卫星通信运营数字化转型中的关键要素

文 | 沈永言 中国卫通集团股份有限公司

一、前言

近年来，在高通量卫星（HTS）、非静地轨道（NGSO）星座、小卫星制造等技术的推动下，全球卫星通信行业进入了卫星互联网阶段，并发生了结构性的变化。在容量供应和带宽价格方面，现在一颗普通HTS 容量就达数百吉比特每秒（Gbit/s），相当于传统卫星通信容量的数百倍。低成本HTS 的大量投放使得全球卫星通信容量供大于求，对传统固定卫星业务（FSS）运营商形成巨大的经营压力。在业务结构和商业模式方面，传统FSS 运营行业以转发器租赁和视频传输服务为主体业务。卫星互联网的发展使得卫星通信运营的主体业务正在从视频传输转向数据（含短视频和流媒体）。卫星互联网通常是天地一体化设计，这要求运营商必须向市场提供端到端的网络零售或批发服务，或向虚拟运营商提供网络平台服务。

进入卫星互联网阶段后，卫星通信运营将加速向地面电信和互联网方向转变，这将带来宽带接入、机载通信、内容投递等市场机遇，同时也将面临来自整个信息通信行业的激烈竞争。纵观信息通信行业，进入互联网和移动互联网阶段后，电信运营商受到互联网公司IP 电话、IP 视频等OTT 业务的巨大冲击，被动扮演“管道商”的角色，面临业务增量不增收的被动局面。近年来，为摆脱“管道化”困境，全球电信运营商纷纷开展包括网络、运营组织和人才等层面的数字化转型，积极开拓视频、云服务、大数据、物联网、支付金融等蓝海市场，以实现可持续发展。

二、卫星通信运营数字化转型三大要素

卫星通信运营是卫星通信产业的主体，也是电信运营和信息通信服务行业的重要组成部分。HTS、NGSO 星座只是卫星通信行业未来可持续发展的基础，面对行业自身的结构性变化和信息通信行业的激烈竞争局面，卫星通信运营也需要从卫星、网络、运维和组织人才等方面进行全面的数字化转型，以提高卫星灵活性、网络可塑性、运营智能性。

1. 卫星灵活性

如果说卫星是卫星通信网络的核心，那么天线、转发器等有效载荷就是卫星的核心。近年来，为提高卫星通信的市场应变和服务能力、降低卫星通信的运营成本，卫星通信行业开始大规模应用软件定义卫星、灵活载荷等技术。它们大同小异，灵活性是卫星通信网络应该具备的性能和能力，软件定义是实现这些性能和能力需要采用的手段。

卫星灵活性主要体现在天线、射频和中频与基带处理三个载荷部分。天线部分侧重于波束覆盖灵活性，它主要通过传统无源反射面天线的机械/电子调节，或有源阵列和波束成形网络（BFN）来实现波束移动、缩放、形变以及数量调节。射频部分对应频率和功率灵活性，主要利用变频器和宽带、中心频点可调节的滤波器，改变单个信道的频谱特性，而可步进制调整的功放或多端口功放与上述设备配合，能够按需调节传输速率或带宽。中频与基带部分对应连接灵活性。利用数字信道化器（又称为半再生处理器），可对中频信号进行处理，实现载波级的连接和交换。利用完全再生处理器，进行协议和信息处理，可实现面向应用级的路由和交换。

卫星灵活性中的关键技术有多波束天线、信道化器和跳波束等。有源阵列天线在BFN 的支持下，可以任意调节波束的位置、形状、大小和数量。数字信道化器又称为数字透明处理器（DTP），它可以在数字域完成载波信号的变频、滤波等功能，以实现不同波束载波信号的交换、连接，从而实现多点波束和大波束卫星在应用模式上的统一。跳波束利用时间分片技术，根据不同波束上业务量的不同，有针对性地应用卫星频率和功率资源，以大幅提高HTS 资源利用效率。图1 为跳波束原理示意图。

图1 跳波束原理示意图

目前，全球主要卫星制造商和运营商都在开展灵活性载荷和卫星的研发和应用。在制造商方面，泰雷兹、波音、空客分别拥有Space Inspired、702X和OneSat 灵活性卫星。在运营商方面，欧洲通信卫星公司（Eutelsat）的量子（Quantum）卫星由空客公司开发，被认为是全球首颗真正意义上的软件定义或灵活卫星，它通过软件驱动，可实现覆盖范围、工作频率和信号功率的动态协调。国际通信卫星公司（Intelsat）Epic 系列HTS 采用了波音公司最新的数字信道化器技术，以实现跨波束或波束内的单跳通信，从而保证后向兼容，老用户的终端可以直接接入Epic HTS 系统。此外，作为灵活性卫星最基本形式的移动点波束已广泛应用于Inmarsat-5等地球静止轨道（GEO）HTS 和“星链”（Starlink）、“柯伊伯”（Kuiper）、加拿大电信卫星（Telesat）星座等NGSO 计划之上。

2. 网络可塑性

所谓网络可塑，又称为网络软化，其核心思想是通过软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）的组合应用，实现通信网络设备的IT 化，进而实现网络资源按需定制和高效运营。目前，SDN、NFV 已成为5G 移动互联网中的关键技术和网络架构。

SDN 的最大特点是控制和转发的分离，这种网络架构实现了控制逻辑的集中。SDN 控制器能够获取网络的全局静态拓扑、全网动态转发表信息、资源利用效率及故障状态等全局信息，并依据业务需求实现资源的统一调配和优化。分组转发（数据平面）则利用廉价的交换机芯片来实现流量的高效转发。NFV 通过通用的计算、存储、网络硬件平台和虚拟化技术，实现软硬件解耦和功能抽象，以软件定义的方式来实现虚拟网络功能，从而降低专用通信网络设备（如路由器、交换机、防火墙等）成本，以提高系统灵活度、可靠性等。

SDN 和NFV 的组合应用，可以实现通信网络的动态切片和功能组合，以实现对不同业务、各种虚拟专网、多租户等的支持。所谓多租户，就是通过同一底层基础设施提供多个隔离网络，如面向5G 三大应用场景的移动宽带网、大连接物联网和低时延任务关键性物联网。基于SDN、NFV，新网络功能和新业务可以快速开发，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性服务、故障隔离和快速自愈等，以满足未来网络的灵活运营需要。5G 网络切片管理功能如图2 所示。

图2 5G 网络切片管理功能

在全IP 设计以及卫星与5G 融合发展阶段，在卫星互联网中引入SDN、NFV 势在必行。实际上，一些VSAT 设备厂商已经在积极将SDN、NFV 技术导入其解决方案之中。与移动互联网类似，除了SDN、NFV，卫星互联网也要组合应用移动边缘计算（MEC）。应用MEC 的原因在于，面对带宽超高、密度超大、时延超低等应用，基于NFV 和SDN 技术的云化核心网解决方案无法保证业务的速度和延迟要求，需要在移动互联网边缘引入计算和存储资源，以提高服务响应速度，降低带宽需求。相对于移动互联网，卫星互联网的带宽更小、时延更大，因此，在卫星互联网的终端应用MEC 就更为必要。卫星互联网与移动互联网相互融合的软化网络架构如图3 所示。

图3 天地一体化软化网络架构（SDN：软件定义网络；NFV：网络功能虚拟化；MEC：移动边缘计算；NMS：网络管理系统）

在天地一体化软化网络架构中，SDN、NFV 和MEC 三者协同作用，实现对网络的统一管理、调度协同。NFV 技术是软化网络的基石，它通过在各个网络节点部署通用的计算、存储、网络硬件资源，利用NFV 管理模块的资源管理和分配功能，虚拟化出各类网络设备，包括SDN 交换机、SDN 路由器、MEC 内容缓存和分发服务器等。基于NFV 的SDN控制器负责控制网关中的交换机、路由器和用户终端，实现业务流的分类转发。NFV 为MEC 提供计算和存储资源，实现内容存储、内容分发、位置服务、时延敏感型服务等。SDN、NFV 和MEC 三者协同工作，可以支持虚拟运营商、业务优化、数据融合和上载、数据缓存和多播等多种应用。目前，卫星网络设备提供商Newtec 公司等已经在开发相关网络架构，为面向移动回传、OTT 广播、宽带和移动市场的5G 卫星解决方案铺平道路。

3. 运营智能性

为了满足用户实时性、个性化的新需求，电信和卫星通信运营商必须从传统大而全的运营模式转变为智能的运营模式。智能运营可以有效提升设施性能、降低运营成本，助力运营商获得丰富的产品体系、自动化的业务流程、更佳的用户体验、更多的合作模式。在引入SDN、NFV 之后，只有构建智能运营支撑系统，才能实现网络运营由被动服务到主动智能运维转变、网络建设由规划牵引到按需动态布放转变、网络体系由封闭到网络能力开放转变。

电信运营商传统运营架构大体按前端市场和后端网络运维进行划分，呈现两层运营体系。随着网络软化，各种网络产品创新将会层出不穷。未来的运营商需要更强的网络产品创新能力，网络产品的研发与运维职能更突出，也更复杂。由此网络产品的研发与运维职能需要独立出来，运营商的运营架构将由两层演变为三层。这三层包括网络运维层、网络产品研发与营销服务层。其中，网络产品研发是新出现的一层，它是将传统结构中市场前端的一部分职能和网络运维后端的一部分职能分离后有机组合而来。而传统的网络运维层将与业务的本身相对脱离，更加聚焦于网络本身的安全稳定运行和维护。

网络软化导致网络本身软件和硬件分离，即分为基础资源层和网络功能层两个横向层级。为了协同基础资源层和网络功能层，保障全程全网的稳定运行和网络服务的实现，管理编排层出现并担负起编排管理和业务实现的责任。这样，网络运维侧传统的烟囱式运维架构不再适应新的分工体系，需要由纵向垂直化的架构转化为横向水平化的架构，管理和流程设计也需要按水平结构考虑。因此，网络运维层按基础设施硬件管理、网络功能软件管理、网络编排管理进行分工，分为基础设施层、网络功能层和管理编排层三层，如图4 所示。

图4 基于SDN/NFV 的电信运营支撑系统架构

其中，基础资源层主要负责网络实体硬件资源的管理和维护，以及虚拟化运营系统（OS）的管理和维护；网络功能层需要针对网络微功能进行规划、管理和维护；而管理编排层的主要职责是对用于管理和协调网络微功能和其他软件组件的管理框架（MANO）进行管理和维护。天地一体化设计之后，卫星通信运营支撑系统的架构将与电信运营支撑系统大同小异。

三、结语

卫星通信运营数字化转型是一个牵一发动全身的系统工程，卫星灵活性、网络可塑性、运营智能性无疑是卫星通信运营数字化转型的必要基础，但是，它们的实现和运行还需要得到组织敏捷性和人才复合性的支撑和保障。

卫星灵活性、网络可塑性、运营智能性对原有卫星通信运营模式提出了极大的挑战，它们要求卫星通信运营从工作内容、组织方式及流程协作上都要做出变革。首先，运营商需要将运营组织从传统的前端市场和后端网络运维两层架构转变为网络运维、网络产品研发与运维、营销服务三层架构。其中，随着网络软化的不断深入，传统的按专业划分的网络运维架构将被打破，网络运维将向自动化、智能化升级，纵向垂直化专业分工将转变为横向水平化分层管理，同时要求增强软件编程能力，壮大IT 研发团队，增加对网络微功能软件管理和编排管理新职能。其次，为了满足多元的应用场景和差异化的客户需求，运营商借助网络管理编排能力，将传统统一运营的网络服务转变为按需切片的服务模式。产品的设计、开发和运营人员需要建立起一体化和团队化的工作机制。第三，市场前端与网络后端的衔接将变得更加频繁和紧密，二者不仅需要对产品现有的质量进行沟通协调，还需要共同参与产品的开发、迭代和优化。

数字化转型是一个长期演进的过程，卫星通信运营商人才转型工作需要提早布局和长远谋划，而数字化转型要求人才素质和人才结构转型同步进行。在卫星通信运营数字化转型过程中，网络设施的部署和管理方式会发生根本改变，这对网络运维人员提出多元化的技能要求，需要相关人员掌握更高层次的通信技术/信息技术（CT/IT）能力，成为兼具IT 和CT 能力的复合型人才。这要求卫星通信运营商从薪酬机制和文化氛围等方面加大人才的外部获取和内部培养力度。短期来看，外部获取是运营商快速获取新型能力的有效途径，但长期来看，内部培养才是最根本的人才转型模式。其中，建立内部自研体系、强化复合型人才培养，联合政府、高校、合作伙伴等共同按需培养，推动内部人员合理流动，优化人才结构，是三种重要的人才培养模式。