基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)建模研究

劉振浩，張明智，王 燕，韓志軍

（國防大學(xué)，北京 100091）

隨著廣大用戶對多種通信業(yè)務(wù)需求的急速增加，基于地面網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)已無法滿足現(xiàn)實需要。在商業(yè)和軍事需求的推動下，空間衛(wèi)星系統(tǒng)作為地面網(wǎng)絡(luò)的重要補充，呈現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢[1-3]。在軍事通信方面，天基綜合信息網(wǎng)（SBIN，Space-Based Information Networks）已成為軍用航天領(lǐng)域的發(fā)展方向。未來戰(zhàn)爭需要獲取戰(zhàn)場不間斷的全方位多頻段信息，這就要求由不同軌道上多種類型的衛(wèi)星系統(tǒng)按照空間信息資源的最大有效綜合利用原則，互通互連，合理組網(wǎng)，構(gòu)成有機的智能化網(wǎng)絡(luò)體系，即天基綜合信息網(wǎng)[4-6]。衛(wèi)星組網(wǎng)主要有單層、多層布星兩種方式。當(dāng)前各國已建成的寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)大多采用單層布星的方式，由具有相同軌道高度的衛(wèi)星構(gòu)成星座，組成單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。未來的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)能夠為所有用戶提供大容量、高質(zhì)量和高可靠性的通信業(yè)務(wù)，多種星間鏈路建立的立體多層衛(wèi)星網(wǎng)應(yīng)當(dāng)具有較高的空間頻譜利用率、靈活的空間通信等優(yōu)點，并且可以為地面用戶提供更多的接入選擇和高通信仰角。因此，采用不同軌道上的衛(wèi)星組網(wǎng)實現(xiàn)多重覆蓋，構(gòu)建基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)將成為未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究的熱點[7-8]。

1 構(gòu)建基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)必要性分析

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不斷運動，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著時間不斷發(fā)生變化，這使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出高動態(tài)性，這里我們將其稱為衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。深入分析衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)在軌道、空間幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)方面的特性，可以為衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計提供參考及理論支持。衛(wèi)星運行軌道是決定衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)特性的重要參數(shù)。按軌道高低可將衛(wèi)星分為同步軌道衛(wèi)星（GEO）、中軌衛(wèi)星（MEO）、低軌衛(wèi)星（LEO）和大橢圓軌道衛(wèi)星（HEO）。各種軌道上的衛(wèi)星因軌道高低不同，可提供的服務(wù)存在很大差異。

從應(yīng)用角度將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分為單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和分層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。單層衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)是指由多顆單一軌道的LEO、MEO或GEO構(gòu)成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)?；诜謱咏Y(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)是指由同一軌道或不同軌道的衛(wèi)星組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，它以天基衛(wèi)星網(wǎng)為主干網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)需要可與地面無線網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)連接。基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)在時延、網(wǎng)絡(luò)阻塞、網(wǎng)絡(luò)抗毀性等方面都比單層衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)具有更優(yōu)越的性能。為提高衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)性能，降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)計復(fù)雜性，需要設(shè)計由不同軌道上衛(wèi)星構(gòu)成的分層衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，以滿足天基綜合信息網(wǎng)的要求[8-12]?；诜謱咏Y(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)由若干星座組成，根據(jù)衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部連接關(guān)系，本文將其分為簡單分層衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)（SHSDN:Simple Hierarchical Satellite Dynamic Networks）和基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基本是SHSDN。出于對網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的考慮，兩種類型的網(wǎng)絡(luò)都要求各層衛(wèi)星間存在“冗余連接”關(guān)系，這種“強連接”關(guān)系直接導(dǎo)致分層衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)復(fù)雜性過高。為了克服 SHSDN“冗余連接”導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性高的缺點，本文基于“骨干/接入”網(wǎng)絡(luò)模型思想，提出基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)（HSDAN,Hierarchical Satellite Dynamic Access Networks）模型來簡化分層衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13-14]。

2 分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)模型設(shè)計

2.1 HSDAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

HSDAN采用“骨干/接入”方式進行構(gòu)建，由天基骨干網(wǎng)和天基接入網(wǎng)兩大部分組成。天基骨干網(wǎng)由MEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星通過ISL連接構(gòu)成，是HSDAN的交換節(jié)點，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的傳輸與分發(fā)，為所連接的MEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星提供信息交換服務(wù)，并為地面具有大型終端的固定和移動用戶提供服務(wù)。天基接入網(wǎng)由LEO星座構(gòu)成，通過ISL與天基骨干網(wǎng)相連，并為地面小型終端的移動用戶提供空間信息服務(wù)[15-16]。HSDAN的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 HSDAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 HSDAN構(gòu)建策略及優(yōu)點

HSDAN是對SHSDN的優(yōu)化設(shè)計，下面通過對比SHSDN 和 HSDAN 的結(jié)構(gòu)特點來說明采用“骨干/接入”思想構(gòu)建的HSDAN模型的構(gòu)建策略及優(yōu)點。

策略1:在SHSDN中，某顆衛(wèi)星可同時與上一層的多顆衛(wèi)星建立ISL，而在HSDAN中LEO衛(wèi)星同時只與MEO衛(wèi)星中的一顆衛(wèi)星建立ISL，簡化了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度。

策略2:在SHSDN中，LEO衛(wèi)星間通過Inter-layer ISL連接，而在HSDAN中LEO衛(wèi)星間不存在ISL，只是作為地面用戶的接入節(jié)點。不同LEO衛(wèi)星覆蓋的用戶通過天基骨干網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，減小了LEO衛(wèi)星設(shè)計的難度。

策略3:在SHSDN中，GEO衛(wèi)星可以與LEO衛(wèi)星通過Inter-layer ISL相連接，而在HSDAN中GEO衛(wèi)星只負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)路由表進行維護。

策略4:在 SHSDN中，地面用戶可以直接連接MEO衛(wèi)星，而在HSDAN中只有地面的大型終端用戶可以直接連接天基骨干網(wǎng)，小型用戶通過連接LEO衛(wèi)星獲取服務(wù)。

基于“骨干/接入”網(wǎng)絡(luò)模型思想的HSDAN具有以下優(yōu)點:

● LEO衛(wèi)星采用小衛(wèi)星，既降低了系統(tǒng)成本，又降低了對地面終端發(fā)射功率和天線增益的要求。由于小衛(wèi)星成本低，又可通過增加小衛(wèi)星數(shù)量來提高星座的穩(wěn)定性。

● 參與路由計算的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點減少。GEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星負(fù)責(zé)路由的計算，數(shù)量眾多但計算能力有限的小衛(wèi)星不參與路由計算，從而降低了小衛(wèi)星系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜度。

● 由于骨干網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，可以減少由于大量拓?fù)渥兓?、路由信息更換對路由協(xié)議帶來的影響。這樣既保證了天基骨干網(wǎng)的可靠性，又提高了HSDAN的靈活性，兼顧了天基綜合信息網(wǎng)中多種用戶的需求。

2.3 HSDAN仿真模型構(gòu)建

對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真研究需要使用相關(guān)的仿真系統(tǒng)作為研究基礎(chǔ)。不同的仿真系統(tǒng)在功能上各有側(cè)重點，需要綜合考慮各種情況，根據(jù)研究需要來選擇合適的仿真系統(tǒng)。常用的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真系統(tǒng)有STK、OPNET、NS-2等。OPNET作為業(yè)界領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò)仿真工具，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供了很好的支持，已成功應(yīng)用于“海事衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)仿真”、“偵察衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仿真”和“低軌衛(wèi)星與地球戰(zhàn)連接仿真”等多個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真實例。OPNET使用層次化建模機制，提供了網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進程模型的三層仿真模型實現(xiàn)真實網(wǎng)絡(luò)的建模。根據(jù)OPNET系統(tǒng)的仿真機制，將HSDAN仿真模型分為 HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型、HSDAN節(jié)點模型和HSDAN進程模型。

2.3.1 HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型

HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型主要是對衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計，用于定義整個衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)對象，是最高層次的模型。HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型由子網(wǎng)對象、節(jié)點對象和鏈路對象組成，與真實衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)中的子網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)鏈路相對應(yīng)。網(wǎng)絡(luò)模型支持無限多重的子網(wǎng)模型。HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型由兩類節(jié)點構(gòu)成:衛(wèi)星節(jié)點和地面節(jié)點。HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型的實現(xiàn)主要分為兩步:首先在STK中建立衛(wèi)星的軌道，以軌道文件形式存儲，然后在 OPNET系統(tǒng)中為衛(wèi)星節(jié)點設(shè)置“orbit”屬性，導(dǎo)入軌道文件，從而建立 HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型。地面節(jié)點采用帶有無線收發(fā)器的固定節(jié)點，通過無線鏈路接入HSDAN。

2.3.2 HSDAN節(jié)點模型

HSDAN節(jié)點模型用于定義節(jié)點的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和設(shè)計數(shù)據(jù)流模型。HSDAN節(jié)點模型由接收機、發(fā)射機、隊列、處理器和數(shù)據(jù)線構(gòu)成。節(jié)點模型中采用基于模塊的結(jié)構(gòu)，一種協(xié)議由一個處理器模塊實現(xiàn)，各個模塊通過數(shù)據(jù)線連接，用來傳遞數(shù)據(jù)包和控制信息。在衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)中主要有兩種節(jié)點模型:衛(wèi)星節(jié)點模型和地面節(jié)點模型。圖2給出了在OPNET系統(tǒng)中構(gòu)建的HSDAN節(jié)點模型示例[8]。

圖2 OPNET系統(tǒng)中的HSDAN節(jié)點模型示例

在整個網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星節(jié)點的功能主要起數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)作用，實現(xiàn)路由功能。HSDAN節(jié)點模型的衛(wèi)星節(jié)點由物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議構(gòu)成。物理層由無線接收機(sat_rx)和無線發(fā)射機(sat_tx)構(gòu)成，通過無線鏈路實現(xiàn)通信，無線收發(fā)機內(nèi)含有三個信道，分別作為星地鏈路、同層星間鏈路和層間星間鏈路。數(shù)據(jù)鏈路層采用OPNET中的標(biāo)準(zhǔn)模塊實現(xiàn)對信道占用的管理。網(wǎng)絡(luò)層的arp、ipencap和ip模塊采用OPNET的標(biāo)準(zhǔn)模塊實現(xiàn)IP協(xié)議。地面節(jié)點用于產(chǎn)生和接收數(shù)據(jù)包，與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信，測試HSDAN網(wǎng)絡(luò)性能。地面節(jié)點模塊包含完整的協(xié)議層，從物理層到應(yīng)用層都采用標(biāo)準(zhǔn)的OPNET協(xié)議模型，物理層采用含有一個信道的無線發(fā)射機和接收機實現(xiàn)星地鏈路。

2.3.3 HSDAN進程模型

HSDAN進程模型定義HSDAN節(jié)點模型中模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，進程模型可以模擬通信協(xié)議功能以及實現(xiàn)與仿真有關(guān)的控制行為，通常用于衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的具體實現(xiàn)。進程模型由狀態(tài)組成，當(dāng)狀態(tài)符合設(shè)定的轉(zhuǎn)移條件時，發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)化，每個狀態(tài)執(zhí)行不同的描述狀態(tài)行為的程序代碼。OPNET提供了豐富的核心進程函數(shù)，涵蓋了衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)仿真各個方面的功能。圖 3中給出了在 OPNET系統(tǒng)中構(gòu)建的一個HSDAN協(xié)議進程模型示例。

圖3 OPNET系統(tǒng)中HSDAN進程模型示例

3 分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)性能分析

利用上述建立的HSDAN仿真模型，通過實驗對HSDAN網(wǎng)絡(luò)的時延性能進行分析。通過與SHSDN的性能進行比較，說明所提出的HSDAN在網(wǎng)絡(luò)性能上的提高。

3.1 HSDAN網(wǎng)絡(luò)性能仿真想定

在對HSDAN的仿真中，使用3顆GEO衛(wèi)星，相互間構(gòu)建星間鏈路；MEO星座采用NGSO星座，每顆MEO衛(wèi)星通過星間鏈路與3顆MEO衛(wèi)星相連；LEO星座采用Iridium星座，LEO衛(wèi)星之間不建立鏈路。設(shè)定GEO衛(wèi)星之間的星間鏈路為αGbps，GEO衛(wèi)星與 MEO衛(wèi)星之間的星間鏈路為βMbps，MEO衛(wèi)星之間的星間鏈路為δMbps，MEO衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星之間的星間鏈路為λMbps。在 A城市設(shè)立中心節(jié)點，然后在相同緯度上，每隔20o設(shè)立一個地面節(jié)點，共設(shè)立9個地面節(jié)點，每個地面節(jié)點通過HSDAN向A城市節(jié)點不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)包，以測量HSDAN中端到端的時延性能。當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的鏈路利用率低于80%的時候，認(rèn)為該HSDAN是低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)鏈路利用率高于 80%的時候認(rèn)為該 HSDAN是高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。分別在低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下，仿真分析比較SHSDN與HSDAN的端到端時延性能。系統(tǒng)仿真運行τh，得到不同網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下，HSDAN網(wǎng)絡(luò)模型與SHSDN網(wǎng)絡(luò)模型的平均端到端時延，如圖4所示。

3.2 仿真結(jié)果及分析

從仿真結(jié)果可以看到，網(wǎng)絡(luò)低負(fù)載情況下，SHSDN網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)于HSDAN網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載情況下，網(wǎng)絡(luò)的端到端時延主要取決于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的處理時延，HSDAN網(wǎng)絡(luò)的性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于SHSDN網(wǎng)絡(luò)。隨著未來通信業(yè)務(wù)尤其是軍事通信業(yè)務(wù)需求的急劇增加，天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載將不斷增加，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載趨近于高負(fù)載時，采用HSDAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可有效提升天基綜合信息網(wǎng)絡(luò)性能。

圖4 HSDAN與SHSDN的平均端到端時延特性比較

4 結(jié)束語

本文在分析衛(wèi)星動態(tài)網(wǎng)絡(luò)總體特點的基礎(chǔ)上，探討了構(gòu)建基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)的必要性。基于“骨干/接入”思想，提出了基于分層結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星動態(tài)接入網(wǎng)絡(luò)（HSDAN）。根據(jù)OPNET系統(tǒng)的仿真機制，對HSDAN的網(wǎng)絡(luò)模型、節(jié)點模型和進程模型進行了構(gòu)建。仿真分析表明，在網(wǎng)絡(luò)高負(fù)載條件下，基于“骨干/接入”網(wǎng)絡(luò)模型的HSDAN網(wǎng)絡(luò)具有更好的性能。

[1]丁龍剛，馬虹. 衛(wèi)星通信的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)[J].電力系統(tǒng)通信. 2006(10):47-49.

[2]雷歷, 石星, 呂澤均，等. 偵察與監(jiān)視[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008:213-215.

[3]盧昱等. 空間信息對抗[M].北京:國防工業(yè)出版社,2009:160-161.

[4]代坤, 魯士文. 天基綜合信息網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)模型[J].微電子學(xué)與計算機,2004,21(4):69-73.

[5]王曉海. 天基綜合信息網(wǎng)的發(fā)展與應(yīng)用[J]. 數(shù)字通信世界. 2007(10):32-34.

[6]王曉海. 論天基綜合信息網(wǎng)的發(fā)展[J]. 衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò).2008(4):36-38.

[7]高麗娟, 蔣太杰, 高志翔. 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星間鏈路分析與路由協(xié)議[J].上海航天. 2007,24(2):16-20.

[8]王振永. 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士論文, 2007.

[9]Monsen P. Multiple access capacity in mobile user satellite systems[J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 1995 (2):222-231.

[10]HE Jun, YI Xian-qing. Analysis of satellite network architecture based on GEO/LEO constellation[J]. Fire Control,2009,34(3):47-50.

[11]何俊, 易先清. 基于 GEO/LEO 兩層星座的衛(wèi)星組網(wǎng)結(jié)構(gòu)分析[J]. 火力與指揮控制. 2009,34(3):47-54.

[12]易先清, 馮明月, 羅雪山. 一種基于 GEO/MEO 星層組網(wǎng)的抗毀路由研究[J]. 計算機科學(xué),2006,15(6):10-12.

[13]張華濤, 孫富春, 徐帆江. 分層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的接入策略研究[J]. 計算機工程與設(shè)計. 2005,26(5):1121-1124.

[14]徐明宇. 基于跨層的寬帶多媒體衛(wèi)星呼叫接入控制算法研究[D]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2009.

[15]吳鳳鴿, 孫富春, 孫增圻等. LEO/MEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能分析[J]. 計算機研究與發(fā)展.2005,42(2):259-264.

[16]洪志國, 吳鳳鴿, 范植華等. 基于 PETRI網(wǎng)模型的LEO/MEO/GEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能分析[J].電子學(xué)報,2005,33(2):354-357.