基于SCPS協(xié)議的快速自組織可重構(gòu)天基信息網(wǎng)組網(wǎng)*

(空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程系，西安 710077)

1 引 言

天基信息是提高戰(zhàn)場(chǎng)感知能力、奪取制信息權(quán)的重要因素,以其覆蓋面廣、信息量大、視角寬闊，在對(duì)敵作戰(zhàn)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。天基信息主要是通過(guò)衛(wèi)星獲得的，衛(wèi)星可以按照一定的拓?fù)浣M成天基信息網(wǎng)。但是衛(wèi)星容易受到環(huán)境的影響和敵方的干擾破壞，導(dǎo)致天基信息網(wǎng)絡(luò)通信的中斷，影響數(shù)據(jù)通信的效率[2]。因此，為了保障通信質(zhì)量，增強(qiáng)天基信息網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)能力和抗毀性，研究自組織天基戰(zhàn)場(chǎng)感知信息網(wǎng)具有重要的軍事戰(zhàn)略意義。

相比單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，雙層或多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的抗毀性能[3]。Kimura提出了一種雙層(LEO/MEO)衛(wèi)星星座，比較了極軌道和傾斜軌道星座的差別，通過(guò)多覆蓋和增加仰角的方法保證通信的可靠性要求，但所需衛(wèi)星數(shù)量巨大[4]。Lee、胡劍浩、Akyildiz等人分別設(shè)計(jì)了不同空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的帶有星間鏈路(ISL)的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，主要研究多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法問(wèn)題，得到了一些有意義的結(jié)果[5-7]。李暉提出了基于Walker delta型多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略[8]，但其考慮的是衛(wèi)星正常運(yùn)行時(shí)可能造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r下路由的自適應(yīng)策略。易先清等設(shè)計(jì)了基于GEO/MEO星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀結(jié)構(gòu)[9]，但只對(duì)雙層天基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了抗毀設(shè)計(jì)研究。

本文提出了一種基于改進(jìn)型TCP協(xié)議的三層(GEO/MEO/LEO)自組織可重構(gòu)天基信息網(wǎng)的組網(wǎng)模型，比較了其協(xié)議與地面網(wǎng)絡(luò)的不同，給出了自組織天基網(wǎng)的協(xié)議特點(diǎn)，最后分析了自組織可重構(gòu)天基信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其抗毀性能。

2 組網(wǎng)模型

天基信息網(wǎng)的核心是衛(wèi)星通信網(wǎng)，因多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路徑選擇性大、可替換鏈路多、抗毀性強(qiáng)，故選擇將地球同步衛(wèi)星(GEO)、中軌道衛(wèi)星(MEO)、低軌道衛(wèi)星(LEO)組成復(fù)合立體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)全球的持續(xù)性覆蓋。GEO星座、MEO星座、LEO星座與地面關(guān)口站在距離地球表面不同高度上通過(guò)互連鏈路分層組成立體的通信網(wǎng)絡(luò)。

由于受到衛(wèi)星平臺(tái)載荷能力的限制，天基信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理適合使用分布式結(jié)構(gòu)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分組管理。在這個(gè)分布式等級(jí)結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星被劃分成組，而且接受上層軌道衛(wèi)星的管理。假設(shè)有LEO、MEO、GEO三層衛(wèi)星，把它們分為衛(wèi)星組，如圖1所示。

(1)LEO組

Lij是某一中軌道衛(wèi)星Mij波束覆蓋的低軌道層衛(wèi)星的集合，Lij={Lij︳k=0,1,2,…,N(Lij)-1}，其中，N()是一個(gè)計(jì)算衛(wèi)星組大小的函數(shù)，i表示軌道序號(hào)，j代表某條軌道內(nèi)的第j個(gè)衛(wèi)星。在Lij衛(wèi)星組中的所有LEO衛(wèi)星都和MEO衛(wèi)星Mij鏈接，Mij是這個(gè)LEO衛(wèi)星組的管理者。LEO衛(wèi)星組可有多個(gè)，每組為一個(gè)邏輯群，每組中有一個(gè)組首，圖1中每個(gè)組中黑色的那顆衛(wèi)星即為組首。組首負(fù)責(zé)收集該群的狀態(tài)信息，并把這些信息定時(shí)上報(bào)給其上層MEO衛(wèi)星，由MEO負(fù)責(zé)給此組計(jì)算路由信息，并傳遞給組首，再由組首轉(zhuǎn)發(fā)給每顆LEO衛(wèi)星。

(2)MEO組

Mij是GEO中衛(wèi)星Gij覆蓋的MEO層衛(wèi)星的全部集合，Mij={Mij︳j=0,1,2,…,N(Mij)-1}，其中，i表示軌道序號(hào)，j代表某條軌道內(nèi)的第j個(gè)衛(wèi)星。在Mij衛(wèi)星組中的所有MEO衛(wèi)星都通過(guò)星際鏈路和GEO衛(wèi)星Gij鏈接，Gij是這個(gè)MEO衛(wèi)星組的管理者。

圖1 自組織戰(zhàn)場(chǎng)感知天基信息網(wǎng)組網(wǎng)模型

GEO衛(wèi)星是路由算法決策中樞，MEO衛(wèi)星完成對(duì)地球表面完全覆蓋，而LEO衛(wèi)星主要實(shí)現(xiàn)對(duì)地面移動(dòng)終端的接入。其中，MEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星通過(guò)ISL連接，構(gòu)成拓?fù)浞€(wěn)定的衛(wèi)星骨干網(wǎng)，成為分層衛(wèi)星網(wǎng)的交換節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，并且負(fù)責(zé)與關(guān)口站和大型終端通信；LEO衛(wèi)星作為具有交換功能的用戶接入點(diǎn)，組成衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)ISL與衛(wèi)星骨干網(wǎng)相連。

將分布在不同高度空間的GEO、MEO、LEO星座互連,可以提高基于GEO/MEO/LEO星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信性能和容量,特別是其系統(tǒng)抗毀性能。兼顧多層星座組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和分組管理思想,在作為組管理者的GEO衛(wèi)星和分組組首的MEO衛(wèi)星、LEO衛(wèi)星之間建立星際通信鏈路IOLGEO-〉MEO、IOLMEO-〉LEO,通過(guò)這些星際通信鏈路將星座聯(lián)系起來(lái),即使在因某種原因斷開(kāi)這種鏈路連接時(shí),星座還可獨(dú)立運(yùn)行。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

由于衛(wèi)星信道具有長(zhǎng)時(shí)延、高誤碼率、大延時(shí)帶寬積等特性，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用的傳輸控制協(xié)議是改進(jìn)的TCP協(xié)議，常用的是空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communication Protocol Specification,SCPS)。SCPS 以Internet協(xié)議為基礎(chǔ),進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛿U(kuò)充，在空間和地面環(huán)境之間架設(shè)橋梁。

SCPS的4部分協(xié)議分別位于網(wǎng)絡(luò)層(SCPS-NP)、傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層之間(SCPS-SP)、傳輸層(SCPS-TP) 和應(yīng)用層(SCPS-FP),它們?cè)诘讓訁f(xié)議(數(shù)據(jù)鏈路層、物理層)的支持下，構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)包括空-地、空-空的端到端連接(如圖2所示)，主要解決了傳統(tǒng)TCP協(xié)議用在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的擁塞控制、流量控制機(jī)制不適用問(wèn)題。

圖2 SCPS協(xié)議棧示意圖

數(shù)據(jù)鏈路層功能包括協(xié)議和信道編碼，用于節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)可靠的傳遞，主要任務(wù)是組織數(shù)據(jù)流，完成幀的劃分和界定，發(fā)現(xiàn)并糾正物理層的傳輸錯(cuò)誤，保證信息正確，彌補(bǔ)丟失幀，保證信息包內(nèi)容的完整，同時(shí)進(jìn)行流量控制，控制多信息對(duì)共享的訪問(wèn)。

SCPS-NP相當(dāng)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，用于控制數(shù)據(jù)包的路由。主要任務(wù)是對(duì)不同類型的總線之間信息，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換；對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)劃分；數(shù)據(jù)包擁塞后的恢復(fù)機(jī)制。由于衛(wèi)星移動(dòng)的規(guī)律性，衛(wèi)星之間的路由切換頻繁，多層衛(wèi)星間信息路由宜采用動(dòng)態(tài)方式，可增強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)健壯性。

由于衛(wèi)星通信是無(wú)線通信系統(tǒng)，容易受天電、星體顫動(dòng)和其它無(wú)線通信系統(tǒng)干擾，通信質(zhì)量會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致天基信息網(wǎng)絡(luò)通信的中斷，影響數(shù)據(jù)通信的效率。衛(wèi)星星群之間通過(guò)借用Ad Hoc技術(shù)，構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)。在此借鑒改進(jìn)了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)路由算法，使之更符合天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的情況。

但星座網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行特點(diǎn)和無(wú)線移動(dòng)自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network,MANET)有所不同,區(qū)別主要體現(xiàn)在鏈路全部為無(wú)線、規(guī)律性頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、中繼帶寬受到星間鏈路能力限制、交換節(jié)點(diǎn)處理能力受到航天可用器件的限制、節(jié)點(diǎn)和用戶接入的移動(dòng)性、星際鏈路之間的長(zhǎng)傳輸延時(shí)(這是影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中路由策略的主要因素)等幾個(gè)方面。

SCPS-SP協(xié)議位于傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層之間，主要功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全及緩沖策略。

SCPS-FP是網(wǎng)絡(luò)的最頂層，負(fù)責(zé)傳輸文件的生成、封裝、壓縮、存儲(chǔ)等。

4 自組織戰(zhàn)場(chǎng)感知天基信息網(wǎng)絡(luò)路由抗毀設(shè)計(jì)

天基信息網(wǎng)絡(luò)必須具有自主運(yùn)行技術(shù)，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的自主運(yùn)行能力，減少對(duì)地面系統(tǒng)的依賴，實(shí)現(xiàn)天基信息網(wǎng)絡(luò)的日常自主運(yùn)行、管理，從而有效降低運(yùn)行成本，優(yōu)化天基信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，提高其生存能力，以便當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)遭到破壞或受到敵方干擾情況下，天基信息網(wǎng)絡(luò)仍能保持其日常運(yùn)行，為此設(shè)計(jì)了自組織戰(zhàn)場(chǎng)感知天基信息網(wǎng)絡(luò)路由策略。

(1)天基分層網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)管理中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘺Q定網(wǎng)絡(luò)管理組組首的變更,即由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)為管理組首，或者采用Ad Hoc中簇頭選舉方法來(lái)選舉某個(gè)管理組的組首。傳輸層使用SCPS傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層使用SCPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自組織路由算法，為保證信息傳輸?shù)陌踩?，需使用SCPS安全協(xié)議。

可在天基信息網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)衛(wèi)星組中設(shè)置某顆離上層衛(wèi)星最近的那顆星為該星座的組首，圖1中黑色的衛(wèi)星即為本組組首。組首負(fù)責(zé)收集本組所有衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)信息并與其上層衛(wèi)星管理者交換信息，由上層管理星為本組所有衛(wèi)星計(jì)算路由表。同時(shí)，每個(gè)組也都有不同于組首的另一顆衛(wèi)星被指定或按照一定策略被選舉作為該衛(wèi)星組的備份組首。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)組首出現(xiàn)故障時(shí)，備份組首執(zhí)行組首的功能。當(dāng)上層管理星出現(xiàn)故障時(shí)，由組首代替上層管理星為組內(nèi)用戶計(jì)算路由，從而在多層星座組網(wǎng)系統(tǒng)的管理過(guò)程中不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的失效導(dǎo)致整個(gè)分層管理模式的崩潰。

(2)為保證系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，增強(qiáng)天基信息網(wǎng)的抗毀性，可利用Ad Hoc技術(shù)實(shí)現(xiàn)天基信息網(wǎng)的骨干節(jié)點(diǎn)互連互通。采用分布式安全拓?fù)淇刂坪途S護(hù)算法，能夠在節(jié)點(diǎn)和鏈路失效發(fā)生時(shí)，網(wǎng)絡(luò)具有快速自組織、自重構(gòu)機(jī)制，同時(shí)具有在節(jié)點(diǎn)受到攻擊和發(fā)生故障失效后網(wǎng)絡(luò)的自恢復(fù)機(jī)制和抗毀機(jī)制。

由于衛(wèi)星無(wú)線通信容易受到電磁干擾，造成其通信的不確定性和自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)而發(fā)生改變；加上無(wú)線通信的固有特性，鏈路的連通性也動(dòng)態(tài)發(fā)生變化，因此在自組網(wǎng)中對(duì)鏈路進(jìn)行監(jiān)測(cè)和修復(fù)，進(jìn)行路由維護(hù)一直是其路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)之一。

組中的組首負(fù)責(zé)收集本組內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息并與其它組衛(wèi)星之間交換，進(jìn)而形成能夠反映全局的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，由組首為本組內(nèi)的所有其它衛(wèi)星計(jì)算路由表。采用分布式分層鏈路狀態(tài)信息收集不僅能夠有效降低星間通信開(kāi)銷，而且把路由計(jì)算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)在多顆衛(wèi)星之間分擔(dān)，有利于轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)較重的衛(wèi)星全力進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而使負(fù)載較輕的衛(wèi)星負(fù)責(zé)路由計(jì)算和鏈路狀態(tài)信息的收集。目前一些文獻(xiàn)提出的分級(jí)路由協(xié)議(HSRP)算法、基于分層分群的多層衛(wèi)星網(wǎng)路由(MLSR)算法具有一定的參考意義。

星座網(wǎng)絡(luò)擬采用具備流量適應(yīng)能力的靜態(tài)路由策略，稱為自適應(yīng)流量的拓?fù)淇煺侦o態(tài)路由(TSSR)。星座系統(tǒng)周期離散化為K個(gè)時(shí)間間隔，每個(gè)時(shí)間間隔Δt，鏈路代價(jià)變化足夠小，可以認(rèn)為是靜態(tài)拓?fù)?，所以?dòng)態(tài)拓?fù)淇梢赞D(zhuǎn)化為一個(gè)靜態(tài)拓?fù)涞男蛄校Q為拓?fù)淇煺?。根?jù)每個(gè)靜態(tài)的拓?fù)淇煺湛梢允孪入x線為每對(duì)源、目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)按照改進(jìn)的Dijkstra算法計(jì)算出若干個(gè)具有最小路徑耗費(fèi)的路徑(也就是按照一定的準(zhǔn)則最好的路徑)，從而計(jì)算出一系列空間路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表，然后將空間路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表注入到每個(gè)衛(wèi)星交換節(jié)點(diǎn)上。星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖儠r(shí)可重新在線更新星上路由表。

通過(guò)這種方式星座衛(wèi)星只在每個(gè)時(shí)間間隔開(kāi)始時(shí)通過(guò)軟件控制，進(jìn)行路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表的更新；當(dāng)衛(wèi)星需要計(jì)算ISL子網(wǎng)上的可用路徑時(shí)，不再進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，而是能夠直接查表求得，從而減小了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延和處理負(fù)荷，進(jìn)一步提高了尋路的效率。

另外一種安全機(jī)制是設(shè)置備份衛(wèi)星，平時(shí)不啟動(dòng)備份星，只有在衛(wèi)星組中某顆衛(wèi)星遭到干擾或出現(xiàn)故障時(shí)才通過(guò)衛(wèi)星運(yùn)行中心使之機(jī)動(dòng)到合適位置，并啟動(dòng)它，使信息網(wǎng)的自組織、抗摧毀性能得到加強(qiáng)，保證天基信息網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量(QoS)。

5 結(jié)束語(yǔ)

把各類天基系統(tǒng)組成信息網(wǎng)發(fā)揮它們的最大作用已成為發(fā)展航天系統(tǒng)的共識(shí)。在一些不可預(yù)知的情況下，各空間節(jié)點(diǎn)的位置可能臨時(shí)發(fā)生變化或受到敵方攻擊，故如何增強(qiáng)信息節(jié)點(diǎn)鏈路之間的抗毀性，使天基信息網(wǎng)絡(luò)具有快速自組織能力，重新組網(wǎng)恢復(fù)通信，是保證戰(zhàn)場(chǎng)信息感知能力、保障作戰(zhàn)效能過(guò)程中必須要解決的一個(gè)問(wèn)題。

本文從組網(wǎng)模型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及路由抗毀設(shè)計(jì)幾個(gè)方面研究了多層分布式衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速自組織可重構(gòu)性。在軍事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息越來(lái)越重要的空天一體化戰(zhàn)爭(zhēng)中，抗毀性及重構(gòu)性是衡量一個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的重要性能，故本文的研究具有軍事上的實(shí)用意義。本文的下一步工作是對(duì)提出的網(wǎng)絡(luò)模型和可重構(gòu)路由方式進(jìn)行仿真并得出具體的結(jié)果和性能參數(shù)，以檢驗(yàn)所提方法的可行性。

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