分布式星群網絡組網技術研究*

陳浩瀾，張 藝，章小寧，黃 鎬，付偉達，姚雨迎

（1.電子科技大學，四川 成都 611731；2.中國東方紅衛(wèi)星股份有限公司，北京 100094）

0 引 言

隨著分布式理論和應用的日漸成熟，分布式概念在航空航天領域再次得到了廣泛關注。分布式星群由一組分布在同一或鄰近軌道上的衛(wèi)星組成。分布式星群網絡（Distributed Satellite Cluster Network，DSCN）利用組網協同、共軌控制技術，整合空間上鄰近且獨立分布的衛(wèi)星資源，實現整體大于部分之和的效果。開展基于分布式星群的空間信息網絡研究具有重要的國家戰(zhàn)略意義。

微納衛(wèi)星（Micro-nano Satellite）是微型衛(wèi)星與納衛(wèi)星的統稱，通常是指質量100 kg左右，具有實際功能的衛(wèi)星。它們體積小、功耗低、開發(fā)周期短、可編隊組網，而且能以更低的成本完成很多復雜的空間任務，使得微納衛(wèi)星是成為蓬勃發(fā)展的航天事業(yè)的一個重點發(fā)展方向[1]。

但是，微納衛(wèi)星本體的體積、質量和成本大大下降，導致不能攜帶大的太陽電池帆板以提供大的電功率，也不能承載高增益天線以傳輸高速率數據，且單星能力較弱。因此，多個微納衛(wèi)星組網成分布式星群統一完成航天任務已經成為趨勢[2]。

本文提出一種可行的分布式星群組網方案，搭建仿真平臺驗證，并最終實現硬件平臺。本文結構如下：第1節(jié)簡要說明分布式星群組網架構；第2節(jié)討論了組網的基本流程，包括物理層、數據鏈路層、網絡層的一些基本技術指標和實現方案；第3節(jié)展示了分布式星群組網仿真平臺的搭建及仿真結果；第4節(jié)展示了分布式星群組網硬件平臺的搭建；第5節(jié)總結全文，并提出對未來的展望。

1 分布式星群組網架構

本文主要研究的是分布式低軌微納衛(wèi)星星群組網。低軌微納衛(wèi)星星群的構型為子母星群，包括一顆母衛(wèi)星和多顆子衛(wèi)星。母衛(wèi)星除了完成衛(wèi)星功能還需要釋放子衛(wèi)星。子母衛(wèi)星可以合作也可以獨立完成任務[3]。

分布式星群組網包括星群內組網（直徑100 km左右，單個星群包括10顆小衛(wèi)星）和星群間組網（最多10個星簇）兩大類型。本文主要討論的是星群內組網（如圖1所示），即在單個群內，群內的衛(wèi)星節(jié)點形成本群的自組織網絡。星間自組織網絡體系架構如圖2所示。

2 分布式星群組網

2.1 通信基本流程

每個節(jié)點入網時，需要先進行初始時間同步。時間同步由數據鏈路層負責進行，完成時間同步后，才會進入數據通信階段，此時才可以在節(jié)點所屬的具體時隙進行數據的發(fā)送。

數據通信由不同網絡層次配合完成：最底層物理層是現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）實現的無線數據通信；數據鏈路層采用時分多址（Time division multiple access，TDMA）的同步接入方式傳遞數據，并在長周期內產生時間同步維護信息，完成周期性時間同步；網絡層和傳輸層周期性通過最優(yōu)化鏈路狀態(tài)路由協議（Optimal Link State Routing，OLSR）維護全網拓撲信息，并封裝應用層數據，為數據鏈路層提供拓撲信息；應用層產生數據報文。最終數據鏈路層對封裝的應用層數據報文、網絡層OLSR控制報文、和時鐘同步信息提供時隙，完成通信。數據通信階段基本流程如圖3所示。

2.2 物理層

為了使用全向或寬波束天線，需要降低系統的頻率。經計算在特高頻（Ultra High Frequency，UHF）頻段上較為可取[4]。擬選定600 MHz左右頻點，若有頻點沖突，則可另選。在該頻點，天線尺寸可以控制在不超過1 m，因為對于小型衛(wèi)星，尺寸不顯得過大。

在調制解調方式的選擇上，正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）和二進制相移鍵控（Binary Phase Shift Keying，BPSK）的解調Eb/N0門限相等，但BPSK的帶寬較大，在1/2信道糾錯編碼的情況下，使用BPSK的調制速率達到40 MBaud，使用不同滾降系數，中頻/射頻帶寬達到40～80 MHz，對于UHF頻段來說，帶寬顯得很大，不利于天線和濾波器等射頻器件的設計。所以最終選用QPSK調制方式。使用0.5的滾降系數，中頻/射頻帶寬為30 MHz。

在選擇FEC信道糾錯編碼時，考慮到媒體訪問控制（Medium Access Control，MAC）層使用基于TDMA的多址接入技術，導致時序損耗較大。且低密度奇偶校驗碼（Low Density Parity Check Code，LDPC）碼具有譯碼復雜度低、可并行譯碼等優(yōu)點。因此選擇LDPC碼作為物理層的信道糾錯碼。

因此，物理層的大致參數如表1所示。

表1 物理層方案總體核心參數

鏈路預算：根據QPSK，LDPC(960,1 920)，基帶峰值速率為20 Mb/s，故單天線接收靈敏度為-94 dBm；自由空間路徑損耗按單個星群最大直徑100 km，頻段600 MHz計算為128 dB；單個節(jié)點天線增益5 dB，雙邊一共10 dB；收發(fā)兩端接口及饋線損耗以2 dB計算；鏈路裕量為5 dB；

由此可得發(fā)射功率Pt=-94+128-10+2+5=31 dBm≈1.26 W。

2.3 數據鏈路測層

在網絡初始階段，可以由全網內節(jié)點編號或者MAC地址最小的節(jié)點（該節(jié)點可以被認為是根節(jié)點）向其單跳的鄰居節(jié)點廣播同步消息，單跳的鄰居節(jié)點與根節(jié)點完成同步；然后完成新同步的節(jié)點又向它們的鄰居節(jié)點廣播同步消息，其鄰居節(jié)點完成時鐘同步。按照上述方式，全網的所有節(jié)點都完成了與根節(jié)點的時鐘同步。這種方式是基于樹狀拓撲的時鐘同步機制。

同步機制采取類似于網絡時間協議（Network Time Protocol，NTP）的兩階段握手機制（如圖4所示）。其交互過程如下：從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送時間同步請求報文，加上本地時間戳T1；主節(jié)點收到請求報文，紀錄到達時間戳T2；主節(jié)點封裝響應報文，加上本地時間戳T3；從節(jié)點收到響應報文，加上本地時間戳T4。因此，往返時延tdelay為：

主節(jié)點與從節(jié)點的時間偏移toffset為：

從節(jié)點計算出往返時延和時間偏移后，先檢查往返時延是否超過閾值，如果超過則認為主節(jié)點不可達，并且不調整本地時鐘；如果不超過，從節(jié)點根據時鐘偏移調整本地時鐘，從而與主節(jié)點的時鐘同步。

時間同步后，各節(jié)點按各自固定時隙進行數據發(fā)送。時隙分配情況，如圖5所示。其中時隙1為信道申請時隙，主要用于新入網節(jié)點的異步入網申請。時隙2到時隙n是節(jié)點的發(fā)送時隙，可以按照動態(tài)或者靜態(tài)的方式將時隙分配給相應的衛(wèi)星網絡節(jié)點，節(jié)點的發(fā)送時隙主要包括時鐘同步信息、路由與拓撲控制信息以及自身的數據信息。任何上電啟動的自組織網絡節(jié)點在一開始都會先進行信道偵聽，在1～2個通信周期內偵聽全網的同步包。

如果能夠收到全網的時隙同步報文，說明已經有網絡存在并完成了全網時鐘建立。此時新入網節(jié)點就在時隙1上發(fā)起入網申請，通過接收相鄰節(jié)點的時鐘信息完成全網時鐘同步。

如果沒有收到任何時隙同步報文，說明網絡時鐘同步未建立，此時就使用完全的異步接入完成路由表建立和網絡時鐘同步過程。

路由表和全網時鐘同步建立之后，數據傳輸的復雜性就大為降低。為了提高系統運行的可靠性，故采取固定時隙的分配方案，即每個衛(wèi)星網絡節(jié)點在預先分配好的時隙上發(fā)送數據包。

2.4 網絡層

按照路由建立的方式不同，自組織網絡可分為先應式路由協議、后應式路由協議[5-6]。先應式路由協議需要周期性地發(fā)送Hello報文感知鄰居節(jié)點并廣播路由信息，因此需要發(fā)送大量的控制報文。后應式路由協議雖然能夠減小控制報文的開銷，但存在不確定性，包括目的節(jié)點是否可達的不確定性以及路由建立延時的不確定性。現有的研究表明，后應式路由協議的時延遠遠大于先應式路由建立的時延[7]?？紤]到本場景為單個星群，所涉及的星間自組織網絡節(jié)點數目少，單個星群只有10個節(jié)點，這就意味著Hello報文和拓撲控制報文規(guī)模有限，故可采用先應式的路由協議，為應用層典型任務提供明確的可預期的時延保障[8]。

OLSR協議是先應式的路由協議[9]，其流程包括5個部分，分別是：鄰居發(fā)現、多點中繼（Multipoint Relays，MPR）選擇、TC分組消息擴散建立拓撲、路由建立和路由維護[10]。OLSR協議流程中各部分的介紹如下。

（1）鄰居發(fā)現。OLSR協議通過周期性的廣播Hello分組消息來發(fā)現鄰居，建立鄰居表。值得注意的是，OLSR需要尋找對稱鏈路，通過對稱鏈路尋找過程（如圖6所示），網絡中的節(jié)點均建立起了自己的對稱一跳鄰居集合。

（2）MPR選擇。協議選擇的MPR選擇算法流程圖如圖7所示。該算法本身是一個貪婪選擇算法，當MPR節(jié)點覆蓋所有二跳鄰居時，算法結束。

（3）TC分組消息擴散建立拓撲。當選好MPR后，每個MPR節(jié)點均會建立起自己的一個MPR Selectors表。這個表指定了在建立拓撲的時候，MPR節(jié)點要轉發(fā)來自哪些節(jié)點的TC分組消息[11]。

（4）路由建立。當拓撲建立起來之后，OLSR的路由算法采用基于跳數的Dijkstra算法，從拓撲結構中找到源節(jié)點到目的節(jié)點的最短路徑。

（5）路由維護。如果有新的節(jié)點加入到拓撲中，OLSR則會建立新的拓撲和路由，過程和前面所述步驟相同。OLSR的每一條信息均是周期更新，并且每一條目均有有效時間的概念。若節(jié)點丟失，丟失節(jié)點的中繼節(jié)點的鄰居信息表有效時間結束后，會首先更新鄰居信息，其次再通過TC分組按照上述流程更新。網絡會建立起新的拓撲。

3 分布式星群組網仿真平臺

針對小規(guī)模星群內組網（10顆節(jié)點），采用固定時隙TDMA的方式進行接入，采用OLSR進行路由。設定了一種衛(wèi)星仿真工具包（Satellite Tool Kit，STK）測試場景：半徑為100 km的拓撲小規(guī)模型群間組網（如圖8所示）。因為半徑為100 km的拓撲中10顆星在數據鏈路層是非全連通的，可以觀察報文的路由路徑和報文的端到端時延。

采用分層網絡架構的思想對OPNET的節(jié)點模型進行設計，如圖9所示，分為物理層、數據鏈路層和網絡層。物理層包含接收機模塊、發(fā)射機模塊、接受天線模塊和發(fā)射天線模塊；數據鏈路為TDMA模塊；網絡層為OLSR模塊，這些模塊通過OPNET的包流線相連，模擬跨層通信。

針對半徑為100 km的場景，得到10個節(jié)點的路由表，從每個節(jié)點的路由表可以發(fā)現半徑100 km拓撲是一個非全連通的。如圖10所示，發(fā)現節(jié)點0到節(jié)點9的下一跳是節(jié)點1，節(jié)點1的下一跳才是節(jié)點9，因而如果有一個報文要從節(jié)點0到節(jié)點9，必須經過節(jié)點1的轉發(fā)。

此外，在半徑100 km場景下，在節(jié)點0到節(jié)點9之間注入1 Mb/s的數據流時，節(jié)點0到9的端到端時延圖，如圖11所示。由圖11可以發(fā)現，由于路由會發(fā)生切換，所以時延會有所波動。

為了更進一步驗證OLSR適應拓撲變化的及時性，在半徑100 km的場景中人為制造節(jié)點失效的情況。具體操作是讓節(jié)點2在某時刻失效，觀察其他節(jié)點路由表的變化。如圖12所示，在節(jié)點2失效以前，節(jié)點9到節(jié)點0的報文需要經過節(jié)點2的轉發(fā)，當節(jié)點2失效之后，節(jié)點9不僅知曉了節(jié)點2的失效，而且還重新規(guī)劃了一條到節(jié)點0的路由，全程大約在5 s內完成切換。

4 分布式星群組網硬件平臺

4.1 總體架構

物理層硬件實現方案總體框圖如圖13所示。

整個硬件由以下幾個部分構成。

（1）嵌入式處理板：負責網絡層協議和應用層的功能，CPU可選ARM核心的A10或相近系列的型號，操作系統使用Linux。

（2）軟件無線電處理板：負責數據通信部分和測距部分的物理層和鏈路層的中頻數字化，軟件無線電處理板對外直接輸出指定頻點的射頻小信號，電平大約在-15 dBm。

（3）射頻組件：包含射頻混功放、濾波器、低噪放和雙工器。

（4）天線：使用單根收發(fā)天線。

（5）軟件無線電處理板：結構見圖14所示。

（6）網口：嵌入式與軟件無線電處理板之間的接口為100 Mb/s網口，網口之間進行數據和命令的交互。

軟件無線電處理板內部使用FPGA實現數據鏈路層和物理層的基帶處理。選擇Xilinx公司的高密度低功耗產品Artix-7系列，型號為XC7A200T。AD9361芯片在TDD雙工支持最大56 MHz射頻帶寬、數字接口處最高61 Ms/s的I/Q采樣率。而需要的基帶峰值速率為大約20 Mb/s，使用QPSK映射，1/2信道編碼，最終碼元速率大約為20 MBaud。滾降系數為0.5時，信號射頻帶寬為30 MHz左右。物理層實現部分包括調制解調、信道糾錯、碰撞檢測、時延測量等部分。

4.2 OLSR協議

本文的OLSR在olsr.org OLSR daemon[12]的基礎上在Linux系統下實現，該方案同olsr.org OLSR daemon相兼容。

OLSR協議的實現通過端口號為698的UDP端口收發(fā)路由控制分組，然后維護鄰居表，進行邏輯計算，最后生成路由表并反映到內核路由表中[13-14]。數據分組和協議控制分組按照內核路由表中的最佳匹配表項進行發(fā)送和轉發(fā)。當網絡中有分組到達本節(jié)點時，內核將判斷該分組的目的地是否是自己，如果不是，則“轉發(fā)功能模塊”根據內核路由表轉發(fā)該分組；如果是，則根據分組的不同交給相應的模塊進行處理，當收到OLSR協議控制分組時，轉由OLSR路由協議模塊處理。

4.3 演示驗證環(huán)境

將每個節(jié)點依次和Linux虛擬機相連，運行OLSR協議。路由收斂后節(jié)點0路由表如下，此時全網有3個節(jié)點（節(jié)點0、1、2），并處于全連通?？梢?，協議正常運行。

使用iperf進行單端流量測試，結果如圖18所示?？梢妴味肆髁繒r延抖動jitter平均為37.5 ms左右。因為每個節(jié)點時隙為20 ms，因此較為正常。

使用ping進行往返時延（Round Trip Time，RTT）測試，可以發(fā)現節(jié)點0到節(jié)點1和節(jié)點1到節(jié)點0的RTT并不一致。這是因為節(jié)點0的時隙在節(jié)點1的時隙之前，如圖19所示，節(jié)點0 ping節(jié)點1可以在一個時間周期內完成Internet控制報文協議（Internet Control Message Protocol，ICMP）的request和reply。如圖20所示，節(jié)點1 ping節(jié)點0時要等待下一個周期的節(jié)點0時隙才會收到節(jié)點0發(fā)送的ICMP reply報文。

5 結 語

本文對于分布式低軌微納衛(wèi)星星群組網，提出了一種可行的通信組網方案：網絡層使用OLSR協議建立路由；數據鏈路層使用TDMA以及物理層的核心參數選取；搭建了軟件仿真平臺和硬件驗證平臺進行測試，進一步確定了方案的可行性。

在仿真測試時，也發(fā)現了一些問題，如TDMA協議分配的時隙會影響到各個節(jié)點的交互時延，不同軌道位置的衛(wèi)星對通信的需求也有所不同。故TDMA協議的時隙分配與衛(wèi)星在軌道中不同位置的關系值得進一步思考。此外，微納衛(wèi)星自組網中有新節(jié)點接入時，從鏈路層接入到網絡層接入的過程是一個值得優(yōu)化的重要場景。

此外，本文主要討論的分布式星群場景是節(jié)點數量較少的小星群場景，當更多的小星群聯合起來組成大規(guī)模的分布式星群系統時，單個衛(wèi)星節(jié)點要維護整個星群間網絡的拓撲，比如有100個節(jié)點，對于星上載荷資源嚴重受限的微納衛(wèi)星是不現實的。

一種可行方案是組網采用分層的路由協議。由于小衛(wèi)星在執(zhí)行典型任務時已經進行了分群。因此可以將大規(guī)模星群間組網分為兩個層次，第一層是星群間組網，第二層是星群內組網。每個星群的簇首節(jié)點運行簇間路由信息交互，簇內節(jié)點使OLSR進行簇內信息交互。星群間組網和星群內組網可以采取相同的組網模式，用不同發(fā)射頻率的信道加以區(qū)分。在下一步工作中，設計組網方案時還要充分考慮簇首節(jié)點的負載瓶頸等問題。