面向動態外地代理的衛星網絡移動性管理機制

董彥磊， 李東昂， 劉 勤， 汪春霆， 史可懿

(1. 中國電子科技集團公司 航天信息應用技術重點實驗室，河北省 石家莊 050081；2. 西安電子科技大學 綜合業務網理論及關鍵技術國家重點實驗室，陜西 西安 710071)

低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛星通信系統能提供面向全球的個人移動通信服務，近年來發展迅速．由于其具有全球覆蓋、傳播時延低、傳輸損耗小以及部署成本低等特性，LEO衛星通信系統將是未來全球移動通信系統的一個重要方向．目前國外典型的LEO衛星通信系統有銥星系統(Iridium)和全球星系統(Globalstar)．隨著新一代無線網絡中全互聯網協議(Internet Protocol，IP)技術的發展，支持移動IP的移動性管理將是未來LEO衛星通信系統的重要組成部分[1]．

由于LEO衛星網絡覆蓋范圍廣，服務的用戶終端數量和種類多，網絡拓撲和業務具有高動態性，若直接采用移動IP技術，則衛星網絡用戶的業務切換會頻繁觸發用戶到家鄉代理的綁定更新，產生較高的切換時延和大量信令開銷．文獻[2]采用了MIPv6協議來實現星間切換的移動性管理，由于實際中衛星的平均過頂時間為 10 min，用戶業務在星間切換會導致大量的管理開銷．為了降低移動管理的開銷，文獻[3]提出了一種分布式網絡結構，利用地面信關站分擔衛星用戶家鄉代理的部分移動性管理功能，如果用戶在信關站管理范圍內發生星間切換，只需要在該信關站進行用戶的綁定更新，由此減小了用戶到所屬家鄉代理的注冊和更新次數．由于這種分布式網絡結構依賴信關站實施對用戶的移動管理和業務轉發，星地鏈路的長時延特性導致利用該方案實現移動性管理的時延較大．此外，實際中地面信關站的部署會受到多方因素限制，布站需要各方調解與協商，實現全球布站難度極大，因此該分布式網絡結構的信關站部署方式可行度不高．

筆者針對高動態的LEO通信網絡移動性管理問題，提出了一種面向動態外地代理的衛星網絡移動性管理機制，設計了移動代理簇協同共管移動代理域內用戶的網絡架構，利用衛星星上處理與交換能力，支持移動代理簇內的信息共享，設置了歸屬移動外地代理和托管移動外地代理；前者負責維護用戶在該域內的綁定關系信息，后者用來代理用戶星間切換的相關移動信令，這樣用戶只需要在其歸屬移動外地代理變化時，才觸發到家鄉代理的綁定更新，用戶在域內的切換只需更新其域內轉發關系即可，降低了移動性管理開銷與切換時延．該機制能適應LEO網絡的高動態特性，減少移動性管理中星地之間信息交互，降低對地面站數量和位置部署的需求，減輕衛星移動導致的管理負荷．

1 系統模型

文中構建的面向動態外地代理的衛星網絡系統其網絡架構如圖1所示．假設LEO衛星都已經具備星上處理及路由功能，且LEO衛星通信網基于IP技術．有關的術語定義介紹如下:

(1) 位置區．依據地形、經緯度等因素，人為劃分的地面區域，以方便根據位置區管理衛星．

(2) 移動代理域．在位置區內，屬于該位置區的所有LEO衛星節點的覆蓋范圍形成的區域．

(3) 移動代理簇．在位置區內，屬于該位置區的所有LEO衛星節點．

(4) 家鄉代理(Home Agent，HA)．放置在移動節點所在家鄉網絡的地面信關站處的路由器節點，用于維護移動節點的位置信息，包括移動節點的轉交地址、家鄉地址等．

(5) 移動外地代理(Mobile Foreign Agent，MFA)．放置在LEO衛星上的星載路由器節點，為注冊的移動節點提供路由服務．MFA與IPv4中的外地代理以及IPv6中的接入路由器類似，為移動節點提供配置地址和發送分組的服務，但是MFA是移動的．

(6) 移動節點(Mobile Node，MN)．LEO衛星通信系統中的移動用戶，其中用戶的業務切換包含移動代理域內切換及移動代理域間切換．利用移動IP技術，雖然在移動的過程中用戶會改變其衛星接入點，但仍可以利用原IP地址繼續與其他用戶正常通信．

在文中構建的衛星網絡架構中，全球被劃分為多個位置區，由若干個移動代理簇覆蓋且管理．處于某個位置區內的多個MFA形成移動代理簇，移動代理簇內MFA協同管理移動節點．該網絡架構支持簇內信息共享機制，適應高動態網絡環境，減少移動網絡對信息管理帶來的影響．

2 面向動態外地代理的衛星網絡移動性管理機制

圖2 移動性管理機制工作流程圖

為了減少到家鄉代理的綁定更新次數，在文中移動性管理機制中，定義了兩類衛星移動外地代理，即歸屬移動外地代理和托管移動外地代理．歸屬移動外地代理(Mobile Foreign Agent of Attachment，MFAA)負責維護用戶在移動代理域內的綁定關系，移動節點在家鄉代理處會綁定其MFAA的IP地址; 托管移動外地代理(Mobile Foreign Agent of Trusteeship，MFAT)是移動節點在其MFAA處綁定的移動外地代理．MFAA管理歸屬自身的移動節點與其MFAT之間的域內轉發關系，而MFAT為附著在其鏈路上的移動節點代理相關移動信令，并負責與其MFAA進行信令交互．這兩類移動外地代理，是相對于具體用戶而聲明的，一顆LEO衛星可能是某個用戶的MFAA，也可能是其他用戶的MFAT，或承擔MFAA和MFAT的雙重角色．

在文中移動性管理機制下，包括3種場景: 移動節點在域內切換且其MFAA未移出位置區，移動節點在域內切換且其MFAA移出位置區，以及移動節點在域間切換．其具體的移動性管理機制工作流程如圖2所示．其中當移動節點在域內切換且其MFAA未移出位置區時，移動節點選擇新的MFAT并與其MFAA之間建立域內轉發關系即可．在另外兩種場景下，移動節點均需重新選擇MFAA，并更新HA處的綁定關系．為了降低切換頻率和管理開銷，移動節點以最長視距準則選擇MFA作為該節點的MFAT；選擇在位置區滯留時間最長、最晚移出位置區的MFA作為該節點的MFAA．

2.1 移動代理域內切換

當MN在移動代理域內移動，或由于衛星移動而導致MN相對移動時，可能導致MN切換到新的MFA．為了減小長時延星地鏈路的傳輸次數，充分利用星載處理與交換能力，MN只需向新MFA發送注冊請求信息即可，剩下的管理流程會在移動代理簇內處理．當新MFA接收到MN的請求信息后，會查詢移動代理簇內交互的綁定關系表，判斷是否已有該節點信息的存在，如果域內已經有該MN的信息，新MFA會向MN注冊的MFAA發送轉發請求消息，自身會作為該MN的MFAT，并在MFAA處建立MFAA與MFAT之間的域內轉發表項;否則，說明該MN的MFAA已經移出原位置區，此時新MFA自身會作為該MN的MFAT，并選擇新的MFAA，更新移動代理簇內有關該MN的域內綁定關系表項，向家鄉代理注冊．

移動節點在域內切換且其MFAA未移出位置區時的衛星網絡綁定關系建立過程，可用圖3示例說明．在T1時刻，衛星節點LEO1為MN的MFAA，LEO1與信關站之間建立了綁定1，即信關站建立MN的綁定關系表項(IPMN，IPLEO1)，其中IPMN和IPLEO1分別是MN和衛星LEO1的IP地址．通過移動代理簇間的周期性信息交互，域內衛星節點LEO2、LEO3、LEO4也會建立域內綁定關系(IPMN，IPLEO1)．在T2時刻，MN相對移動到LEO5的覆蓋范圍，向LEO5發送注冊請求，此時LEO5已經經過移動代理簇間信息交互，獲取了MN的綁定關系，并得知其MFAA(LEO1)未移出代理域，則LEO5會向LEO1發送轉發請求消息．當請求消息得到確認后，LEO1作為移動用戶的MFAA，會建立域內轉發表項(IPMN，IPLEO5)，即綁定2．這種綁定關系的更新，無需像MIPv6協議一樣，每次變更服務衛星，MN都要發送注冊報文以更新家鄉代理處的綁定關系表項．綁定關系建立后，發送到MN的數據包按照綁定關系確定的路徑轉發即可到達．

圖3 未移出位置區時的衛星網絡綁定關系建立示意圖

移動節點在域內切換且其MFAA移出位置區時的衛星網絡綁定關系建立過程，用圖4示例說明．在T1時刻，衛星節點LEO1為移動節點的MFAA，LEO1與信關站之間建立了綁定1．在T2時刻，移動節點相對移動到LEO5的覆蓋范圍并發送注冊請求，此時LEO5同樣已經經過移動代理簇間信息交互，發現MFAA(LEO1)移出代理域，則告知移動節點需重新選擇MFAA．移動節點以LEO5作為MFAA重新發送注冊請求，并更新家鄉代理處的綁定關系表項，建立新建綁定1．域內衛星節點也會再次建立域內綁定關系(IPMN，IPLEO5)．

圖4 移出位置區時的衛星網絡綁定關系建立示意圖

完整的移動代理域內切換包括上述兩種場景，其中前者是文中提出機制主要針對的場景．通過改善移動性管理工作流程，移動代理簇實現二次轉發便可傳輸數據，降低了網絡高動態導致的大量管理開銷．

圖5 通信雙方數據傳輸路徑圖

2.2 數據傳輸的路由

當通信對端 (Correspondent Node ， CN) 不知道移動節點的轉交地址時，其數據傳輸的路徑如圖5所示．CN發送給MN的數據包經過MN的家鄉代理、MN的MFAA，即LEO1，MN的MFAT，即LEO5，最終到達MN．雖然局部范圍內不一定是最優的路由，但是在全局路由規劃上(從信關站到LEO5)是較為理想的．由于移動節點的綁定關系表項存儲在信關站，所以必須走“彎管式”路由．在這種機制下的數據傳輸路徑，與 MIPv6協議在首次通信時的路由選擇是一致的[4]，但在移動節點內切換且其MFAA未移出位置區時，只需要進行域內映射的更新，因此有關的位置更新開銷會大大減少．

3 移動性管理開銷分析

為了便于分析所提移動性管理機制與應用于LEO衛星網絡中MIPv6協議的開銷性能，定義位置管理開銷為單位時間內產生的控制信令長度乘傳輸該消息所需跳數，其單位為 B·hops/h[5]．假設各信令信息分組大小相同，都為M(單位為B)，則單位時間內單顆衛星與地面終端之間發生切換的次數NHO可表示為[3]

其中，L表示衛星覆蓋范圍直徑(單位為km)，D表示地面終端的分布密度，Vsat為低軌衛星的運行速度(單位為km/h)．

對于低軌衛星網絡中的MIPv6協議，其位置管理開銷包括移動節點到接入衛星的注冊開銷，和該衛星到家鄉代理的注冊開銷，記為

(2)

其中，I為衛星數量，H(Si，H)表示移動節點接入衛星Si到其家鄉代理HA之間的跳數(單位為hops)．

對于所提出的面向動態外地代理的衛星網絡移動性管理機制，當衛星Si作為移動節點的MFAA時，其位置管理開銷包括移動節點到衛星Si的注冊開銷和衛星Si到相關家鄉代理的注冊開銷; 當衛星Si作為MFAT時，位置管理開銷包括移動節點到衛星Si的注冊開銷和衛星Si到當前位置區內移動節點的MFAA注冊開銷．文中所提的移動管理方案的位置管理開銷BISN可表示為

(3)

其中，ni表示衛星Si到位置區的MFAA之間的跳數，PA表示衛星Si作為MFAA的概率，PT表示衛星Si作為MFAT的概率，有 0≤PA≤1，且PA+PT=1．

為了比較BISN和BMIPv6的大小，記ΔB=BISN-BMIPv6，有

(4)

由于NHO≥0，M>0，0≤PA≤1，且部署的信關站數目遠小于I，H(Si，H)大于ni，因此，ΔB<0，即在通常情況下，文中所提機制相比應用于低軌衛星網絡中的移動IPv6協議在位置管理方面的開銷更小．

在式(3)中，影響BISN大小的變量有I、PA、H(Si，H)和ni．一旦衛星星座給定，I值就確定下來，此時無論位置區以何種方式劃分，H(Si，H)的均值始終不變，記為K=E(H(Si，H))．對于PA和ni，二者的值與位置區的劃分方式有關，且ni的均值E(ni)會隨著PA的均值E(PA)增大而減小．如果E(PA)減小，也即單個位置區劃分面積增大，會導致位置區內的衛星數量增加，即E(ni)增大．但其準確的關系式很難給出．為了簡化參數之間的聯系，可以設定E(ni)與E(PA)滿足增長率為負的一次函數關系，表征E(ni)隨著E(PA)的增大呈現負增長的趨勢，即假設滿足E(ni)=A+kE(PA) 且k<0．根據極端條件 (E(PA)=0 和E(PA)=1)，可以計算出A=K，k=-K，可求得E(ni)=K(1-E(PA))．

記BISN的均值為E(BISN)，根據上文中的分析，可得式(3)的另一種表示，即

BISN=IE(BISN)=INHOM[K(E(PA))2-KE(PA)+K+1] ．(5)

根據式(5)可以看出，在星座給定的條件下，BISN與E(PA)滿足二次函數關系，且存在極小值．

4 仿真結果與分析

4.1 移動性管理開銷

仿真場景采用具有66顆低軌衛星的銥星系統，高度為 780k m，半雙工的數據傳輸速率為 2 400 b/s[6]．106個終端用戶均勻分布在地球地面，用戶的密度D= 0.001 9個/km2．單個衛星覆蓋面積直徑L= 2 800k m，衛星運行速度Vsat= 27 000 km/h，信令分組大小 M= 60 B[3]．設定單顆衛星到某用戶的家鄉代理跳數H(Si，HA)的均值E(H(Si， HA))=K=4，且H(Si，HA)服從λ=4 的泊松分布．此外，設定ni服從λ=E(ni)的泊松分布，PA服從μ=E(PA)的截斷正態分布，且E(ni)和E(PA)滿足E(ni)=K(1-E(PA))關系．變量PT可由公式PT= 1-PA獲取．其中，在仿真過程PA只截取正態分布中范圍為0～1的隨機變量X．上述仿真，最終的管理開銷BISN和BMIPv6均采用仿真104次后求取均值作為其計算數值．

如圖6所示，衛星作為MFAA的概率E(PA)對移動性管理開銷具有較大影響．在極端條件下，當E(PA)=0 時，只包含域內MFAA與MFAT之間的綁定更新開銷; 當E(PA)=1 時，系統不存在MFAT，協議工作流程與MIPv6協議一致，兩者都接近MIPv6協議的管理開銷．對比不同方差下的截斷正態分布可得，理論計算開銷與仿真結果比較吻合，表明仿真過程的合理性．在設定E(ni)和E(PA)滿足E(ni)=K(1-E(PA))關系下，文中所述機制的開銷比MIPv6協議的有不同程度的減少，且存在極小值點．在文中的場景下，可在E(PA)=0.5 處取極小值，管理開銷約為MIPv6協議的80%．

圖6 移動性管理開銷和歸屬衛星概率均值的關系曲線圖7 單位時間內某用戶綁定更新次數與時間關系圖

4.2 綁定更新次數

根據銥星系統星座設計，每顆衛星以 27 000 km/h 的速度高速飛行，繞地球1周約需要 1.5h ，用戶連接時間約為 9～ 12 min[7]．文中規劃一個在某時刻包含同軌道面3顆低軌衛星的位置區，通過統計某用戶在單位時間內綁定更新的次數來分析其性能．用戶發生切換的時間間隔設置為 10 min．

如圖7所示，對于MIPv6協議，每隔 10 min 都要到HA進行綁定更新，即該用戶每次切換衛星后就到HA位置更新．而對于文中所提機制，每隔 20 min 到HA進行綁定更新，同樣，域內綁定更新的時間間隔也是 20 min，原因是用戶的MFAA每隔 20 min 就會移出位置區，用戶需重新選擇MFAA，然后到HA更新位置信息．在MIPv6協議中，隨著時間的增長，到HA的綁定更新次數成線性增長．在文中所提機制中，雖到家鄉代理的綁定更新次數也在增加，對比MIPv6協議有大幅度減少，其減少量轉化為域內衛星節點之間的綁定更新．相比到HA的更新，域內映射關系的更新能夠明顯降低移動性管理開銷，提高系統性能．

在文中設定的仿真環境及正常條件下，所提新機制的開銷比MIPv6協議開銷降低約20%; 在新機制下，單位時間內某個隨機用戶到HA的綁定更新次數約為MIPv6協議的60%，即約有40%的位置更新不需要到遠距離的HA，減少了信令處理時延，降低了移動性管理負荷，提高了系統信令處理的可靠性．

5 結 束 語

文中針對LEO衛星網絡移動性管理負荷重和布站困難問題，提出了面向動態外地代理的衛星網絡移動性管理機制，能夠降低對地面布站的需求，優化移動性管理流程．通過形成移動代理域內共享機制，減小到家鄉代理的綁定更新頻率，大大降低了系統中移動性管理信令開銷．

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