面向高通量卫星互联网应用的认证计费解决方案研究

李 妍，施永新，孙 萌

（1.中国卫通集团股份有限公司，北京 100094；2.航天恒星科技有限公司，北京 100086）

1 引言

随着航天技术、卫星通信技术的高速发展，以及用户对网络全球化的迫切需求，高通量卫星（HTS）已成为卫星通信的主要发展方向。与传统通信卫星相比，HTS卫星采用多点波束、频率复用、高波束增益等关键技术提升卫星容量，大幅降低了单位带宽成本，使得流量费用降低，更加切合不断上涨的数据流量市场。根据北方天空研究所（NSR）研究预测，到2020年，HTS卫星在轨比例将从2015年的10%增至23%，到2025年，预计将进一步增至34%；同时，2024年高通量卫星主要应用领域和收入来源将是公众宽带接入、移动载体通信和通信中继，分别占到高通量卫星行业收入的23.6%、22.3%和15%。

2017年4月12 日，由中国卫通负责建设运营管理的我国首颗高通量卫星中星16号成功发射，实现对我国大部分陆地和近海近300km海域的覆盖，单星通信总容量达到20G，下载和回传速率最高分别达到150Mbps和12Mbps。随着该卫星投入商业运营，我国高通量卫星互联网进入了实质性应用阶段。如何面向公众宽带接入、移动载体通信等主要应用领域，对用户进行认证，提供灵活多样的计费策略，更好地满足用户关于计费方面的需求，是必须解决的问题。

2 应用场景需求分析

2.1 传统通信卫星应用模式

传统通信卫星以转发器出租业务为主，主要面向企业、政府和军方市场。如基站回传、卫星应急、能源领域等。这些领域的客户主要采用自组网方式，且在经济上能够承担较高的带宽费用。对于卫星运营商来说不面向个人用户，无需考虑认证计费解决方案。

2.2 高通量卫星应用模式

高通量卫星在保留传统卫星广域覆盖特点的基础上，传输能力成倍提升，而单位带宽成本大幅降低，用户只需购买终端就可以使用宽带卫星服务，满足数据、视频、话音等应用需求。因此高通量卫星市场应用更侧重流量数据通信端，宽带普遍服务、移动载体通信等有望成为主要应用领域。

在上述应用中，用户通常采用卫星终端+无线局域网的方式扩展卫星宽带网络，实现一片区域内的互联网接入。普遍服务典型应用案例主要有海上钻井平台、草原、牧区、沙漠等，用户以WiFi桥接的方式，实现对一片区域的网络覆盖，可为上百人提供话音通信及互联网接入服务。移动载体通信典型案例包括机载通信和船载通信。以机载通信为例，安装于飞机顶部的卫星天线和机舱内的基带设备共同组成机载动中通，其中基带设备与舱内娱乐系统（IFE）相连，通过飞机内部的多个无线接入点（WAP）为每个乘客提供互联网连接。

宽带运营商建设网络的目的是为了给用户提供各种网络享受进而获取应有的回报，这就要求宽带运营商建设宽带认证计费系统，为享受网络服务的用户提供从接入到认证、计费的完整解决方案，并按照既定的原则进行费用的收取。同时，高效、完善的认证计费管理平台还有助于运营商充分、及时的掌握用户流量使用信息，进而对用户使用习惯及偏好进行数据分析，从而有针对性的研发套餐产品，实现资源的合理利用和分配。

图1 高通量卫星应用模式

3 认证计费系统设计原则

（1）大容量高性能。认证计费系统应确保长期高稳定性、高可靠性运行，同时必须具备高吞吐量、强大的处理能力及无差错传输能力，使整个系统具有较快的响应速度。

（2）支持多种认证方式。面向不同细分应用场景，支持灵活的认证策略，以及多种接入认证方式的灵活配置。

（3）支持多样化计费方式。支持按时长、流量、宽带业务内容等方式灵活计费，面向不同类型用户实现精细化计费策略和具备价格层次的差异化业务。

（4）准确结算。互联网应用数据传输量巨大，计费认证系统需要具备强大的数据处理能力，进行准确的流量采集和费用计算，保证网络的正常使用。

（5）具备良好的可扩展性、可维护性。系统应具有良好的伸缩性，灵活适应不同规模组网架构，可以随着网络规模的增长平滑扩展，实现容量随需而变，满足未来业务要求。

4 解决方案设计

4.1 集中式认证计费方案

集中式计费认证方案网络部署架构如下，用户通过无线路由器连接至卫星小站，实现宽带卫星网络的接入。在卫星运营商地面运营中心，BRAS作为无线宽带接入管理的核心节点，对全网采用不同接入和认证方式的用户进行统一管理，实现完善的统一认证功能，并作为核心业务控制节点承载所有宽带业务。

4.1.1 Portal/Web认证方式

Portal/Web认证方式支持三层和二层两种网络模式。

（1）三层网络模式下的Portal/Web认证计费。用户通过无线接入点连接至卫星终端，通过DHCP获取卫星终端分配的IP地址，接入到宽带卫星网络中。此时用户输入任何网址，均会被BRAS设备推送（即重定向）到Portal页面。用户在该界面输入账号和密码，发起上网请求。BRAS将用户账号、密码及其他接入信息发送给AAA服务器，AAA服务器完成对用户账号、密码的验证处理，并反馈认证是否通过信息给BRAS。若认证通过，BRAS对该用户IP进行放行，并显示登录成功页面，用户可以开始上网，同时AAA服务器开始对用户账号进行流量统计和计费。

图2 集中式认证计费方案

为保证计费准确性，BRAS设备实时探测用户状态，检测到用户异常掉线后，及时通知AAA服务器将账号下线。

图3 三层网络模式下基于Portal/Web方式的认证计费流程

（2）二层网络模式下的Portal/Web认证计费。二层网络模式下，卫星终端也需要配置为二层模式，实现BRAS与用户终端之间的透明传输。当用户通过无线接入点接入卫星终端时，由BRAS设备通过DHCP为用户终端分配IP地址。

图4 二层网络模式下基于Portal/Web方式的认证计费流程

4.1.2 PPPoE接入认证方式

PPPoE接入方式下，用户终端发起的PPPoE会话通过卫星小站和高通量卫星网络透传至BRAS设备。BRAS作为用户网关，终结并响应用户发起的PPPoE连接，将用户名和密码送到AAA服务器进行认证，认证通过后BRAS为用户分配合法的IP地址并允许用户访问互联网，同时AAA服务器开始对用户流量进行统计和计费。

4.2 分布式认证计费方案

高通量卫星网络分布式认证计费方案包括用户侧和运营中心侧两大部分。用户侧在卫星终端之后部署前置智能网关，具备前置业务管理、智能业务门户、本地认证、应用计费、策略管理、DPI流量分析控制等功能。运营中心侧策略管理中心通过卫星通信链路与前置智能网关进行交互，实现对上述功能的配置和集中管控。

图5 PPPoE接入方式下的认证计费流程

图6 分布式认证计费方案

用户上网时通过无线接入点连接到前置智能网关，采用DHCP方式获取IP地址，前置网关将用户访问的任意页面重定向至业务门户，提示用户输入用户名及密码，并完成本地认证。认证通过后，前置智能网关按照策略管理中心配置的策略和规则为用户提供上网套餐选项供用户灵活选择，例如只开通微信或支付宝的套餐，或按照时长、流量、包月等不同计量形式的套餐。同时前置网关将用户信息及所选套餐信息回传至运营中心策略管理中心，由策略管理中心通知BRAS允许用户访问互联网。

在用户上网过程中，前置网关周期性回传统计的用户流量数据至策略管理中心，实现对用户账号的计费。

图7 分布式认证计费方案流程图

4.3 方案对比分析

集中式认证计费方案网络结构优势主要有以下几点：认证计费设备集中式部署，便于实现统一的维护和监控，运营成本较低；无需在用户侧增加设备，系统建设成本低；用户侧与中心侧不需要进行配置策略等的交互，节省卫星链路带宽；通过功能强大的集中式认证计费设备，能够实现端到端业务质量分析。

集中式方案的缺点是由于卫星链路的固有特性，用户进行认证时交互时延相对较长。

与之相对应的，分布式方案优势主要有以下几点：本地认证能够避免卫星链路多次交互造成的长时延，用户体验较好；通过前置网关阻断用户设备产生的无效流量，能够减少运营成本；前置网关结合服务器可以开发增值类业务，实现更灵活的服务；通过前置网关能够更方便的对用户使用行为进行精细化管理。

但是分布式方案系统建设成本较高，并且前置智能网关需定期与运营中心系统进行交互，回传用户流量数据，以及策略配置等信息，会造成对卫星带宽的占用。更适用于船载、机载等应用场景。

5 结束语

随着高通量宽带卫星进一步发展，将会延伸出各类互联网业务应用。宽带卫星网络运营商需要根据卫星网络架构的特殊性搭建高性能、可扩展、准确、灵活的认证计费系统，针对不同场景提供灵活的认证计费方案，从而提供良好的用户体验并获取应有的回报。