【COMSATCOM】灵活终端实现弹性卫星通信

“灵活终端”是根据美国空军空间和导弹系统中心“商业卫星通信试验项目（COMSATCOM Pilot）阶段2”计划开发的运行概念。该计划的目标是开发和演示一种原型能力，使得已部署宽带卫星通信终端能够在卫星和网络之间快速漫游，从而可在冲突和拥挤环境中运行，或减轻网络故障问题。终端具备一定灵活性，能够在多个频带内跨多个运营商网络运行并支持不同波形/调制解调器，不仅是访问高通量卫星服务的先决条件，也是在冲突环境中提供弹性能力对抗威胁的关键。

“商业卫星通信试验项目（COMSATCOM Pilot）阶段2”工作成功对终端灵活性进行了原型设计和演示。这些演示通过在既有终端中插入预装配置文件，对其进行了改造，实现了在不同卫星通信服务间的漫游。此项工作还开发了政府企业管理控制功能、卫星服务提供商以及灵活终端的接口和标准。此外，美国空军还进行了广泛研讨，继续获得各类用户、业界和国防部其他利益相关人的积极参与，实现未来接口标准。

在参加美国空军“商业卫星通信试验项目（COMSATCOM Pilot）阶段2”原型开发计划的过程中，多家公司开发了卫星通信企业体系和灵活调制解调器接口，其中Knight Sky公司构建了名为“灵活卫星通信企业体系”（FSEA）的系统架构，其开发的灵活调制解调器接口（FMI）原型软件符合该架构。美国空军授予Knight Sky公司合同进行相关研究，但这一系统架构目前尚未被美国空军正式采用。本文将介绍Knight Sky公司的方案。

Knight Sky的FSEA包括三种体系构件，所有构件都使用开放系统架构方法在软件中实现。这些构件在美国防部现有宽带军用卫星通信或商业卫星通信系统之上提供了额外的控制或“编排”层，而不是取代现有系统单元。核心任务数据传输系统保持不变，但是新的编排层可增强网络接入灵活性，提高对已部署操作员的支持，提高网络管理员的网络态势感知能力。

FSEA是一种分布式框架，可实现可部署终端单元与卫星、IP网络运行、人员和系统的同步。图1中提供的系统运行视图标识了系统构件以及这些构件在整体系统环境中的位置。

FSEA的主要系统构件包括：

• 终端管理器（TM）

该软件构件在终端设备硬件上本地运行。终端管理器通过其本地管理控制接口与可部署终端设备（天线控制器、调制解调器、上变频器、路由器等）通信。它为编队管理器提供了一个唯一服务提供、管理以及监测接口，并为终端操作员运行和维护整个终端系统提供了一种统一用户接口。终端管理器还存储单个终端设备的备用配置和软件加载（终端配置包）。这些配置和软件由编队管理器根据任务需求和/或网络变化预装和/或进行更新。操作员可以选择他们想要使用的配置，或者让终端管理器根据特定准则（位置、授权网络访问等）自动加载配置。

通过终端管理器加载和激活终端配置的行为可实现提供灵活网络访问所需的移动性和漫游功能，以及所有相关的任务优势（例如，弹性、减少拥塞、提高编队吞吐量等）。终端管理器软件快速执行此配置加载功能，并消除用户输入错误，从而增强了与宽带卫星通信服务的可靠连接能力。

• 编队管理器（FM）

编队管理器软件构件位于政府网络运行中心（GNOC），对与特定终端编队相关的所有终端管理器进行全面管理。它与网络服务提供商有直接接口，以同步网络配置。

编队管理器支持：计划、保障、网络运行编排、情态势感知/通用运行图、数据分析和优化。

编队管理器为GNOC人员提供监测和管理各终端的用户接口（UI），并提供卫星网络、供应商和编队级报告。编队管理器还为网络提供商提供了一个接口，通过该接口，网络提供商可以提供特定服务配置信息。政府网络运行中心人员使用这一特定服务信息，结合终端和任务信息，生成终端配置包（详见下文），然后将其推送/拉取到各终端管理器。编队管理器向可能驻留在GNOC或连接到GNOC的其他企业系统提供API。例如，它可以与监测卫星通信射频频谱的现有系统接口，以检测干扰并验证传输计划。

• 服务管理器（SM）

服务管理器是一组驻留在网络服务提供商（NSP）域中的应用和API。在图1中，在商业网络运行中心（CNOC）或国防部网络运营中心（DNOC）中对之进行了描述。它支持与编队管理器的在线和离线交互接口，以便协调终端管理器配置和运行模式的编队管理器控制与本地调制解调器平台相关网络服务提供商实时网络管理功能。

图1 系统运行视图

美国空军正在开发一种宽带卫星通信企业管理和控制概念，为异构企业卫星通信环境提供弹性、有效的管理和可视化，包括军用卫星通信和商业卫星通信资源。企业管理和控制（M&C）概念包括实现FMI的终端、企业管理器以及与商业和国防部服务提供商的接口。这里描述的终端管理器与企业管理和控制概念中实现卫星通信终端FMI的终端控制器本质上相同。企业管理器预计包含几种应用套件和工具，包括：服务计划、服务代理、服务编排器、态势感知管理器、服务池管理器、安全管理器、数据仓库。

FSEA编队管理器解决了企业管理器中设想的许多功能，特别是关于详细规划、编队/终端运行编排、态势感知，以及与服务提供商接口等功能。企业管理器包括支持远程战略规划和与现有企业级系统集成的其他功能，特别是在军事卫星通信域内的系统。上面描述的FSEA接口直接适用于企业管理控制框架，终端管理器也是如此。美国空军空间和导弹系统中心正在进行2019年后续工作，进一步开发企业管理器，编队管理器和服务管理器的大部分架构设计都将直接适用于这一工作。

下文提供了运行卫星通信网络的一般流程顺序，并描述了在此生命周期内如何使用FSEA组件。如图2所示。

（1）预测和规划

就某一任务或一组任务与商业卫星通信和服务提供商合作的军事领导层，利用企业内部可用的各种规划和资源分配工具和流程，制定满足任务卫星通信需求所需的载波具体配置和／或受管理网络服务要求。这些需求还包括代表可能激增解决方案的若干应急载波和可能网络访问，以及提供因故障或攻击而可能造成卫星资源丢失的解决方案。一般来说，有些规划工作是在FSEA框架之外进行的(例如，在更大型企业管理器框架内)，但最终结果在编队管理器数据库中获取，并在整个FSEA框架中使用。

（2）卫星通信资源分配

此过程将各网络服务提供商可用资源分配给适合终端功能、任务角色和优先级的特定终端。其输出是每个终端的一组终端配置包，使每个终端能够访问其分配的网络。此过程支持战略负载平衡和应急规划以缓解网络攻击或故障。

（3）终端配置

终端配置包加载到每个终端中，最初是通过本地连接的笔记本电脑直接下载，之后可在终端在线的任意时间通过终端管理器与编队管理器之间的安全网络通信进行持续更新。（这类似于通过CD-ROM在新笔记本电脑上初始加载Windows，然后在因特网上定期接收笔记本电脑安装更新。）

（4）终端激活/网络捕获

在适当指挥权限下操作的终端操作员激活终端TCP库中可用的某种载波或网络接入方式。终端管理器提供的用户界面使这一行为可从菜单中简单选择即可。

a. 为响应此选择，终端管理器会访问其终端配置包数据库，并将相应数据加载到终端内的每个设备中(例如调制解调器、路由器)。该加载过程由终端管理器自动执行，如果终端配备了自动指向天线，还配置了ACU，则通知终端操作员进度。如果BUC有管理控制端口，则可以控制到适当的衰减电平或本振频率。一旦所有终端设备配置完成，并且终端管理器验证了其正确性，则通知终端操作员终端准备好捕获卫星/网络。

b. 终端操作员选择“捕获卫星”功能，然后终端管理器在终端自动化范围内自动实现这一功能(即有一个自动指向天线)。

c. 在终端自主运行的情况下（没有本地操作员），终端管理器软件通过评估一组规则来选择所需网络，然后处理过程就像人工操作员选择了这一网络一样继续进行下去。

d. 一旦终端成功上线并传输宽带IP业务，则终端控制接口（“带内控制信道”）被激活，提供动态配置数据库更新，并为终端管理器定期提供从其网络中角度可见的终端状态和网络性能/利用数据。(在完全捕获网络之前使用带外控制信道通过其窄带链路提供基本状态和控制信息。)

（5）监测

服务管理器向终端管理器提供从其在网络中角度可见的定期网络性能/利用数据。编队管理器将此数据与网络中每个终端提供的信息相结合，获得完整的网络运行视图。存储数据(即“数据仓库”)以提供对使用和性能的历史分析，并为深入分析提供丰富的数据源。对这一全编队范围运行数据的分析为预测和规划功能提供了信息。这样就能够更有效地设计部署网络并更有效地利用宝贵的空间段资源。这将实现现有终端配置包的优化更新，并在添加新终端或任务需求变更时提供更有效和高效的资源分配。

试验项目阶段1研究报告结论包括：

· 向由多个卫星通信系统组成的异构体系迁移。这些系统可能是纯商业化的，也可能是由国防部专用系统和商业系统混合构成。这种系统多样性有足够能力满足预期需求，同时还可增加整个体系结构对于系统降级的弹性；

· 最终用户终端应能跨多个卫星和频段运行；

· 军事终端内部必须建立有效的接口控制和架构标准化，确保用户终端段架构的长期可持续性；

· 异构架构必须作为企业来管理；

· 为了开发既高效又有弹性的宽带体系结构，需要实现灵活性和资源池化；

· 建议美国防部通过选定用例的小规模原型化对这些概念中的一些概念进行实验。

试验项目阶段2专门探索和发展阶段1研究结果并开发所需功能的原型。FSEA解决了阶段1中确定的需求，由此产生的效益总结在表1中。