一种卫星移动通信的信关站控制器系统及其服务部署方法与流程

1.本发明涉及卫星移动通信系统技术领域，特别是一种卫星移动通信的信关站控制器系统及其服务部署方法。


背景技术：

2.卫星移动通信系统作为地面蜂窝移动通信的延伸和补充，多用于偏远地区的通信和应急通信，较好地解决了地面蜂窝移动通信系统在偏远地区以及海域中覆盖能力有限的问题。一般来说，典型卫星移动通信系统由geo卫星、地球移动站mes、信关站gs和运控系统等元素组成，可以为用户提供网内电话、短消息、上网、传真等业务，通过与pstn、plmn、internet互联，实现全球范围内业务互联。图1所示给出了gmr-1系统的元素组成图。
3.信关站是卫星移动通信系统的业务处理核心，由于大部分通信卫星采用了透明转发器载荷，卫星功能相对简单，复杂的控制处理、信道计算、资源管理等无线空口协议均由地面信关站实现，典型的信关站主要由信关站控制器(gsc)和信关站收发设备(gts)构成，如图2所示。
4.信关站控制器类似于地面3g系统中的rnc，实现对多个信关站收发系统(gts)控制和管理，处理空中接口高层协议包括rlc/mac、rrc、pdcp等。信关站收发系统类似于地面3g系统中的nodeb，实现基带和中频信号收发，处理空中接口物理层协议。此外，信关站控制器还需要通过运控系统获得网络规划的无线资源信息，通过与核心网互联实现用户接入鉴权及业务交换。
5.kubernetes是一套基于容器技术构建的云平台，该平台实现了应用的部署、调度、服务的发现以及监控等一系列的基本功能，并提供了一整套完整易用的restfullapi对外服务接口。kubernetes云平台的核心理念是为运行在其上的容器应用提供一套高可用的集群自我愈合机制，从而使租户的容器应用一直处于用户所期待的状态中，为此，kubernetes实施了一整套的机制，包括容器的自动调度、容器的自动重启、服务的自动伸缩等诸多功能。
6.传统的信关站控制器基于定制化软硬件平台开发，软件与平台耦合性较强，需要定制开发配套的管理和资源调度系统，开发难度较大，无法支持后续网络功能虚拟化技术演进。由于采用定制化硬件平台，通过部署独立硬件实现核心功能的备份，无法实现备份和负载分担同时应用，资源利用率不高。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种卫星移动通信的信关站控制器系统及其服务部署方法，从而简化系统设计难度，并且在提升系统可靠性的同时提高资源利用率。
8.实现本发明目的的技术解决方案为：一种卫星移动通信的信关站控制器系统，该系统包括云平台层和云原生服务层，其中：
9.云平台层包括云基础架构子层和平台服务子层，云平台层为云原生服务层提供容
器、容器管理、服务网格、服务跟踪这些功能，并根据服务处理负载情况将云原生功能动态调度到不同的容器中，实现处理资源动态管理；
10.云原生服务层包括云原生数据子层和云原生功能子层，其中云原生数据子层由多个数据容器组成，为信关站控制器提供数据支撑；云原生功能子层由多个云原生功能实体组成，提供信令处理、数据处理、资源管理、操作维护这四类功能服务。
11.一种所述卫星移动通信的信关站控制器系统的服务部署方法，具体如下：
12.kubernetes按照负载分担的方式部署n 1信令处理功能pod，实现1∶n备份，n表示n个主用，1表示1个备用；主信令处理功能实时的将mes数据写入到etcd上，备份信令处理功能不需要对数据进行任何处理，一旦主功能发生硬件故障，备份功能将读取同步数据，立即接管主功能的用户数据进行处理；
13.当主spf发生故障时，利用服务网格lstio的自动感知能力，备spf将自动读取mes数据、与其他网络系统的连接数据，模拟并生成主spf的网络状态信息，其他网络系统不会感知到spf切换；
14.无线资源管理功能是管理全网无线资源的核心部件，kubernetes按照1∶1备份的方式部署无线资源管理功能pod；无线资源管理功能实时的将用户资源数数据写入到etcd上，备份无线资源管理功能不需要对数据进行任何处理，一旦主功能发生硬件故障，备份功能将读取同步数据，立即接管主功能的用户数据进行处理；
15.当主rrmf发生故障时，利用服务网格lstio的自动感知能力，备rrmf将自动读取mes数据、与其他网络系统的连接数据，模拟并生成主rrmf的网络状态信息，其他网络系统不会感知到rrmf切换。
16.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)系统采用网络功能虚拟化技术，将信令处理、数据处理、资源管理、操作维护等协议功能及核心数据云化设计，充分利用云平台提供服务部署、性能跟踪、故障监控等功能，极大简化了系统设计难度；(2)为了保证核心功能的可靠运行，设计负载分担、单独备份等多种部署策略，通过云平台提供的自动化管理运行机制，在提升系统可靠性的同时也提高了资源利用率。
附图说明
17.图1是典型卫星通信系统网络结构示意图。
18.图2是典型的信关站组成示意图。
19.图3是云化信关站控制器分层架构示意图。
20.图4是信关站控制器功能服务化部署示意图。
21.图5是信关站控制器功能服务化架构图。
22.图6是信令处理功能可靠部署示意图。
23.图7是无线资源管理功能可靠部署示意图。
具体实施方式
24.本发明一种卫星移动通信的信关站控制器系统，该系统包括云平台层和云原生服务层，其中：
25.云平台层包括云基础架构子层和平台服务子层，云平台层为云原生服务层提供容
器、容器管理、服务网格、服务跟踪这些功能，并根据服务处理负载情况将云原生功能动态调度到不同的容器中，实现处理资源动态管理；
26.云原生服务层包括云原生数据子层和云原生功能子层，其中云原生数据子层由多个数据容器组成，为信关站控制器提供数据支撑；云原生功能子层由多个云原生功能实体组成，提供信令处理、数据处理、资源管理、操作维护这四类功能服务。
27.作为一种具体示例，云平台层中的云基础架构子层是基于容器技术构建的云平台kubernetes，提供基于容器的运行时环境，实现基于容器的应用部署、调度、服务的发现以及监控这些功能，并提供一套restfullapi对外服务接口；平台服务子层提供云原生开源工具来开发云原生功能cnf，包括enovy、etcd、jaeger、lstio、multus这些服务，用于支撑信关站控制器服务部署、跟踪、故障监控这些功能。
28.作为一种具体示例，云原生服务层中的云原生数据子层由多个数据容器组成，为信关站控制器提供数据支撑；在信关站控制器中，划分为相互独立的终端数据容器、无线资源数据容器，终端数据容器保存终端链路id、链路状态、业务qos、位置、服务能力这些参数，无线资源数据容器保存当前系统可用的无线资源情况、终端正在使用的无线资源情况这些参数。
29.作为一种具体示例，云原生服务层中的云原生功能子层由多个云原生功能cnf实体组成，将信关站控制器拆分为信令处理、数据处理、资源管理、操作维护四类功能服务，这些服务在单独的容器中独立执行、独立部署，具体功能分别如下：
30.信令处理功能spf：用于实现rrc层协议处理，为终端提供公共信息广播、寻呼、rrc连接管理、无线承载管理、rrc连接移动性功能、加解密与信令完整性保护的控制、位置服务的支持这些服务；
31.数据处理功能dpf：用于实现rlc/mac层、pdcp层协议处理，其中，媒体访问控制层为终端提供逻辑信道和物理信道之间的映射、无线承载rab到逻辑信道映射、共享信道资源的动态调度控制、测量报告和报告控制、广播/监听公共控制信道、时间提前量控制、mac帧加解密这些功能；无线链路控制层为终端提供适应不同链路需求的透明、确认、非确认三种传输模式，其中：透明数据传输，传输高层pdu而不改变它们，也不添加任何的rlc协议信息；确认的数据传输：传输高层pdu并确保传送到对等实体；非确认的数据传输：传输高层pdu而不确保传送到对等实体；分组数据汇聚协议层为终端提供ip数据流的报头压缩解压缩、pdcp sdu缓冲、切换时qos保障、到rlc实体的无线承载的复用这些功能；
32.资源管理功能rrmf：根据系统无线资源的设置，实现卫星移动通信系统各个波束中无线资源以及功率控制的管理，包括为用户分配、回收、重配无线资源；
33.操作维护功能omf：对信关站控制器各服务的配置管理、告警管理、性能管理、日志管理这些机制；其中，配置管理包含系统初始化阶段的初始配置和系统运行阶段的各服务的参数配置；告警管理包含对服务产生的告警和事件的转发和状态维护以及确保可靠传输；性能管理是根据用户定制的任务，按时采集数据进行必要的处理，并将超出门限的情况上报网管；日志管理是对gsc运行日志进行记录，用于辅助定位故障、巡检和监控设备运行情况。
34.作为一种具体示例，每类功能服务作为一个独立的pod进行部署，每类功能服务都采用enovy作为服务代理，并通过服务网格lstio将资源管理功能rrmf、信令处理功能spf、
数据处理功能dpf、操作维护功能omf按照设定的规则连接在一起；服务网格利用jaeger实现对分布式应用服务跟踪，监控多服务性能数据并协助排除故障；利用pilot提供服务发现、流量管理和智能路由这些功能，利用mixer为整个服务集群提供访问控制和策略管理，利用citadel提供服务之间的认证和证书管理。
35.作为一种具体示例，信令处理功能spf提供的服务化接口如下：
36.spf服务接口名称：mac配置接口；方式：请求/响应；使用方：dpf；服务化接口说明：用于向dpf请求建立、释放、配置逻辑信道，以及g-rnti分配，无线承载和逻辑信道间的映射；
37.spf服务接口名称：rlc配置接口；方式：请求/响应；使用方：dpf；服务化接口说明：用于向dpf请求建立、重建、释放、停止、继续或修改rlc；加密单元被包括在um和am操作中；
38.spf服务接口名称：rlc数据接口；方式：请求/响应；使用方：dpf；服务化接口说明：用于请求dpf传输到用户的高层信令；
39.spf服务接口名称：pdcp配置接口；方式：请求/响应；使用方：dpf；服务化接口说明：用于向dpf请求建立、重建、释放用户到接入网到核心网的隧道及pdcp实体；
40.spf服务接口名称：rtp配置接口；方式：请求/响应；使用方：dpf；服务化接口说明：用于向dpf请求建立、重建、释放用户到接入网到核心网rtp实体；
41.spf服务接口名称：mes信息接口；方式：订阅/通知；使用方：rrmf；服务化接口说明：rrmf订阅活动终端信息后，nf向rrmf周期性发送终端状态信息，包括rrc状态机、资源情况、位置信息；
42.spf服务接口名称：告警与性能统计接口；方式：订阅/通知；使用方：omf；服务化接口说明：omf需要订阅告警和性能统计类型后，nf向omf周期性发送告警和性能统计信息。
43.作为一种具体示例，数据处理功能dpf的服务化接口如下：
44.dpf服务接口名称：数据指示接口；方式：订阅/通知；使用方：spf；服务化接口说明：spf订阅用户控制信令通知服务后，nf向spf指定端口发送控制信令；
45.dpf服务接口名称：告警与性能统计接口；方式：订阅/通知；使用方：omf；服务化接口说明：omf需要订阅告警和性能统计类型后，nf向omf周期性发送告警和性能统计信息。
46.作为一种具体示例，资源管理功能rrmf的服务化接口如下：
47.rrmf服务接口名称：资源管理接口；方式：请求/响应；使用方：spf；服务化接口说明：spf向rrmf请求无线链路资源；
48.rrmf服务接口名称：告警与性能统计接口；方式：请求/响应；使用方：omf；服务化接口说明：omf需要订阅告警和性能统计类型后，nf向omf周期性发送告警和性能统计信息。
49.作为一种具体示例，操作维护功能omf的服务化接口如下：
50.omf服务接口名称：spf配置接口；方式：请求/响应；使用方：spf；服务化接口说明：用于向spf发送全网网络参数配置；
51.omf服务接口名称：rrmf配置接口；方式：请求/响应；使用方：rrmf；服务化接口说明：用于向rrm发送全网无线资源初始配置信息；
52.omf服务接口名称：dpf配置接口；方式：请求/响应；使用方：dpf；服务化接口说明：用于向dpf发送全网网络参数配置。
53.本发明一种如所述卫星移动通信的信关站控制器系统的服务部署方法，具体如
下：
54.kubernetes按照负载分担的方式部署n 1信令处理功能pod，实现1∶n备份，n表示n个主用，1表示1个备用；主信令处理功能实时的将mes数据写入到etcd上，备份信令处理功能不需要对数据进行任何处理，一旦主功能发生硬件故障，备份功能将读取同步数据，立即接管主功能的用户数据进行处理；
55.当主spf发生故障时，利用服务网格lstio的自动感知能力，备spf将自动读取mes数据、与其他网络系统的连接数据，模拟并生成主spf的网络状态信息，其他网络系统不会感知到spf切换；
56.无线资源管理功能是管理全网无线资源的核心部件，kubernetes按照1∶1备份的方式部署无线资源管理功能pod；无线资源管理功能实时的将用户资源数数据写入到etcd上，备份无线资源管理功能不需要对数据进行任何处理，一旦主功能发生硬件故障，备份功能将读取同步数据，立即接管主功能的用户数据进行处理；
57.当主rrmf发生故障时，利用服务网格lstio的自动感知能力，备rrmf将自动读取mes数据、与其他网络系统的连接数据，模拟并生成主rrmf的网络状态信息，其他网络系统不会感知到rrmf切换。
58.下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
59.实施例
60.本实施例提供一种云化信关站控制器系统，基于kubernetes云平台及配套的云服务设计信关站控制器服务，并将信关站控制器拆分成为信令处理、数据处理、资源管理、操作维护等四类功能服务及核心数据容器，给出各功能之间的服务化接口，支持信关站控制器在云平台上部署。
61.本实施例还提供一个服务高可靠部署方法，按照负载分担的方式部署n 1(n个主用，1个备用)信令处理功能，按照1：1备份的方式部署无线资源管理功能，主备之间通过etcd实现mes核心数据分布式共享实现主备服务无缝切换，通过服务网格lstio的故障自动感知能力实现主备功能服务无感切换，极大提高系统的可靠性。
62.进一步地，本实施例卫星移动通信的信关站控制器系统及其服务部署方法，具体包括以下三个方面内容：
63.(1)云化信关站控制器系统
64.本发明公开了一种云化信关站控制器系统，云化信关站控制器采用分层设计，包括云平台层和云原生服务层，如图3所示。云平台层为云原生功能层提供了容器、容器管理、服务网格、服务跟踪等基础功能，并根据服务处理负载情况将云原生功能动态调度到不同的容器中，实现处理资源动态管理。云原生功能层提供了信关站控制器核心功能。
65.云平台层由云基础架构子层和平台服务子层组成。云基础架构子层是基于容器技术构建的云平台kubernetes，提供了一个基于容器的运行时环境，实现了基于容器的应用的部署、调度、服务的发现以及监控等一系列的基本功能,并提供了一整套完整易用的restfullapi对外服务接口。平台服务子层提供了各种云原生开源工具来快速开发云原生功能cnf(cloud native functions，cnf)，包括enovy、etcd、jaeger、lstio、multus等服务，这种服务用于支撑信关站控制器服务部署、跟踪、故障监控等功能。
66.云原生服务层由云原生数据子层和云原生功能子层组成。
67.云原生数据层由若干个数据容器组成，为信关站控制器提供数据支撑。在信关站控制器中，可划分为终端数据、无线资源数据两个独立的容器，前者保存了终端链路id、链路状态、业务qos、位置、服务能力等参数，后者保存当前系统可用的无线资源情况、终端正在使用的无线资源情况等参数；这些参数保存到etcd分布式数据库中，供服务共享使用以提高系统可靠性。
68.云原生功能层由若干个云原生功能(cloud native functions，cnf)实体组成。为了最大化发挥kubernetes云平台的优势，采用微服务无状态和松散耦合设计理念，将信关站控制器拆分成为信令处理、数据处理、资源管理、操作维护等四类功能服务，这些服务可以在单独的容器中独立执行，独立部署。具体功能如下：
69.信令处理功能(spf)实现rrc层协议处理，主要为终端提供公共信息广播、寻呼、rrc连接管理、无线承载管理、rrc连接移动性功能、加解密与信令完整性保护的控制、位置服务的支持等服务。
70.数据处理功能(dpf)实现rlc/mac层、pdcp层协议处理，其中，媒体访问控制层主要为终端提供逻辑信道和物理信道之间的映射、无线承载(rab)到逻辑信道映射、共享信道资源的动态调度控制、测量报告和报告控制、广播/监听公共控制信道、时间提前量控制、mac帧加解密等功能；无线链路控制层主要为终端提供适应不同链路需求的透明、确认、非确认等三种传输模式，其中，透明数据传输：传输高层pdu而不改变他们，也不添加任何的rlc协议信息；确认的数据传输：传输高层pdu并确保传送到对等实体；非确认的数据传输：传输高层pdu而不确保传送到对等实体；分组数据汇聚协议层主要为终端提供ip数据流的报头压缩解压缩、pdcp sdu缓冲、切换时qos保障、到rlc实体的无线承载的复用等功能。
71.资源管理功能(rrmf)主要根据系统无线资源的设置(如波束可用载波，功率等参数设置)，实现卫星移动通信系统各个波束中无线资源以及功率控制的管理，包括为用户分配、回收、重配无线资源。
72.操作维护功能(omf)对信关站控制器各服务的配置管理、告警管理、性能管理、日志管理等机制。其中，配置管理包含系统初始化阶段的初始配置和系统运行阶段的各服务的参数配置，如初始无线资源；告警管理包含了对服务产生的告警和事件的转发和状态维护以及确保可靠传输；性能管理是根据用户定制的任务，按时采集数据进行必要的处理，并将超出门限的情况上报网管；日志管理是对gsc运行日志进行记录，用于辅助定位故障、巡检和监控设备运行情况。
73.每类服务作为一个独立的pod进行部署，每类服务都采用enovy作为服务代理，并通过服务网格lstio将rrmf、spf、dpf、omf等服务按照一定的规则连接在一起，如图4所示。服务网格利用jaeger实现对分布式应用服务跟踪，监控多服务性能数据并协助排除故障；利用pilot提供服务发现、流量管理和智能路由等功能，利用mixer为整个服务集群提供访问控制和策略管理，利用citadel提供服务之间的认证和证书管理，保证服务之间访问的安全。
74.按照微服务无状态和松散耦合设计理念，信关站控制器服务化架构如图5所示，同时设计各功能服务化接口，具体如下：
75.1)信令处理功能提供的服务化接口如表1所示：
76.表1
[0077][0078]
2)数据处理功能提供的服务化接口如表2所示：
[0079]
表2
[0080][0081]
3)无线资源管理功能提供的服务化接口如表3所示：
[0082]
表3
[0083][0084]
4)操作管理功能提供的服务化接口如表4所示：
[0085]
表4
[0086][0087]
(2)服务高可靠部署策略
[0088]
由于硬件、突然断电等原因导致关键节点出现故障，进而导致大范围或者全网瘫痪是无法接受的，为此，需要针对关键节点设置高可靠部署策略。
[0089]
由于信令处理功能负责多个点波束上用户数据的管理，该功能出现故障可能导致
为卫星覆盖下的大面积断网，严重影响用户服务质量。为了提高信令处理功能的可靠性，kubernetes按照负载分担的方式部署n 1(n个主用，1个备用)信令处理功能pod，实现1:n备份。主信令处理功能实时的将mes数据写入到etcd上，备份信令处理功能不需要对数据进行任何处理，一旦主功能发生硬件故障，备份功能将读取同步数据，立即接管主功能的用户数据进行处理，如图6所示。
[0090]
当主spf发生故障时，利用服务网格lstio的自动感知能力，备spf将自动读取mes数据、与其他网络系统的连接数据，模拟并生成主spf的网络状态信息，其他网络系统不会感知到spf切换。
[0091]
无线资源管理功能是管理全网无线资源的核心部件，它直接影响了整个网络业务的稳定性，为了提高无线资源管理功能的可靠性，kubernetes按照1：1备份的方式部署无线资源管理功能pod。无线资源管理功能实时的将用户资源数数据写入到etcd上，备份无线资源管理功能不需要对数据进行任何处理，一旦主功能发生硬件故障，备份功能将读取同步数据，立即接管主功能的用户数据进行处理。
[0092]
当主rrmf发生故障时，利用服务网格lstio的自动感知能力，备rrmf将自动读取mes数据、与其他网络系统的连接数据，模拟并生成主rrmf的网络状态信息，其他网络系统不会感知到rrmf切换。如图7所示。
[0093]
本发明卫星移动通信的信关站控制器系统及其服务部署方法，采用网络功能虚拟化技术，将信令处理、数据处理、资源管理、操作维护等协议功能及核心数据云化设计，充分利用云平台提供服务部署、性能跟踪、故障监控等功能，极大简化系统设计难度。为了保证核心功能的可靠运行，设计负载分担、单独备份等多种部署策略，通过云平台提供的自动化管理运行机制，在提升系统可靠性的同时也提高了资源利用率。