基于微服务架构的新一代卫星移动通信运营支撑系统

马凯旋

摘 要：卫星移动通信系统由空间段、地面段、用户终端组成。文章阐述如何应用目前在IT业界流行的微服务架构，在地面段构建一套整合无线接入网、核心网等网络运维管理，融合各种业务支撑功能的、一体化可扩展的新一代卫星移动通信运营支撑系统。文章认为，得益于微服务本身可以使用轻量级的虚拟化容器技术在云服务平台快速构建部署，新一代的运营支撑系统能够顺应地面电信“云网融合”的潮流，充分发挥IT领域云计算技术在弹性扩展、动态监控、高可用性方面的优势。

关键词：卫星移动通信;微服务架构;運营支撑系统;云网融合

0 引言

2020年11月，2021年1月我国在西昌卫星发射中心相继发射“天通一号”02星和03星，与2016年发射的“天通一号”01星完成组网，为我国国土全范围及周边海域提供卫星移动通信业务。随着天通系统业务应用越来越普及，用户终端越来越多，通信服务的可靠性愈发显得尤为重要。而保证系统能够持续提供可靠、高质量的通信服务的关键之一在于一个能够帮助运营单位及时发现系统中的问题，快速故障定位的运营支撑系统，比如由关键设备故障引起的通信链路中断，或者通信资源调度不合理造成某些地区通信质量下降等等。地面组网设备的成倍增多对运营支撑系统提出了更高的要求。

电信网络中的运营支撑系统通常包括两部分，一部分是业务支撑系统（Business Support System，BSS），包含客户管理、产品管理、资源管理、客户服务、渠道管理、计费、账务、结算、合作伙伴管理等多方面的功能;另一部分是狭义的运营支撑系统（Operation Support System，OSS），侧重于电信网络的管理维护[1]。由于文章篇幅所限，文章将重点关注狭义上的运营支撑系统，即如何对全网设备执行监管，从全网各类通信设备上收集各种运行数据，检查全网通信质量，从而帮助运营单位快速定位和修复故障。而实现上述监管的核心在于与设备的连接和交互。

作为我国首个自主研制建设的卫星移动通信系统，从立项到研制建设历时十余载，参研厂家众多，地面段设备的组成也庞大复杂，过去地面段的运维管理系统采用“烟囱式”的单体架构，各个通信子网的网络管理功能是孤立的，由不同厂家的不同开发团队独立开发建设，使用的技术栈和网络管理的设计理念、思路互不相同，导致了系统内部的一些数据无法透明共享，运营单位不能全面直观地了解到整个系统的运行状况。此外，还存在着为满足运营单位新提出的种种网络管理需求，需要在多套系统中重复开发的弊端。因此，迫切需要一种机制将原先分散在各个分系统中的网络管理系统整合起来，形成一个面向“天通一号”全网的、融合全系统运行维护和业务服务支撑功能的、一体化的新一代运营支撑系统。

1 系统建设思路和设计理念

新一代的运营支撑系统作为全网的大脑，很难由一家单位独立研发，需要多方合作来完成。相对来说，运营单位和系统技术总体单位最了解业务需求，通信设备的厂商对于其各自研制的通信设备和技术理解最深刻，传统IT厂商最熟悉软件开发工具和系统运维流程。因此，为了结合各方面的优势，应该由系统设计总体单位牵头制定框架和接口，传统IT厂商和通信设备厂家提供技术能力，以组件化集成的方式，共同完成系统开发，并且能够实现业务的快速创新。

文章正是结合上述原则，基于软件微服务架构的设计理念，以服务拆分的方式实现系统内部的组件化，重点解决系统组成设备管理协议异构的问题。以统一的系统框架、开发平台、接口规范，运维管理思路，整合无线接入网、核心网等网络管理能力，构建一套综合的、新型的、具有弹性的运营支撑系统。

2 微服务架构

在微服务架构出现之前，大部分Web应用软件使用单体架构构建。单体架构软件符合人们构建软件的自然思考方式，是指应用中所有的UI界面、业务处理逻辑和数据库访问代码都放在一个代码工程中编译、测试。最后打包成单个可执行应用程序部署在服务器上，处理来自客户端浏览器的HTTP请求，执行相应的业务逻辑，从数据库中获取或者更新数据，再生成HTML页面返回给客户端的浏览器。单体架构随着业务需求功能不断迭代加入，其缺点也日益凸显。

例如，单体架构软件中的功能组件耦合比较紧密，一次小的迭代往往需要重新编译测试整个软件项目，这无疑增加了软件迭代的周期和难度，不便于应用软件的需求扩展;单体架构的软件需要多个开发团队将他们各自开发的代码同步合并到同一个代码仓库中，再作为一个整体进行编译测试，当项目中的代码量不断扩大，代码合并的工作会变得非常艰难，因此其不便于多个开发团队协作开发，尤其是不同单位的开发团队。微服务架构的出现正是为了应对上述在单体架构软件中的出现的种种缺陷和技术挑战。

微服务架构[2]的设计思路是将一个大的软件拆解为多个小的、职能明确、可独立开发、测试、维护的“服务”，因此，基于微服务架构设计的软件，其最终形态是一套服务程序的集合。“服务”可以看作是相互独立的进程，“服务”之间通过轻量级的通信协议交互，通常使用 RESTful 风格的API形式来通信。RESTful 风格的API通常是在HTTP通道上传输JSON格式的数据，其具有跨语言、跨异构系统、前后端通用、接口定义灵活的优点。

微服务架构本身也是一种面向云计算的持续解决方案[3]，强调敏捷开发，业务逻辑和技术的简洁性， 允许开发团队在云环境中快速扩展、部署应用，充分发挥云计算平台弹性扩展、热部署、动态监控和高可用的技术优势，降低应用部署到生产环境中的复杂性。正因如此，近年来，越来越多包括互联网领域在内的众多IT企业，均在向微服务架构迁移演进自己的产品。

3 系统架构设计

运营支撑系统的核心之一是与设备的通信，因为设备是组成整个网络的关键元素，脱离了设备，网络也就无从谈起。设备运行的状态和数据反映了整个网络的运行情况，各类通信数据的最终来源也是通信设备本身。

天通一號卫星移动通信系统，其地面段组成设备多种多样，参研厂家众多，各厂家管理设备的方式和所采用的设备管理通信协议也多种多样，例如有基于UDP/TCP传输的私有报文协议，有SNMP协议等。如果采用传统单体架构开发，那么软件需要处理多种异构的设备管理协议，实现上会变得非常复杂，因此非常有必要借鉴微服务架构的设计思路，将整个系统的功能拆分实现。

如图1所示，系统采用前后端分离技术，大体上，由前端UI、API网关、后端微服务集群三大部分组成。前端UI作为独立应用部署，API网关其实也可以看作是后端的一个微服务，独立部署。后端微服务集群的内部，从逻辑上划分为两层，上层为服务聚合层，下层为基础核心服务层。

位于基础核心服务层的微服务，承担着直接与设备交互数据的责任，为了解决设备管理协议异构多样的问题，人们将设备按照地面段系统的逻辑组成，划分为若干通信分系统，每个分系统下的设备由专门的微服务负责管理，例如位于无线接入网内的“天线射频分系统微服务”专门负责处理与天线塔基内的设备的交互协议，其中包括了天线伺服设备、功放和低噪放设备等，同样位于无线接入网内的“变频分系统微服务”专门负责处理整个地面段的变频设备，以此类推。

位于服务聚合层的微服务，为了聚合基础核心服务层中的各个通信分系统服务提供的数据，并作必要的适配，以在用户前端统一呈现。比如，服务聚合层中的“故障告警管理服务”用来聚合全系统内不同分系统上报的设备故障告警，并在前端页面上，统一提示用户;类似的，“拓扑管理服务”用来聚合全系统内设备状态数据，并在统一的拓扑视图上呈现整个系统的运行状态。未来在服务聚合层中，可以放置更多业务支撑功能，如计费，账单、客户服务等。

位于后端微服务集群中的所有微服务之间通过系统内部定义的服务总线交互数据;数据交互采用同步和异步两种方式，同步方式即采用RESTful API调用方式，异步方式采用基于异步消息中间件的异步推送方式。同步方式主要用于前端向后端，或者后端微服务之间获取数据，异步方式主要用于设备告警、设备状态变更之类的实时数据推送。

服务总线的定义是系统的重点和难点。其核心思想，是把整个系统内的所有设备的运行状态数据、运行参数、各种通信模式下的通信业务数据等，都视作为系统中的可获取资源，每个资源都可以由唯一的URL路径通过RESTful接口定位获取。此外，在服务总线中还约定了所有后端服务访问RESTful API接口的访问路径规范、传输数据的格式规范等。

4 未来演进

4.1 业务支撑功能的不断加入

由于我国卫星移动通信事业正处于起步阶段，通信工作发展重心还集中在无线接入设备、网络交换设备、移动终端设备的研发制造上，因此，系统运营维护的重点在于对通信设备的监控管理。未来，随着用户数量的不断增长和各类业务应用的不断推广，会有越来越多的业务支撑功能加入系统。得益于微服务架构本身的优势，新的业务支撑功能可以通过开发新的微服务的方式集成到系统中，系统也会越来越向地面电信运营商的运营支撑系统演进，更加重视客户服务，提高服务保障能力。

4.2 基础运行环境向云平台融合

近年来，随着云计算的快速发展，5G建设的全面启动，“云网融合”成了地面电信运营商关注的焦点。2021年，国家把新基建作为战略发展方向，“云网融合”也随之提升到了更高的高度，更加引人瞩目。“云网融合”是指IT领域云计算技术与通信领域网络技术的融合。从技术的角度看，就是云计算中引入网络的技术，而在网络中又引入云计算的技术。例如，地面5G核心网已经做到完全不使用专用硬件，完全采用x86通用服务器硬件。5G核心网所有的服务，都可以构建在云计算技术原生的虚拟化技术和容器化技术上。网络的云化改造实现了从预定义的刚性网络向软件可定义的弹性敏捷网络转型，实现网络资源的集中管控、灵活按需分配，具备了面向客户快速提供灵活按需网络和差异化运营的能力[3]。

卫星移动通信也应该顺应地面电信“云网融合”的潮流，充分利用云服务商提供的云计算技术的优势，将所有服务构建在云上，打通各个平台，消除烟囱效应，降低系统建设和运维成本，提高服务综合保障能力。

5 结语

文章以天通一号卫星移动通信系统为立足点，给出一个未来可持续演进的卫星移动通信运营支撑系统的架构。该架构基于微服务架构的理念设计，因此能够充分发挥微服务架构本身可持续扩展、开发部署方便、容错能力强大等诸多优势。运营支撑系统本身是个非常宽泛复杂的主题，由于篇幅所限，文章侧重于阐述网络运维管理方面，其他方面没有做过多展开。未来在此架构的基础上，还会扩充更多卫星移动通信相关的业务支撑功能，让天通一号卫星移动通信系统的应用前景更加广阔。

[参考文献]

[1]杜宇健，张新伟.基于SOA的下一代电信业务运营支撑系统[J].中国科技论坛，2010（11）：49-54.

[2]王纪军.云环境中Web应用的微服务架构评估[J].计算机系统应用，2017（26）：9-15.

[3]孟晓斌.面向云网融合的运营商网络架构演进[J].信息通信技术，2019（4）：32-37.

（编辑 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