大規模低軌衛星網絡移動性管理方案

吳琦/WU Qi，郭孟澤/GUO Mengze，朱立東/ZHU Lidong

（電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室，中國 成都 611731）

(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

低軌衛星網絡[1]主要包括空間段、地面段和用戶段，其中空間段主要由低軌衛星組成。目前，以銥星系統與LeoSat星座為代表的低軌衛星系統，在星座設計中均采用了星間鏈路和星上處理技術。這使得衛星星座擁有獨立組網和路由能力。未來低軌衛星星座也將繼續采用這些技術，以使得衛星星座不僅具備為地面終端之間、終端與地面站之間提供通信鏈路的能力，還擁有完成地面用戶接入、業務傳送等功能。地面段主要包括地面控制中心、指令站（跟蹤、遙測），以及網絡控制中心3個部分，可實現系統運維。用戶段主要包括各類地面終端用戶，如車載終端、艦載終端和衛星電話等。本文中，我們主要將地面用戶段劃分為高速移動終端和非高速移動終端。其中，高速移動終端在位置區覆蓋衛星進行切換的同時，也可能產生越區切換。

文獻[2]指出低軌衛星具有時延短、路徑損耗小和對功率要求低的優點，同時低軌衛星通信系統可以采用簡單、低功率的地面終端和設備。然而，相比于中軌衛星和高軌衛星，單顆低軌衛星的覆蓋范圍比較有限，需要大規模星座才能實現全球覆蓋。OneWeb通信系統就是這類星座的代表。它是由720顆運行在軌道高度為1 200 km的衛星構成的低軌衛星星座，星間通信依靠地面信關站完成。本文中的大規模低軌衛星網絡移動性管理方法主要應用于720顆存在星間鏈路的低軌衛星星座。

1 低軌衛星網絡動態虛擬化分布式移動性管理

1.1 低軌衛星網絡移動性管理研究現狀

地面網絡中的移動性管理方式主要為集中式管理[3]，即采用本地代理來實現對終端的管理，同時終端每次發起位置更新時都要向本地代理傳輸消息。如果直接將這種地面網絡的集中式移動性管理方法應用在低軌衛星網絡場景中，就會出現以下兩個問題：

（1）終端頻繁切換接入衛星[4-5]而產生的大量報文消息，會經過星間鏈路和本地網絡傳遞給本地代理。這將使得衛星星間鏈路和本地網絡負載過高。這種負載會隨著終端數量的增加而繼續增大，容易導致網絡癱瘓。

（2）當終端距離本地代理較遠時，信令的傳輸時延會增大。這種時延會影響終端的切換，進而影響整個網絡的性能。

因此，有必要針對低軌衛星網絡的特點，將低軌衛星移動速度快、網絡拓撲變化快等因素進行結合考慮[6]，尋找一種不同于傳統地面網絡集中式管理的移動性管理方法。文獻[7]提出的動態虛擬化分布式移動性管理（DV-DMM）是一種適用于大規模低軌衛星網絡的分布式移動性管理架構。對于分布式地面站建站困難的區域，如海洋、沙漠等，文獻[7]提出利用低軌衛星群組成動態虛擬網關，即存在星間鏈路的相鄰幾顆衛星共同組成虛擬網關，對地面終端發送的位置更新信息進行網關內信息同步。虛擬網關將在無法布設地面網關的地區發揮與地面網關相同的作用，例如存儲、轉發、路由等。通過和傳統的基于互聯網協議（IP）的移動IP第6版（MIPv6）移動性管理方法進行開銷對比，DV-DMM模型的移動性管理開銷優于MIPv6方案。

1.2 動態虛擬化分布式移動性管理方案

本文中我們使用和DV-DMM相似的移動性管理架構，并按照經緯度來劃分位置區。每個位置區所占經度范圍為12°，緯度范圍為15°，這樣全球一共被劃分為360個位置區。以此為最小單元，若有由于地理或政治因素無法建設地面站的位置區，則由覆蓋該位置區的衛星群來構成虛擬網關[7]以協助組網。

低軌衛星分布式移動性管理系統模型如圖1所示。在該模型中，我們從360個位置區中選取6個位置區。其中，LA3（LA指位置區）區域由于受到地理因素等限制無法建立地面網關。此時位于該位置區的衛星S5、S6、S7、S8會組成虛擬網關衛星群，同時S7將成為位于該位置區內MN2（MN指終端）的接入衛星。

▲圖1 低軌衛星分布式移動性管理系統模型

在本模型中，假設地面站與地面站之間、終端與地面站之間均不通過地面鏈路進行通信，所有的通信都由低軌衛星來完成。

終端向位置區所在的網關進行信息注冊時存在兩種情況：

（1）如果終端位置區所在的網關為地面站，那么在終端進行位置信息注冊時，終端的接入衛星會通過星間鏈路將終端的位置信息發送給終端所在位置區的網關，以完成信息的注冊。隨后網關再通過星間鏈路將終端的位置信息并發送給其他網關，以完成信息的全局同步。

（2）如果終端所在位置區網關為虛擬網關，則終端的接入衛星與相鄰的幾顆衛星共同組成當前位置區的虛擬網關。接入衛星在收到終端的位置信息時，會首先在虛擬網關內向其他衛星同步終端位置信息，再通過星間鏈路發送到全局其他網關。

發送給其他網關的全局同步信息僅包含終端當前所屬的位置區網關，而不包含終端當前的接入衛星。這是因為低軌衛星網絡中終端切換十分頻繁。如果每次切換時接入衛星都進行全局更新，信令傳輸開銷就會變得很大。因此，為了降低開銷，每次終端切換接入衛星時，僅需要通知本地網關，并在本地網關內更新接入的衛星信息。

當終端MN1向終端MN2發起通信請求時，發送的請求報文中只包含源終端和目的終端的標識信息。報文首先由MN1發送給MN1的接入衛星S2。S2收到報文后會在本地緩存中尋找MN2的標識信息。如果S2本地有MN2的標識信息，就說明MN2的接入衛星也是S2。這時MN1與MN2可以經由S2直接建立通信連接。如果S2本地查詢不到MN2的標識信息，S2就會將位置查詢報文發給當前位置區LA4的地面站。隨后，LA4的地面站將查詢本地緩存有無MN2的標識信息。如果有，則說明MN2也位于LA4中。這時MN1與MN2可通過LA4的地面站建立通信連接。由于終端在注冊時已經將其所屬位置區網關進行全局同步，因此任何一個網關處都存儲有MN2的所屬位置區網關信息。如果MN2不在LA4中，則LA4的網關就會將位置查詢報文發給MN2所在位置區的網關，以完成通信連接。通信對端位置查詢流程圖如圖2所示。

▲圖2 位置查詢流程圖

2 DV-DMM及其改進模型位置管理開銷分析

文獻[7]在動態虛擬化方案中提出了虛擬網關的概念。當用戶所在地區可以建立地面網關時，地面網關將承擔終端位置區信息的存儲工作。當地面終端需要向另一個終端發起通信時，該終端將首先查詢自身的接入衛星中是否存在另一終端的轉交地址，如有則直接通過接入衛星轉發信息，如無則通過接入衛星向自身位置區地面站尋求另一終端轉交地址實現通信過程。當用戶所在位置區因地理位置或地緣政治因素不能修建地面站時，覆蓋位置區的衛星將組合為虛擬網關，以代替地面網關的相關功能。

當地面終端由于覆蓋區衛星運動而發生位置更新時，該方案只需要將位置更新信息在虛擬網關之間進行局部更新即可。當地面用戶發生越區切換時，位置更新信息需要通過接入衛星廣播到全球網關（包括所有地面網關和虛擬網關），而這將帶來極大的位置更新開銷。

本節在文獻[7]提出的動態虛擬化分布式移動性管理方案基礎之上，進一步推導了該方案中全球虛擬網關服從均勻分布（即所有虛擬網關均由相同數目的衛星通過星間鏈路組成）時系統的位置更新開銷表達式，并結合地面終端密度進一步改進虛擬網關的分配策略，并給出了虛擬網關服從非均勻分布時系統的位置更新開銷表達式。

2.1 均勻虛擬網關DV-DMM系統位置管理開銷分析

我們將位置管理信令開銷定義為報文大小和報文跳數的乘積，并假設報文大小為固定值B。

位置管理信令開銷Ctotal包括終端切換接入衛星時通知本地網關的開銷Csat和切換位置區時由本地網關發起的向其他網關進行信息全局同步的開銷Cla。當地面終端所在位置區對應的網關為地面網關或者虛擬網關時，開銷分析均可按以下方式展開。

單位時間內由于低軌衛星運動而造成的終端切換接入衛星的次數Nacc可由式（1）計算：

其中，R表示衛星圓形覆蓋區的半徑，Vsat表示衛星移動速度，ρ表示地面用戶密度，相關示意如圖3所示。因此，由衛星運動導致的終端切換接入衛星的開銷Csat可由式（2）表示：

▲圖3 按照地面用戶密度對地球重新分區結果圖

其中，H(Sl,LAk)表示當終端所在位置區網關為地面網關時，從MN的接入衛星Sl到終端所在位置區網關LAk的跳數，通常取值為1。該跳數加1表示將從MN到Sl的1跳也考慮在內。Pvir表示MN所在網關是虛擬網關的概率。如果MN所在網關是虛擬網關，則還需要考慮虛擬網關內部信息同步的開銷。Hvir表示該虛擬網關內部信息同步所需要的跳數，該值與組成虛擬網關的衛星數量有關。Pvir可由式（3）計算：

其中，Nvir為系統中虛擬網關數量。NLA為系統中的網關總數量，包含虛擬網關數量和地面網關數量。

當MN切換位置區時，除了式（2）中的開銷之外，系統還需要向其他網關進行信息同步。此時額外開銷Cla可由式（4）計算：

其中，H(LAk,LAj)表示從位置區k的網關LAk到位置區j的網關LAj的跳數，Hvir_n表示第n個虛擬網關內部信息同步需要的跳數，Pla表示終端切換位置區的概率。式（4）中中括號的第1項是由MN所在網關LAk向全局其他網關發送位置更新消息的信令開銷，第2項是系統內的虛擬網關在接收到LAk發送的位置更新消息后，再進行虛擬網關內部信息同步的開銷。

本系統總的位置管理開銷可由式（5）表示：

2.2 自適應調整位置區虛擬網關規模算法

當全球虛擬網關服從均勻分布時，地面終端密度分布不同將導致不同地區對應的虛擬網關所承載的業務量不同。2.1節并未考慮到這一點。為使得系統能夠穩定運行，所有虛擬網關中的衛星數目都應相同，而且數值不能過大，否則高終端密度地區的虛擬網關將無法及時進行全部業務的接入和內部廣播操作。這種均勻劃分方式只能將全球大部分衛星劃分為多個小規模的虛擬網關，對于降低虛擬網關間的位置更新廣播跳數是不利的。

參考文獻[8]將地球表面按照國家地理位置、用戶分布密度、是否熱點地區等條件合理劃分成不同的管理區，并對不同的管理區進行分簇管理，實現了對不同用戶密度位置區進行差異化、細粒度的管理。

基于以上分析，本節提出了一種基于地面用戶密度劃分位置區的方法。為不同位置區分配不同大小的虛擬網關，可進一步降低全球虛擬網關數目，進而減少由地面終端發生越區切換引起的位置更新開銷。

1.2節中提到，全球一共被劃分為360個位置區。在這些位置區的基礎上，本文參照地球人口密度對位置區進行著色并用符號進行標記。其中，顏色越深的地方表示相應的位置區終端密度越大（符號數越大）。360個位置區的著色結果分布如圖4所示。

▲圖4 按照地面用戶密度對地球重新分區結果圖

圖4中，我們采用4種顏色，每種顏色對應①、②、③、④中的一個數字符號。顏色由淺至深（數字符號由小到大）代表了地面終端密度由低到高。假設這4種顏色代表的終端密度為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并滿足ρ1＜ρ2＜ρ3＜ρ4。圖4中中間白色方格區域近似為中國，按照現有方式可在中國境內布設地面站，暫時不需要構建虛擬網關。終端密度ρ4對應的區域近似為西亞、南歐和北非，ρ3對應的區域近似為南美、北美和北歐等地區，ρ2對應的區域為其他陸地地區，ρ1對應的區域為海洋。

對于終端密度高的地區，如果覆蓋區的虛擬網關中的衛星數量較多，虛擬網關覆蓋的面積將增多。這是因為衛星在單位時間內需要接收更多終端的位置更新。一次位置更新將對應一次虛擬網關內部的信息廣播過程。對于較大規模的虛擬網關而言，這種開銷是巨大的。此時應該選擇較小規模的虛擬網關。同理，對于終端密度低的地區，可以在網關承載能力之內選擇更大的虛擬網關。此時虛擬網關所覆蓋的范圍更大。當將此范圍作為當前終端所在位置區時，地面位置區相較于起初以經緯度劃分的位置區而言有所增大。這降低了該地區用戶發生越區切換的概率。雖然這些地區用戶密度較小，但是每一次越區切換所對應的全局廣播開銷十分龐大。因此，減少越區切換發生的次數對于系統整體優化有重要作用。

本文中我們將虛擬網關的最小單元設置為由4顆衛星連接而成的衛星群。終端密度高的地區將采用這樣的虛擬網關單元。對于用戶密度較低的區域，每顆衛星均向外部延伸1顆衛星，可以分別形成由8顆衛星和16顆衛星連接而成的衛星群。更進一步地，在16顆衛星組成的衛星群外部選擇8顆衛星各自向外延伸1顆衛星，可以形成24顆衛星組成的衛星群。因此，對于目前劃分的4種地面終端密度ρ4、ρ3、ρ2、ρ1，虛擬網關可以依次擴充為每組4、8、16、24顆衛星。不同終端密度地面區將采用不同規模的虛擬網關，即地面終端密度為ρ4、ρ3、ρ2、ρ1的位置區分別采用規模為4、8、16、24顆衛星的虛擬網關加以管理。需要說明的是，某一密度的地面區可能需要采取多組虛擬網關才能實現這一地面區的全部覆蓋。

2.3 非均勻虛擬網關DV-DMM系統位置更新開銷分析

本節提出了根據地面終端密度自適應調整覆蓋區虛擬網關大小的思路。終端密度較大的地區，由于虛擬網關承載能力有限，可選擇較小的虛擬網關，反之選擇較大的虛擬網關。下面我們對這種算法中位置管理產生的開銷加以分析。

當終端所在位置區網關為地面網關時，具體分析過程可參考2.1節。這里我們僅分析終端所在位置區網關為虛擬網關的情況。

由低軌衛星運動而造成的終端切換接入衛星的次數Nacc,i表達式為：

其中，R表示衛星圓形覆蓋區的半徑，Vsat表示衛星移動速度，ρi,i=1,2,3,4表示地面用戶密度。

其中，Ngro為原地面網關的數目。隨著虛擬網關數目的減少，虛擬網關出現的概率將會降低。具體而言，如果全球所有不能布設地面站的地理區域都采取均勻布設虛擬網關的方式，則考慮到虛擬網關的承載能力有限，全球的虛擬網關規模均為最小單元（即4顆衛星）。當全球地區均按照用戶終端密度自適應地改變虛擬網關的大小時，終端密度高的地方依舊維持由4顆衛星組成的最小虛擬網關單元，終端密度低的地方會擴大虛擬網關的規模，同時會相應地減少虛擬網關的數目。在整體星座中衛星數量一定的情況下，這種方式可以降低虛擬網關出現的概率P'vir。

因此，由衛星運動而導致的終端切換接入衛星的開銷Csat可由式（8）表示：

其中，等號右邊的第1項和第2項分別表示終端處于虛擬網關下和中國境內的開銷，為所有虛擬網關內部廣播跳數的加權平均值。當MN切換位置區時，除了式（8）中的局部開銷之外，還需要向其他網關進行信息同步。此時開銷Cla可由式（9）計算：

其中，Pi為中國境外終端在密度為ρi位置區的概率。當Nacc,i與Nacc相等時，式（9）與式（4）本質上是一樣的。

根據地面終端密度確定虛擬網關大小將會引起衛星星座中虛擬網關占比P'vir發生變化。式（8）和式（9）中系統總網關數目N'LA和虛擬網關數目N'vir均會減小，H(LAk,LAj)'因為全局網關數目的減少也會減小，但每個虛擬網關內部的局部更新開銷H'vir_n會相應增大。

綜上所述，系統總體開銷為：

2.4 虛擬網關開銷

由于地球的自轉和低軌衛星的高速移動性，覆蓋同一位置區的衛星是不斷變化的。虛擬網關本身可以被視為與地面位置區一一映射關系。虛擬網關的規模和位置僅與地面終端分布密度有關，同時虛擬網關內部存在衛星的接入與接出。

按照現有方式，在虛擬網關中，當有新的衛星進入時，舊的衛星將從當前網關中被移除。對于舊衛星的移出，系統需要在向虛擬網關內部其他衛星廣播移出信息。新接入的衛星需要向當前虛擬網關內的全部衛星廣播自身進入虛擬網關的消息，以便于新的用戶位置更新信息不用傳遞給已經移出網關的衛星，就可以正常傳遞給有新接入的衛星。因此，這樣的一次移入移出對應的全球系統開銷可以表示為：

3 系統仿真分析

3.1 仿真基本參數設置

本文中的仿真工具為MAT?LAB2021a推出的衛星通信工具箱。我們采用極軌星座（每軌24顆衛星，共30條軌道）。基本仿真參數如表1所示。

▼表1 星座仿真基本參數表

每個單元格為經度12°、緯度15°的方格區域。衛星軌道分為30軌，右旋升交點赤經以6°為間隔在0～180°內均勻取值，真近點角以15°為間隔在0～360°內均勻取值。為了體現相位差異，軌道編號為奇數的真近點角從[7.5,22.5,37.5,…,352.5]中取值，軌道編號為偶數的衛星真近點角從[0,15,30,…,345]中取值。星座仿真如圖5所示。

▲圖5 衛星星座仿真圖

圖5中外部紅色點為720顆衛星，地球表面圓圈為每顆衛星覆蓋面。每顆衛星可以與同軌道相鄰兩顆衛星以及相鄰軌道上的兩顆衛星建立星間鏈路。紫色線表示異軌之間的星間鏈路建立情況，分布不均勻的藍色點表示地球表面添加的移動終端。

利用仿真工具并結合圖4中地面終端密度所獲得的地面終端分布如圖6所示。

▲圖6 地面終端分布

3.2 開銷公式所需參數求解

本仿真規定，所有地面終端接入衛星的規則為按時序排隊。地面終端將與第1個接入的衛星保持連接，直至衛星離開地面終端位置區，此時再接入下一顆衛星。通過統計不同經緯度地區地面終端在24 h內接入衛星的次數，可以計算出圖4中不同密度地區的用戶接入次數平均值Nacc,i。根據圖4，我們可以將全局680顆低軌衛星分成規模分別為4、8、16、24的4種虛擬網關。其余40顆衛星處于中國國境上方，不需要構成虛擬網關。虛擬網關規模、數目、Nacc,i等參數值如表2所示。其中，虛擬網關內部廣播跳數H'vir_n可根據虛擬網關規模以及衛星之間的連接情況建立鄰接矩陣。利用Dijkstra[9]算法可計算出從虛擬網關邊界上任意一點到整個虛擬網關進行廣播所需的平均跳數。

▼表2 全球虛擬網關參數

非均勻分布時，虛擬網關總數目為51個，共包含680顆衛星；均勻分布時，680顆衛星以4顆衛星為一組來劃分虛擬網關，此時虛擬網關總數為170個。假設中國境內的地面網關數目為10個，則非均勻分布時虛擬網關出現概率為P'vir=0.83，均勻分布時虛擬網關出現概率Pvir=0.94。均勻分布時，Nacc取表2中Nacc,i的加權平均值。

根據圖4可建立非均勻規模的虛擬網關（虛擬網關總數為51）和均勻規模的虛擬網關（虛擬網關總數為170）之間的鄰接矩陣。此時，非均勻規模時網關到網關之間的平均跳數為，均勻規模時的平均跳數為。可以看出，非均勻規模虛擬網關的全局更新跳數遠小于均勻規模虛擬網關的跳數。由表2可知，虛擬網關非均勻時規模較大的虛擬網關內部更新跳數也將增大。

3.3 位置更新開銷仿真

根據前述參數仿真兩種情況下的位置更新開銷，分別為虛擬網關為均勻分布時的位置更新開銷和根據地面終端密度自適應調整虛擬網關規模方案的位置更新開銷。

均勻虛擬網關系統和非均勻虛擬網關系統因衛星運動而發生的位置管理開銷如圖7所示。均勻虛擬網關系統和非均勻虛擬網關系統因地面終端發生越區切換而產生的位置更新開銷如圖8所示。

▲圖7 衛星移動造成的位置更新開銷

▲圖8 用戶越區切換造成的位置更新開銷

圖7中，對于非均勻虛擬網關系統，由于引入了更大的虛擬網關，此時每次因衛星運動而產生的虛擬網關內部更新開銷占主要部分。因此，非均勻虛擬網關系統在衛星移動時將產生更大的信令開銷，性能表現不如均勻分布虛擬網關系統。圖8中，當非均勻虛擬網關系統引入更大的虛擬網關之后，系統中整體網關的數量變少。相比于均勻虛擬網關系統中的170個虛擬網關，非均勻虛擬網關中僅有51個虛擬網關。這大幅降低了全局更新的開銷。因此，用戶越區切換造成的位置更新開銷更小。將兩種位置更新開銷相加可計算系統總開銷，如圖9所示。采取本文提出的依據地面用戶密度自適應調整虛擬網關規模的方法將產生更小的位置更新開銷。

▲圖9 均勻分布虛擬網關系統與非均勻分布虛擬網關系統開銷對比

4 結束語

本文對DV-DMM系統在移動性管理方面的位置管理開銷進行了進一步探索，提出了一種根據地面終端密度自適應調整虛擬網關規模的算法，并比較了均勻分布虛擬網關系統和非均勻分布虛擬網關系統在用戶因衛星運動和越區切換而發生位置更新的性能開銷。仿真結果表明，非均勻分布虛擬網關系統位置管理中的位置更新信令開銷要小于非均勻虛擬網關系統。