我国商业航天的“坑”与“景
2020年3月，美国北方天空研究所（NSR）发布了一份《卫星地面网络虚拟化》白皮书，提出应重新思考地面网络系统的发展思路，顺应空间段的发展创新，积极采用可扩展且灵活的虚拟化地面网络，应对卫星地面网络和空间段发展不平衡的问题。本文对该白皮书进行了编译，供广大读者参考。
引言：空间的变革
自五十年前卫星通信问世以来，卫星行业目前正处于最大的转型中。在这个可以称为“21世纪太空竞赛”的新时代，太空技术的融合创新已为实现真正颠覆性环境铺平了道路。
随着针对各种应用的高通量卫星（HTS）架构在全球范围的扩散，这种始于多年前的基于太空的技术创新催生了新的巨大变革浪潮。在HTS之后，以任务为中心的小卫星、多轨道和多频段网络架构、软件定义卫星有效载荷、电推进以及其他技术陆续出现。总而言之，太空技术的创新正在使地面更加复杂。
而这些创新同时又顺应了发射业务的发展。可重复使用的火箭、更重的有效载荷以及每次发射任务中火箭可以携带的卫星数量越来越多，均提高了利用太空的经济性，也因此改变了进入太空的途径。航天器和发射技术的共同进步降低了进入太空的门槛，同时也降低了“轨道上每个字节的成本”。
卫星技术的突破正在影响整个行业，其中三个领域的变化最大：卫星通信，政府和军事部门卫星应用和对地观测，其主要影响是：
卫星通信：多轨道、多频段HTS架构的出现。这些GEO/MEO/LEO全球星座采用多个点波束和频率复用技术，带来了巨大市场容量，同时也降低了带宽成本，推动了对固定和移动应用的新需求。
政府/军事卫星应用：卫星运营商部署的海量容量（有些具有带宽控制灵活性）鼓励政府和国防最终用户越来越多地使用商业网络。这种趋势促使政府和军事规划者在“所有权与信任”之间进行新的权衡分析。
对地观测：能够捕获地球高分辨率图像的低成本、高重访率小卫星的快速发展使得越来越多国家有机会利用太空。最近针对高数据率任务的Ka频段平台的使用以及先进数据处理分析的发展带来了扩大运营的需求。反过来，这要求太空平台以更为协作的、基于使用和云赋能的方式与地面网络动态交互。
空间创新要求重新思考地面系统
空间段目前正出现技术创新和冒险精神的迅速发展。这与地面系统持续但保守的发展形成鲜明对比。虽然地面系统一直在不断改进，但是技术都是采取一系列连续创新的“孤岛式”发展模式，并且通常是由不断提高专用硬件性能水平的需求驱动的。
例如，卫星通信编码和调制技术的不断发展逐渐使频谱效率接近最大理论极限。随着IP成为各种应用程序的默认传输协议，为服务细分市场和以各种方式与用户接口提供了机遇。
但是，鉴于上述种种太空创新，地面系统以性能为中心的发展必不可少，但不足以应对即将到来的太空资产与5G电信、企业、对地观测和政府网络交融带来的挑战和机遇。当前正在建设的复杂卫星网络将要求加快朝着“完全虚拟化地面网络”方向努力。这种完全虚拟化地面网络将需要由通用服务定义管理和编排多个抽象层，满足容量、灵活性、成本、服务创建和韧性方面的新需求。
解决方案：迈向虚拟卫星网络
尽管传统地面网络近期有所发展，但很快就会遇到灵活性和扩展性方面的发展障碍，阻碍整个行业的发展，限制空间创新的回报。鉴于此，卫星行业需要迅速迈向可扩展且灵活的虚拟化地面网络环境。
地面基础设施利益相关者，包括电信港或网关运营商、卫星运营商、服务提供商、尤其是地面系统供应商，必须迅速采用来自IT和更广阔的电信领域的最佳实践。航天工业在开放网络架构方面已经落后了。这意味着卫星行业面临的许多问题已经通过软件定义网络（SDN）和基于云的体系结构得到了解决。为了更好地与电信系统集成以实现5G，实现全数字地面网络必不可少。因此，仅仅通过纳入更大范围电信和IT领域的可靠原则和最佳实践，并使它们适应特定需求，就能够提高可用性。
NSR确定了以下技术发展作为实现地面网络虚拟化的关键构建基块：
虚拟网络功能（VNF）：在模拟域中和/或专有硬件上执行的功能将需要进行虚拟化，以降低硬件成本并提高灵活性。可以暴露某些功能，通过容器化技术提供服务访问。
基础设施即服务（IaaS）：IaaS是未来实现可管理服务以及与电信集成的关键。行业领先的卫星和电信港运营商已经引入了一系列管理服务解决方案，但需要提高电信港设施和核心计算中心的效率。
云平台：为实现创新、降低成本和提高灵活性，企业正在将应用从本地数据中心迁出，采用云计算已迅速成为当前业务模式的主要推动力。
电控天线（ESA）：尽管抛物面天线在电信/网关基础设施中仍然非常重要，但是具有高性能和价格优势的新型ESA天线的开发将是释放非GEO星座全部潜力并加速其在移动市场应用的关键。
RF链数字化：通过将传统RF链转换和放大功能与进行数字信号处理的实际位置进行解耦，实现天线与电信港硬件之间连接（IF信号流）的数字化，赋予物理层灵活性，并降低成本。
“集成企业”解决方案：目前，77％的企业至少有一种应用或一部分企业计算基础设施在云中。因此，与卫星技术的无缝“云赋能”互通将是关键。
行业标准：最终，要使行业从细分市场向主流市场迁移，必须采用开放式标准，因为所有主要行业都是基于标准建立的。
大数据分析：从网络中各种海量数字化信息中提取有用结论的能力将为平台演进提供信息优势。
下一代地面网络将提供可扩展性、灵活性和韧性，并向传统电信港和网关设计概念发起挑战。但是，如果卫星行业想要打破现有瓶颈并释放太空资产的全部潜力，那么必须考虑新的地面网络概念和设计。
深入分析：地面网络虚拟化框架
如果业界重新考虑在完全虚拟化的架构中创造价值的问题，NSR认为需要探索构建和提供先进卫星服务的新方法。
软件定义卫星、HTS星座和对地观测资产的扩散推动了卫星连通的商品化，也因此进一步推动了地面硬件组件的商品化。如果行业领先的卫星公司通过协同数字平台以及采用和改造IT和电信网络最佳实践利用虚拟化潜能，就可打破前面提到的技术限制。
迁移到虚拟化基础架构环境就可以利用通用计算和存储能力的经济性和规模优势。集成到私有和公共核心云生态系统中可带来内在优势，例如高安全性和可通过定义明确的分界点访问新服务，与更广泛的生态系统相集成，提供一致的外观和体验，更便于完成资产功能编排和现场执行新任务。
基于这些顶层概念、描述的挑战和解决方案构建基块，NSR提出了一种可能高层框架，用于搭建一个完全虚拟化的卫星地面网络基础架构。该框架可能并不完美，但可以用作参考，描述高层目标和实现规模、灵活性和积极网络效果所需的特定虚拟网络功能。
图1 卫星地面网络数字化高层框架
该框架分为以下目标层和虚拟功能：
1、“连接”层
在卫星通信模式下，使用卫星将地球上的两个或多个点连接起来；在对地观测和卫星到地面任务模式下，将有价值的信息下传，用于后续地面处理。卫星的软件定义能力需要从地面控制面进行管理和编排，以充分利用卫星能力，并与地面数据传输和处理能力同步。
2、“数字化”层
可以认为，默认情况下，卫星链路在基带（IP作为通用传输协议）和RF级（数字调制和编码）均被数字化，但是为了最大程度提高灵活性和驱动核心/远程网络规模，地基数字化可能涉及多个数字抽象层，包括：
（1）数字中频：作为一条指导原则，NSR认为在IF-RF链中需要尽早对RF信号进行数字化。“数字中频”对于各卫星载波的虚拟处理（与天线位置无关）、核心地面网络数据传输、质量监测或管理目的以及从此类数据中提取有用信息都很重要。公司的产品是从RF到IP转换的一个很好实例，可以在专用或公共IP网络上进行无限距离传输。
（2）地面对等互连：已经在混合管理服务中实施，地面核心链路允许在IP交换环境（千兆以太网，VLAN和多协议标签交换（MPLS））或IP路由环境中跨广域地面网络传输基带IP数据包。
3、“扩展”层
NSR认为这一层对于卫星运营商利用数字地面网络的价值非常重要，不仅可以进行集成和连接，而且可以作为进一步发展与合作的跳板。虚拟地面基础设施的可扩展性对于培育以协作生态系统为侧重点的环境（可加速集成并推动创新）将变得越来越重要。该层的主要功能包括：
（1）计算和存储：商业计算和存储资源是数字化地面网络的必要基础设施。计算资源的物理位置会根据地面连接成本、应用延迟敏感性等多种条件而有所不同（电信港、网关和集中式数据中心），但这种资源汇聚能力对于VNF至关重要。
（2）虚拟网络功能（VNF）：要在地面网络中达到必要的规模、经济性和灵活性，卫星通信硬件必须从专用硬件单元转变为SDN架构和标准，这一点至关重要。VNF可以跨电信港和数据中心类型设施在虚拟化商业计算资源上运行。远程卫星通信终端也可能在标准化计算和存储方面利用SDN概念。应用到电信领域的软件定义接入网（SD-RAN）理念也可以应用于未来远程站点卫星设备设计。
（3）网络管理和资产编排：在空间和地面可以动态分配所需网络资源的背景下，一种对物理和虚拟网络功能进行实时、策略驱动的编排和自动化的综合平台就变得至关重要。例如，SES公司在2019年宣布计划利用开源ONAP（开源网络自动化平台）架构进行资产编排。
（4）私有云和公有云：数字地面网络可以建立私有云环境，实现能力扩展，并与主要公有云环境中的可用功能和服务连接。行业领先的云计算服务商，包括亚马逊（AWS）、微软（Azure）和谷歌（Cloud），一直致力于将平台与人工智能（AI）、机器学习、自动化和区块链技术相结合，从而使生态系统参与者能够从这些技术中受益。例如，微软与和SES合作开发“Azure -Route”，亚马逊将其AWS平台扩展到地面站。
（5）应用程序接口（API）开发工具和插件：扩展数字地面能力要求能够通过定义明确的软件暴露部分接口用于第三方集成。移动卫星服务（MSS）和对地观测系统中已经应用了这一概念，地面系统供应商还可通过开放API扩展特定硬件单元能力，作为向VNF过渡的中间步骤。基础设施运营商还可以将特定开发工具交给外部开发人员和集成商，实现网络能力扩展。对于第三方开发的特定功能（可能成为核心网络能力的一部分），插件概念也比较重要。
（6）开发框架：以服务提供商为中心的价值创造观念正在转变，为解决广泛的用途和需求，需要一种更加开放的合作环境。借助“虚拟地面+卫星”基础设施，可以在网络级实现服务个性化。主要生态系统参与者可能会尝试将其基础设施完全平台化，使第三方准备就绪的开发环境成为开发和交付未来综合应用的跳板。
4、“服务”层
此层代表合作伙伴和用户与数字地面平台接口并利用它的“前端”。用户可以拥有自己的个性化网络视图，并可以访问性能、分析和监控信息。此外，驻留在合作伙伴或最终用户端的第三方应用程序可与数字网络及其云扩展接口并交互，以提供特定功能。“扩展”层促进了各种批量交付和云计算资源，而“服务”层是提供基于网络的个性化服务之处，可驱动增值服务。
采用本文所述服务交付架构，生态系统参与者可以在各抽象层与网络交互，从而实现广泛可能用途和交互，并鼓励以网络为中心的创新。
图2 传统和虚拟地面网络子系统
商业利益
利用空间和电信/信息技术的发展进行新数字地面网络与战略调整可以显著改善总拥有成本（TCO），并且实现一种“面向未来”的网络。
采用必要的构建基块可以提高运营效率，缩短创新周期，提高网络部署速度，最大程度提高灵活性并解决当前的扩展性限制问题，而使用传统地面网络架构很难解决所有这些问题。
在地面进行全面虚拟化，无论是本地部署、非本地部署云还是混合环境，都可以同时利用航天开发的“供给侧”规模经济，并释放出“需求侧”规模经济，其特征是使用更广泛的基于云的系统。
卫星地面网络虚拟化获得的收益是最终将实现更高效的供应链、更好的用户体验以及创新产品和服务，从而带来新的收入来源，并提高每用户平均收入（ARPU）和客户粘性。
结 语
全数字化和虚拟化地面基础设施可以更好地利用动态配置的太空资源，并实现卫星技术与更广泛的电信和云生态系统的无缝集成。将地面网络设计为在标准数字环境中运行时，更易于实现地面网络的可扩展性、韧性和灵活性，此过程需要地面基础设施从将重点放在专用专有硬件组件转变成软件定义的、灵活且可扩展的虚拟架构。
其关键将是在投资现代软件能力的同时，将数字处理功能转移到可扩展的商用硬件上。通过标准化分界点暴露不同的抽象层可以加快与第三方系统的集成，并为实现网络级个性化服务和增值带来新方法。
一些参与者（包括地面系统供应商）可能负责推动部件或子系统级数字化，而其他参与者（例如主要卫星运营商和服务提供商）则可能试图对其系统进行完全虚拟化，并成为开发和交付商业卫星通信、政府以及对地观测等未来应用的推动者。
从软件定义卫星到软件定义网络，智能软件将在未来管理服务中发挥更为重要的作用。随着时间的推移，这种转变可能会影响价值链，因为虚拟化会促进价值链参与者之间角色和职责的变化。尽管面临挑战，但基础设施共享程度和基于网络合作创造价值能力的不断提高，可能会推动整个行业的良性循环。
本文转载自“电科小氙”，原标题《卫星地面网络虚拟化》
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