天地一体化网络共性服务支撑技术探讨

吴晓丽，梁欣媛



天地一体化网络共性服务支撑技术探讨

吴晓丽1，梁欣媛2

（1. 中国电信上海公司，上海 200040；2. 北京邮电大学 网络技术研究院，北京 100876）

天地一体化应用的实现过程中，需要提供一种共性服务支撑能力以实现天基与地基应用在应用层面的融合与协同。本文首先分析了天地一体化网络共性服务支撑面临的问题与挑战，然后描述了一种天地一体化网络共性服务支撑平台总体架构和软件体系结构，最后介绍了天地一体化网络共性服务支撑平台的部署方式。

天地一体化网络；共性服务支撑；体系结构；部署方式

0 引言

随着通信技术的进步和快速发展，卫星通信网[1-3]融合地面5G网络将实现通信行业质的飞跃。以个人通信全球化为特征的卫星移动通信系统正在成为下一代移动通信系统的重要组成部分[4]。比如，欧盟在5G移动通愿景白皮书《5G愿景—5G PPP：下一代移动通信网络及服务》[5]中明确阐述“第五代移动通信网络将既包括（地面）蜂窝（网络移动通信），又包括卫星（移动通信）。各类异构多层的移动通信无线接入网络之间的无缝切换、同时使用多种无线接入技术来提高移动通信网络的可靠性与可用性，将是未来第五代移动通信系统的两大本质特征。”

未来5G通信卫星与地面通信网络之间，存在一个竞争、互补以及融合的过程。天地一体化已成为下一代移动通信网建设的基本要素[6-8]。天地一体化组网的目标是在不需要全球地面建站的条件下，实现天地一体化网络平台的数据获取、处理、传输、服务等各类功能，以最终达到各类信息资源共享的目标，提高信息实时性，破除原有“烟囱林立”的现象。

在天地一体化应用的实现过程中，需要面对复杂网络拓扑变化[9-12]，及相应终端、网络节点的管理与控制，并向天基应用屏蔽其底层差异，使得应用与具体的天基平台技术体制和终端接入、网络组网体制无关。这意味着必须提供一种共性服务支撑能力以实现这一控制层，以屏蔽这些差异，简化天基应用、地基应用的开发，实现天基与地基应用在应用层面真正的融合与协同。本文研究的天地一体化网络共性服务支撑平台所面对的天地一体化网络总体结构如图1所示[10]。

图1 天地一体化网络总体结构

1 天地一体化网络共性服务支撑面临的问题与挑战

天空地一体化环境下，天基、空基、地基等海量终端、海量服务和应用，通过天地一体化信息网络深度交融[13]。但由于天地一体化网络的高动态性，海量终端、服务应用的异质性，及空间信息网络平台承载能力的局限，天基网络内部、天基网络和地基网络之间在融合过程中面临的挑战包括：

（1）终端、服务、网络节点大范围移动的高动态性，用户、终端、子网、服务动态加入、退出、迁移的不确定性，导致天地一体化网络的网络拓扑结构具有时变性问题，对通信一致性产生挑战。如果通过地基平台维护所有分布式星群的位置、终端的位置，以完成寻址，则面临终端地址发现时延过长，且终端移动的频繁注册刷新对星间链路和星地链路负载增大等问题。而如果采用天基网络自行维护终端和网络，则面临移动终端识别与发现、移动网络节点组织与协同、通信持续性管理等问题。

（2）天基平台的承载能力有限，无法提供大规模的存储和计算资源，导致天基平台在组网、移动性管理等过程中，难以参照地基平台使用集中的管理节点进行终端信息维护与管理，导致天地一体化网络的通信与服务控制具有分布式特点，对网络协同的一致性产生挑战。如果采用大型卫星平台提供充分的存储和计算能力，则会引起卫星节点造价昂贵，性价比低，研发时间长等问题。而如果采用少量中型卫星平台和大量微型卫星平台，则面临单平台性能不足，需多平台协同完成所需功能等问题。

（3）终端能力差异明显（从海陆空基平台到个人终端）、网络能力差异明显（不同星基、空基通信平台能力差异）、服务需求差异明显（指挥、监控、情报等对实时性、可靠性、安全性、带宽、频度的差异化需求），导致天地一体化网络的网络应用能力具有异质性，对服务一致性产生挑战，使得不同服务自成体系，互操作困难。如果沿用业务落地后由地基服务管理和转发模式，则时延太长，且对星间链路和星地链路压力大，服务质量难以保证。而如果采用天基网络自行维护管理服务的模式，则面临不同制式服务的互操作、点到点通信和点到多点通信的不同模式融合等问题。

解决上述问题，可以借鉴电信网中已经相当成熟的控制与承载相分离的理念，考虑天地一体化网络的复杂特点[14]，在全IP化天地一体化网络基础上，建立共性服务支撑平台。

2 天地一体化网络共性服务支撑平台总体架构

天地一体化网络共性服务支撑平台的技术体系结构如图2所示。

（1）网络接入层主要涵盖协议适配、网络适配、移动性管理、连接管理和鉴权等，主要解决终端差异性与网络差异性，完成用户、终端、网络移动过程中的安全接入、移动位置绑定、持续连接等过程，向上层屏蔽终端接入能力、网络接入能力的差异，实现异质终端接入和网络互操作。

图2 共性服务支撑平台功能体系结构

（2）网络资源层主要封装终端管理、网络管理，向上层屏蔽终端移动、网络节点移动对通信的影响，实现终端和网络移动性的透明管理。

1）终端管理涵盖终端注册管理、终端标识与寻址等，主要解决终端移动性管理问题，完成基于多标识的终端发现、定位、寻址，保证终端移动过程中的通信连接性、可持续性。

2）网络管理涵盖网络标识与寻址、拓扑与路由管理等，主要解决网络节点的移动性管理问题，完成网络节点标识的网络节点发现、定位、寻址，完成面向终端、服务的路由匹配，维护网络节点移动过程中的网络拓扑，向应用屏蔽终端和网络节点的移动。

（3）融合通信控制层主要封装资源管理、协同管控等共性能力，向应用屏蔽网络服务能力的差异，实现具体网络传输与应用控制分离，向应用屏蔽平台、终端、网络的差异。

1）资源管理涵盖能力资源管理、能力开放控制。能力资源管理将终端、服务、网络节点等的位置发现、寻址等抽象为设备资源，将协同管控能力、业务触发能力抽象为网络能力资源，实现终端无关、网络无关、应用无关的终端与服务发现、定位，及能力访问控制，向应用屏蔽网络访问差异。能力开放控制涵盖能力组织、能力签约管理等，以通过信息资源的抽象与交互操作管理，实现应用对共性服务能力的使用，让应用能够通过统一通用的接口使用底层网络能力，屏蔽具体的网络操作细节。

2）协同管控涵盖信息资源适配、网络协同控制、多种类型的网络能力控制，以通过能力封装、远程访问控制、协议映射、对话与报文控制等实现共性服务能力的资源化调度，向应用屏蔽终端、网络节点互操作过程中的能力差异。

3 天地一体化网络共性服务支撑平台软件体系结构

天地一体化网络共性服务支撑平台的软件体系结构示意图如图3所示。

（1）任务执行环境中包括任务调度管理支撑环境和共性计算支撑环境。

共性计算支撑环境将底层操作系统、数据库、共性处理等所提供的存储能力、计算能力封装为各种基础库，实现对运行环境的封装与屏蔽，并提供消息模版等通用的协议消息构建、协议消息处理模版，以支持新协议的构建。

任务调度管理支撑环境提供消息驱动引擎，支持对各种能力处理任务和协议适配任务抽象出的自动机的调度与管理。为了对融合通信的呼叫、报文等任务进行管理控制，为了对数据采集分发等任务进行管理控制，任务调度管理支撑环境提供通用的会话控制模型、事件控制模型、资源控制模型等的封装，以利于能力控制任务的快速开发。

图3 天地一体化共性服务支撑平台软件体系结构

（2）任务执行环境通过扩展协议适配和网络能力实现应用系统能力。其中，

协议适配用于屏蔽终端与网络接入能力的差异，包括电信网、物联网、卫星网通信控制常用的呼叫控制协议、报文分发协议和终端控制协议（Sigtran、SIP、ISUP/BICC、INAP/MAP/CAP等，MQTT、CoAP等），包括面向系统应用开发的能力开放协议（如SOAP、REST，甚至自定义、可扩展接口等），包括用于系统组网的协同控制协议等，且可灵活扩展，灵活加载使用。

网络能力提供网络资源管理所需的终端寻址能力和移动性管理能力。终端寻址能力提供对终端、网络多种标识体系的统一管理，多标识的映射与寻址，实现海量终端接入与管理。网络能力提供融合 通信控制所需的点到点呼叫控制能力、点到点报文控制能力、点到多点报文分发控制能力。

任务管理环境提供灵活的管控能力，向用户提供系统的资源管理、性能管理、系统配置等支撑功能。任务管理环境提供自动生成环境，如消息自动生成、业务的快速开发等。提供配置管理、维护管理、性能管理、日志管理、用户管理等，提供系统的自动化配置，系统的业务告警、运行状态统计等系统管控，系统资源监测、动态多机集群管理等动态资源调配；提供系统级、应用级、自定义SLA管控，全流程日志管控等。

4 天地一体化网络共性服务支撑平台部署方式

天地一体化网络共性服务支撑平台采用多节点分布式计算结构，通过各个节点的协同完成共性支撑能力的提供，部署结构如图4所示。

图4 天地一体化网络共性服务支撑平台部署方式

天地一体化网络共性服务支撑平台在部署的时候，可以部署在终端、微卫星节点、骨干卫星节点、地基应用上；其中终端和地基应用可以接入微卫星，也可以接入骨干卫星；在接入终端的时候，星地链路可以采用IP技术，也可以采用专用接入技术；在进行星间组网和与地基应用进行组网的时候，建议采用全IP技术，以保证网络组织与协同的一致性。

根据终端、不同网络节点的不同功能需求，不同节点上可部署天地一体化网络共性服务支撑平台的不同层次，以提供对应的能力封装和屏蔽。如终端仅需部署网络接入层，以屏蔽终端与网络接入能力之间的互操作差异，微卫星节点仅需部署网络接入层和网络资源层，以屏蔽终端与网络节点之间、不同网络节点之间的互操作功能，同时屏蔽终端和网络节点的移动性，以支持网络控制能力对通信请求的接续、路由、分发控制等功能。而骨干卫星节点则部署完整的共性服务支撑能力，在支持终端或网络节点互操作、终端或网络移动性管理基础上，提供业务能力封装与提供，以支持在骨干卫星节点上部署复杂星基服务应用的需求。

在天地一体化网络共性服务支撑平台部署过程中，地基应用部署完整功能的高性能版本，以支持地基服务应用的完整服务功能；骨干卫星部署完整功能的专用版本，以适应天基平台的特殊平台要求；而微卫星则仅部署终端管理和网络管理，以实现终端和网络能力的分布式控制；终端则仅部署用于接入终端管理的终端控制能力。

基于这一部署模式，微卫星与骨干卫星组成的分布式星群将从纵向划分为三个层面：传送层、控制层和应用层；从横向划分为两部分：接入网和核心网。其中传送层用于完成端到端的数据传输；其中，核心网全部基于IP技术，以完成统一的天地一体化数据传输；接入网建议采用IP技术，也可以采用非IP技术，由接入节点完成接入数据信息向IP传输技术的映射。控制层由共性支撑平台组成，用于完成终端与网络的管理；其中，接入网用于完成终端的接入控制、终端的连接性管理、终端的通信控制等；核心网则用于完成全网终端的移动性管理、终端寻址、服务寻址、通信路由等管理与控制过程，并向应用提供网络控制能力。应用层则由接入网的终端和核心网上的星基业务应用和地基业务应用组成。

5 结束语

目前，全球化的卫星通信系统可以为用户提供电话、数据和视频等服务，已经成为电信服务中的重要组成部分。随着5G技术的快速发展，构建天地一体化网络已成为下一代移动通信网络建设的关键要素之一。天地一体化网络中共性服务支撑平台基于层次化结构设计，通过网络接入层、网络资源层、融合通信控制层三个层次的设计，由下层向上层分别屏蔽终端和网络的异质性、终端和网络的移动性、网络服务能力的异质性三个天地一体化网络面临的底层网络拓扑高动态性和网络能力互操作问题，支撑天地一体化网络应用的高效与灵活开发。

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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

吴晓丽(1973-)，女，工程师，主要研究方向：上海政企信息化发展，以及天地一体化网络的研究和规划；梁欣媛(1993-)，女，硕士研究生，主要研究方向：5G网络中卫星通信关键技术。

吴晓丽，梁欣媛. 天地一体化网络共性服务支撑技术探讨[J]. 软件，2018，39（11）：230-234