空間自組織網(wǎng)絡(luò)研究

施文君

(安徽財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

空間自組織網(wǎng)絡(luò)研究

施文君

(安徽財經(jīng)大學(xué) 管理科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

未來的空間探索需要空間自組織網(wǎng)絡(luò)的支撐，空間自組織網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域較大，多跳的路由轉(zhuǎn)發(fā)機制是一個挑戰(zhàn)性問題。分析空間自組織網(wǎng)絡(luò)的特點，將空間自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類，提出了空間自組織網(wǎng)絡(luò)研究的關(guān)鍵問題，對空間網(wǎng)絡(luò)的路由策略進(jìn)行了對比分析。將空間實體物理運行規(guī)律和網(wǎng)絡(luò)傳染病模型結(jié)合，提出基于空間物理運行規(guī)律的傳染病模型路由，分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)點運行數(shù)據(jù)，將提高路由效率，構(gòu)建最優(yōu)端到端路徑，與傳統(tǒng)路由相比，該路由更多地利用了網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的先驗知識和傳染病模型。

空間網(wǎng)絡(luò)；自組織網(wǎng)絡(luò)；傳染病模型；路由協(xié)議；非可靠端到端；長延時

未來空間探索需要空間自組織網(wǎng)絡(luò)的支撐，集群空間飛行器互聯(lián)組成空間自組織網(wǎng)絡(luò)，并與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，能夠有效傳輸數(shù)據(jù)。早期空間通信使用無線電訊號，通信軟件缺乏普適性，網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)不互聯(lián)，建立一個標(biāo)準(zhǔn)化的空間網(wǎng)絡(luò)迫在眉睫，這個空間網(wǎng)絡(luò)適用于任何空間探測任務(wù).[1]美國航天局(NASA)早期在開展地球環(huán)境監(jiān)測技術(shù)研究時就提出sensor-web構(gòu)想，即由小型衛(wèi)星群、天基和低級設(shè)備互聯(lián)構(gòu)成有機統(tǒng)一的信息系統(tǒng)；Chien將這一構(gòu)想推廣到了星際探測通信體系結(jié)構(gòu)中，提出了Ad Hoc Space Network[2]的概念，此后又涌現(xiàn)satellite sensor network[3]、space-based WSN[4]等概念。為了實現(xiàn)行星間的信息傳輸，一種通用信息交換網(wǎng)絡(luò)星際英特網(wǎng)(Interplanetary Internet Network, IPN)被提出，并作為空間主干網(wǎng)提供行星間的互聯(lián)互通，建立起太陽系內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)通信，圖1所示，通過使用衛(wèi)星網(wǎng)關(guān)和IPN主干網(wǎng)，地球網(wǎng)絡(luò)最遠(yuǎn)可以與火星互聯(lián)。目前，IPN只是提出一個框架，具有傳輸延時大、傳輸損耗大、斷續(xù)通信、信道誤碼率高等缺陷，采用Internet的TCP/IP技術(shù)是不能滿足星際間的傳輸需求。未來，將太陽系內(nèi)不同軌道上的各種衛(wèi)星、星座和航天器等太空信息資源進(jìn)行有機連接，構(gòu)建集成化、智能化、綜合一體的互聯(lián)網(wǎng)，支撐更遠(yuǎn)距離的深空探測任務(wù)。[5]

圖1 星際網(wǎng)絡(luò)

一、空間自組織網(wǎng)絡(luò)

1.空間自組織網(wǎng)絡(luò)特點

空間環(huán)境與地面環(huán)境顯著不同，空間自組織網(wǎng)絡(luò)具有其特有的屬性：(1)缺乏固定的通信基礎(chǔ)設(shè)施；(2)極長和易變的傳播延遲；(3)非對稱的前向和反向鏈路容量；(4)高鏈路誤碼率；(5)間歇性鏈路連通性；(6)網(wǎng)絡(luò)成員異構(gòu)性(7)后期維護(hù)困難，并且空間自組織網(wǎng)絡(luò)具有空間成員的速度較快，覆蓋面積較大,運行軌跡可預(yù)測。這些屬性和特點使得空間網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和空間網(wǎng)絡(luò)路由的研究具有極大的挑戰(zhàn)性。

2. 空間自組織網(wǎng)絡(luò)分類

未來空間多跳網(wǎng)絡(luò)部署在太陽系，構(gòu)建從地球到火星之間的多跳通信鏈接?？疾炜臻g自組織網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，根據(jù)覆蓋范圍和速度等屬性將其分為四類：星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)，星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)，星間自組織網(wǎng)絡(luò)和星際自組織網(wǎng)絡(luò)。

星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)是指新一代低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面無線自組織網(wǎng)絡(luò)組成的星地一體化網(wǎng)絡(luò)，如通過銥星網(wǎng)絡(luò)、O3b衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或One Web組成空間自組織網(wǎng)絡(luò)與地面自組織網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)由行星表面的多個實體和該行星軌道上的多個實體組成的自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)成員分為兩大類，地表的網(wǎng)絡(luò)實體和軌道上的實體，廣泛地應(yīng)用于地球觀測應(yīng)用和行星的深空探測任務(wù)，如圖2所示，Ad Hoc科學(xué)地球觀測衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(SEO)由多個地面站和多個衛(wèi)星動態(tài)配置而成。

圖2 星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)

星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)是指部署在分布式集群空間飛行器系統(tǒng)中的一種網(wǎng)絡(luò)，分布式集群空間飛行器系統(tǒng)中各組成部件的通信呈現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)性質(zhì)。分布式集群空間飛行器系統(tǒng)[6]是指空間實體分解發(fā)射到空間，并在空間自由組合，運行在不同軌道的空間實體分解的模塊通過組網(wǎng)構(gòu)成一個異構(gòu)集合群體，各模塊可被替代，各個模塊之間具有數(shù)據(jù)信息交換的能力，實現(xiàn)不同模塊之間的資源共享和分布式計算，提高空間系統(tǒng)對不確定性的快速反應(yīng)能力。

星間自組織網(wǎng)絡(luò)是指由多顆同構(gòu)的空間實體以自組織網(wǎng)絡(luò)形式通信，空間實體身份對等，承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。根據(jù)空間實體距離的大小，分為三種：(1)星群；(2)星座；(3)編隊飛行。距離分布從幾十米到幾千米。[7]

將自組織網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在星際主干網(wǎng)絡(luò)中，稱為星際自組織網(wǎng)絡(luò)(IPSN, Interplanetary Self-organization Network)。圖3所示?？臻g實體被部署在不同的行星軌道上，傳輸距離在兩個行星之間的最長和最遠(yuǎn)距離之間，如火星和地球之間的距離在5500萬公里到4億公里之間。行星之間的超遠(yuǎn)距離，使得傳輸延時單位在分鐘，甚至小時。由于空間實體被部署在不同的行星附近，因此星際自組織網(wǎng)絡(luò)的密度非常稀疏。

圖3 星際自組織網(wǎng)絡(luò)

3. 空間自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題研究

(1)數(shù)據(jù)鏈路層

目前國際航天任務(wù)中的空間自組織網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系主要有四種研究方向：基于CCSDS的協(xié)議體系、基于TCP/IP的協(xié)議體系、將CCSDS與TCP/IP結(jié)合的協(xié)議體系和基于容延容斷的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系。CCSDS數(shù)據(jù)鏈路子層使用數(shù)據(jù)包傳輸數(shù)據(jù)，同步和信道編碼子層定義了空間鏈路上傳輸“幀”的同步和信道編碼的方法，CCSDS數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議子層包含四個協(xié)議：TC 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、 TM 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、 AOS 空間數(shù)據(jù)鏈路協(xié)議、 Prox-1 空間鏈路協(xié)議。NASA哥達(dá)德航天中心設(shè)立的OMNI項目將地面商用Internet技術(shù)用于航天器，使用的是基于TCP/IP的協(xié)議體系。OMNI 選用商業(yè)路由器使用的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，如 HDLC、 POS、ATM 等。其目的是使空地鏈路和商業(yè)路由器能夠在數(shù)據(jù)鏈路層上直接接口。2000年10月，美國JPL實驗室研究使用CCSDS與TCP/IP結(jié)合的協(xié)議體系，在數(shù)據(jù)鏈路層繼續(xù)使用CCSDS建議，而在網(wǎng)絡(luò)層使用IP及其擴展技術(shù)?；谌菅尤輸嗟木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系的核心方法是在應(yīng)用層和下層之間加入中間層，即束層(bundlelayer)。圖4為四種協(xié)議體系的數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)。

圖4 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議體系數(shù)據(jù)鏈路層結(jié)構(gòu)

(2)路由問題研究

空間自組織網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計是一個關(guān)鍵問題，由于空間環(huán)境復(fù)雜、誤碼率較高、延時較大、無全局信息給路由設(shè)計帶來巨大的障礙。首先，在空間自組織多跳網(wǎng)絡(luò)中，要綜合考慮多種性能度量指標(biāo)來進(jìn)行路由選擇；其次，空間路由協(xié)議要提供網(wǎng)絡(luò)容錯性和健壯性支持，能夠在空間鏈路失效時，迅速選擇代替鏈路避免服務(wù)中斷；第三，路由協(xié)議要能夠在多條路徑間進(jìn)行負(fù)載均衡，最大限度利用資源；第四，路由協(xié)議需要分布式處理和本地決策，以實現(xiàn)路由的自治和可重組。

(3)動態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究

空間自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是指，集群空間飛行器按照一定的拓?fù)湫问?，在空間進(jìn)行連接所形成的相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。目前，國際上已經(jīng)實現(xiàn)的、研究設(shè)計中的空間自組織網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式主要包括：星型(鄰星)組網(wǎng)、二維網(wǎng)格網(wǎng)、環(huán)型(總線)網(wǎng)、多維網(wǎng)格網(wǎng)、混合組網(wǎng)，[8]如圖5所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

二維星型組網(wǎng)是指在空間網(wǎng)絡(luò)中存在一個網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點，結(jié)點間不能直接連接，必須通過網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點轉(zhuǎn)接才能實現(xiàn)連接；二維網(wǎng)格網(wǎng)是指在空間網(wǎng)絡(luò)中不存在一個網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點，所有結(jié)點基本處于同一個平面高度內(nèi)，只與自己同一個平面高度內(nèi)的前后左右結(jié)點實現(xiàn)連接；環(huán)型網(wǎng)是指在空間網(wǎng)絡(luò)中不存在一個網(wǎng)絡(luò)中心結(jié)點，結(jié)點只與自己同一個平面高度內(nèi)的左右結(jié)點實現(xiàn)連接，構(gòu)成封閉的圓環(huán)，環(huán)型網(wǎng)的任何一個(或幾個)結(jié)點連接斷開，不構(gòu)成封閉的圓環(huán)即為總線網(wǎng)；多維網(wǎng)格網(wǎng)是多層的二維網(wǎng)格網(wǎng)在空間的立體連接，即在不同的二維網(wǎng)格網(wǎng)的結(jié)點之間也實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接；其中混合組網(wǎng)是網(wǎng)格網(wǎng)、環(huán)型網(wǎng)、星型網(wǎng)的組合實現(xiàn)。表1是五種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的對比。

表1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對比

二、空間自組織網(wǎng)絡(luò)路由

1.基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由

文獻(xiàn)[9]提出了一種傳染路由算法(epidemic routing)，網(wǎng)絡(luò)中的接收到數(shù)據(jù)分組后，盡可能將其轉(zhuǎn)發(fā)到所有能夠接觸到的結(jié)點，網(wǎng)絡(luò)中的所有結(jié)點都需要保存并維護(hù)一張信息表記錄本地存儲的數(shù)據(jù)分組信息，這種路由算法在沒有網(wǎng)絡(luò)先驗知識的情況下盲目發(fā)送數(shù)據(jù)分組，大量消耗有限的資源，如內(nèi)存、容量和接觸時間。文獻(xiàn)[10]在傳染路由算法的基礎(chǔ)上提出了SNW路由協(xié)議(spray and wait routing protocol)，主要思想是限制網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包拷貝數(shù)，減少能量消耗，但下一跳的盲目選擇仍然導(dǎo)致數(shù)據(jù)投遞率不高。文獻(xiàn)[11]提出最大化吞吐量路由算法,利用存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制，最大化利用鏈路的連通時段，中繼結(jié)點利用緩存存儲來自上一跳的分組，待下一跳連通時，轉(zhuǎn)發(fā)存儲的分組，依據(jù)路徑上各跳的鏈路連通時序，確定各鏈路可利用的連通時段，獲得路徑的最大吞吐量?；诖鎯D(zhuǎn)發(fā)的路由適用于星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)，由于星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)的空間模塊隨時加入、退出、合并、分裂、替換，快速的完成新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臉?gòu)建，基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由盲目發(fā)送數(shù)據(jù)的機制比較適用于此種網(wǎng)絡(luò)。

2. 基于概率的路由

文獻(xiàn)[12]提出了PROPHET路由協(xié)議，該算法基于結(jié)點之間的歷史連接頻繁程度，如果一個結(jié)點在過去被頻繁的訪問，那么就有可能在將來被訪問，推測結(jié)點當(dāng)前及未來一段時間的連通概率，構(gòu)建端到端路徑，依概率將數(shù)據(jù)發(fā)送到可能的到目的地的路徑。文獻(xiàn)[13]對PROPHET路由協(xié)議進(jìn)行了優(yōu)化，提高了PROPHET路由協(xié)議在突發(fā)情況下的性能。文獻(xiàn)[14]提出MAXPROP路由協(xié)議，基于PROPHET路由對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先等級劃分，優(yōu)先傳輸隊列中等級高的數(shù)據(jù)，在發(fā)生擁塞時刪除等級低的數(shù)據(jù)，具有更高的信息投遞成功率和降低的傳輸時延。星間自組織網(wǎng)絡(luò)由多顆同構(gòu)的空間實體進(jìn)行通信，空間實體身份對等，承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)，采用基于概率的路由，可以獲得更高的效率。

3. 基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由

空間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境復(fù)雜，結(jié)點間的通信誤碼率較高，文獻(xiàn)[15]提出在路由協(xié)議中加入網(wǎng)絡(luò)編碼，提高路由效率。在數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)發(fā)之前對數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊和編碼，當(dāng)數(shù)據(jù)到達(dá)目的地后進(jìn)行重組和解碼，降低了誤碼率，減少了傳輸時延，但要實現(xiàn)編碼解碼操作，必須有提高計算能力，文獻(xiàn)[16]在PROPHET路由算法中加入編碼和解碼，極大提高了信息投遞率?？紤]到基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由的本質(zhì)是路由協(xié)議中加入網(wǎng)絡(luò)編碼提高路由效率，在四種空間自組織網(wǎng)絡(luò)使用的路由上都可以加上網(wǎng)絡(luò)編碼，同時也要提高計算能力。

4. 基于結(jié)點運動規(guī)律的路由

空間網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點的運行軌跡是有規(guī)律的，基于這個思想，文獻(xiàn)[17]提出了MARVIN路由策略，通過查閱星歷數(shù)據(jù)表，提前測算衛(wèi)星結(jié)點的位置，發(fā)送數(shù)據(jù)分組，采用Dijkstra算法，離線進(jìn)行路由表的生成和維護(hù)，在通信時加載路由表，提高了效率。文獻(xiàn)[18]提出了CGR路由算法，假定鏈路的機會是計劃好的或者規(guī)劃好的而不是預(yù)測或者發(fā)現(xiàn)的，利用空間實體的軌道知識提高路由選擇質(zhì)量，空間實體具有全局路由的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星地互聯(lián)自組織網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點運動規(guī)律和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化的信息可以獲得，采用基于結(jié)點運動規(guī)律的路由可以提前計算出結(jié)點的運行信息，將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，信息投遞率明顯提高。

如表2所示，給出四種不同路由的對比，基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由具有較高的信息投遞率，傳輸時延較低，計算復(fù)雜度低，但是網(wǎng)絡(luò)資源利用率太低，基于概率的路由在信息投遞率，傳輸時延和網(wǎng)絡(luò)資源利用率方面表現(xiàn)都很好，但是計算復(fù)雜度太高，基于網(wǎng)絡(luò)編碼路由實質(zhì)是在基于概率路由里引入網(wǎng)絡(luò)編碼，提高了網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，但也增加了計算復(fù)雜度和時延，基于結(jié)點運動規(guī)律的路由僅適合結(jié)點運動規(guī)律已知的網(wǎng)絡(luò)。

表2 空間自組織網(wǎng)絡(luò)路由對比

三、基于空間物理運行規(guī)律的傳染病模型路由

實際空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的運動軌跡均呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，大都圍繞某個中心作環(huán)繞運動形成有規(guī)律的動態(tài)拓?fù)?。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點每天都會在進(jìn)行任務(wù)時產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)并傳回地球，美國航空航天局噴氣動力實驗室(Jet propulsion laboratory,JPL)的太陽系動力小組(Solar System Dynamics Group)提供在線數(shù)據(jù)和星歷計算服務(wù)，名為Horizons。星歷表提供特定時刻軌道物體的位置和速度，Horizons擁有53600多顆小行星，3000顆彗星，170顆天然衛(wèi)星，所有的行星，太陽，60多個宇宙飛船的數(shù)據(jù)，可以獲得最近分鐘的信息[19],獲得這些數(shù)據(jù)有很多方法，具體可以在文獻(xiàn)[20]找到。本文提出基于空間物理運行規(guī)律的傳染病模型路由將網(wǎng)絡(luò)傳染病模型與空間網(wǎng)絡(luò)實體運行的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)合，進(jìn)行仿真實驗發(fā)現(xiàn)軌道數(shù)，感染率等參數(shù)之間關(guān)聯(lián)規(guī)則，得出各參數(shù)互相間的重要性，根據(jù)這些知識進(jìn)行優(yōu)化可以達(dá)到更高的感染率花費更少的時間。分析Horizons的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)強關(guān)聯(lián)規(guī)則，提高路由的效率，減少延遲和降低資源消耗。圖6為采用基于空間物理運行規(guī)律的傳染病模型路由的星地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星結(jié)點A成功發(fā)送數(shù)據(jù)到衛(wèi)星結(jié)點B。

圖6 基于空間物理運行規(guī)律的傳染病模型路由

結(jié)語

本文分析了非可靠端到端空間自組織網(wǎng)絡(luò)。首先，介紹了空間自組織網(wǎng)絡(luò)的特點，將空間自組織網(wǎng)絡(luò)分為星地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，星內(nèi)自組織網(wǎng)絡(luò)，星間自組織網(wǎng)絡(luò)和星際自組織網(wǎng)絡(luò)；其次，進(jìn)行了空間自組織網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題研究；接著，將空間自組織網(wǎng)絡(luò)目前的路由策略分為基于存儲轉(zhuǎn)發(fā)的路由，基于概率的路由，基于網(wǎng)絡(luò)編碼的路由和基于結(jié)點運動規(guī)律的路由四類，進(jìn)行對比；最后提出了基于空間物理運行規(guī)律的傳染病模型路由，將提高效率，構(gòu)建最優(yōu)端到端路徑。

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SptialSelf-organizingNetworks

Shi Wenjun

(School of Management Science and Engineer, Anhui University of Finance and Economics, Bengbu, Anhui 233030,China)

Future space exploration demands space self-organizing networks. The coverage area of the space self-organizing network is large, so multi hop routing-transfer mechanism is a challenging problem. In this paper, the key problems in the research of space self-organizing networks are presented, and the space network routing strategies are analyzed. This paper presents an epidemic model routing based on motion laws of space objects that combines the physical operation rules of space objects with the network epidemic model and improves efficiency because of uses of network node’s prior knowledge. Compared with traditional routing, the epidemic model routing has more resource utilization and less energy consumption.

space; self-organizing networks; epidemic model; routing protocol; unreliable end-to-end; long-delay

ClassNo.:TP393DocumentMark：A

蔡雪嵐)

施文君，在讀碩士，安徽財經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院。

2096-3874(2017)12-0041-06

TP393

A