漫游宽带卫星通信终端的实时控制与管理

宽带卫星通信可提供必不可少的超视距通信服务。然而，对于用户在接入域间漫游，目前还没有广泛采用的协议。并且，大多数商业卫星通信网络依赖专有网络管理系统，彼此之间不能互操作，也阻碍了跨网漫游的实现。本文讨论了一种由本地智能代理支持的管理器之管理器架构，用于管理具有多个接入域的全球“混合传输媒体”卫星通信网络，重点讨论了跨域漫游管理问题，挑战包括终端移动性、波形切换、自适应调制/编码、天线波束切换、终端重配置、服务迁移以及相关多服务提供商的实时管理与控制。本文还讨论了次级网络管理器和网元管理器之间的策略规划和执行协调。

1 引言

当前，全球宽带卫星服务运营商可在众多高性能地球同步轨道（GSO）多址网络系统中进行选择，例如iDirect的Velocity^TM平台、Comtech的Heights^TM网络平台或Newtec的Dialog^TM平台以及基于DVB-S2及其他波形技术的大量单路单载波系统。另外，当前以O3b、OneWeb、LEOSat为代表的非GSO服务为低延迟需求提供了极具吸引力的附加宽带选项。军事运营商希望能利用各种卫星通信技术、商业和专用军事通信支持维护一个全球卫星通信网络。这一“混合传输媒体”架构包括构建在各种底层不兼容卫星通信技术之上的不同“接入域”，包括如宽带全球卫星通信系统（WGS）系统中的网络中心波形（NCW）等军事卫星通信系统以及MIL-STD-188-165 FDMA调制解调器。将这些非互操作的接入域技术融合到一个有效管理的统一网络中可能会遇到难以克服的困难和挑战，但是也可能会为军事卫星通信用户带来极大好处。特别是在不同接入域构成的池内实时漫游的用户可选择最适合其任务需求的服务，从而优化卫星通信覆盖、容量、性能及成本。

实现一种既让用户能够利用与卫星轨道无关的多波段多波形灵活终端在不同接入域之间无缝漫游同时又能与当前战术、战略以及商业地面终端兼容的卫星通信架构有多种潜在优势。卫星通信服务可通过政府和商业电信港与地面回程网相结合，在全球范围内实现互连。运营商可通过分级网络管理系统（NMS）对该架构进行协调管理。图1描述了这种架构的组成、各种系统用户、运行中心以及维护系统性能所需的互连网络。

图1描绘的企业架构包括多个段，确保具备全通信覆盖、快速响应弹性能力、充分容量快速增长能力以及在压力运行期间保持连接和控制的能力。

· 军用卫星通信段，提供满足既有运行和过渡需求所需的传统宽带卫星覆盖。

· 商业段（商业卫星通信），扩展服务池提供附加覆盖。商业卫星通信段通过新兴高通量卫星（HTS）填补差距及不足，提供大量通信管道，包括可利用点波束高带宽信道实现高速传输的Ku和Ka波段频率。利用商业卫星覆盖也有助于目前游离于美国国防部/国防信息系统局（DISA）企业之外的遗留用户能够使用卫星通信。利用商业卫星提供的额外覆盖可实现更低的全球运行成本，可按需实现容量快速增长，并通过众多可供选择的卫星实现卫星系统弹性。

· 空间段可能包括LEO、MEO和GEO星座以及可能在小卫星平台上实现的潜在卫星网关。随着商业卫星运行商不断推出新兴技术，可利用池化可移植带宽服务增强灵活性、弹性以及提供容量快速增长能力。

· 用户段包括既有军用地面终端、新型“灵活”终端、军用电信港以及与商业地面电信港和网络协同工作的网络管理系统。商业网络为回程和跨域互通提供全球光纤连接能力。相关空中段与用户段和空间段连接，提供跨运行区域的企业连接能力和回程能力。以上各段与全球信息栅格（GIG）光传输网（OTN）一起，实现到管理段的传输。

2 控制和管理挑战

实现及管理上文所述灵活“混合传输媒体”全球网络需要克服卫星通信产业技术和商业发展历史上造成的结构障碍。目前，多数卫星通信服务供应商基于专有平台和静态卫星资源分配方式提供几种单路单载波（SCPC）和多址服务组合。这种静态服务模型并不能适应空中和海上移动终端带宽需求的增长，也无法应对军事行动或自然灾害等破坏性事件中终端部署快速变化或本地带宽需求激增等情况。小型点波束高通量卫星的广泛使用加剧了移动性和其他动态业务需求对卫星资源管理的影响。

有两种新兴趋势有望提升商业卫星通信应对移动和动态服务的能力。第一，宽带非GSO星座可利用本质上不允许采用卫星资源静态分配方式的卫星提供全球或近全球覆盖。第二，卫星运营商正在引入新型可管理网络或池化带宽服务，让用户和网络运营商可按需购买所用的卫星数据速率容量，作为运营商卫星群中任意位置的可移植容量池。虽然提供这些服务为卫星通信界带来了新能力，但这无疑会使得“混合传输媒体”网络管理需求变得更加复杂。

希望提供全面全球性解决方案的卫星通信网络运营商面临的问题是，要么部署一套技术能力强但不可互操作的平台和接入技术，将网络分割成多个不可兼容的接入域，这种方式费用高且难以运行和管理；要么提供一种较为简单的次优网络解决方案，但这种方式无法满足所有用户的需求。对于为支持军事行动和/或灾难响应而开发的网络来说，任务目标必须实现，不能选择次优解决方案，必须解决其管理和运行挑战。有效运行“混合传输媒体”网络面临的最大的挑战之一是使用户必要时能够在域间漫游，同时保持网络资源的可靠运行和高效利用。于是哈里斯公司提出了一种由分布式智能代理提供支持、使用一种标准灵活调制解调器管理接口的层次化管理器之管理器网络管理系统架构，这种架构是克服这一挑战最具希望的发展方向。

3 实现跨域漫游

要实现地面终端跨不同宽带卫星通信接入域漫游，必须克服各种专用卫星通信接入技术的互不兼容问题。克服这一障碍需采用一种灵活的分层方法来管理端对端服务的各功能层。实现技术包括基于标准的接口、数字中频、通用处理平台以及面向服务的架构。

图2显示了一个有一个用户在两个域之间移动的跨域漫游场景端对端视图，为简单起见，假定起始于单个电信港。用户（船）通过多个功能层连接到电信港（天线），每层都会受到漫游的影响。物理“资源”层包括卫星轨道、位置、波段以及频率分配。“波形”层包括调制、编码、接入协议以及特定服务平台的其他具体因素。“路由”层包括通过卫星和地面网络基础设施实现用户设备与应用服务接口的路由和交换。“安全”层包括身份验证和加密等信息保障功能。由域网络运行中心（DNOC）管理专用接入技术平台，并控制用户对该接入域的访问（例如iDirect TDMA网络）。由政府网络运行中心（GNOC）管理全球卫星通信网络，监督管理各接入域的众多DNOC。GNOC/DNOC复合体形成了一种管理器之管理器分层结构，但在这种架构中，GNOC还间接与位于用户终端的本地智能管理代理交互，使得跨域事务对于不知道其他域情况的DNOC透明。

当能够跨域漫游的终端开始启用并随后更新时，其代理（见图3）由具有接入域授权和管理连接优先级、安全设置、故障响应等全局网络策略的GNOC配置。代理配置包括终端访问并从每个授权域获得服务所需的所有信息，当然，要假定终端具有所需的必备硬件和软件。当在某个接入域中运行时，终端作为受该域DNOC管理的用户终端运行，遵从DNOC所有策略，除非和直到因GNOC策略需要或通信故障需要切换到另一个域，这是在终端代理控制下完成的。

跨域切换需要重新配置漫游终端，使其符合新DNOC的策略和程序，这通常会影响资源、波形、路由和安全功能。一旦获得切换授权，并针对新域对终端进行了配置，则由代理启动切换。终端与目标DNOC联系，切换在DNOC监督下作为正常业务启动进行。

从一个域无缝移动到另一个域需要终端代理和GNOC之间密切协调，管理漫游服务的灵活性，同时确保各域和全局网络能达到性能要求。这些实体之间的稳健通信对于这种协调至关重要。图2中的虚线表示信令信道和逻辑接口，这是该架构的关键。GNOC和DNOC之间的黑色虚线表示管理器到管理器接口（M2MI），通过这一接口向DNOC发送全局网络策略资源和用户授权，并通过该接口将域状态数据发送给GNOC。每个参与DONC在此接口与GNOC进行协调。蓝色虚线代表上文讨论的为GNOC和终端代理之间通信提供支持的灵活调制解调器管理接口（FMMI）（本例中，为“带内”）。要支持多域互操作，必须实现这些接口的标准化。但是，由于主要目标是实现多个不兼容域在一个公共网络中共存，这些接口必须非常灵活，允许进行功能抽象，支持协议转换，并提供丰富的数据建模能力，实现GNOC和封闭的专用DNOC NMS之间以及终端代理、专有调制解调器和终端控制器之间的互通。理想情况下，FMMI和M2MI将被开发为开放接口互操作标准，可供终端集成商和NOC运营商/设计者访问。

跨域漫游将需要具备多个不同接入域特性的高度灵活的用户终端。例如，一个域的电信港可能承载iDirect“Evolution®”hub服务，另一个域可能承载ViaSat“LinkWay®”服务，而另一个域可能承载两种hub功能，但如果最终用户终端只有NCW调制解调器，则不能漫游到这些电信港的任何一个。GNOC和终端代理必须维护终端功能数据库，以避免尝试切换到不兼容服务，但显然，终端灵活性更强将为用户和网络运营商提供更大的运行弹性和更多的服务优化机会。

图3描述了一种可在不同域之间漫游的灵活卫星通信终端（FST）。图中给出了多个调制解调器，是为了便于在多个专有波形上跨域漫游，虽然采用单一调制解调器也可以在共用一个通用波形的多个域中漫游。由“终端代理”在切换期间配置和管理各种功能层。同样，蓝色虚线表示FMMI，可以通过“带内”（图左）或“带外”（图右）物理信道传输。灵活卫星通信终端的核心是它能够为多个不同域实例化调制解调器波形和控制功能。业界研究这种灵活调制解调器理念已经超过十年了，目前主要有两种架构受到密切关注，一种是数字中频（DIF），另一种是通用调制解调器（UM）。简单地说，DIF就是在RF终端接口实现D/A和A/D转换，并以标准格式通过以太网将信号数字化传输到调制解调器或调制解调器组。由于接口是数字接口，所以调制解调器之间的信号路由和交换相对容易，调制解调器设备可以位于本地或任何距离的远端。UM将软件定义调制解调器（SDM）与通用可编程平台（CPP）相结合，让一种硬件集可承载多个不同域波形。DIF的优点是支持远程调制解调器接入，并可能能够跨电信港或用户终端共享调制解调器池，而采用UM则可实现更小的独立灵活卫星通信终端。值得注意的是，这些架构并不是互斥关系，有些灵活卫星通信终端结合了这两种架构。不仅是用户终端，电信港也可能采用灵活卫星通信终端架构，而它们通常不像用户终端那样受到空间和成本的限制。

4 网络管理架构

本节描述了一种灵活的NMS架构，旨在解决管理这种网络时三个最棘手的问题：1）多种完全不同的、不可互操作的接入域平台，采用不兼容的专有NMS和协议；2）用户移动性和跨段漫游；3）用户、域和网元的全球分布。

第一个问题，就是各自使用不兼容NMS或网元管理器的不同接入域技术平台的管理问题，可以使用层次化管理器之管理器方法解决。在这种方法中，GNOC充当管理器之管理器的角色，DNOC作为次级管理器。管理器之管理器方法的主要优点是，管理复杂性很大程度上是对操作者“隐藏”的。有一组通用全局数据库和工具用于策略生成、性能监视、配置、故障响应、安全和规划。通用策略通过“北向接口”M2MI推送到DNOC。协议转换和网络互通问题在这个接口集中解决，允许DNOC在很少或没有修改的情况下运行，在其管理网元上配置策略、监视性能、管理域接入、响应故障，就好像它们是一个直接由运营商控制的孤立域一样。使用管理器之管理器方式会产生图4所示层次化NMS。

全球分布和移动性/漫游的问题结合在一起形成了一个实时控制问题，而这种问题不能通过集中式方法（如MOM）完全解决。虽然提前主动制定集中规划和策略可以指导系统，但在纯集中架构里获取必要数据、识别故障、过载或其他意外事件、设计解决方案和分发必需指令都需要时间，将导致网络性能变差和中断时间延长。这在图4的架构中得到了解决，方式是纳入智能分布式终端代理，这些代理是在MoM的策略指导下半自主运行的被管理网元的本地代理。

和管理器之管理器概念一样，用本地分布式代理增强集中式管理器的概念已经出现多年。随着人工智能和机器学习方法的成熟，这些代理的有效性和能力迅速提高，使得它们在分布式实时控制问题中的应用越来越受到人们的关注，而集中管理方式解决不了这些问题。

本地分布式代理在控制全局分散网元和资源方面的优势是它们能够基于局部态势感知对本地事件做出实时响应。但是，这种局部性也是它们最大的弱点，因为它们看不到全局态势。用代理增强的MoM NMS可以克服这一困难。GNOC根据DNOC和终端代理提供的监测报告，维护网络健康和状态的统一全局视图。异常行为（如故障或容量过载）警报和通知通过高优先级M2MI与常规性能数据一起发送。这些数据收集在中央数据库中，用于分析和趋势预测。这种性能、健康和状态数据可与网络配置数据（也由GNOC维护）以及作战数据相结合，作为指挥官意图、任务预测、移动部队路线和其他未来展望数据，并据此制定可作为网络管理策略依据的运行计划。

根据趋势模型和运行计划得出的策略酌情通过FMMI和M2MI作为策略更新流向代理和DNOC。一般运行计划将涵盖一个较长时期，并侧重于战略问题，而终端代理指南将侧重于诸如域首选项、服务授权和QoS带宽限制等战术问题。规划周期非常短，限于刚刚超出MoM中集中规划功能收集数据评估性能并对事件做出响应（对计划和策略进行必要的修改）所需的时间。仅发送对已建立策略的修改，并且只发送到受这些更改影响的代理，这样可最小化分发策略更新所增加的网络容量负担，如果使用带外联络线与代理通信，则可能完全不会增加网络容量负担。由于M2MI和FMMI的可靠性对有效运行至关重要，因此它们应该采用冗余物理连接进行支持，包括带内和带外信令信道。

虽然目前尚未完全实现本节所述架构，但实际网络应用中已经演示了其中许多关键要素。例如：a）许多基于MoM的商业网络管理系统；b）至少有一个采用混合技术的全球卫星通信网络使用了来自多个网络管理平台数据的数据库提供网络统一健康和状态视图；c）为同一全球卫星通信网络开发了集中规划功能，为支持100多艘大型游轮和1000多艘其他商业船只的网络规划连接；d）规划功能能够规划24小时的连通能力，同时最大限度减少对卫星带宽的使用，限制在3分钟内；e）在一些卫星通信网络平台上提供了基于地图的本地代理，基于移动终端的位置管理卫星通信连接。

目前至少有一种智能代理——Speedcast^TM智能控制设备可用于移动终端，其可根据位置依照来自中央网络管理器的策略指导，从卫星通信和地面通信资源中选择接入技术。

5 结语

具有跨接入域漫游能力的全球宽带卫星通信网络可为运营商和用户带来很多好处。运营商可以通过提供新型池化可移植服务更好地应对动态业务需求的激增和移动性，同时提升网络资源效率，降低总成本。终端用户可以在漫游时通过访问多种传输媒体选项，获得更优覆盖、容量和服务质量。支持这些服务的关键技术包括具有多种调制解调器功能的灵活卫星通信终端，以及由分布式智能终端代理支持的鲁棒、层次化管理器之管理器NMS。开放标准接口协议对此架构至关重要，但这种标准化在战略上限制在FMMI和M2MI。在这些接口上创建鲁棒、高性能、灵活的互操作性标准，运营商能够更容易地将各种不同的不兼容专有商业平台和遗留系统融合为综合全球“混合传输媒体”网络中的接入域，并且对底层域平台的影响最小。

（颜洁 编译）