馬凱旋

摘 要：衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)由空間段、地面段、用戶終端組成。文章闡述如何應(yīng)用目前在IT業(yè)界流行的微服務(wù)架構(gòu)，在地面段構(gòu)建一套整合無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理，融合各種業(yè)務(wù)支撐功能的、一體化可擴(kuò)展的新一代衛(wèi)星移動(dòng)通信運(yùn)營支撐系統(tǒng)。文章認(rèn)為，得益于微服務(wù)本身可以使用輕量級的虛擬化容器技術(shù)在云服務(wù)平臺(tái)快速構(gòu)建部署，新一代的運(yùn)營支撐系統(tǒng)能夠順應(yīng)地面電信“云網(wǎng)融合”的潮流，充分發(fā)揮IT領(lǐng)域云計(jì)算技術(shù)在彈性擴(kuò)展、動(dòng)態(tài)監(jiān)控、高可用性方面的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星移動(dòng)通信;微服務(wù)架構(gòu);運(yùn)營支撐系統(tǒng);云網(wǎng)融合

0 引言

2020年11月，2021年1月我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心相繼發(fā)射“天通一號”02星和03星，與2016年發(fā)射的“天通一號”01星完成組網(wǎng)，為我國國土全范圍及周邊海域提供衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。隨著天通系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用越來越普及，用戶終端越來越多，通信服務(wù)的可靠性愈發(fā)顯得尤為重要。而保證系統(tǒng)能夠持續(xù)提供可靠、高質(zhì)量的通信服務(wù)的關(guān)鍵之一在于一個(gè)能夠幫助運(yùn)營單位及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中的問題，快速故障定位的運(yùn)營支撐系統(tǒng)，比如由關(guān)鍵設(shè)備故障引起的通信鏈路中斷，或者通信資源調(diào)度不合理造成某些地區(qū)通信質(zhì)量下降等等。地面組網(wǎng)設(shè)備的成倍增多對運(yùn)營支撐系統(tǒng)提出了更高的要求。

電信網(wǎng)絡(luò)中的運(yùn)營支撐系統(tǒng)通常包括兩部分，一部分是業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)（Business Support System，BSS），包含客戶管理、產(chǎn)品管理、資源管理、客戶服務(wù)、渠道管理、計(jì)費(fèi)、賬務(wù)、結(jié)算、合作伙伴管理等多方面的功能;另一部分是狹義的運(yùn)營支撐系統(tǒng)（Operation Support System，OSS），側(cè)重于電信網(wǎng)絡(luò)的管理維護(hù)[1]。由于文章篇幅所限，文章將重點(diǎn)關(guān)注狹義上的運(yùn)營支撐系統(tǒng)，即如何對全網(wǎng)設(shè)備執(zhí)行監(jiān)管，從全網(wǎng)各類通信設(shè)備上收集各種運(yùn)行數(shù)據(jù)，檢查全網(wǎng)通信質(zhì)量，從而幫助運(yùn)營單位快速定位和修復(fù)故障。而實(shí)現(xiàn)上述監(jiān)管的核心在于與設(shè)備的連接和交互。

作為我國首個(gè)自主研制建設(shè)的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，從立項(xiàng)到研制建設(shè)歷時(shí)十余載，參研廠家眾多，地面段設(shè)備的組成也龐大復(fù)雜，過去地面段的運(yùn)維管理系統(tǒng)采用“煙囪式”的單體架構(gòu)，各個(gè)通信子網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)管理功能是孤立的，由不同廠家的不同開發(fā)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立開發(fā)建設(shè)，使用的技術(shù)棧和網(wǎng)絡(luò)管理的設(shè)計(jì)理念、思路互不相同，導(dǎo)致了系統(tǒng)內(nèi)部的一些數(shù)據(jù)無法透明共享，運(yùn)營單位不能全面直觀地了解到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。此外，還存在著為滿足運(yùn)營單位新提出的種種網(wǎng)絡(luò)管理需求，需要在多套系統(tǒng)中重復(fù)開發(fā)的弊端。因此，迫切需要一種機(jī)制將原先分散在各個(gè)分系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)整合起來，形成一個(gè)面向“天通一號”全網(wǎng)的、融合全系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)和業(yè)務(wù)服務(wù)支撐功能的、一體化的新一代運(yùn)營支撐系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)建設(shè)思路和設(shè)計(jì)理念

新一代的運(yùn)營支撐系統(tǒng)作為全網(wǎng)的大腦，很難由一家單位獨(dú)立研發(fā)，需要多方合作來完成。相對來說，運(yùn)營單位和系統(tǒng)技術(shù)總體單位最了解業(yè)務(wù)需求，通信設(shè)備的廠商對于其各自研制的通信設(shè)備和技術(shù)理解最深刻，傳統(tǒng)IT廠商最熟悉軟件開發(fā)工具和系統(tǒng)運(yùn)維流程。因此，為了結(jié)合各方面的優(yōu)勢，應(yīng)該由系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體單位牽頭制定框架和接口，傳統(tǒng)IT廠商和通信設(shè)備廠家提供技術(shù)能力，以組件化集成的方式，共同完成系統(tǒng)開發(fā)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)業(yè)務(wù)的快速創(chuàng)新。

文章正是結(jié)合上述原則，基于軟件微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，以服務(wù)拆分的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部的組件化，重點(diǎn)解決系統(tǒng)組成設(shè)備管理協(xié)議異構(gòu)的問題。以統(tǒng)一的系統(tǒng)框架、開發(fā)平臺(tái)、接口規(guī)范，運(yùn)維管理思路，整合無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)管理能力，構(gòu)建一套綜合的、新型的、具有彈性的運(yùn)營支撐系統(tǒng)。

2 微服務(wù)架構(gòu)

在微服務(wù)架構(gòu)出現(xiàn)之前，大部分Web應(yīng)用軟件使用單體架構(gòu)構(gòu)建。單體架構(gòu)軟件符合人們構(gòu)建軟件的自然思考方式，是指應(yīng)用中所有的UI界面、業(yè)務(wù)處理邏輯和數(shù)據(jù)庫訪問代碼都放在一個(gè)代碼工程中編譯、測試。最后打包成單個(gè)可執(zhí)行應(yīng)用程序部署在服務(wù)器上，處理來自客戶端瀏覽器的HTTP請求，執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯，從數(shù)據(jù)庫中獲取或者更新數(shù)據(jù)，再生成HTML頁面返回給客戶端的瀏覽器。單體架構(gòu)隨著業(yè)務(wù)需求功能不斷迭代加入，其缺點(diǎn)也日益凸顯。

例如，單體架構(gòu)軟件中的功能組件耦合比較緊密，一次小的迭代往往需要重新編譯測試整個(gè)軟件項(xiàng)目，這無疑增加了軟件迭代的周期和難度，不便于應(yīng)用軟件的需求擴(kuò)展;單體架構(gòu)的軟件需要多個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)將他們各自開發(fā)的代碼同步合并到同一個(gè)代碼倉庫中，再作為一個(gè)整體進(jìn)行編譯測試，當(dāng)項(xiàng)目中的代碼量不斷擴(kuò)大，代碼合并的工作會(huì)變得非常艱難，因此其不便于多個(gè)開發(fā)團(tuán)隊(duì)協(xié)作開發(fā)，尤其是不同單位的開發(fā)團(tuán)隊(duì)。微服務(wù)架構(gòu)的出現(xiàn)正是為了應(yīng)對上述在單體架構(gòu)軟件中的出現(xiàn)的種種缺陷和技術(shù)挑戰(zhàn)。

微服務(wù)架構(gòu)[2]的設(shè)計(jì)思路是將一個(gè)大的軟件拆解為多個(gè)小的、職能明確、可獨(dú)立開發(fā)、測試、維護(hù)的“服務(wù)”，因此，基于微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件，其最終形態(tài)是一套服務(wù)程序的集合?！胺?wù)”可以看作是相互獨(dú)立的進(jìn)程，“服務(wù)”之間通過輕量級的通信協(xié)議交互，通常使用 RESTful 風(fēng)格的API形式來通信。RESTful 風(fēng)格的API通常是在HTTP通道上傳輸JSON格式的數(shù)據(jù)，其具有跨語言、跨異構(gòu)系統(tǒng)、前后端通用、接口定義靈活的優(yōu)點(diǎn)。

微服務(wù)架構(gòu)本身也是一種面向云計(jì)算的持續(xù)解決方案[3]，強(qiáng)調(diào)敏捷開發(fā)，業(yè)務(wù)邏輯和技術(shù)的簡潔性， 允許開發(fā)團(tuán)隊(duì)在云環(huán)境中快速擴(kuò)展、部署應(yīng)用，充分發(fā)揮云計(jì)算平臺(tái)彈性擴(kuò)展、熱部署、動(dòng)態(tài)監(jiān)控和高可用的技術(shù)優(yōu)勢，降低應(yīng)用部署到生產(chǎn)環(huán)境中的復(fù)雜性。正因如此，近年來，越來越多包括互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域在內(nèi)的眾多IT企業(yè)，均在向微服務(wù)架構(gòu)遷移演進(jìn)自己的產(chǎn)品。

3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)營支撐系統(tǒng)的核心之一是與設(shè)備的通信，因?yàn)樵O(shè)備是組成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵元素，脫離了設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)也就無從談起。設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)和數(shù)據(jù)反映了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，各類通信數(shù)據(jù)的最終來源也是通信設(shè)備本身。

天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，其地面段組成設(shè)備多種多樣，參研廠家眾多，各廠家管理設(shè)備的方式和所采用的設(shè)備管理通信協(xié)議也多種多樣，例如有基于UDP/TCP傳輸?shù)乃接袌?bào)文協(xié)議，有SNMP協(xié)議等。如果采用傳統(tǒng)單體架構(gòu)開發(fā)，那么軟件需要處理多種異構(gòu)的設(shè)備管理協(xié)議，實(shí)現(xiàn)上會(huì)變得非常復(fù)雜，因此非常有必要借鑒微服務(wù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路，將整個(gè)系統(tǒng)的功能拆分實(shí)現(xiàn)。

如圖1所示，系統(tǒng)采用前后端分離技術(shù)，大體上，由前端UI、API網(wǎng)關(guān)、后端微服務(wù)集群三大部分組成。前端UI作為獨(dú)立應(yīng)用部署，API網(wǎng)關(guān)其實(shí)也可以看作是后端的一個(gè)微服務(wù)，獨(dú)立部署。后端微服務(wù)集群的內(nèi)部，從邏輯上劃分為兩層，上層為服務(wù)聚合層，下層為基礎(chǔ)核心服務(wù)層。

位于基礎(chǔ)核心服務(wù)層的微服務(wù)，承擔(dān)著直接與設(shè)備交互數(shù)據(jù)的責(zé)任，為了解決設(shè)備管理協(xié)議異構(gòu)多樣的問題，人們將設(shè)備按照地面段系統(tǒng)的邏輯組成，劃分為若干通信分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)下的設(shè)備由專門的微服務(wù)負(fù)責(zé)管理，例如位于無線接入網(wǎng)內(nèi)的“天線射頻分系統(tǒng)微服務(wù)”專門負(fù)責(zé)處理與天線塔基內(nèi)的設(shè)備的交互協(xié)議，其中包括了天線伺服設(shè)備、功放和低噪放設(shè)備等，同樣位于無線接入網(wǎng)內(nèi)的“變頻分系統(tǒng)微服務(wù)”專門負(fù)責(zé)處理整個(gè)地面段的變頻設(shè)備，以此類推。

位于服務(wù)聚合層的微服務(wù)，為了聚合基礎(chǔ)核心服務(wù)層中的各個(gè)通信分系統(tǒng)服務(wù)提供的數(shù)據(jù)，并作必要的適配，以在用戶前端統(tǒng)一呈現(xiàn)。比如，服務(wù)聚合層中的“故障告警管理服務(wù)”用來聚合全系統(tǒng)內(nèi)不同分系統(tǒng)上報(bào)的設(shè)備故障告警，并在前端頁面上，統(tǒng)一提示用戶;類似的，“拓?fù)涔芾矸?wù)”用來聚合全系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，并在統(tǒng)一的拓?fù)湟晥D上呈現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。未來在服務(wù)聚合層中，可以放置更多業(yè)務(wù)支撐功能，如計(jì)費(fèi)，賬單、客戶服務(wù)等。

位于后端微服務(wù)集群中的所有微服務(wù)之間通過系統(tǒng)內(nèi)部定義的服務(wù)總線交互數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)交互采用同步和異步兩種方式，同步方式即采用RESTful API調(diào)用方式，異步方式采用基于異步消息中間件的異步推送方式。同步方式主要用于前端向后端，或者后端微服務(wù)之間獲取數(shù)據(jù)，異步方式主要用于設(shè)備告警、設(shè)備狀態(tài)變更之類的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)推送。

服務(wù)總線的定義是系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。其核心思想，是把整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行參數(shù)、各種通信模式下的通信業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等，都視作為系統(tǒng)中的可獲取資源，每個(gè)資源都可以由唯一的URL路徑通過RESTful接口定位獲取。此外，在服務(wù)總線中還約定了所有后端服務(wù)訪問RESTful API接口的訪問路徑規(guī)范、傳輸數(shù)據(jù)的格式規(guī)范等。

4 未來演進(jìn)

4.1 業(yè)務(wù)支撐功能的不斷加入

由于我國衛(wèi)星移動(dòng)通信事業(yè)正處于起步階段，通信工作發(fā)展重心還集中在無線接入設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備、移動(dòng)終端設(shè)備的研發(fā)制造上，因此，系統(tǒng)運(yùn)營維護(hù)的重點(diǎn)在于對通信設(shè)備的監(jiān)控管理。未來，隨著用戶數(shù)量的不斷增長和各類業(yè)務(wù)應(yīng)用的不斷推廣，會(huì)有越來越多的業(yè)務(wù)支撐功能加入系統(tǒng)。得益于微服務(wù)架構(gòu)本身的優(yōu)勢，新的業(yè)務(wù)支撐功能可以通過開發(fā)新的微服務(wù)的方式集成到系統(tǒng)中，系統(tǒng)也會(huì)越來越向地面電信運(yùn)營商的運(yùn)營支撐系統(tǒng)演進(jìn)，更加重視客戶服務(wù)，提高服務(wù)保障能力。

4.2 基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境向云平臺(tái)融合

近年來，隨著云計(jì)算的快速發(fā)展，5G建設(shè)的全面啟動(dòng)，“云網(wǎng)融合”成了地面電信運(yùn)營商關(guān)注的焦點(diǎn)。2021年，國家把新基建作為戰(zhàn)略發(fā)展方向，“云網(wǎng)融合”也隨之提升到了更高的高度，更加引人矚目。“云網(wǎng)融合”是指IT領(lǐng)域云計(jì)算技術(shù)與通信領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合。從技術(shù)的角度看，就是云計(jì)算中引入網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，而在網(wǎng)絡(luò)中又引入云計(jì)算的技術(shù)。例如，地面5G核心網(wǎng)已經(jīng)做到完全不使用專用硬件，完全采用x86通用服務(wù)器硬件。5G核心網(wǎng)所有的服務(wù)，都可以構(gòu)建在云計(jì)算技術(shù)原生的虛擬化技術(shù)和容器化技術(shù)上。網(wǎng)絡(luò)的云化改造實(shí)現(xiàn)了從預(yù)定義的剛性網(wǎng)絡(luò)向軟件可定義的彈性敏捷網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的集中管控、靈活按需分配，具備了面向客戶快速提供靈活按需網(wǎng)絡(luò)和差異化運(yùn)營的能力[3]。

衛(wèi)星移動(dòng)通信也應(yīng)該順應(yīng)地面電信“云網(wǎng)融合”的潮流，充分利用云服務(wù)商提供的云計(jì)算技術(shù)的優(yōu)勢，將所有服務(wù)構(gòu)建在云上，打通各個(gè)平臺(tái)，消除煙囪效應(yīng)，降低系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維成本，提高服務(wù)綜合保障能力。

5 結(jié)語

文章以天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)為立足點(diǎn)，給出一個(gè)未來可持續(xù)演進(jìn)的衛(wèi)星移動(dòng)通信運(yùn)營支撐系統(tǒng)的架構(gòu)。該架構(gòu)基于微服務(wù)架構(gòu)的理念設(shè)計(jì)，因此能夠充分發(fā)揮微服務(wù)架構(gòu)本身可持續(xù)擴(kuò)展、開發(fā)部署方便、容錯(cuò)能力強(qiáng)大等諸多優(yōu)勢。運(yùn)營支撐系統(tǒng)本身是個(gè)非常寬泛復(fù)雜的主題，由于篇幅所限，文章側(cè)重于闡述網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維管理方面，其他方面沒有做過多展開。未來在此架構(gòu)的基礎(chǔ)上，還會(huì)擴(kuò)充更多衛(wèi)星移動(dòng)通信相關(guān)的業(yè)務(wù)支撐功能，讓天通一號衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的應(yīng)用前景更加廣闊。

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（編輯 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