面向動(dòng)態(tài)外地代理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理機(jī)制

董彥磊， 李東昂， 劉 勤， 汪春霆， 史可懿

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航天信息應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北省 石家莊 050081；2. 西安電子科技大學(xué) 綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)理論及關(guān)鍵技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710071)

低軌(Low Earth Orbit，LEO)衛(wèi)星通信系統(tǒng)能提供面向全球的個(gè)人移動(dòng)通信服務(wù)，近年來(lái)發(fā)展迅速．由于其具有全球覆蓋、傳播時(shí)延低、傳輸損耗小以及部署成本低等特性，LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)將是未來(lái)全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的一個(gè)重要方向．目前國(guó)外典型的LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)有銥星系統(tǒng)(Iridium)和全球星系統(tǒng)(Globalstar)．隨著新一代無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中全互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(Internet Protocol，IP)技術(shù)的發(fā)展，支持移動(dòng)IP的移動(dòng)性管理將是未來(lái)LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)的重要組成部分[1]．

由于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，服務(wù)的用戶終端數(shù)量和種類多，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆I(yè)務(wù)具有高動(dòng)態(tài)性，若直接采用移動(dòng)IP技術(shù)，則衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶的業(yè)務(wù)切換會(huì)頻繁觸發(fā)用戶到家鄉(xiāng)代理的綁定更新，產(chǎn)生較高的切換時(shí)延和大量信令開(kāi)銷．文獻(xiàn)[2]采用了MIPv6協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)星間切換的移動(dòng)性管理，由于實(shí)際中衛(wèi)星的平均過(guò)頂時(shí)間為 10 min，用戶業(yè)務(wù)在星間切換會(huì)導(dǎo)致大量的管理開(kāi)銷．為了降低移動(dòng)管理的開(kāi)銷，文獻(xiàn)[3]提出了一種分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用地面信關(guān)站分擔(dān)衛(wèi)星用戶家鄉(xiāng)代理的部分移動(dòng)性管理功能，如果用戶在信關(guān)站管理范圍內(nèi)發(fā)生星間切換，只需要在該信關(guān)站進(jìn)行用戶的綁定更新，由此減小了用戶到所屬家鄉(xiāng)代理的注冊(cè)和更新次數(shù)．由于這種分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)依賴信關(guān)站實(shí)施對(duì)用戶的移動(dòng)管理和業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)，星地鏈路的長(zhǎng)時(shí)延特性導(dǎo)致利用該方案實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性管理的時(shí)延較大．此外，實(shí)際中地面信關(guān)站的部署會(huì)受到多方因素限制，布站需要各方調(diào)解與協(xié)商，實(shí)現(xiàn)全球布站難度極大，因此該分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的信關(guān)站部署方式可行度不高．

筆者針對(duì)高動(dòng)態(tài)的LEO通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理問(wèn)題，提出了一種面向動(dòng)態(tài)外地代理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理機(jī)制，設(shè)計(jì)了移動(dòng)代理簇協(xié)同共管移動(dòng)代理域內(nèi)用戶的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用衛(wèi)星星上處理與交換能力，支持移動(dòng)代理簇內(nèi)的信息共享，設(shè)置了歸屬移動(dòng)外地代理和托管移動(dòng)外地代理；前者負(fù)責(zé)維護(hù)用戶在該域內(nèi)的綁定關(guān)系信息，后者用來(lái)代理用戶星間切換的相關(guān)移動(dòng)信令，這樣用戶只需要在其歸屬移動(dòng)外地代理變化時(shí)，才觸發(fā)到家鄉(xiāng)代理的綁定更新，用戶在域內(nèi)的切換只需更新其域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系即可，降低了移動(dòng)性管理開(kāi)銷與切換時(shí)延．該機(jī)制能適應(yīng)LEO網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)特性，減少移動(dòng)性管理中星地之間信息交互，降低對(duì)地面站數(shù)量和位置部署的需求，減輕衛(wèi)星移動(dòng)導(dǎo)致的管理負(fù)荷．

1 系統(tǒng)模型

文中構(gòu)建的面向動(dòng)態(tài)外地代理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示．假設(shè)LEO衛(wèi)星都已經(jīng)具備星上處理及路由功能，且LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)基于IP技術(shù)．有關(guān)的術(shù)語(yǔ)定義介紹如下:

(1) 位置區(qū)．依據(jù)地形、經(jīng)緯度等因素，人為劃分的地面區(qū)域，以方便根據(jù)位置區(qū)管理衛(wèi)星．

(2) 移動(dòng)代理域．在位置區(qū)內(nèi)，屬于該位置區(qū)的所有LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍形成的區(qū)域．

(3) 移動(dòng)代理簇．在位置區(qū)內(nèi)，屬于該位置區(qū)的所有LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)．

(4) 家鄉(xiāng)代理(Home Agent，HA)．放置在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)所在家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)的地面信關(guān)站處的路由器節(jié)點(diǎn)，用于維護(hù)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置信息，包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址、家鄉(xiāng)地址等．

(5) 移動(dòng)外地代理(Mobile Foreign Agent，MFA)．放置在LEO衛(wèi)星上的星載路由器節(jié)點(diǎn)，為注冊(cè)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供路由服務(wù)．MFA與IPv4中的外地代理以及IPv6中的接入路由器類似，為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)提供配置地址和發(fā)送分組的服務(wù)，但是MFA是移動(dòng)的．

(6) 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Mobile Node，MN)．LEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的移動(dòng)用戶，其中用戶的業(yè)務(wù)切換包含移動(dòng)代理域內(nèi)切換及移動(dòng)代理域間切換．利用移動(dòng)IP技術(shù)，雖然在移動(dòng)的過(guò)程中用戶會(huì)改變其衛(wèi)星接入點(diǎn)，但仍可以利用原IP地址繼續(xù)與其他用戶正常通信．

在文中構(gòu)建的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，全球被劃分為多個(gè)位置區(qū)，由若干個(gè)移動(dòng)代理簇覆蓋且管理．處于某個(gè)位置區(qū)內(nèi)的多個(gè)MFA形成移動(dòng)代理簇，移動(dòng)代理簇內(nèi)MFA協(xié)同管理移動(dòng)節(jié)點(diǎn)．該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)支持簇內(nèi)信息共享機(jī)制，適應(yīng)高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，減少移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息管理帶來(lái)的影響．

2 面向動(dòng)態(tài)外地代理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理機(jī)制

圖2 移動(dòng)性管理機(jī)制工作流程圖

為了減少到家鄉(xiāng)代理的綁定更新次數(shù)，在文中移動(dòng)性管理機(jī)制中，定義了兩類衛(wèi)星移動(dòng)外地代理，即歸屬移動(dòng)外地代理和托管移動(dòng)外地代理．歸屬移動(dòng)外地代理(Mobile Foreign Agent of Attachment，MFAA)負(fù)責(zé)維護(hù)用戶在移動(dòng)代理域內(nèi)的綁定關(guān)系，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在家鄉(xiāng)代理處會(huì)綁定其MFAA的IP地址; 托管移動(dòng)外地代理(Mobile Foreign Agent of Trusteeship，MFAT)是移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在其MFAA處綁定的移動(dòng)外地代理．MFAA管理歸屬自身的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與其MFAT之間的域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系，而MFAT為附著在其鏈路上的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)代理相關(guān)移動(dòng)信令，并負(fù)責(zé)與其MFAA進(jìn)行信令交互．這兩類移動(dòng)外地代理，是相對(duì)于具體用戶而聲明的，一顆LEO衛(wèi)星可能是某個(gè)用戶的MFAA，也可能是其他用戶的MFAT，或承擔(dān)MFAA和MFAT的雙重角色．

在文中移動(dòng)性管理機(jī)制下，包括3種場(chǎng)景: 移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)切換且其MFAA未移出位置區(qū)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)切換且其MFAA移出位置區(qū)，以及移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域間切換．其具體的移動(dòng)性管理機(jī)制工作流程如圖2所示．其中當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)切換且其MFAA未移出位置區(qū)時(shí)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)選擇新的MFAT并與其MFAA之間建立域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)關(guān)系即可．在另外兩種場(chǎng)景下，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)均需重新選擇MFAA，并更新HA處的綁定關(guān)系．為了降低切換頻率和管理開(kāi)銷，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以最長(zhǎng)視距準(zhǔn)則選擇MFA作為該節(jié)點(diǎn)的MFAT；選擇在位置區(qū)滯留時(shí)間最長(zhǎng)、最晚移出位置區(qū)的MFA作為該節(jié)點(diǎn)的MFAA．

2.1 移動(dòng)代理域內(nèi)切換

當(dāng)MN在移動(dòng)代理域內(nèi)移動(dòng)，或由于衛(wèi)星移動(dòng)而導(dǎo)致MN相對(duì)移動(dòng)時(shí)，可能導(dǎo)致MN切換到新的MFA．為了減小長(zhǎng)時(shí)延星地鏈路的傳輸次數(shù)，充分利用星載處理與交換能力，MN只需向新MFA發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求信息即可，剩下的管理流程會(huì)在移動(dòng)代理簇內(nèi)處理．當(dāng)新MFA接收到MN的請(qǐng)求信息后，會(huì)查詢移動(dòng)代理簇內(nèi)交互的綁定關(guān)系表，判斷是否已有該節(jié)點(diǎn)信息的存在，如果域內(nèi)已經(jīng)有該MN的信息，新MFA會(huì)向MN注冊(cè)的MFAA發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求消息，自身會(huì)作為該MN的MFAT，并在MFAA處建立MFAA與MFAT之間的域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng);否則，說(shuō)明該MN的MFAA已經(jīng)移出原位置區(qū)，此時(shí)新MFA自身會(huì)作為該MN的MFAT，并選擇新的MFAA，更新移動(dòng)代理簇內(nèi)有關(guān)該MN的域內(nèi)綁定關(guān)系表項(xiàng)，向家鄉(xiāng)代理注冊(cè)．

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)切換且其MFAA未移出位置區(qū)時(shí)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)綁定關(guān)系建立過(guò)程，可用圖3示例說(shuō)明．在T1時(shí)刻，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)LEO1為MN的MFAA，LEO1與信關(guān)站之間建立了綁定1，即信關(guān)站建立MN的綁定關(guān)系表項(xiàng)(IPMN，IPLEO1)，其中IPMN和IPLEO1分別是MN和衛(wèi)星LEO1的IP地址．通過(guò)移動(dòng)代理簇間的周期性信息交互，域內(nèi)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)LEO2、LEO3、LEO4也會(huì)建立域內(nèi)綁定關(guān)系(IPMN，IPLEO1)．在T2時(shí)刻，MN相對(duì)移動(dòng)到LEO5的覆蓋范圍，向LEO5發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，此時(shí)LEO5已經(jīng)經(jīng)過(guò)移動(dòng)代理簇間信息交互，獲取了MN的綁定關(guān)系，并得知其MFAA(LEO1)未移出代理域，則LEO5會(huì)向LEO1發(fā)送轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求消息．當(dāng)請(qǐng)求消息得到確認(rèn)后，LEO1作為移動(dòng)用戶的MFAA，會(huì)建立域內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)(IPMN，IPLEO5)，即綁定2．這種綁定關(guān)系的更新，無(wú)需像MIPv6協(xié)議一樣，每次變更服務(wù)衛(wèi)星，MN都要發(fā)送注冊(cè)報(bào)文以更新家鄉(xiāng)代理處的綁定關(guān)系表項(xiàng)．綁定關(guān)系建立后，發(fā)送到MN的數(shù)據(jù)包按照綁定關(guān)系確定的路徑轉(zhuǎn)發(fā)即可到達(dá)．

圖3 未移出位置區(qū)時(shí)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)綁定關(guān)系建立示意圖

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在域內(nèi)切換且其MFAA移出位置區(qū)時(shí)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)綁定關(guān)系建立過(guò)程，用圖4示例說(shuō)明．在T1時(shí)刻，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)LEO1為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的MFAA，LEO1與信關(guān)站之間建立了綁定1．在T2時(shí)刻，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)移動(dòng)到LEO5的覆蓋范圍并發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，此時(shí)LEO5同樣已經(jīng)經(jīng)過(guò)移動(dòng)代理簇間信息交互，發(fā)現(xiàn)MFAA(LEO1)移出代理域，則告知移動(dòng)節(jié)點(diǎn)需重新選擇MFAA．移動(dòng)節(jié)點(diǎn)以LEO5作為MFAA重新發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求，并更新家鄉(xiāng)代理處的綁定關(guān)系表項(xiàng)，建立新建綁定1．域內(nèi)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)也會(huì)再次建立域內(nèi)綁定關(guān)系(IPMN，IPLEO5)．

圖4 移出位置區(qū)時(shí)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)綁定關(guān)系建立示意圖

完整的移動(dòng)代理域內(nèi)切換包括上述兩種場(chǎng)景，其中前者是文中提出機(jī)制主要針對(duì)的場(chǎng)景．通過(guò)改善移動(dòng)性管理工作流程，移動(dòng)代理簇實(shí)現(xiàn)二次轉(zhuǎn)發(fā)便可傳輸數(shù)據(jù)，降低了網(wǎng)絡(luò)高動(dòng)態(tài)導(dǎo)致的大量管理開(kāi)銷．

圖5 通信雙方數(shù)據(jù)傳輸路徑圖

2.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚?/h3>

當(dāng)通信對(duì)端 (Correspondent Node ， CN) 不知道移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)交地址時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂饺鐖D5所示．CN發(fā)送給MN的數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)MN的家鄉(xiāng)代理、MN的MFAA，即LEO1，MN的MFAT，即LEO5，最終到達(dá)MN．雖然局部范圍內(nèi)不一定是最優(yōu)的路由，但是在全局路由規(guī)劃上(從信關(guān)站到LEO5)是較為理想的．由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表項(xiàng)存儲(chǔ)在信關(guān)站，所以必須走“彎管式”路由．在這種機(jī)制下的數(shù)據(jù)傳輸路徑，與 MIPv6協(xié)議在首次通信時(shí)的路由選擇是一致的[4]，但在移動(dòng)節(jié)點(diǎn)內(nèi)切換且其MFAA未移出位置區(qū)時(shí)，只需要進(jìn)行域內(nèi)映射的更新，因此有關(guān)的位置更新開(kāi)銷會(huì)大大減少．

3 移動(dòng)性管理開(kāi)銷分析

為了便于分析所提移動(dòng)性管理機(jī)制與應(yīng)用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中MIPv6協(xié)議的開(kāi)銷性能，定義位置管理開(kāi)銷為單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的控制信令長(zhǎng)度乘傳輸該消息所需跳數(shù)，其單位為 B·hops/h[5]．假設(shè)各信令信息分組大小相同，都為M(單位為B)，則單位時(shí)間內(nèi)單顆衛(wèi)星與地面終端之間發(fā)生切換的次數(shù)NHO可表示為[3]

其中，L表示衛(wèi)星覆蓋范圍直徑(單位為km)，D表示地面終端的分布密度，Vsat為低軌衛(wèi)星的運(yùn)行速度(單位為km/h)．

對(duì)于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的MIPv6協(xié)議，其位置管理開(kāi)銷包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到接入衛(wèi)星的注冊(cè)開(kāi)銷，和該衛(wèi)星到家鄉(xiāng)代理的注冊(cè)開(kāi)銷，記為

(2)

其中，I為衛(wèi)星數(shù)量，H(Si，H)表示移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接入衛(wèi)星Si到其家鄉(xiāng)代理HA之間的跳數(shù)(單位為hops)．

對(duì)于所提出的面向動(dòng)態(tài)外地代理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理機(jī)制，當(dāng)衛(wèi)星Si作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的MFAA時(shí)，其位置管理開(kāi)銷包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星Si的注冊(cè)開(kāi)銷和衛(wèi)星Si到相關(guān)家鄉(xiāng)代理的注冊(cè)開(kāi)銷; 當(dāng)衛(wèi)星Si作為MFAT時(shí)，位置管理開(kāi)銷包括移動(dòng)節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星Si的注冊(cè)開(kāi)銷和衛(wèi)星Si到當(dāng)前位置區(qū)內(nèi)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的MFAA注冊(cè)開(kāi)銷．文中所提的移動(dòng)管理方案的位置管理開(kāi)銷BISN可表示為

(3)

其中，ni表示衛(wèi)星Si到位置區(qū)的MFAA之間的跳數(shù)，PA表示衛(wèi)星Si作為MFAA的概率，PT表示衛(wèi)星Si作為MFAT的概率，有 0≤PA≤1，且PA+PT=1．

為了比較BISN和BMIPv6的大小，記ΔB=BISN-BMIPv6，有

(4)

由于NHO≥0，M>0，0≤PA≤1，且部署的信關(guān)站數(shù)目遠(yuǎn)小于I，H(Si，H)大于ni，因此，ΔB<0，即在通常情況下，文中所提機(jī)制相比應(yīng)用于低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)IPv6協(xié)議在位置管理方面的開(kāi)銷更?。?/p>

在式(3)中，影響B(tài)ISN大小的變量有I、PA、H(Si，H)和ni．一旦衛(wèi)星星座給定，I值就確定下來(lái)，此時(shí)無(wú)論位置區(qū)以何種方式劃分，H(Si，H)的均值始終不變，記為K=E(H(Si，H))．對(duì)于PA和ni，二者的值與位置區(qū)的劃分方式有關(guān)，且ni的均值E(ni)會(huì)隨著PA的均值E(PA)增大而減小．如果E(PA)減小，也即單個(gè)位置區(qū)劃分面積增大，會(huì)導(dǎo)致位置區(qū)內(nèi)的衛(wèi)星數(shù)量增加，即E(ni)增大．但其準(zhǔn)確的關(guān)系式很難給出．為了簡(jiǎn)化參數(shù)之間的聯(lián)系，可以設(shè)定E(ni)與E(PA)滿足增長(zhǎng)率為負(fù)的一次函數(shù)關(guān)系，表征E(ni)隨著E(PA)的增大呈現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)的趨勢(shì)，即假設(shè)滿足E(ni)=A+kE(PA) 且k<0．根據(jù)極端條件 (E(PA)=0 和E(PA)=1)，可以計(jì)算出A=K，k=-K，可求得E(ni)=K(1-E(PA))．

記BISN的均值為E(BISN)，根據(jù)上文中的分析，可得式(3)的另一種表示，即

BISN=IE(BISN)=INHOM[K(E(PA))2-KE(PA)+K+1] ．(5)

根據(jù)式(5)可以看出，在星座給定的條件下，BISN與E(PA)滿足二次函數(shù)關(guān)系，且存在極小值．

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 移動(dòng)性管理開(kāi)銷

仿真場(chǎng)景采用具有66顆低軌衛(wèi)星的銥星系統(tǒng)，高度為 780k m，半雙工的數(shù)據(jù)傳輸速率為 2 400 b/s[6]．106個(gè)終端用戶均勻分布在地球地面，用戶的密度D= 0.001 9個(gè)/km2．單個(gè)衛(wèi)星覆蓋面積直徑L= 2 800k m，衛(wèi)星運(yùn)行速度Vsat= 27 000 km/h，信令分組大小 M= 60 B[3]．設(shè)定單顆衛(wèi)星到某用戶的家鄉(xiāng)代理跳數(shù)H(Si，HA)的均值E(H(Si， HA))=K=4，且H(Si，HA)服從λ=4 的泊松分布．此外，設(shè)定ni服從λ=E(ni)的泊松分布，PA服從μ=E(PA)的截?cái)嗾龖B(tài)分布，且E(ni)和E(PA)滿足E(ni)=K(1-E(PA))關(guān)系．變量PT可由公式PT= 1-PA獲?。渲校诜抡孢^(guò)程PA只截取正態(tài)分布中范圍為0～1的隨機(jī)變量X．上述仿真，最終的管理開(kāi)銷BISN和BMIPv6均采用仿真104次后求取均值作為其計(jì)算數(shù)值．

如圖6所示，衛(wèi)星作為MFAA的概率E(PA)對(duì)移動(dòng)性管理開(kāi)銷具有較大影響．在極端條件下，當(dāng)E(PA)=0 時(shí)，只包含域內(nèi)MFAA與MFAT之間的綁定更新開(kāi)銷; 當(dāng)E(PA)=1 時(shí)，系統(tǒng)不存在MFAT，協(xié)議工作流程與MIPv6協(xié)議一致，兩者都接近MIPv6協(xié)議的管理開(kāi)銷．對(duì)比不同方差下的截?cái)嗾龖B(tài)分布可得，理論計(jì)算開(kāi)銷與仿真結(jié)果比較吻合，表明仿真過(guò)程的合理性．在設(shè)定E(ni)和E(PA)滿足E(ni)=K(1-E(PA))關(guān)系下，文中所述機(jī)制的開(kāi)銷比MIPv6協(xié)議的有不同程度的減少，且存在極小值點(diǎn)．在文中的場(chǎng)景下，可在E(PA)=0.5 處取極小值，管理開(kāi)銷約為MIPv6協(xié)議的80%．

圖6 移動(dòng)性管理開(kāi)銷和歸屬衛(wèi)星概率均值的關(guān)系曲線圖7 單位時(shí)間內(nèi)某用戶綁定更新次數(shù)與時(shí)間關(guān)系圖

4.2 綁定更新次數(shù)

根據(jù)銥星系統(tǒng)星座設(shè)計(jì)，每顆衛(wèi)星以 27 000 km/h 的速度高速飛行，繞地球1周約需要 1.5h ，用戶連接時(shí)間約為 9～ 12 min[7]．文中規(guī)劃一個(gè)在某時(shí)刻包含同軌道面3顆低軌衛(wèi)星的位置區(qū)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)某用戶在單位時(shí)間內(nèi)綁定更新的次數(shù)來(lái)分析其性能．用戶發(fā)生切換的時(shí)間間隔設(shè)置為 10 min．

如圖7所示，對(duì)于MIPv6協(xié)議，每隔 10 min 都要到HA進(jìn)行綁定更新，即該用戶每次切換衛(wèi)星后就到HA位置更新．而對(duì)于文中所提機(jī)制，每隔 20 min 到HA進(jìn)行綁定更新，同樣，域內(nèi)綁定更新的時(shí)間間隔也是 20 min，原因是用戶的MFAA每隔 20 min 就會(huì)移出位置區(qū)，用戶需重新選擇MFAA，然后到HA更新位置信息．在MIPv6協(xié)議中，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，到HA的綁定更新次數(shù)成線性增長(zhǎng)．在文中所提機(jī)制中，雖到家鄉(xiāng)代理的綁定更新次數(shù)也在增加，對(duì)比MIPv6協(xié)議有大幅度減少，其減少量轉(zhuǎn)化為域內(nèi)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的綁定更新．相比到HA的更新，域內(nèi)映射關(guān)系的更新能夠明顯降低移動(dòng)性管理開(kāi)銷，提高系統(tǒng)性能．

在文中設(shè)定的仿真環(huán)境及正常條件下，所提新機(jī)制的開(kāi)銷比MIPv6協(xié)議開(kāi)銷降低約20%; 在新機(jī)制下，單位時(shí)間內(nèi)某個(gè)隨機(jī)用戶到HA的綁定更新次數(shù)約為MIPv6協(xié)議的60%，即約有40%的位置更新不需要到遠(yuǎn)距離的HA，減少了信令處理時(shí)延，降低了移動(dòng)性管理負(fù)荷，提高了系統(tǒng)信令處理的可靠性．

5 結(jié) 束 語(yǔ)

文中針對(duì)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理負(fù)荷重和布站困難問(wèn)題，提出了面向動(dòng)態(tài)外地代理的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理機(jī)制，能夠降低對(duì)地面布站的需求，優(yōu)化移動(dòng)性管理流程．通過(guò)形成移動(dòng)代理域內(nèi)共享機(jī)制，減小到家鄉(xiāng)代理的綁定更新頻率，大大降低了系統(tǒng)中移動(dòng)性管理信令開(kāi)銷．

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