差異化運營的能力[3]。

衛星移動通信也應該順應地面電信“云網融合”的潮流，充分利用云服務商提供的云計算技術的優勢，將所有服務構建在云上，打通各個平臺，消除煙囪效應，降低系統建設和運維成本，提高服務綜合保障能力。

5 結語

文章以天通一號衛星移動通信系統為立足點，給出一個未來可持續演進的衛星移動通信運營支撐系統的架構。該架構基于微服務架構的理念設計，因此能夠充分發揮微服務架構本身可持續擴展、開發部署方便、容錯能力強大等諸多優勢。運營支撐系統本身是個非常寬泛復雜的主題，由于篇幅所限，文章側重于闡述網絡運維管理方面，其他方面沒有做過多展開。未來在此架構的基礎上，還會擴充更多衛星移動通信相關的業務支撐功能，讓天通一號衛星移動通信系統的應用前景更加廣闊。

[參考文獻]

[1]杜宇健，張新偉.基于SOA的下一代電信業務運營支撐系統[J].中國科技論壇，2010（11）：49-54.

[2]王紀軍.云環境中Web應用的微服務架構評估[J].計算機系統應用，2017（26）：9-15.

[3]孟曉斌.面向云網融合的運營商網絡架構演進[J].信息通信技術，2019（4）：32-37.

（編輯 王永超）

New generation of satellite mobile communication operation support system based on microservices architecture

Ma Kaixuan

（Nanjing Panda Handa Technology Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China）

Abstract：The satellite mobile communication system consists of space segment， ground segment and user terminal. This paper expounds how to apply the microservices architecture currently popular in the IT domain， to build an expandable new generation satellite mobile communication operation support system that integrated maintenance management ability of wireless access network， core network in the ground segment， and other various business support functions. Thanks to the rapid build and deployment of microservices architecture using lightweight virtualization container technology on cloud service platforms， the next generation of operational support systems can adapt to the trend of “cloud-network integration” in terrestrial telecommunications and take full advantage of the elastic expansion， dynamic monitoring， and high availability of cloud computing technologies in the IT domain.

Key words：satellite mobile communication; microservices architecture; operational support system; cloud-network integration