一种基于动态资源池虚拟化技术的卫星地面接入站系统

技术领域

本发明涉及一种卫星通信技术，尤其是一种基于动态资源池虚拟化技术的卫星地面接入站系统。

背景技术

随着卫星通信系统的不断发展，卫星通信将为多行业、多用户提供无处不在的通信服务。不同行业、用户对卫星通信系统提出了多样化的业务需求，这给新一代卫星通信系统设计带来了巨大挑战，如果仍然按照传统移动通信系统的设计思路，仅通过一张网络来满足这些彼此之间差异巨大的多样化业务需求，那么卫星互联网系统的建设成本大且效率低下，并且系统的灵活性、可扩展性都很受限制。

与现有的卫星通信系统不同，下一代卫星通信系统旨在提供高速的信息服务，具有用户数量大，业务种类多的特点，整套系统网络容量是普通移动通信卫星的成千上万倍。地面接入站作为接入网的重要节点，约配有多套天线设备，用于跟踪不同的卫星，各卫星辖区内的用户分布不均，业务种类各不相同，而系统内各地面接入站中各BBU等单元相对独立，地面接入站处理资源按照用户业务峰值负载进行部署，且资源独占，无法实现硬件资源的动态共享，进而不能有效的处理资源分配不均衡的问题，从而导致系统资源利用率低，资源浪费严重的问题。地面接入站作为具有计算资源的重要节点，如何调配其硬件与软件资源，灵活协调管理辖区内的用户终端变得尤为重要。

发明内容

发明目的：提供一种基于动态资源池虚拟化技术的卫星地面接入站系统，以解决上述问题。

技术方案：一种基于动态资源池虚拟化技术的卫星地面接入站系统，包括：

分布式射频单元，用于提供地区信号覆盖，通过无线信道回传数据至集中式处理池；

高速射频交换单元，用于分布式射频单元与底层协议处理资源池的高速传输与交换；

分布式底层协议处理资源池，用于基带处理单元和协议处理单元互联；

集中式高层协议处理单元池，用于高层协议栈处理，

虚拟化网络软件平台，用于提供通信服务的端到端网络。

根据本发明的一个方面，所述分布式射频单元、高速射频交换单元、分布式底层协议处理资源池、集中式高层协议处理单元池以及虚拟化网络软件平台，同时通过集中式管理统一进行计算资源的分配和调度以提高传统地面接入站资源利用率。

根据本发明的一个方面，所述分布式底层协议处理资源池针对BBU硬件资源实现动态池化，所述BBU采用CU+DU的架构，其中所述DU主要完成PHY/MAC/RLC层协议栈，属于专用处理，对实时性要求高，因此采用FPGA+CPU方式实现，分立式DU实现方案主要是将DU基带数据处理单元与协议处理单元分开设计，通过通用以太网交换机将基带处理单元和协议处理单元互联，从而实现DU的功能。

根据本发明的一个方面，所述集中式高层协议处理单元池为每颗卫星的集中式节点，主要功能是实现卫星所有波束的PDCP、RRC、SDAP实时性要求低的高层协议栈处理、全局无线资源分配，并通过NG接口实现与核心网的交互，CU基于通用架构实现，使用CPU通用芯片，从而扩展性好，易于虚拟化和软硬件解耦，便于池化部署、动态扩容和备份容灾，基于该虚拟化硬件平台扩展支持MEC以及核心网NGC需要下沉的相关功能，以减小时延。

根据本发明的一个方面，所述虚拟化网络软件平台包括地面接入站虚拟子网，所述地面接入站虚拟子网提供通信服务的基于网络切片技术的端到端网络，每个虚拟子网提供一种或者多种通信服务，所述虚拟子网中包含网络切片实例、网络功能、若干物理网络功能、若干虚拟网络功能，其中所述网络功能在多个虚拟子网中共享，所述虚拟子网还包括一个网络切片实例、一个物理网络功能DU。

根据本发明的一个方面，所述网络切片实例包括：vSMF、vUPF和vCU共三个VNFs；所述虚拟子网的生命周期包括准备、上线、运营、下线四个阶段；所述准备阶段包括功能、性能、安全、可靠性、业务体验、运维特征，所述准备阶段根据虚拟子网上运行的业务的特点选择相应的特性，确定网络切片部分设计需求，生成切片模板，以及确定非网络切片部分的网络功能需求；所述上线阶段创建虚拟子网；所述上线阶段包括网络切片实例化和网络功能实例化；所述运营阶段监控虚拟子网运行，根据需求进行虚拟子网修改；所述下线阶段删除虚拟子网，即终止网络切片实例，并删除网络功能实例；

所述创建虚拟子网通过客户向网络运营商提出申请，网络运营商为客户创建虚拟子网，所述虚拟子网客户专用网络；所述创建虚拟子网过程包括网络切片实例分配、网络功能创建。

根据本发明的一个方面，所述虚拟子网的管理与编排架构包括通信服务管理、网络切片管理和编排、网络管理、网络功能管理、虚拟化管理与编排；

所述通信服务管理通过通信服务管理器实现，用户通过CSMF订购虚拟专网，提交相关需求；所述网络切片管理与编排通过网络切片管理器和网络切片子网管理器实现；其中，NSMF负责网络切片实例的编排和部署，将从所述CSMF接收到的需求自动转化为切片模板，所述NSMF承担网络切片处理模块职责，所述NSSMF负责网络切片子网的编排和部署，将从NSMF接收到的切片模板转换为网络服务模板，然后再通过与NM交互实现切片部署；

所述网络管理通过NM实现，所述NM提供WX移动通信系统的管理功能，支持WX移动通信系统的FCAPS管理功能和生命周期管理，NM初始化网络服务和VNF的生命周期管理，所述NM还承担网络功能创建模块职责；

所述网络功能通过EM和PEM实现，所述EM负责VNF的FCAPS管理功能，并且参与VNF的生命周期管理，并向VNFM请求VNF生命周期管理操作；与VNFM交互实现VNF相关信息或者虚拟资源管理，所述PEM负责运行在专用硬件资源上的网络功能的FCAPS管理功能；

所述虚拟化管理与编排通过SATMANO实现，所述SATMANO包括：NFV编排器VNF管理器和虚拟基础设施管理器，NFVO负责网络服务编排和资源编排；所述VNFM负责VNF生命周期管理，每个VNF都应关联一个VNFM，一个VNFM管理一个VNF，或者多个VNF，VIM负责控制并管理虚拟化基础设置。

根据本发明的一个方面，所述虚拟化网络软件平台还包括虚拟子网的选择；所述虚拟子网的选择包括接入网选择和核心网选择，进一步根据虚拟子网的选择得出如下步骤：

步骤1、虚拟子网标识的确定；所述虚拟子网标识包括子网类型SST和子网差分器SD；

步骤2、开户操作；所述开户操作根据用户在开户时会选择签约的虚拟子网，用户签约的虚拟子网信息一方面保存在用户归属寄存器HSS中，另一方面保存到用户的SIM卡中；

步骤3、虚拟子网选择；所述虚拟子网选择通过终端开机，从SIM卡中读取IMSI和VSNID，终端在PLMN选择流程中要执行虚拟子网选择处理，终端只能选择SIM卡中的VSNID对应的接入网，接入网根据VSNID来选择对应的核心网网元，接入网在系统广播消息中要广播自己所属于的虚拟子网标识信息列表，终端从SIM卡中读取签约的虚拟子网标识信息，终端接收到系统广播消息后，要比对VSNID，终端只会选择与自己有相同虚拟子网标识的接入网执行后续的处理流程，接入网直接将注册请求发送给该虚拟子网的核心网。

根据本发明的一个方面，所述地面接入站组成硬件资源，所述硬件资源采用集中式架构，将计算资源进行集中式的部署、水平池化和统计复用，进而在所述的集中架构中利用虚拟化技术在统一的基础硬件设施上建立虚拟资源池，进一步支持地面接入站资源的灵活调度，所述集中式架构逻辑功能与物理硬件相分离，通过统一开放的软件接口完成虚拟地面接入站的按需创建、动态部署和资源分配，并统一进行各类软硬件资源的协调、优化智能控制。

有益效果：本发明设计一种基于动态资源池虚拟化技术的卫星地面接入站系统，通过设计可灵活调配的地面接入站资源池架构；提出基于虚拟子网的网络资源管控；再结合虚拟子网选择方案；实现了地面接入站软硬件资源的高效利用，能够最大程度的提升通信网络对外部环境、客户需求、业务场景的适应性，提升网络资源使用效率，最优化网络建设成本，构建灵活、敏捷、智能、高效的卫星地面接入站，再通过集中式管理统一进行计算资源的分配和调度以提高传统地面接入站资源利用率，减少能耗浪费。

附图说明

图1是本发明的地面接入站资源池架构示意图。

图2是本发明的DU硬件组网框图示意图。

图3是本发明的地面接入站虚拟子网的两种构建图。

图4是本发明的地面接入站虚拟子网组成示意图。

图5是本发明的虚拟化平台软件架构示意图。

图6是本发明的用户开户操作流程图。

图7是本发明的虚拟子网选择流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，在该实施例中，一种基于动态资源池虚拟化技术的卫星地面接入站系统，包括：

分布式射频单元，用于提供地区信号覆盖，通过无线信道回传数据至集中式处理池；

高速射频交换单元，用于分布式射频单元与底层协议处理资源池的高速传输与交换；

分布式底层协议处理资源池，用于基带处理单元和协议处理单元的互联；

集中式高层协议处理单元池，用于高层协议栈处理；

虚拟化网络软件平台，用于提供通信服务的端到端网络。

在进一步的实施例中，所述分布式射频单元、高速射频交换单元、分布式底层协议处理资源池、集中式高层协议处理单元池以及虚拟化网络软件平台，同时通过集中式管理统一进行计算资源的分配和调度以提高传统地面接入站资源利用率。

在进一步的实施例中，所述分布式底层协议处理资源池针对BBU硬件资源实现动态池化，所述BBU采用CU+DU的架构，其中所述DU主要完成PHY/MAC/RLC层协议栈，属于专用处理，对实时性要求高，因此采用FPGA+CPU方式实现，分立式DU实现方案主要是将DU基带数据处理单元与协议处理单元分开设计，通过通用以太网交换机将基带处理单元和协议处理单元互联，从而实现DU的功能。

在进一步的实施例中，所述集中式高层协议处理单元池为每颗卫星的集中式节点，主要功能是实现卫星所有波束的PDCP、RRC、SDAP实时性要求低的高层协议栈处理、全局无线资源分配，并通过NG接口实现与核心网的交互，CU基于通用架构实现，使用CPU通用芯片，从而扩展性好，易于虚拟化和软硬件解耦，便于池化部署、动态扩容和备份容灾，基于该虚拟化硬件平台扩展支持MEC以及核心网NGC需要下沉的相关功能，以减小时延。

在进一步的实施例中，所述虚拟化网络软件平台包括地面接入站虚拟子网，所述地面接入站虚拟子网提供通信服务的基于网络切片技术的端到端网络，每个虚拟子网提供一种或者多种通信服务，所述虚拟子网中包含网络切片实例、网络功能、若干物理网络功能、若干虚拟网络功能，其中所述网络功能在多个虚拟子网中共享，所述虚拟子网还包括一个网络切片实例、一个物理网络功能DU；每个网络切片实例的QoS、资源需求都是通过NSD来描述，每个VNF包括两个部分：虚拟资源和网络功能应用软件，虚拟资源管理和编排由SATMANO负责实现，所述网络功能软件由NM负责部署，所述VNF的需求，比如亲和性、反亲和性规则，虚拟链路服务质量是由VNFD来描述，每个PNF的需求是由PNFD来描述。

在进一步的实施例中，所述网络切片实例包括：vSMF、vUPF和vCU共三个VNFs；所述虚拟子网的生命周期包括准备、上线、运营、下线四个阶段；所述准备阶段包括功能、性能、安全、可靠性、业务体验、运维特征，所述准备阶段根据虚拟子网上运行的业务的特点选择相应的特性，确定网络切片部分设计需求，生成切片模板，以及确定非网络切片部分的网络功能需求；所述上线阶段创建虚拟子网；所述上线阶段包括网络切片实例化和网络功能实例化；所述运营阶段监控虚拟子网运行，根据需求进行虚拟子网修改；所述下线阶段删除虚拟子网，即终止网络切片实例，并删除网络功能实例；

所述创建虚拟子网通过客户向网络运营商提出申请，网络运营商为客户创建虚拟子网，所述虚拟子网客户专用网络；所述创建虚拟子网过程包括网络切片实例分配、网络功能创建；从虚拟子网的组成上可以得出，创建一个虚拟子网意味着要创建一个NSI，创建一个PNF，创建两个VNF，创建的NSI时要创建ANNSSI和CNNSSI，其中所述ANNSSI中包含一个vCU，所述ANNSSI中只包含一个VNF，所述CNNSSI中包含一个vSMF和一个vUPF，即CNNSSI中包含两个VNF。

在进一步的实施例中，所述虚拟子网的管理与编排架构包括通信服务管理、网络切片管理和编排、网络管理、网络功能管理、虚拟化管理与编排；

所述通信服务管理通过通信服务管理器实现，用户通过CSMF订购虚拟专网，提交相关需求；比如：在线用户数、业务时延要求、平均数据速率、业务功能等，CSMF承担“虚拟子网创建模块”职责，负责将用户需求映射为网络切片需求和网络功能需求，并且将网络切片需求发送给NSMF，网络功能需求发送给NM；所述网络切片管理与编排通过网络切片管理器和网络切片子网管理器实现；其中，NSMF负责网络切片实例的编排和部署，将从所述CSMF接收到的需求自动转化为切片模板，所述NSMF承担“网络切片处理模块”职责，所述NSSMF负责网络切片子网的编排和部署，将从NSMF接收到的切片模板转换为网络服务模板，然后再通过与NM交互实现切片部署；

所述网络管理通过NM实现，所述NM提供WX移动通信系统的管理功能，支持WX移动通信系统的FCAPS（故障、配置、审计、性能、安全）管理功能和生命周期管理，NM初始化网络服务和VNF的生命周期管理，所述NM还承担网络功能创建模块职责；

所述网络功能通过EM和PEM实现，所述EM负责VNF的FCAPS管理功能，并且参与VNF的生命周期管理，并向VNFM请求VNF生命周期管理操作；与VNFM交互实现VNF相关信息或者虚拟资源管理，所述PEM负责运行在专用硬件资源上的网络功能的FCAPS管理功能；

所述虚拟化管理与编排通过SATMANO实现，所述SATMANO包括：NFV编排器VNF管理器和虚拟基础设施管理器，NFVO负责网络服务编排和资源编排；所述VNFM负责VNF生命周期管理，如实例化，更新，查询，缩放，终止等；每个VNF都应关联一个VNFM，一个VNFM管理一个VNF，或者多个VNF，VIM负责控制并管理虚拟化基础设置。

在进一步的实施例中，所述虚拟化网络软件平台还包括虚拟子网的选择；所述虚拟子网的选择包括接入网选择和核心网选择，进一步根据虚拟子网的选择得出如下步骤：

步骤1、虚拟子网标识的确定；所述虚拟子网标识包括子网类型SST（长8bits，取值不包括1、2、3）和子网差分器SD（长24bits）；

步骤2、开户操作；所述开户操作根据用户在开户时会选择签约的虚拟子网，用户签约的虚拟子网信息一方面保存在用户归属寄存器HSS中，另一方面保存到用户的SIM卡中；

步骤3、虚拟子网选择；所述虚拟子网选择通过终端开机，从SIM卡中读取IMSI和VSNID，终端在PLMN选择流程中要执行虚拟子网选择处理，终端只能选择SIM卡中的VSNID对应的接入网，接入网根据VSNID来选择对应的核心网网元，接入网在系统广播消息中要广播自己所属于的虚拟子网标识信息列表，终端从SIM卡中读取签约的虚拟子网标识信息，终端接收到系统广播消息后，要比对VSNID，终端只会选择与自己有相同虚拟子网标识的接入网执行后续的处理流程，接入网直接将注册请求发送给该虚拟子网的核心网。

在进一步的实施例中，所述地面接入站组成硬件资源，所述硬件资源采用集中式架构，将计算资源进行集中式的部署、水平池化和统计复用，进而在所述的集中架构中利用虚拟化技术在统一的基础硬件设施上建立虚拟资源池，进一步支持地面接入站资源的灵活调度，所述集中式架构逻辑功能与物理硬件相分离，通过统一开放的软件接口完成虚拟地面接入站的按需创建、动态部署和资源分配，并统一进行各类软硬件资源的协调、优化智能控制。

总之，本发明具有以下优点：将计算资源进行集中式的部署、水平池化和统计复用，在此基础上利用虚拟化技术在统一的基础硬件设施上建立虚拟资源池，从而支持地面接入站资源的灵活调度，该架构逻辑功能与物理硬件相分离，通过统一开放的软件接口完成虚拟地面接入站的按需创建、动态部署和资源分配，并统一进行各类软硬件资源的协调、优化智能控制。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。