基于802.11的小衛星編隊網絡性能仿真

康海龍，姜秀杰，熊蔚明

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京　100190；2.中國科學院大學 北京　100049）

基于802.11的小衛星編隊網絡性能仿真

康海龍1，2，姜秀杰1，熊蔚明1

（1.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京100190；2.中國科學院大學 北京100049）

為了保證空間探測任務的順利進行，小衛星編隊需要可靠的星間通信。基于802.11，設計了小衛星編隊網絡協議架構。首先搭建了衛星飛行編隊網絡協議棧，針對星間通信距離大導致的高時延，對物理層、數據鏈路層進行了適應性修改，分析了網絡層路由協議，然后對四種典型的衛星編隊網絡進行了模型分析。通過NS3網絡仿真工具，對星間通信網絡進行了性能仿真。仿真結果表明，基于802.11的網絡架構，可以保證星間通信，不同編隊網絡性能差別較大，可根據任務進行調整。

星間通信；網絡性能；仿真；NS3

近年來，隨著新能源、新材料和空間無線通信等關鍵科學技術的迅猛發展，以平臺為中心的傳統單個航天器模式正在向以網絡為中心的多航天器協同控制模式轉變，將功能不同的獨立的小衛星放在太空中形成一個“衛星編隊”或“虛擬衛星”，相互之間協同工作，成為一種潛力巨大的空間系統部署方式[1-3]。小衛星通過星間通信鏈路的互通互聯構成衛星網絡，對空間環境進行多角度、多時空探測已成為空間物理的探測一個重要的發展趨勢。

文中基于802.11[4]網絡協議架構，針對星間鏈路距離大導致傳播時延長等問題，對WiFi物理層和數據鏈路層進行適應性修改，使其適用于衛星網絡，用NS-3網絡仿真工具對常見的衛星編隊構型（串珠形、環形、星行、網狀形）網絡進行了性能仿真。

1　網絡協議棧設計

參照地面OSI網絡模型，基于802.11標準，將衛星編隊網絡協議棧設計分為五層結構，如圖1所示。

圖1　衛星網絡協議棧Fig.1　Protocol Stack mapped to the canonical OSI stack layers

1.1物理層

物理層的性能決定衛星間通信的最大通信距離。802.11的物理層最初是為WiFi設計，通信距離大約為100 m。根據空間探測任務的不同，星間通信距離一般在幾十公里到幾千公里不等。因此衛星發射功率和天線增益必須增加來加大最大通信距離。目前在成熟的商業技術中，最大發射功率為30 dbm。對于小衛星電源、尺寸等資源的限制，假設衛星發射功率為30 dbm，有10 dbi的天線增益。那么星間最大通信距離可通過下面公式[5]得到：

其中，2.4 GHz Wi-Fi ISM波長λ為0.125 m，PTX為發射功率，GTX和GRX分別為天線增益，玻爾茲曼常量K為1.3810-23J/K。物理層選擇802.11b 1 Mbps模式，每秒鐘符號數為1 Msps，每包比特數為16512，即每包2 064 bytes。因此，得到星間最大通信距離為500 km下，包成功發送率PSR為67%。

1.2數據鏈路層

802.11的MAC子層通過分布式協調功能（DCF）實現對共享媒介的接入，DCF建立在載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA，CarrierSenseMultipleAccesswithCollision Avoidance）協議的基礎上，該協議采用共享單信道的模式，通過RTS-CTS-DATA-ACK 4次握手機制完成分布式數據業務的接入過程，并基本解決了隱藏終端和暴露終端問題。工作流程如圖2所示。

圖2　CSMA/CA工作流程圖Fig.2　CSMA/CA flow chart

在IEEE 802.11 DCF中，連續的幀之間必須保持一定的間隔，以便留給相關的節點足夠的處理時間并控制信道資源訪問的優先級。在IEEE802.11中一共定義了4種幀間間隔（Inter Frame Space，IFS），按占用時間從短到長分別是:SIFS

1.3網絡層

網絡層提供路由選擇，擁塞控制和網絡互聯。根據對網絡拓撲結構變化的反應不同，移動Ad hoc網絡的路由協議[6]主要分為先驗式（Proactive）和按需式路由協議（Ondemand）。

在先驗式路由協議中，當檢測到衛星網絡拓撲結構發生變化時，節點發送路由更新消息，收到路由更新消息的節點將更新自己的路由表，以保證路由信息的一致性、及時性和準確性。

與先驗式路由協議相對應地，按需路由協議是根據衛星發送節點的需要，按需進行路由發現過程，網絡拓撲結構信息和路由表內容也是按需建立的，其內容可能僅僅是整個網絡拓撲結構信息的一部分。

按需路由的優點是不需要周期性的廣播路由信息，節省了一定的網絡資源；缺點是在發送數據分組時，若沒有到達目的節點的路由，要啟動路由發現過程來尋找路由，所以數據分組需要等待一定時間的延時，并且路由發現過程通常采用在全網范圍內的廣播來完成，這在一定程度上也抵消了按需路由機制帶來的好處。

因此，衛星飛行編隊網絡一旦形成后，先驗式路由協議中的路由表可以準確地反映網絡的拓撲結構，源節點一旦要發送數據分組，就可以立即獲得到達目的節點的路由，提高了實時性。

2　衛星編隊網絡模型分析

根據空間探測任務的不同，需要構建不同的衛星網絡編隊，四種典型的衛星編隊，包括串珠形編隊、環形編隊、星形編隊和網狀形編隊，如圖3所示。

圖3　四種典型衛星編隊Fig.3　Four typical satellite flying formation

串珠形編隊可模型化為

其中S=[s1，s2，…，sn]代表編隊中的衛星，n為衛星數量，L代表衛星網絡中從源節點到目的節點所經過路由的跳數，m= sum（li，j）代表衛星網絡的總跳數，fline代表N×N鄰接矩陣。li，j=0表示衛星si和sj沒有直連的星間鏈路，li，j>0代表si與sj進行通信所經過的路由跳數。串珠形編隊模型（N=6）如下：

同理，環形編隊模型為：

星形編隊：

網狀形編隊：

3　衛星編隊網絡仿真

3.1仿真設計

在Ubuntu 14.04環境下，使用NS3對四種衛星編隊網絡性能進行仿真，評價網絡性能采用吞吐量指標。仿真參數如表1。

表1　仿真參數Tab.1　Simulation parameters

3.2仿真結果

圖4為串珠形編隊網絡吞吐量隨時間變化，在串珠形編隊中，通過鄰接矩陣計算，一共有70路由跳數，平均吞吐量在150 Kbps。由于串珠形編隊容易調整姿態，在編隊中沒有主星，易于維護編隊構型。但是每顆星只能跟鄰星通信，造成傳輸效率低，6顆星編隊時，最大跳數達到5，魯棒性差。

圖5為環形編隊吞吐量隨時間變化，在環形編隊中，鄰接矩陣最多有54跳數，平均吞吐量在126 Kbps。對于環形編隊，每顆星與最遠的星通信跳數在3跳以內。每顆星在網絡中有同樣的位置，比串珠形編隊有較好的魯棒性，一旦其中有顆星發生故障，可以很快進行調整新的環形，但是由于多跳特性，依然會造成傳輸效率偏低。

圖6為星形編隊編隊吞吐量隨時間變化，在星形編隊中，與環形編隊一樣，有54跳數，平均吞吐量在100 Kbps。但是星間通信最大跳數在2跳以內。星形編隊常常是主從結構。每顆從星通過主星與另一顆從星進行通信，靈活性較高，從星發生故障，對整個網絡[7-9]影響較低。但是，會造成主星通信擁堵。

圖4　串珠形編隊吞吐量隨時間變化Fig.4　Time vs throughput:line formation

圖5　環形編隊吞吐量隨時間變化Fig.5　Time vs throughput:ring formation

圖6　星形編隊吞吐量隨時間變化Fig.6　Time vs throughput:star formation

圖7為網狀形編隊吞吐量隨時間變化，在網狀形編隊中，星間通信跳數最多有30跳數，平均吞吐量在420 kbps。這種編隊，魯棒性高，沒有中心節點，每顆衛星地位相當，無論哪顆衛星損壞，對整個飛行編隊網絡影響小，每顆星可以互相直連通信，數據通信效率高，時延小。但是由于在天線設計等資源限制下，這種編隊實現起來難度很大。

圖7　網狀形編隊吞吐量隨時間變化Fig.7　Time vs throughput:mesh formation

4　結　論

基于802.11，設計了小衛星編隊網絡協議棧，分析了四種典型飛行編隊網絡，進行了性能仿真。方案滿足了空間探測任務星間通信，提高了小衛星編隊空間任務論證的準確度和可靠性，具有較高的工程參考價值。

[1]胡敏，曾國強.分離模塊集群航天器發展概況[J].裝備指揮技術學院學報，2011，22（4）:61-66.

[2]茍亮，魏迎軍，申振，等.分離模塊航天器研究綜述[J].飛行器測控學報，2012，31（2）:7-12.

[3]Rash J，Hogie K，Casasanta R.Internet technology for future space missions[J].Computer Networks，2005，47（5）:651-659.

[4]IEEE Computer Society，Part 11:Wireless LAN Medium AccessControl（MAC）andPhysicalLayer（PHY）Specifications，IEEE Standard for Information technology-Telecommunicationsandinformationexchangebetween systems，Local and metropolitan area networks-Specific requirements[S]，IEEE Std 802.11 2012.

[5]NakamuraY，FaberN，MauroD，etal.Heterogeneous Spacecraft Networks:Performance analysis for low-cost Earth Observation missions[C]//Aerospace Conference，2014 IEEE.IEEE，2014:1-14.

[6]陳林星，曾曦，曹毅.移動Ad Hoc網絡:自組織分組無線網絡技術[M].北京:電子工業出版社，2006.

[7]祝莉妮.基于網絡技術下計算機網絡學習的研究[J].電子技術與軟件工程，2015（5）:20.

[8]張國光.基于神經網絡的有遮擋圖像分割方法[J].電子科技，2015（5）:132-135.

[9]段立峰.基于虛擬儀器的網絡測控技術的研究[J].電子設計工程，2015（18）:144.

Protocol simulation of Inter-satellite communication for satellite formation network based on 802.11

KANG Hai-long1，2，JIANG Xiu-jie1，XIONG Wei-ming1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to ensure the success of space exploration mission，the small satellite formation requires reliable intersatellite communications.Based on 802.11，small satellite formation network protocol architecture was designed.Firstly，network protocol stack was built according the OSI stack layers，the key parameters of physical layer and data link layer of was tuned to meet the requirement of inter-satellite communication，the network layer routing protocol was analysed，and then the satellite network formation model was made and analysed.With the aid of the network simulation tool NS3，performance of four typical formation network was simulated.Simulation results show that the network protocol architecture ensures inter-satellite communications based on 802.11.Although network performance varies greatly in different flyning formations，it can be adjusted according to the task requirements.

inter-satellite communication；performance analysis；simulation；NS3

TN927

A

1674－6236（2016）01-0082-04

2015-05-05稿件編號：201505025

國家高技術研究發展計劃（863計劃）資助課題（Y28021A220）

康海龍（1987—），男，遼寧鐵嶺人，博士研究生。研究方向：計算機應用技術。