衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換問(wèn)題研究及性能優(yōu)化

王春鋒

(錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京　100094)

王春鋒(1966—)，男，陜西省富平縣人，錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師。主要研究方為天基綜合信息網(wǎng)，衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)與相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)編碼，網(wǎng)絡(luò)安全等;

E-mail:jessen_wang@163.com

?

工程與應(yīng)用

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換問(wèn)題研究及性能優(yōu)化

王春鋒

(錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，北京100094)

摘要：對(duì)地觀測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)從單一平臺(tái)發(fā)展成為多星組網(wǎng)系統(tǒng)，基于星間鏈路的衛(wèi)星組成了一個(gè)空間無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，不同的衛(wèi)星與地面站在不同的時(shí)刻連通，需要解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理和切換問(wèn)題。本文討論了空間衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性特性，對(duì)已有的衛(wèi)星切換方法進(jìn)行了分析，指出了這些方法的缺陷，提出了采用交叉層設(shè)計(jì)和網(wǎng)絡(luò)編碼聯(lián)合設(shè)計(jì)方案，減少切換時(shí)延和丟包率，從而改善衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)切換性能。

關(guān)鍵詞：空間無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)； 移動(dòng)管理；切換；網(wǎng)絡(luò)編碼

0引言

在衛(wèi)星運(yùn)行的過(guò)程中，一般情況下衛(wèi)星傳感器采集的數(shù)據(jù)先緩沖在衛(wèi)星中，當(dāng)衛(wèi)星與地面站鏈路連通時(shí)才進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，但這樣就延遲了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)到地面站的傳輸，通過(guò)衛(wèi)星組網(wǎng)，每當(dāng)一個(gè)衛(wèi)星與地面進(jìn)行連通時(shí)，其它的衛(wèi)星可以通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)脚c地面連通的衛(wèi)星，再由它發(fā)送到地面，比等待自己直接與地面站進(jìn)行連通時(shí)再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸要更快。不同衛(wèi)星基于星間鏈路組成了一個(gè)空間無(wú)線Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，不同衛(wèi)星之間的傳感器需要協(xié)同，同時(shí)在衛(wèi)星與地面站短短的接觸時(shí)間(約8~15 min)內(nèi)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妗?/p>

在衛(wèi)星圍繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面站的連接在不斷的切換，衛(wèi)星與到地面站之間連接的斷開(kāi)和重新連接產(chǎn)生了在IP層的移動(dòng)性管理和連接切換問(wèn)題。切換管理協(xié)議需要實(shí)現(xiàn)切換時(shí)保持網(wǎng)絡(luò)通信的連續(xù)性。目前研究主要包括傳統(tǒng)的移動(dòng)IP方法[1-3]和SIGMA(Seamless IP Diversity based Generalized Mobility Architecture)無(wú)縫多重IP移動(dòng)架構(gòu)[4-6]切換方法，此外在文獻(xiàn)[7]中也提出了一種改進(jìn)方法，這些方法都有其內(nèi)在的缺陷，比如切換時(shí)延長(zhǎng)或丟包率高等問(wèn)題。本文探討了交叉層和網(wǎng)絡(luò)編碼方法改善衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)管理切換方法，并進(jìn)行了性能分析。

1相關(guān)工作

目前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)管理主要是基于移動(dòng)IP方法[1-2]和SIGMA多重地址無(wú)縫切換方法[4]。

1.1基于移動(dòng)IP的方法

如圖1所示，移動(dòng)IP在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用的總體架構(gòu)。

圖1　移動(dòng)IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用總體架構(gòu)

考慮衛(wèi)星移動(dòng)主機(jī)MH；本地代理HA與地面站A連接，外部代理FA與地面站B連接，并通過(guò)地面互聯(lián)網(wǎng)與通信節(jié)點(diǎn)CN連接。在本地鏈路連接網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星移動(dòng)主機(jī)MH與通信節(jié)點(diǎn)CN之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)舊路徑，即通過(guò)本地代理HA和地面站A與通信節(jié)點(diǎn)CN通信。當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)知己進(jìn)入地面站B時(shí)，在外部鏈路連接網(wǎng)絡(luò)中，啟動(dòng)獲得轉(zhuǎn)交地址程序，在獲得轉(zhuǎn)接地址后，轉(zhuǎn)交地址被通知到本地代理HA，這樣就連接了從本地代理HA到外部代理FA的IP封裝隧道，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

基于移動(dòng)IP方法存在性能差的問(wèn)題，包括切換時(shí)延長(zhǎng)，丟包率高，吞吐量低。

1.2SIGMA無(wú)縫多重IP切換方法

SIGMA無(wú)縫多重IP地址切換系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2　SIGMA協(xié)議多重地址無(wú)縫切換

該方法利用移動(dòng)終端具有多重IP地址方法，在切換過(guò)程中可以在獲得新的傳輸路徑前，始終保持舊的傳輸數(shù)據(jù)路徑在激活狀態(tài)，從而獲得更低的切換時(shí)延，SIGMA方法是基于端到端傳輸層切換，使用了SCTP協(xié)議，該協(xié)議支持終端多重IP地址。切換過(guò)程包括5個(gè)步驟。第一步，獲得新的IP2地址，即當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)后，收到新的接入路由器的路由廣播，衛(wèi)星就獲得新接入子網(wǎng)的IP2地址；第二步，把新的IP2地址加入流傳輸協(xié)議連接中；第三步，重定向衛(wèi)星的數(shù)據(jù)包傳輸?shù)叫碌牡刂?；第四步，更新本地管理；第五步，使舊鏈路處于非激活態(tài)。

2交叉層和網(wǎng)絡(luò)編碼方法應(yīng)用

在第2節(jié)闡述的SIGMA方法在切換時(shí)延上有了性能改善，但沒(méi)有充分考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)特性，這些方法是依據(jù)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議體系架構(gòu)設(shè)計(jì)理念。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)高動(dòng)態(tài)的移動(dòng)環(huán)境，移動(dòng)管理必須實(shí)現(xiàn)無(wú)縫移動(dòng)，快速切換，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中由于衛(wèi)星確定的運(yùn)行軌道，衛(wèi)星的位置可以相當(dāng)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以采用交叉層協(xié)同協(xié)議體系架構(gòu)[8]，可以利用鏈路層指示信息優(yōu)化路由和傳輸層連接控制管理方法，減少存儲(chǔ)的路由信息，從而提高切換性能。此外當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中有多個(gè)鏈路與地面站連接時(shí)，使用低質(zhì)量的數(shù)據(jù)鏈路丟包率高，傳輸性能降低，可以采用網(wǎng)絡(luò)編碼方法改善網(wǎng)絡(luò)丟包率,減少重傳。

(1)交叉層協(xié)同協(xié)議體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3　交叉層協(xié)議架構(gòu)

在圖3中MAC層集成網(wǎng)絡(luò)層路由和物理層功能，從而向網(wǎng)絡(luò)層提供路由和傳輸層提供鏈路質(zhì)量信息，從而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層路由功能，以及優(yōu)化傳輸層連接控制功能。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層可利用數(shù)據(jù)鏈路層的無(wú)線信號(hào)強(qiáng)度指示參數(shù)(RSSI)進(jìn)行傳輸層的快速切換，減少切換時(shí)延。切換流程如下：

圖4　基于交叉層架構(gòu)的切換流程

(2)網(wǎng)絡(luò)編碼方法應(yīng)用

在切換的過(guò)程中有2條(PATp和PATp)鏈路同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸，在PATp鏈路斷開(kāi)之前，PATp由于鏈路質(zhì)量下降，丟包率增加，也增加了鏈路重傳，影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼w性能，如何用好多個(gè)傳輸鏈路進(jìn)行高效數(shù)據(jù)傳輸，在建立多個(gè)通信鏈路時(shí)，啟用網(wǎng)絡(luò)編碼進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)e為PATp鏈路分組誤碼率，設(shè)定e=0.2，則1/e-1=4，即每4個(gè)分組會(huì)有一個(gè)丟包。分組b1,b2,b3,b4,被分配在PTAp上傳輸，a1,a2,a3,a4,被分配在PATp上傳輸，在PATp上再傳輸一個(gè)b1,2,3,4=b1+b2+b3+b4分組，PATp是正常鏈路，可以正常接收，PATp質(zhì)量下降鏈路，丟包的概率為0.2，每4個(gè)分組有一個(gè)丟包，假設(shè)b2丟失，則接收端可以收到則通過(guò)PATp接收的b1,b3,b4和PATp接收的b1,2,3,4，可以解的b2=b1,2,3,4-b1-b3-b4。這樣PATp不用進(jìn)行數(shù)據(jù)包重傳，雖然犧牲了PATp鏈路一點(diǎn)帶寬，但增加了系統(tǒng)的整體傳輸性能。

3切換時(shí)延分析

在交叉層設(shè)計(jì)中，移動(dòng)衛(wèi)星與地面通信節(jié)點(diǎn)CN的切換時(shí)延如下公式所示：

T=L2+L3+L4=L2+TD+RTT

(1)

由于交叉層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的特性，L3可以忽略，這樣只有L2和L4層的時(shí)延，L4包括連接控制消息發(fā)送與確認(rèn)、以及系統(tǒng)設(shè)置當(dāng)前IP地址等處理時(shí)間TD，連接控制消息發(fā)送與確認(rèn)即一個(gè)RTT。而第2節(jié)中兩種方法實(shí)現(xiàn)切換時(shí)先需要路由的廣播過(guò)程，接著至少需要4個(gè)以上消息交互換傳輸過(guò)程，從而系統(tǒng)切換性能將會(huì)大大改善。

4網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能仿真分析

本節(jié)對(duì)6節(jié)點(diǎn)的組成的無(wú)線Ad hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了仿真分析。仿真服務(wù)器配置為8核2.4GHz Intel E5620和12G RAM。服務(wù)器部署CentOS v6.4 64位系統(tǒng)與VMware ESXi 5.1虛擬機(jī)，采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。仿真結(jié)果如圖5所示。仿真結(jié)果表明基于交叉層設(shè)計(jì)和切換管理方法大大降低了數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延。

圖5　網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性能仿真

5結(jié)語(yǔ)

本文闡述了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)特性，包括了主機(jī)移動(dòng)性和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性，通過(guò)分析基于移動(dòng)IP和SIGMA多重地址無(wú)縫切換兩種方法的原理，指出兩種方法存在的性能不足，有切換時(shí)延長(zhǎng)和丟包率高的問(wèn)題，提出把交叉層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)架構(gòu)應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，說(shuō)明了交換層設(shè)計(jì)中的切換管理流程，分析了切換時(shí)延和性能的改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]C. Perkins, “IP Mobility Support for IPv4,” RFC 3220, Jan. 2002.

[2]S. Deering and R. Hinden, “Internet Protocol, Version 6(IPv6) Specification,” Internet draft, Dec. 1998.

[3]T. R. Henderson, Host mobility for IP networks: a comparison,” IEEE Network, vol. 17, no. 6, pp. 18-26,Nov-Dec 2003.

[4]Shaojian Fu,y, Mohammed Atiquzzaman, Liran Ma and Yong-Jin Lee，“Signaling cost and performance of SIGMA: A seamless handover scheme for data networks”，WIRELESS COMMUNICATIONS AND MOBILE COMPUTING，2005；5:825-845.

[5]Robert Hsieh, Zhe Guang Zhou, and Aruna Seneviratne, “S-MIP: A seamless handoff architecture for Mobile IP,” IEEE INFOCOM, San Francisco, CA, pp. 1774-1784, April 2003.

[6]Shaojian Fu, y, Mohammed Atiquzzaman, Liran Ma and Yong-Jin Lee, Signaling cost and performance of SIGMA: A seamless handover scheme for data networks, WIRELESS COMMUNICATIONS AND MOBILE COMPUTING 2005; 5:825-845.

[7]Lu Wang, Xiangqun Li, Lixiang Liu and Xiaohui Hu, A seamless soft handover management scheme in NGEO satellite networks, INTERNATIONAL JOURNAL OF SATELLITE COMMUNICATIONS AND NETWORKING, 2013; 31:187-197.

[8]Chang, Z., Gaydadjiev, G.N., Vassiliadis, S.: Infrastructure for cross-layer designs interaction. In: the 16th IEEE International Conference on Computer Communications and Networks (IC3N), August 2007, pp. 19-25.

王春鋒(1966—)，男，陜西省富平縣人，錢(qián)學(xué)森空間技術(shù)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師，碩士生導(dǎo)師。主要研究方為天基綜合信息網(wǎng)，衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)與相對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)編碼，網(wǎng)絡(luò)安全等;

E-mail:jessen_wang@163.com

Research of Satellite Network Handoff Problem and Performance Optimization

WANG Chun-feng

(Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,Beijing 100094,China)

Abstract:The earth observation system has evolved from a single satellite platform to a multi-satellite network system. The satellites based on inter-satellite links form a space wireless Ad hoc network system. When the satellites move around the earth, the connection of the satellite with ground will transfer from a ground station to another ground station. In order to ensure the continuity of communication, the mobile and handoff management problem of satellite network must be solved. This paper discuss the mobility characteristics of space satellite network, analyses existing handoff method for satellite network and points out the limitations of these methods. A joint design scheme of cross layer design and network is proposed and the scheme can reduce the handoff delay and packet loss rate, so the handoff performance of satellite network is optimized.

Key words:Space wireless Ad hoc network；Mobility management；Handoff；Network coding

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393.02

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5692(2016)01-036-04

基金項(xiàng)目：863國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA120601)；973國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014CB845303)

收稿日期：2015-12-15

修訂日期：2016-01-12

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.008