基于802.11的小衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)性能仿真

康海龍，姜秀杰，熊蔚明

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京　100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京　100049）

基于802.11的小衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)性能仿真

康海龍1，2，姜秀杰1，熊蔚明1

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京100049）

為了保證空間探測(cè)任務(wù)的順利進(jìn)行，小衛(wèi)星編隊(duì)需要可靠的星間通信。基于802.11，設(shè)計(jì)了小衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)。首先搭建了衛(wèi)星飛行編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，針對(duì)星間通信距離大導(dǎo)致的高時(shí)延，對(duì)物理層、數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了適應(yīng)性修改，分析了網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議，然后對(duì)四種典型的衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了模型分析。通過NS3網(wǎng)絡(luò)仿真工具，對(duì)星間通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了性能仿真。仿真結(jié)果表明，基于802.11的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以保證星間通信，不同編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)性能差別較大，可根據(jù)任務(wù)進(jìn)行調(diào)整。

星間通信；網(wǎng)絡(luò)性能；仿真；NS3

近年來，隨著新能源、新材料和空間無線通信等關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以平臺(tái)為中心的傳統(tǒng)單個(gè)航天器模式正在向以網(wǎng)絡(luò)為中心的多航天器協(xié)同控制模式轉(zhuǎn)變，將功能不同的獨(dú)立的小衛(wèi)星放在太空中形成一個(gè)“衛(wèi)星編隊(duì)”或“虛擬衛(wèi)星”，相互之間協(xié)同工作，成為一種潛力巨大的空間系統(tǒng)部署方式[1-3]。小衛(wèi)星通過星間通信鏈路的互通互聯(lián)構(gòu)成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，對(duì)空間環(huán)境進(jìn)行多角度、多時(shí)空探測(cè)已成為空間物理的探測(cè)一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。

文中基于802.11[4]網(wǎng)絡(luò)協(xié)議架構(gòu)，針對(duì)星間鏈路距離大導(dǎo)致傳播時(shí)延長(zhǎng)等問題，對(duì)WiFi物理層和數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行適應(yīng)性修改，使其適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，用NS-3網(wǎng)絡(luò)仿真工具對(duì)常見的衛(wèi)星編隊(duì)構(gòu)型（串珠形、環(huán)形、星行、網(wǎng)狀形）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了性能仿真。

1　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)

參照地面OSI網(wǎng)絡(luò)模型，基于802.11標(biāo)準(zhǔn)，將衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計(jì)分為五層結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1　衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧Fig.1　Protocol Stack mapped to the canonical OSI stack layers

1.1物理層

物理層的性能決定衛(wèi)星間通信的最大通信距離。802.11的物理層最初是為WiFi設(shè)計(jì)，通信距離大約為100 m。根據(jù)空間探測(cè)任務(wù)的不同，星間通信距離一般在幾十公里到幾千公里不等。因此衛(wèi)星發(fā)射功率和天線增益必須增加來加大最大通信距離。目前在成熟的商業(yè)技術(shù)中，最大發(fā)射功率為30 dbm。對(duì)于小衛(wèi)星電源、尺寸等資源的限制，假設(shè)衛(wèi)星發(fā)射功率為30 dbm，有10 dbi的天線增益。那么星間最大通信距離可通過下面公式[5]得到：

其中，2.4 GHz Wi-Fi ISM波長(zhǎng)λ為0.125 m，PTX為發(fā)射功率，GTX和GRX分別為天線增益，玻爾茲曼常量K為1.3810-23J/K。物理層選擇802.11b 1 Mbps模式，每秒鐘符號(hào)數(shù)為1 Msps，每包比特?cái)?shù)為16512，即每包2 064 bytes。因此，得到星間最大通信距離為500 km下，包成功發(fā)送率PSR為67%。

1.2數(shù)據(jù)鏈路層

802.11的MAC子層通過分布式協(xié)調(diào)功能（DCF）實(shí)現(xiàn)對(duì)共享媒介的接入，DCF建立在載波偵聽多路訪問/沖突避免（CSMA/CA，CarrierSenseMultipleAccesswithCollision Avoidance）協(xié)議的基礎(chǔ)上，該協(xié)議采用共享單信道的模式，通過RTS-CTS-DATA-ACK 4次握手機(jī)制完成分布式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的接入過程，并基本解決了隱藏終端和暴露終端問題。工作流程如圖2所示。

圖2　CSMA/CA工作流程圖Fig.2　CSMA/CA flow chart

在IEEE 802.11 DCF中，連續(xù)的幀之間必須保持一定的間隔，以便留給相關(guān)的節(jié)點(diǎn)足夠的處理時(shí)間并控制信道資源訪問的優(yōu)先級(jí)。在IEEE802.11中一共定義了4種幀間間隔（Inter Frame Space，IFS），按占用時(shí)間從短到長(zhǎng)分別是:SIFS

1.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層提供路由選擇，擁塞控制和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。根據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的反應(yīng)不同，移動(dòng)Ad hoc網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議[6]主要分為先驗(yàn)式（Proactive）和按需式路由協(xié)議（Ondemand）。

在先驗(yàn)式路由協(xié)議中，當(dāng)檢測(cè)到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送路由更新消息，收到路由更新消息的節(jié)點(diǎn)將更新自己的路由表，以保證路由信息的一致性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性。

與先驗(yàn)式路由協(xié)議相對(duì)應(yīng)地，按需路由協(xié)議是根據(jù)衛(wèi)星發(fā)送節(jié)點(diǎn)的需要，按需進(jìn)行路由發(fā)現(xiàn)過程，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息和路由表內(nèi)容也是按需建立的，其內(nèi)容可能僅僅是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息的一部分。

按需路由的優(yōu)點(diǎn)是不需要周期性的廣播路由信息，節(jié)省了一定的網(wǎng)絡(luò)資源；缺點(diǎn)是在發(fā)送數(shù)據(jù)分組時(shí)，若沒有到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，要啟動(dòng)路由發(fā)現(xiàn)過程來尋找路由，所以數(shù)據(jù)分組需要等待一定時(shí)間的延時(shí)，并且路由發(fā)現(xiàn)過程通常采用在全網(wǎng)范圍內(nèi)的廣播來完成，這在一定程度上也抵消了按需路由機(jī)制帶來的好處。

因此，衛(wèi)星飛行編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)一旦形成后，先驗(yàn)式路由協(xié)議中的路由表可以準(zhǔn)確地反映網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，源節(jié)點(diǎn)一旦要發(fā)送數(shù)據(jù)分組，就可以立即獲得到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的路由，提高了實(shí)時(shí)性。

2　衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)模型分析

根據(jù)空間探測(cè)任務(wù)的不同，需要構(gòu)建不同的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)編隊(duì)，四種典型的衛(wèi)星編隊(duì)，包括串珠形編隊(duì)、環(huán)形編隊(duì)、星形編隊(duì)和網(wǎng)狀形編隊(duì)，如圖3所示。

圖3　四種典型衛(wèi)星編隊(duì)Fig.3　Four typical satellite flying formation

串珠形編隊(duì)可模型化為

其中S=[s1，s2，…，sn]代表編隊(duì)中的衛(wèi)星，n為衛(wèi)星數(shù)量，L代表衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)所經(jīng)過路由的跳數(shù)，m= sum（li，j）代表衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的總跳數(shù)，fline代表N×N鄰接矩陣。li，j=0表示衛(wèi)星si和sj沒有直連的星間鏈路，li，j>0代表si與sj進(jìn)行通信所經(jīng)過的路由跳數(shù)。串珠形編隊(duì)模型（N=6）如下：

同理，環(huán)形編隊(duì)模型為：

星形編隊(duì)：

網(wǎng)狀形編隊(duì)：

3　衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真

3.1仿真設(shè)計(jì)

在Ubuntu 14.04環(huán)境下，使用NS3對(duì)四種衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行仿真，評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)性能采用吞吐量指標(biāo)。仿真參數(shù)如表1。

表1　仿真參數(shù)Tab.1　Simulation parameters

3.2仿真結(jié)果

圖4為串珠形編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)吞吐量隨時(shí)間變化，在串珠形編隊(duì)中，通過鄰接矩陣計(jì)算，一共有70路由跳數(shù)，平均吞吐量在150 Kbps。由于串珠形編隊(duì)容易調(diào)整姿態(tài)，在編隊(duì)中沒有主星，易于維護(hù)編隊(duì)構(gòu)型。但是每顆星只能跟鄰星通信，造成傳輸效率低，6顆星編隊(duì)時(shí)，最大跳數(shù)達(dá)到5，魯棒性差。

圖5為環(huán)形編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化，在環(huán)形編隊(duì)中，鄰接矩陣最多有54跳數(shù)，平均吞吐量在126 Kbps。對(duì)于環(huán)形編隊(duì)，每顆星與最遠(yuǎn)的星通信跳數(shù)在3跳以內(nèi)。每顆星在網(wǎng)絡(luò)中有同樣的位置，比串珠形編隊(duì)有較好的魯棒性，一旦其中有顆星發(fā)生故障，可以很快進(jìn)行調(diào)整新的環(huán)形，但是由于多跳特性，依然會(huì)造成傳輸效率偏低。

圖6為星形編隊(duì)編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化，在星形編隊(duì)中，與環(huán)形編隊(duì)一樣，有54跳數(shù)，平均吞吐量在100 Kbps。但是星間通信最大跳數(shù)在2跳以內(nèi)。星形編隊(duì)常常是主從結(jié)構(gòu)。每顆從星通過主星與另一顆從星進(jìn)行通信，靈活性較高，從星發(fā)生故障，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)[7-9]影響較低。但是，會(huì)造成主星通信擁堵。

圖4　串珠形編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化Fig.4　Time vs throughput:line formation

圖5　環(huán)形編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化Fig.5　Time vs throughput:ring formation

圖6　星形編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化Fig.6　Time vs throughput:star formation

圖7為網(wǎng)狀形編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化，在網(wǎng)狀形編隊(duì)中，星間通信跳數(shù)最多有30跳數(shù)，平均吞吐量在420 kbps。這種編隊(duì)，魯棒性高，沒有中心節(jié)點(diǎn)，每顆衛(wèi)星地位相當(dāng)，無論哪顆衛(wèi)星損壞，對(duì)整個(gè)飛行編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)影響小，每顆星可以互相直連通信，數(shù)據(jù)通信效率高，時(shí)延小。但是由于在天線設(shè)計(jì)等資源限制下，這種編隊(duì)實(shí)現(xiàn)起來難度很大。

圖7　網(wǎng)狀形編隊(duì)吞吐量隨時(shí)間變化Fig.7　Time vs throughput:mesh formation

4　結(jié)　論

基于802.11，設(shè)計(jì)了小衛(wèi)星編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，分析了四種典型飛行編隊(duì)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行了性能仿真。方案滿足了空間探測(cè)任務(wù)星間通信，提高了小衛(wèi)星編隊(duì)空間任務(wù)論證的準(zhǔn)確度和可靠性，具有較高的工程參考價(jià)值。

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Protocol simulation of Inter-satellite communication for satellite formation network based on 802.11

KANG Hai-long1，2，JIANG Xiu-jie1，XIONG Wei-ming1
（1.Center for Space Science and Applied Research，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In order to ensure the success of space exploration mission，the small satellite formation requires reliable intersatellite communications.Based on 802.11，small satellite formation network protocol architecture was designed.Firstly，network protocol stack was built according the OSI stack layers，the key parameters of physical layer and data link layer of was tuned to meet the requirement of inter-satellite communication，the network layer routing protocol was analysed，and then the satellite network formation model was made and analysed.With the aid of the network simulation tool NS3，performance of four typical formation network was simulated.Simulation results show that the network protocol architecture ensures inter-satellite communications based on 802.11.Although network performance varies greatly in different flyning formations，it can be adjusted according to the task requirements.

inter-satellite communication；performance analysis；simulation；NS3

TN927

A

1674－6236（2016）01-0082-04

2015-05-05稿件編號(hào)：201505025

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）資助課題（Y28021A220）

康海龍（1987—），男，遼寧鐵嶺人，博士研究生。研究方向：計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)。