无线自组网和卫星网络融合的路由方法

无线自组网和卫星网络融合的路由方法

杨昕，孙智立

（英国萨里大学通讯系统研究所，萨里 吉尔福德 GU2 7XH）

【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。模拟结果表明，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】卫星通讯；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

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2019.05.003

中图分类号：TN927 文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2019)05-0014-07

引用格式：杨昕,孙智立. 无线自组网和卫星网络融合的路由方法[J]. 行动通讯, 2019,43(5): 14-20.

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。在卫星的众多型别和不同用途中，通讯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，地面有线及无线通讯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频网络，人们的生活得到了极大的丰富。

从90年代初期起，数十种卫星通讯网络星座被提出，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讯服务的可能性，以满足日益增长的全球通讯的需求，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，卫星以中继讯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资讯传递，但通常做法是尽快将资讯传回可见的地面站进行后续传输。这是包括Iridium在内的现有卫星通讯网络的使用形式[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讯号中继传输。

（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资讯传输（去中心化网络管理）。文献[5]中提出了一种类似的卫星/高空一体化资讯网络结构。

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资讯路由。

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层卫星间的资讯流方向。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，从而选择最优链路进行资讯传输；QBA在QSR的基础上进一步引入服务型别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卫星的模拟场景下进行了测试，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”网络的效能，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“按资讯流路由”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，路由资讯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效能指标，但是描述了验证效能的方法。

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，卫星部分只用作讯号中继，现代卫星的资讯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，星地链路通常是效能的“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效能有着重要意义。

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。模拟结果表明该方案可以在各地面战之间动态平衡资讯流量，在保证本地网络效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通讯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星座的模拟图：

注：（1）本图使用AGI STK软件模拟而成；（2）图中星座由一层轨道、共648颗卫星组成；（3）相关技术指标和最终星座结构可能会在未来发生变化图2显示Starlink星座第一阶段的模拟图[12-13]。

注：（1）本图使用AGI STK软件模拟而成；（2）图中星座由五层轨道、共4 409颗卫星组成，其中由低到高为：第一层以黄色标记，第二层以橙色标记，第三层以绿色标记，第四层以蓝色标记，第五层以紫色标记；（3）第一、二层卫星根据FCC（Federal Communications Commission，联邦通讯委员会）备案的技术指标模拟而成，第三、四、五层卫星未在FCC备案完整的技术指标（或相关技术指标不公开），是在公开可得的技术指标和第一、二层的技术指标基础上推断模拟而成；（4）相关技术指标和最终星座结构可能会在未来发生变化

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，为实现全球讯号覆盖，卫星间将进行频繁的资讯交换。在包含着数百数千个不断高速移动的通讯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]提出了一种资讯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、逻辑卫星层和地面使用者层。通过这种方案，卫星网络复杂的拓扑变化对地面使用者完全隐藏，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”网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，卫星通讯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讯节点。此处提出两个定义：

定义1：g节点代表地面通讯节点，s节点代表卫星通讯节点。

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中定义的节点型别基础上补充S节点（通讯源节点）和D节点（通讯目的地节点），本研究共涉及8种通讯节点，在表1中列出，8种通讯节点间的关系以图3表示。

进而，一个资讯包从源节点（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资讯包路由；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，将包传送至下一节点（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，然后将资讯包传送至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，将资讯包传送至D节点，通讯完成；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，将包传送至下一节点（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 模拟引数

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”，服务场景通常对讯号传输时延不敏感，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模拟：环境监测和紧急情况管理、模拟在ns-2环境下进行。

4.1 星座引数设定

本研究选择较为热门的下一代LEO星座OneWeb作为模拟物件。由于OneWeb星座中本不包含星间链路，因此实验中应用Iridium星座的星间链路引数构建类OneWeb星座以实现卫星间通讯功能。

星座引数如表2所示：

4.2 模拟场景设定

两种模拟场景分别描述如下：

（1）环境监测

随着感测器网络技术和物联网技术的发展，越来越多的感测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，感测器从偏僻区域采集监测资讯，资讯通常为低带宽需求、时延不敏感的周期性突发传输的资讯流。在本模拟中，感测器模拟放置于直布罗陀海域，采集到的资讯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，感测器的位置固定，资讯由感测器向总部单向传输。基于这些假设的模拟引数如表3所示，其中有12个感测器（11个作为本地通讯节点，1个作为卫星访问节点），感测器间距根据现例项子设定为250 m，资讯包以UDP（User Datagram Protocol，使用者资料报协议）协议传输，包大小设定为512字节以反映感测器资料较小的特征。资料每隔30分钟传输一次，每次传输持续30秒，以模拟感测器资料突发性、周期性的传输特点。模拟时长为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、低时延的双向通讯支援，为VoIP和多媒体串流等业务提供保障。资讯从灾难现场回传到异地的指挥部，指挥部再根据所获的的资讯向灾难现场传达救灾指令。在本模拟中，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。

模拟引数如表4所示。灾难现场设定16个移动节点，代表救援者，节点以步行速度移动，并设定2个卫星闸道器节点。音视讯资讯包采用模拟软件预设引数，考虑到手持通讯终端通常的电池寿命，模拟时长设定为2小时。

5 模拟结果

模拟结果及相应的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效能。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（地面网络中卫星闸道器数量少导致资讯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%的资讯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]。整体效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，模拟结果表明其可以满足当今通讯服务的需求。

文中使用类OneWeb星座作为模拟物件并得到相应结果，但不同星座引数（卫星数量、轨道高度、轨道倾角等）也将对网络效能产生影响。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、服务的使用者数量越多，进而每位使用者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网络效能；在更多的场景下验证其效能；检验卫星星座引数对网络效能的影响，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。 ★

★原文发表于《行动通讯》2019年第5期★

作者简介杨 昕（orcid.org/0000-0002-6186-0560）：博士毕业于英国萨里大学，现任职于英国萨里大学通讯系统研究所，主要研究方向为移动自组网、卫星通讯、下一代通讯网络等。

孙智立：英国萨里大学通讯系统研究所教授、研究生分院主任，主要从事卫星通讯网络和未来互联网技术方面的研究工作，作为专案负责人承担过15项欧盟科研框架专案、2项-科研专案和1项欧洲空间局科研专案，总经费达300万英镑，在国际学术刊物及国际会议发表论文200余篇，出版、编辑专著3部。

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