無線自組網和衛星網絡融合的路由方法

楊昕 孫智立

【摘? 要】介紹了一種為“天地一體化”網絡設計的創新性的去中心化自組織路由方案。與現有的以地面為主或以衛星為主的“天地一體化”網絡方案不同，本方案提出將衛星節點和地面節點等同對待的互聯機制。自組織路由確保了路由過程的自主性和靈活性。仿真結果表明，提出的方案可以提供滿足服務質量要求的全球覆蓋的網絡服務。

【關鍵詞】衛星通信;大規模低軌衛星星座;網絡路由;自組織網絡;“天地一體化”網絡

中圖分類號：TN927

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2019）05-0014-07

1? ?引言

近數十年來衛星技術飛速發展，自從人類發射第一顆人造衛星以來，已經有超過7 000顆人造衛星被發射進入太空。在衛星的眾多類型和不同用途中，通信衛星因其廣泛的應用和大覆蓋面積的特點而受到科研人員們的重視并在現代網絡技術中得到了廣泛的應用。與此同時，地面有線及無線通信網絡也經歷了巨大的發展。從傳統的電話線路網絡到現有的高容量寬帶網絡，人們的生活得到了極大的豐富。

從90年代初期起，數十種衛星通信網絡星座被提出，其中一些已投入運營，例如地球靜止軌道GEO（Geostationary Earth Orbit）衛星Inmarsat、Intelsat和SES運營商、中軌MEO（Medium Earth Orbit）星座O3b及低軌LEO（Low Earth Orbit）星座Iridium、OneWeb、Starlink等。隨著衛星星座相關技術的發展，人們開始考慮將衛星網絡與地面網絡緊密結合以提供全球覆蓋的通信服務的可能性，以滿足日益增長的全球通信的需求，即現在被廣泛關注的“天地一體化”網絡。

目前，“天地一體化”網絡主要有三種構成方式：

（1）以地面為主：有時也稱為“天星地網”結構，衛星以中繼信號的形式在網絡中提供服務。有時會利用星間鏈路技術實現衛星間信息傳遞，但通常做法是盡快將信息傳回可見的地面站進行后續傳輸。這是包括Iridium在內的現有衛星通信網絡的使用形式[1-4]。

（2）以衛星為主：衛星負責整個網絡的管理工作，有時也有地面站協同管理。在這類研究中，多層衛星網絡（例如由GEO、MEO和LEO三層衛星星座組成的多層網絡）常常被使用，其中處于高軌的衛星通常作為控制單元和骨干網絡，處于低軌的衛星負責信號中繼傳輸。

（3）完全融合：衛星網絡和地面網絡享有相同的優先級。可由兩部分網絡協同負責網絡管理（中心化網絡管理），也可由各節點自主適應網絡情況變化實現信息傳輸（去中心化網絡管理）。文獻[5]中提出了一種類似的衛星/高空一體化信息網絡結構。

本文重點考慮“天地一體化”無線自組網絡路由的新方案。與以往的研究不同，該方案將衛星網絡和地面網絡視為等同重要的部分，并以此實現自適應的去中心化網絡管理和信息路由。

2? ?目前研究情況

文獻[4]描述了一種多層星座設計的“天地一體化”網絡（以衛星為主）。GEO層衛星作為控制中心，負責引導MEO和LEO層衛星間的信息流方向。作者提出了兩種名為QSR（QoS-oriented Satellite Routing，面向服務質量的衛星路由）和QBA（QoS-oriented Bandwidth Allocation，面向服務質量的帶寬分配）的路由算法：QSR以衛星鏈路的可用帶寬、時延、丟包率為指標將鏈路進行加權，從而選擇最優鏈路進行信息傳輸;QBA在QSR的基礎上進一步引入服務類型和鏈路狀態作為參考因素。兩種算法均在由2個LEO衛星和多個MEO衛星的仿真場景下進行了測試，結果顯示此兩種算法可以提供滿足QoS要求的服務。

文獻[6]驗證了一種“天地一體化”網絡的性能，其中地面部分由LTE網絡組成，衛星部分由MEO或LEO中繼衛星組成（以地面為主）。通過將現有BP-MR（Backpressure for Multi-Radio，多路無線電的背壓路由）路由算法的“按包路由”方式改變為“按信息流路由”方式，“天地一體化”的網絡可以獲得性能提升：與傳統的OLSR（Optimized Link State Routing，最佳鏈路狀態路由）路由算法相比，文獻中所提出的算法在急救場景下提供互聯網的TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）服務的能力明顯占優。

文獻[7]介紹了一種與文獻[4]中類似的多層“天地一體化”網絡，其中在衛星網絡部分中，高層衛星作為天基骨干網絡，路由信息由地面站計算后分發至衛星網絡（以地面為主）。路由計算以鏈路狀態為依據，文獻中沒有明確給出性能指標，但是描述了驗證性能的方法。

3? ?本文的路由新方案

盡管已有多種“天地一體化”網絡設計方案被提出，現有研究仍著力于以地面為主或以衛星為主這兩種組網方式。對于以地面為主的一體化網絡，衛星部分只用作信號中繼，現代衛星的信息處理能力不能被充分利用;對于以衛星為主的一體化網絡，為實現太空中的中心化網絡管理，衛星星座通常由GEO、MEO和LEO等多層組成，這樣的設計給星座的建設與管理帶來巨大困難。因此，本文提出一種新型的、衛星部分與地面部分完全融合的、去中心化的移動自組織“天地一體化”網絡構想。

3.1? 衛星網絡地面部分路由問題

傳統上，地面網絡和衛星網絡經歷了不同的發展過程，在實際使用上也是區別對待的，沒有充分考慮到兩者的互聯問題。在“天地一體化”網絡中，由于資源的有限性和較長的傳輸距離，星地鏈路通常是性能的“瓶頸”部分[8]。因此，充分利用星地鏈路可用資源對提升一體化網絡的性能有著重要意義。

文獻[9]中提到了一種為“天地一體化”網絡設計的移動自組織網絡按需路由方案。仿真結果表明該方案可以在各地面戰之間動態平衡信息流量，在保證本地網絡性能的情況下提高星地鏈路利用率。所以，本研究利用此方案作為“天地一體化”網絡地面部分路由方案。

3.2? 衛星網絡空間部分路由問題

與傳統的GEO或MEO星座不同，下一代LEO通信星座將會包含數百甚至數千上萬顆衛星以提供高容量和高覆蓋的網絡服務。例如，OneWeb星座將由648顆衛星組成，Starlink星座所包含衛星數量更是將達到11 927顆之多[10-11]。

圖1顯示OneWeb星座的仿真圖：

圖2顯示Starlink星座第一階段的仿真圖[12-13]。

復雜的星座結構也帶來了復雜的網絡拓撲結構和巨大的網絡管理難度。由于每顆星的覆蓋范圍相對較小，為實現全球信號覆蓋，衛星間將進行頻繁的信息交換。在包含著數百數千個不斷高速移動的通信節點間實現路由并非易事，現有的衛星網絡靜態路由方案將無法滿足這樣的應用場景。

我們之前的研究[14]提出了一種信息包以自組織形式路由的方案，該方案將衛星網絡分為三層：物理衛星層、邏輯衛星層和地面用戶層。通過這種方案，衛星網絡復雜的拓撲變化對地面用戶完全隱藏，提高衛星網絡與地面網絡互聯的可能性和實用性。通過動態監測星間鏈路狀態，衛星間路由也可滿足QoS要求。因此，本研究利用此方案作為“天地一體化”網絡衛星部分路由方案。

3.3? 一體化網絡融合路由問題

盡管衛星網絡和地面網絡歷經了不同的發展路線，衛星通信網絡的終極目標將是與地面網絡融合成統一的整體結構。本研究將衛星節點和地面節點作為一體化網絡中同等對待的通信節點。此處提出兩個定義：

定義1：g節點代表地面通信節點，s節點代表衛星通信節點。

定義2：i節點代表一個網絡的入口節點，r節點代表一個網絡內的中繼節點，e節點代表一個網絡的出口節點。

在定義1和定義2中定義的節點類型基礎上補充S節點（通信源節點）和D節點（通信目的地節點），本研究共涉及8種通信節點，在表1中列出，8種通信節點間的關系以圖3表示。

進而，一個信息包從源節點（地面）路由至目的地節點（地面）的步驟如下：

第1步：在從S節點發送之前，先判斷D節點是否與S節點同屬一個網絡：如果是，根據本地自組織路由協議進行信息包路由;如果不是，前進至第2步。

第2步：判斷下一節點是否為ge節點：如果是，將包發送至下一節點（ge節點），前進至第3步;如果不是，根據路由協議（路由表）尋找通往ge節點路徑上的下一節點（gr節點），然后重復第2步。

第3步：根據衛星路由表尋找與該ge節點相對應的衛星，然后將信息包發送至si節點。

第4步：判斷D節點是否在當前衛星的覆蓋范圍內：如果是，將信息包發送至D節點，通信完成;如果不是，前進至第5步。

第5步：判斷下一節點是否為se節點：如果是，將包發送至下一節點（se節點），然后重復第4步;如果不是，根據路由協議（路由表）尋找通往se節點路徑上的下一節點（sr節點），然后重復第5步。

4? ?仿真參數

如上文所述，目前衛星網絡通常作為地面網絡的延伸，輔助提供更廣的覆蓋范圍和更好的網絡可用性，而不是單純取代地面網絡設施。與此同時，近些年網絡應用場景有了很大的改變。傳統上，多數衛星網絡被設計為“延遲容忍網絡”，服務場景通常對信號傳輸時延不敏感，但是，現在VoIP（Voice over IP）、多媒體流傳輸等時延敏感、高帶寬需求服務越來越普及。在研究未來網絡時，這類服務場景也應該在考慮范圍內[15]。

綜上，本文提出的自組織“天地一體化”網絡將在兩種場景內進行仿真：環境監測和緊急情況管理、仿真在ns-2環境下進行。

4.1? 星座參數設定

本研究選擇較為熱門的下一代LEO星座OneWeb作為仿真對象。由于OneWeb星座中本不包含星間鏈路，因此實驗中應用Iridium星座的星間鏈路參數構建類OneWeb星座以實現衛星間通信功能。

星座參數如表2所示：

4.2? 仿真場景設定

兩種仿真場景分別描述如下：

（1）環境監測

隨著傳感器網絡技術和物聯網技術的發展，越來越多的傳感器被用于環境監測領域。例如，監測海洋環境有利于漁業和相關科學研究。在這種場景下，傳感器從偏僻區域采集監測信息，信息通常為低帶寬需求、時延不敏感的周期性突發傳輸的信息流。在本仿真中，傳感器模擬放置于直布羅陀海域，采集到的信息通過衛星網絡回傳到位于倫敦的總部。場景示意如圖4所示：

在圖4中，傳感器的位置固定，信息由傳感器向總部單向傳輸。基于這些假設的仿真參數如表3所示，其中有12個傳感器（11個作為本地通信節點，1個作為衛星訪問節點），傳感器間距根據現實例子設定為250 m，信息包以UDP（User Datagram Protocol，用戶數據報協議）協議傳輸，包大小設置為512字節以反映傳感器數據較小的特征。數據每隔30分鐘傳輸一次，每次傳輸持續30秒，以模擬傳感器數據突發性、周期性的傳輸特點。仿真時長為24小時以模擬全天候監測的應用場景。

（2）緊急情況管理

“天地一體化”網絡另一個可用領域為緊急情況管理，例如為災難現場提供網絡服務。與上一個場景不同，此場景通常要求高帶寬、低時延的雙向通信支持，為VoIP和多媒體串流等業務提供保障。信息從災難現場回傳到異地的指揮部，指揮部再根據所獲的的信息向災難現場傳達救災指令。在本仿真中，災難現場設定為四川汶川，指揮部設定為北京。場景示意如圖5所示。

仿真參數如表4所示。災難現場設置16個移動節點，代表救援者，節點以步行速度移動，并設置2個衛星網關節點。音視頻信息包采用仿真軟件默認參數，考慮到手持通信終端通常的電池壽命，仿真時長設定為2小時。

5? ?仿真結果

仿真結果及相應的QoS要求[16]如表5所示：

從表5中，我們可以看到本文提出的融合路由算法可以保證可觀的網絡性能。對于環境監測場景，整體丟包率為0.026 2%，其中絕大部分丟包發生在地面網絡中（地面網絡中衛星網關數量少導致信息包在本地網絡中需要多次中繼所致）。平均端對端時延為168.44 ms，可以滿足這類時延不敏感服務的需求。對于緊急情況管理場景，99.281 7%的信息包被成功送達目的地，這個數值雖未達到QoS服務質量的要求，但滿足VoIP服務的要求[17]。整體性能可以滿足該場景下服務需求。

6? ?結束語

本文提出了一種“天地一體化”網絡（尤其是由下一代大型衛星星座組成衛星空間部分的“天地一體化”網絡）的新的路由思路。去中心化的自組織路由方式將地面節點與衛星節點等同對待，提供了可觀的靈活性，仿真結果表明其可以滿足當今通信服務的需求。

文中使用類OneWeb星座作為仿真對象并得到相應結果，但不同星座參數（衛星數量、軌道高度、軌道傾角等）也將對網絡性能產生影響。例如：同樣衛星數量的情況下，軌道高度越低，每顆星在地面上的覆蓋范圍則越廣、服務的用戶數量越多，進而每位用戶所能分配到的網絡資源越少。衛星數量和軌道高度不變的情況下，軌道傾角越大，對高緯度地區的網絡覆蓋越好，但由此帶來的高緯度地區和極地地區衛星管理問題就越復雜。類似的問題還需今后進一步研究。

未來工作包括：進一步優化路由算法，分別提升地面部分和衛星部分的網絡性能;在更多的場景下驗證其性能;檢驗衛星星座參數對網絡性能的影響，并以此優化路由算法以適應多種星座組網方式以及新型的大規模低軌衛星星座的挑戰。

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