无线自组网和卫星网络融合的路由方法

杨昕 孙智立

【摘  要】介绍了一种为“天地一体化”网络设计的创新性的去中心化自组织路由方案。与现有的以地面为主或以卫星为主的“天地一体化”网络方案不同，本方案提出将卫星节点和地面节点等同对待的互联机制。自组织路由确保了路由过程的自主性和灵活性。仿真结果表明，提出的方案可以提供满足服务质量要求的全球覆盖的网络服务。

【关键词】卫星通信;大规模低轨卫星星座;网络路由;自组织网络;“天地一体化”网络

中图分类号：TN927

文献标志码：A        文章编号：1006-1010（2019）05-0014-07

1   引言

近数十年来卫星技术飞速发展，自从人类发射第一颗人造卫星以来，已经有超过7 000颗人造卫星被发射进入太空。在卫星的众多类型和不同用途中，通信卫星因其广泛的应用和大覆盖面积的特点而受到科研人员们的重视并在现代网络技术中得到了广泛的应用。与此同时，地面有线及无线通信网络也经历了巨大的发展。从传统的电话线路网络到现有的高容量宽带网络，人们的生活得到了极大的丰富。

从90年代初期起，数十种卫星通信网络星座被提出，其中一些已投入运营，例如地球静止轨道GEO（Geostationary Earth Orbit）卫星Inmarsat、Intelsat和SES运营商、中轨MEO（Medium Earth Orbit）星座O3b及低轨LEO（Low Earth Orbit）星座Iridium、OneWeb、Starlink等。随着卫星星座相关技术的发展，人们开始考虑将卫星网络与地面网络紧密结合以提供全球覆盖的通信服务的可能性，以满足日益增长的全球通信的需求，即现在被广泛关注的“天地一体化”网络。

目前，“天地一体化”网络主要有三种构成方式：

（1）以地面为主：有时也称为“天星地网”结构，卫星以中继信号的形式在网络中提供服务。有时会利用星间链路技术实现卫星间信息传递，但通常做法是尽快将信息传回可见的地面站进行后续传输。这是包括Iridium在内的现有卫星通信网络的使用形式[1-4]。

（2）以卫星为主：卫星负责整个网络的管理工作，有时也有地面站协同管理。在这类研究中，多层卫星网络（例如由GEO、MEO和LEO三层卫星星座组成的多层网络）常常被使用，其中处于高轨的卫星通常作为控制单元和骨干网络，处于低轨的卫星负责信号中继传输。

（3）完全融合：卫星网络和地面网络享有相同的优先级。可由两部分网络协同负责网络管理（中心化网络管理），也可由各节点自主适应网络情况变化实现信息传输（去中心化网络管理）。文献[5]中提出了一种类似的卫星/高空一体化信息网络结构。

本文重点考虑“天地一体化”无线自组网络路由的新方案。与以往的研究不同，该方案将卫星网络和地面网络视为等同重要的部分，并以此实现自适应的去中心化网络管理和信息路由。

2   目前研究情况

文献[4]描述了一种多层星座设计的“天地一体化”网络（以卫星为主）。GEO层卫星作为控制中心，负责引导MEO和LEO层卫星间的信息流方向。作者提出了两种名为QSR（QoS-oriented Satellite Routing，面向服务质量的卫星路由）和QBA（QoS-oriented Bandwidth Allocation，面向服务质量的带宽分配）的路由算法：QSR以卫星链路的可用带宽、时延、丢包率为指标将链路进行加权，從而选择最优链路进行信息传输;QBA在QSR的基础上进一步引入服务类型和链路状态作为参考因素。两种算法均在由2个LEO卫星和多个MEO卫星的仿真场景下进行了测试，结果显示此两种算法可以提供满足QoS要求的服务。

文献[6]验证了一种“天地一体化”网络的性能，其中地面部分由LTE网络组成，卫星部分由MEO或LEO中继卫星组成（以地面为主）。通过将现有BP-MR（Backpressure for Multi-Radio，多路无线电的背压路由）路由算法的“按包路由”方式改变为“按信息流路由”方式，“天地一体化”的网络可以获得性能提升：与传统的OLSR（Optimized Link State Routing，最佳链路状态路由）路由算法相比，文献中所提出的算法在急救场景下提供互联网的TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）服务的能力明显占优。

文献[7]介绍了一种与文献[4]中类似的多层“天地一体化”网络，其中在卫星网络部分中，高层卫星作为天基骨干网络，路由信息由地面站计算后分发至卫星网络（以地面为主）。路由计算以链路状态为依据，文献中没有明确给出性能指标，但是描述了验证性能的方法。

3   本文的路由新方案

尽管已有多种“天地一体化”网络设计方案被提出，现有研究仍着力于以地面为主或以卫星为主这两种组网方式。对于以地面为主的一体化网络，卫星部分只用作信号中继，现代卫星的信息处理能力不能被充分利用;对于以卫星为主的一体化网络，为实现太空中的中心化网络管理，卫星星座通常由GEO、MEO和LEO等多层组成，这样的设计给星座的建设与管理带来巨大困难。因此，本文提出一种新型的、卫星部分与地面部分完全融合的、去中心化的移动自组织“天地一体化”网络构想。

3.1  卫星网络地面部分路由问题

传统上，地面网络和卫星网络经历了不同的发展过程，在实际使用上也是区别对待的，没有充分考虑到两者的互联问题。在“天地一体化”网络中，由于资源的有限性和较长的传输距离，星地链路通常是性能的“瓶颈”部分[8]。因此，充分利用星地链路可用资源对提升一体化网络的性能有着重要意义。

文献[9]中提到了一种为“天地一体化”网络设计的移动自组织网络按需路由方案。仿真结果表明该方案可以在各地面战之间动态平衡信息流量，在保证本地网络性能的情况下提高星地链路利用率。所以，本研究利用此方案作为“天地一体化”网络地面部分路由方案。

3.2  卫星网络空间部分路由问题

与传统的GEO或MEO星座不同，下一代LEO通信星座将会包含数百甚至数千上万颗卫星以提供高容量和高覆盖的网络服务。例如，OneWeb星座将由648颗卫星组成，Starlink星座所包含卫星数量更是将达到11 927颗之多[10-11]。

图1显示OneWeb星座的仿真图：

图2显示Starlink星座第一阶段的仿真图[12-13]。

复杂的星座结构也带来了复杂的网络拓扑结构和巨大的网络管理难度。由于每颗星的覆盖范围相对较小，为实现全球信号覆盖，卫星间将进行频繁的信息交换。在包含着数百数千个不断高速移动的通信节点间实现路由并非易事，现有的卫星网络静态路由方案将无法满足这样的应用场景。

我们之前的研究[14]提出了一种信息包以自组织形式路由的方案，该方案将卫星网络分为三层：物理卫星层、逻辑卫星层和地面用户层。通过这种方案，卫星网络复杂的拓扑变化对地面用户完全隐藏，提高卫星网络与地面网络互联的可能性和实用性。通过动态监测星间链路状态，卫星间路由也可满足QoS要求。因此，本研究利用此方案作为“天地一体化”網络卫星部分路由方案。

3.3  一体化网络融合路由问题

尽管卫星网络和地面网络历经了不同的发展路线，卫星通信网络的终极目标将是与地面网络融合成统一的整体结构。本研究将卫星节点和地面节点作为一体化网络中同等对待的通信节点。此处提出两个定义：

定义1：g节点代表地面通信节点，s节点代表卫星通信节点。

定义2：i节点代表一个网络的入口节点，r节点代表一个网络内的中继节点，e节点代表一个网络的出口节点。

在定义1和定义2中定义的节点类型基础上补充S节点（通信源节点）和D节点（通信目的地节点），本研究共涉及8种通信节点，在表1中列出，8种通信节点间的关系以图3表示。

进而，一个信息包从源节点（地面）路由至目的地节点（地面）的步骤如下：

第1步：在从S节点发送之前，先判断D节点是否与S节点同属一个网络：如果是，根据本地自组织路由协议进行信息包路由;如果不是，前进至第2步。

第2步：判断下一节点是否为ge节点：如果是，将包发送至下一节点（ge节点），前进至第3步;如果不是，根据路由协议（路由表）寻找通往ge节点路径上的下一节点（gr节点），然后重复第2步。

第3步：根据卫星路由表寻找与该ge节点相对应的卫星，然后将信息包发送至si节点。

第4步：判断D节点是否在当前卫星的覆盖范围内：如果是，将信息包发送至D节点，通信完成;如果不是，前进至第5步。

第5步：判断下一节点是否为se节点：如果是，将包发送至下一节点（se节点），然后重复第4步;如果不是，根据路由协议（路由表）寻找通往se节点路径上的下一节点（sr节点），然后重复第5步。

4   仿真参数

如上文所述，目前卫星网络通常作为地面网络的延伸，辅助提供更广的覆盖范围和更好的网络可用性，而不是单纯取代地面网络设施。与此同时，近些年网络应用场景有了很大的改变。传统上，多数卫星网络被设计为“延迟容忍网络”，服务场景通常对信号传输时延不敏感，但是，现在VoIP（Voice over IP）、多媒体流传输等时延敏感、高带宽需求服务越来越普及。在研究未来网络时，这类服务场景也应该在考虑范围内[15]。

综上，本文提出的自组织“天地一体化”网络将在两种场景内进行仿真：环境监测和紧急情况管理、仿真在ns-2环境下进行。

4.1  星座参数设定

本研究选择较为热门的下一代LEO星座OneWeb作为仿真对象。由于OneWeb星座中本不包含星间链路，因此实验中应用Iridium星座的星间链路参数构建类OneWeb星座以实现卫星间通信功能。

星座参数如表2所示：

4.2  仿真场景设定

两种仿真场景分别描述如下：

（1）环境监测

随着传感器网络技术和物联网技术的发展，越来越多的传感器被用于环境监测领域。例如，监测海洋环境有利于渔业和相关科学研究。在这种场景下，传感器从偏僻区域采集监测信息，信息通常为低带宽需求、时延不敏感的周期性突发传输的信息流。在本仿真中，传感器模拟放置于直布罗陀海域，采集到的信息通过卫星网络回传到位于伦敦的总部。场景示意如图4所示：

在图4中，传感器的位置固定，信息由传感器向总部单向传输。基于这些假设的仿真参数如表3所示，其中有12个传感器（11个作为本地通信节点，1个作为卫星访问节点），传感器间距根据现实例子设定为250 m，信息包以UDP（User Datagram Protocol，用户数据报协议）协议传输，包大小设置为512字节以反映传感器数据较小的特征。数据每隔30分钟传输一次，每次传输持续30秒，以模拟传感器数据突发性、周期性的传输特点。仿真时长为24小时以模拟全天候监测的应用场景。

（2）紧急情况管理

“天地一体化”网络另一个可用领域为紧急情况管理，例如为灾难现场提供网络服务。与上一个场景不同，此场景通常要求高带宽、低时延的双向通信支持，为VoIP和多媒体串流等业务提供保障。信息从灾难现场回传到异地的指挥部，指挥部再根据所获的的信息向灾难现场传达救灾指令。在本仿真中，灾难现场设定为四川汶川，指挥部设定为北京。场景示意如图5所示。

仿真参数如表4所示。灾难现场设置16个移动节点，代表救援者，节点以步行速度移动，并设置2个卫星网关节点。音视频信息包采用仿真软件默认参数，考虑到手持通信终端通常的电池寿命，仿真时长设定为2小时。

5   仿真结果

仿真结果及相应的QoS要求[16]如表5所示：

从表5中，我们可以看到本文提出的融合路由算法可以保证可观的网络性能。对于环境监测场景，整体丢包率为0.026 2%，其中绝大部分丢包发生在地面网络中（地面网络中卫星网关数量少导致信息包在本地网络中需要多次中继所致）。平均端对端时延为168.44 ms，可以满足这类时延不敏感服务的需求。对于紧急情况管理场景，99.281 7%的信息包被成功送达目的地，这个数值虽未达到QoS服务质量的要求，但满足VoIP服务的要求[17]。整体性能可以满足该场景下服务需求。

6   结束语

本文提出了一种“天地一体化”网络（尤其是由下一代大型卫星星座组成卫星空间部分的“天地一体化”网络）的新的路由思路。去中心化的自组织路由方式将地面节点与卫星节点等同对待，提供了可观的灵活性，仿真结果表明其可以满足当今通信服务的需求。

文中使用类OneWeb星座作为仿真对象并得到相应结果，但不同星座参数（卫星数量、轨道高度、轨道倾角等）也将对网络性能产生影响。例如：同样卫星数量的情况下，轨道高度越低，每颗星在地面上的覆盖范围则越广、服务的用户数量越多，进而每位用户所能分配到的网络资源越少。卫星数量和轨道高度不变的情况下，轨道倾角越大，对高纬度地区的网络覆盖越好，但由此带来的高纬度地区和极地地区卫星管理问题就越复杂。类似的问题还需今后进一步研究。

未来工作包括：进一步优化路由算法，分别提升地面部分和卫星部分的網络性能;在更多的场景下验证其性能;检验卫星星座参数对网络性能的影响，并以此优化路由算法以适应多种星座组网方式以及新型的大规模低轨卫星星座的挑战。

参考文献：

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