大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡移動性管理方案

吳琦/WU Qi，郭孟澤/GUO Mengze，朱立東/ZHU Lidong

（電子科技大學通信抗干擾技術國家級重點實驗室，中國 成都 611731）

(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡[1]主要包括空間段、地面段和用戶段，其中空間段主要由低軌衛(wèi)星組成。目前，以銥星系統(tǒng)與LeoSat星座為代表的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，在星座設計中均采用了星間鏈路和星上處理技術。這使得衛(wèi)星星座擁有獨立組網(wǎng)和路由能力。未來低軌衛(wèi)星星座也將繼續(xù)采用這些技術，以使得衛(wèi)星星座不僅具備為地面終端之間、終端與地面站之間提供通信鏈路的能力，還擁有完成地面用戶接入、業(yè)務傳送等功能。地面段主要包括地面控制中心、指令站（跟蹤、遙測），以及網(wǎng)絡控制中心3個部分，可實現(xiàn)系統(tǒng)運維。用戶段主要包括各類地面終端用戶，如車載終端、艦載終端和衛(wèi)星電話等。本文中，我們主要將地面用戶段劃分為高速移動終端和非高速移動終端。其中，高速移動終端在位置區(qū)覆蓋衛(wèi)星進行切換的同時，也可能產生越區(qū)切換。

文獻[2]指出低軌衛(wèi)星具有時延短、路徑損耗小和對功率要求低的優(yōu)點，同時低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以采用簡單、低功率的地面終端和設備。然而，相比于中軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星，單顆低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍比較有限，需要大規(guī)模星座才能實現(xiàn)全球覆蓋。OneWeb通信系統(tǒng)就是這類星座的代表。它是由720顆運行在軌道高度為1 200 km的衛(wèi)星構成的低軌衛(wèi)星星座，星間通信依靠地面信關站完成。本文中的大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡移動性管理方法主要應用于720顆存在星間鏈路的低軌衛(wèi)星星座。

1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡動態(tài)虛擬化分布式移動性管理

1.1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡移動性管理研究現(xiàn)狀

地面網(wǎng)絡中的移動性管理方式主要為集中式管理[3]，即采用本地代理來實現(xiàn)對終端的管理，同時終端每次發(fā)起位置更新時都要向本地代理傳輸消息。如果直接將這種地面網(wǎng)絡的集中式移動性管理方法應用在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡場景中，就會出現(xiàn)以下兩個問題：

（1）終端頻繁切換接入衛(wèi)星[4-5]而產生的大量報文消息，會經(jīng)過星間鏈路和本地網(wǎng)絡傳遞給本地代理。這將使得衛(wèi)星星間鏈路和本地網(wǎng)絡負載過高。這種負載會隨著終端數(shù)量的增加而繼續(xù)增大，容易導致網(wǎng)絡癱瘓。

（2）當終端距離本地代理較遠時，信令的傳輸時延會增大。這種時延會影響終端的切換，進而影響整個網(wǎng)絡的性能。

因此，有必要針對低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡的特點，將低軌衛(wèi)星移動速度快、網(wǎng)絡拓撲變化快等因素進行結合考慮[6]，尋找一種不同于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡集中式管理的移動性管理方法。文獻[7]提出的動態(tài)虛擬化分布式移動性管理（DV-DMM）是一種適用于大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡的分布式移動性管理架構。對于分布式地面站建站困難的區(qū)域，如海洋、沙漠等，文獻[7]提出利用低軌衛(wèi)星群組成動態(tài)虛擬網(wǎng)關，即存在星間鏈路的相鄰幾顆衛(wèi)星共同組成虛擬網(wǎng)關，對地面終端發(fā)送的位置更新信息進行網(wǎng)關內信息同步。虛擬網(wǎng)關將在無法布設地面網(wǎng)關的地區(qū)發(fā)揮與地面網(wǎng)關相同的作用，例如存儲、轉發(fā)、路由等。通過和傳統(tǒng)的基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的移動IP第6版（MIPv6）移動性管理方法進行開銷對比，DV-DMM模型的移動性管理開銷優(yōu)于MIPv6方案。

1.2 動態(tài)虛擬化分布式移動性管理方案

本文中我們使用和DV-DMM相似的移動性管理架構，并按照經(jīng)緯度來劃分位置區(qū)。每個位置區(qū)所占經(jīng)度范圍為12°，緯度范圍為15°，這樣全球一共被劃分為360個位置區(qū)。以此為最小單元，若有由于地理或政治因素無法建設地面站的位置區(qū)，則由覆蓋該位置區(qū)的衛(wèi)星群來構成虛擬網(wǎng)關[7]以協(xié)助組網(wǎng)。

低軌衛(wèi)星分布式移動性管理系統(tǒng)模型如圖1所示。在該模型中，我們從360個位置區(qū)中選取6個位置區(qū)。其中，LA3（LA指位置區(qū)）區(qū)域由于受到地理因素等限制無法建立地面網(wǎng)關。此時位于該位置區(qū)的衛(wèi)星S5、S6、S7、S8會組成虛擬網(wǎng)關衛(wèi)星群，同時S7將成為位于該位置區(qū)內MN2（MN指終端）的接入衛(wèi)星。

▲圖1 低軌衛(wèi)星分布式移動性管理系統(tǒng)模型

在本模型中，假設地面站與地面站之間、終端與地面站之間均不通過地面鏈路進行通信，所有的通信都由低軌衛(wèi)星來完成。

終端向位置區(qū)所在的網(wǎng)關進行信息注冊時存在兩種情況：

（1）如果終端位置區(qū)所在的網(wǎng)關為地面站，那么在終端進行位置信息注冊時，終端的接入衛(wèi)星會通過星間鏈路將終端的位置信息發(fā)送給終端所在位置區(qū)的網(wǎng)關，以完成信息的注冊。隨后網(wǎng)關再通過星間鏈路將終端的位置信息并發(fā)送給其他網(wǎng)關，以完成信息的全局同步。

（2）如果終端所在位置區(qū)網(wǎng)關為虛擬網(wǎng)關，則終端的接入衛(wèi)星與相鄰的幾顆衛(wèi)星共同組成當前位置區(qū)的虛擬網(wǎng)關。接入衛(wèi)星在收到終端的位置信息時，會首先在虛擬網(wǎng)關內向其他衛(wèi)星同步終端位置信息，再通過星間鏈路發(fā)送到全局其他網(wǎng)關。

發(fā)送給其他網(wǎng)關的全局同步信息僅包含終端當前所屬的位置區(qū)網(wǎng)關，而不包含終端當前的接入衛(wèi)星。這是因為低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡中終端切換十分頻繁。如果每次切換時接入衛(wèi)星都進行全局更新，信令傳輸開銷就會變得很大。因此，為了降低開銷，每次終端切換接入衛(wèi)星時，僅需要通知本地網(wǎng)關，并在本地網(wǎng)關內更新接入的衛(wèi)星信息。

當終端MN1向終端MN2發(fā)起通信請求時，發(fā)送的請求報文中只包含源終端和目的終端的標識信息。報文首先由MN1發(fā)送給MN1的接入衛(wèi)星S2。S2收到報文后會在本地緩存中尋找MN2的標識信息。如果S2本地有MN2的標識信息，就說明MN2的接入衛(wèi)星也是S2。這時MN1與MN2可以經(jīng)由S2直接建立通信連接。如果S2本地查詢不到MN2的標識信息，S2就會將位置查詢報文發(fā)給當前位置區(qū)LA4的地面站。隨后，LA4的地面站將查詢本地緩存有無MN2的標識信息。如果有，則說明MN2也位于LA4中。這時MN1與MN2可通過LA4的地面站建立通信連接。由于終端在注冊時已經(jīng)將其所屬位置區(qū)網(wǎng)關進行全局同步，因此任何一個網(wǎng)關處都存儲有MN2的所屬位置區(qū)網(wǎng)關信息。如果MN2不在LA4中，則LA4的網(wǎng)關就會將位置查詢報文發(fā)給MN2所在位置區(qū)的網(wǎng)關，以完成通信連接。通信對端位置查詢流程圖如圖2所示。

▲圖2 位置查詢流程圖

2 DV-DMM及其改進模型位置管理開銷分析

文獻[7]在動態(tài)虛擬化方案中提出了虛擬網(wǎng)關的概念。當用戶所在地區(qū)可以建立地面網(wǎng)關時，地面網(wǎng)關將承擔終端位置區(qū)信息的存儲工作。當?shù)孛娼K端需要向另一個終端發(fā)起通信時，該終端將首先查詢自身的接入衛(wèi)星中是否存在另一終端的轉交地址，如有則直接通過接入衛(wèi)星轉發(fā)信息，如無則通過接入衛(wèi)星向自身位置區(qū)地面站尋求另一終端轉交地址實現(xiàn)通信過程。當用戶所在位置區(qū)因地理位置或地緣政治因素不能修建地面站時，覆蓋位置區(qū)的衛(wèi)星將組合為虛擬網(wǎng)關，以代替地面網(wǎng)關的相關功能。

當?shù)孛娼K端由于覆蓋區(qū)衛(wèi)星運動而發(fā)生位置更新時，該方案只需要將位置更新信息在虛擬網(wǎng)關之間進行局部更新即可。當?shù)孛嬗脩舭l(fā)生越區(qū)切換時，位置更新信息需要通過接入衛(wèi)星廣播到全球網(wǎng)關（包括所有地面網(wǎng)關和虛擬網(wǎng)關），而這將帶來極大的位置更新開銷。

本節(jié)在文獻[7]提出的動態(tài)虛擬化分布式移動性管理方案基礎之上，進一步推導了該方案中全球虛擬網(wǎng)關服從均勻分布（即所有虛擬網(wǎng)關均由相同數(shù)目的衛(wèi)星通過星間鏈路組成）時系統(tǒng)的位置更新開銷表達式，并結合地面終端密度進一步改進虛擬網(wǎng)關的分配策略，并給出了虛擬網(wǎng)關服從非均勻分布時系統(tǒng)的位置更新開銷表達式。

2.1 均勻虛擬網(wǎng)關DV-DMM系統(tǒng)位置管理開銷分析

我們將位置管理信令開銷定義為報文大小和報文跳數(shù)的乘積，并假設報文大小為固定值B。

位置管理信令開銷Ctotal包括終端切換接入衛(wèi)星時通知本地網(wǎng)關的開銷Csat和切換位置區(qū)時由本地網(wǎng)關發(fā)起的向其他網(wǎng)關進行信息全局同步的開銷Cla。當?shù)孛娼K端所在位置區(qū)對應的網(wǎng)關為地面網(wǎng)關或者虛擬網(wǎng)關時，開銷分析均可按以下方式展開。

單位時間內由于低軌衛(wèi)星運動而造成的終端切換接入衛(wèi)星的次數(shù)Nacc可由式（1）計算：

其中，R表示衛(wèi)星圓形覆蓋區(qū)的半徑，Vsat表示衛(wèi)星移動速度，ρ表示地面用戶密度，相關示意如圖3所示。因此，由衛(wèi)星運動導致的終端切換接入衛(wèi)星的開銷Csat可由式（2）表示：

▲圖3 按照地面用戶密度對地球重新分區(qū)結果圖

其中，H(Sl,LAk)表示當終端所在位置區(qū)網(wǎng)關為地面網(wǎng)關時，從MN的接入衛(wèi)星Sl到終端所在位置區(qū)網(wǎng)關LAk的跳數(shù)，通常取值為1。該跳數(shù)加1表示將從MN到Sl的1跳也考慮在內。Pvir表示MN所在網(wǎng)關是虛擬網(wǎng)關的概率。如果MN所在網(wǎng)關是虛擬網(wǎng)關，則還需要考慮虛擬網(wǎng)關內部信息同步的開銷。Hvir表示該虛擬網(wǎng)關內部信息同步所需要的跳數(shù)，該值與組成虛擬網(wǎng)關的衛(wèi)星數(shù)量有關。Pvir可由式（3）計算：

其中，Nvir為系統(tǒng)中虛擬網(wǎng)關數(shù)量。NLA為系統(tǒng)中的網(wǎng)關總數(shù)量，包含虛擬網(wǎng)關數(shù)量和地面網(wǎng)關數(shù)量。

當MN切換位置區(qū)時，除了式（2）中的開銷之外，系統(tǒng)還需要向其他網(wǎng)關進行信息同步。此時額外開銷Cla可由式（4）計算：

其中，H(LAk,LAj)表示從位置區(qū)k的網(wǎng)關LAk到位置區(qū)j的網(wǎng)關LAj的跳數(shù)，Hvir_n表示第n個虛擬網(wǎng)關內部信息同步需要的跳數(shù)，Pla表示終端切換位置區(qū)的概率。式（4）中中括號的第1項是由MN所在網(wǎng)關LAk向全局其他網(wǎng)關發(fā)送位置更新消息的信令開銷，第2項是系統(tǒng)內的虛擬網(wǎng)關在接收到LAk發(fā)送的位置更新消息后，再進行虛擬網(wǎng)關內部信息同步的開銷。

本系統(tǒng)總的位置管理開銷可由式（5）表示：

2.2 自適應調整位置區(qū)虛擬網(wǎng)關規(guī)模算法

當全球虛擬網(wǎng)關服從均勻分布時，地面終端密度分布不同將導致不同地區(qū)對應的虛擬網(wǎng)關所承載的業(yè)務量不同。2.1節(jié)并未考慮到這一點。為使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，所有虛擬網(wǎng)關中的衛(wèi)星數(shù)目都應相同，而且數(shù)值不能過大，否則高終端密度地區(qū)的虛擬網(wǎng)關將無法及時進行全部業(yè)務的接入和內部廣播操作。這種均勻劃分方式只能將全球大部分衛(wèi)星劃分為多個小規(guī)模的虛擬網(wǎng)關，對于降低虛擬網(wǎng)關間的位置更新廣播跳數(shù)是不利的。

參考文獻[8]將地球表面按照國家地理位置、用戶分布密度、是否熱點地區(qū)等條件合理劃分成不同的管理區(qū)，并對不同的管理區(qū)進行分簇管理，實現(xiàn)了對不同用戶密度位置區(qū)進行差異化、細粒度的管理。

基于以上分析，本節(jié)提出了一種基于地面用戶密度劃分位置區(qū)的方法。為不同位置區(qū)分配不同大小的虛擬網(wǎng)關，可進一步降低全球虛擬網(wǎng)關數(shù)目，進而減少由地面終端發(fā)生越區(qū)切換引起的位置更新開銷。

1.2節(jié)中提到，全球一共被劃分為360個位置區(qū)。在這些位置區(qū)的基礎上，本文參照地球人口密度對位置區(qū)進行著色并用符號進行標記。其中，顏色越深的地方表示相應的位置區(qū)終端密度越大（符號數(shù)越大）。360個位置區(qū)的著色結果分布如圖4所示。

▲圖4 按照地面用戶密度對地球重新分區(qū)結果圖

圖4中，我們采用4種顏色，每種顏色對應①、②、③、④中的一個數(shù)字符號。顏色由淺至深（數(shù)字符號由小到大）代表了地面終端密度由低到高。假設這4種顏色代表的終端密度為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并滿足ρ1＜ρ2＜ρ3＜ρ4。圖4中中間白色方格區(qū)域近似為中國，按照現(xiàn)有方式可在中國境內布設地面站，暫時不需要構建虛擬網(wǎng)關。終端密度ρ4對應的區(qū)域近似為西亞、南歐和北非，ρ3對應的區(qū)域近似為南美、北美和北歐等地區(qū)，ρ2對應的區(qū)域為其他陸地地區(qū)，ρ1對應的區(qū)域為海洋。

對于終端密度高的地區(qū)，如果覆蓋區(qū)的虛擬網(wǎng)關中的衛(wèi)星數(shù)量較多，虛擬網(wǎng)關覆蓋的面積將增多。這是因為衛(wèi)星在單位時間內需要接收更多終端的位置更新。一次位置更新將對應一次虛擬網(wǎng)關內部的信息廣播過程。對于較大規(guī)模的虛擬網(wǎng)關而言，這種開銷是巨大的。此時應該選擇較小規(guī)模的虛擬網(wǎng)關。同理，對于終端密度低的地區(qū)，可以在網(wǎng)關承載能力之內選擇更大的虛擬網(wǎng)關。此時虛擬網(wǎng)關所覆蓋的范圍更大。當將此范圍作為當前終端所在位置區(qū)時，地面位置區(qū)相較于起初以經(jīng)緯度劃分的位置區(qū)而言有所增大。這降低了該地區(qū)用戶發(fā)生越區(qū)切換的概率。雖然這些地區(qū)用戶密度較小，但是每一次越區(qū)切換所對應的全局廣播開銷十分龐大。因此，減少越區(qū)切換發(fā)生的次數(shù)對于系統(tǒng)整體優(yōu)化有重要作用。

本文中我們將虛擬網(wǎng)關的最小單元設置為由4顆衛(wèi)星連接而成的衛(wèi)星群。終端密度高的地區(qū)將采用這樣的虛擬網(wǎng)關單元。對于用戶密度較低的區(qū)域，每顆衛(wèi)星均向外部延伸1顆衛(wèi)星，可以分別形成由8顆衛(wèi)星和16顆衛(wèi)星連接而成的衛(wèi)星群。更進一步地，在16顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群外部選擇8顆衛(wèi)星各自向外延伸1顆衛(wèi)星，可以形成24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群。因此，對于目前劃分的4種地面終端密度ρ4、ρ3、ρ2、ρ1，虛擬網(wǎng)關可以依次擴充為每組4、8、16、24顆衛(wèi)星。不同終端密度地面區(qū)將采用不同規(guī)模的虛擬網(wǎng)關，即地面終端密度為ρ4、ρ3、ρ2、ρ1的位置區(qū)分別采用規(guī)模為4、8、16、24顆衛(wèi)星的虛擬網(wǎng)關加以管理。需要說明的是，某一密度的地面區(qū)可能需要采取多組虛擬網(wǎng)關才能實現(xiàn)這一地面區(qū)的全部覆蓋。

2.3 非均勻虛擬網(wǎng)關DV-DMM系統(tǒng)位置更新開銷分析

本節(jié)提出了根據(jù)地面終端密度自適應調整覆蓋區(qū)虛擬網(wǎng)關大小的思路。終端密度較大的地區(qū)，由于虛擬網(wǎng)關承載能力有限，可選擇較小的虛擬網(wǎng)關，反之選擇較大的虛擬網(wǎng)關。下面我們對這種算法中位置管理產生的開銷加以分析。

當終端所在位置區(qū)網(wǎng)關為地面網(wǎng)關時，具體分析過程可參考2.1節(jié)。這里我們僅分析終端所在位置區(qū)網(wǎng)關為虛擬網(wǎng)關的情況。

由低軌衛(wèi)星運動而造成的終端切換接入衛(wèi)星的次數(shù)Nacc,i表達式為：

其中，R表示衛(wèi)星圓形覆蓋區(qū)的半徑，Vsat表示衛(wèi)星移動速度，ρi,i=1,2,3,4表示地面用戶密度。

其中，Ngro為原地面網(wǎng)關的數(shù)目。隨著虛擬網(wǎng)關數(shù)目的減少，虛擬網(wǎng)關出現(xiàn)的概率將會降低。具體而言，如果全球所有不能布設地面站的地理區(qū)域都采取均勻布設虛擬網(wǎng)關的方式，則考慮到虛擬網(wǎng)關的承載能力有限，全球的虛擬網(wǎng)關規(guī)模均為最小單元（即4顆衛(wèi)星）。當全球地區(qū)均按照用戶終端密度自適應地改變虛擬網(wǎng)關的大小時，終端密度高的地方依舊維持由4顆衛(wèi)星組成的最小虛擬網(wǎng)關單元，終端密度低的地方會擴大虛擬網(wǎng)關的規(guī)模，同時會相應地減少虛擬網(wǎng)關的數(shù)目。在整體星座中衛(wèi)星數(shù)量一定的情況下，這種方式可以降低虛擬網(wǎng)關出現(xiàn)的概率P'vir。

因此，由衛(wèi)星運動而導致的終端切換接入衛(wèi)星的開銷Csat可由式（8）表示：

其中，等號右邊的第1項和第2項分別表示終端處于虛擬網(wǎng)關下和中國境內的開銷，為所有虛擬網(wǎng)關內部廣播跳數(shù)的加權平均值。當MN切換位置區(qū)時，除了式（8）中的局部開銷之外，還需要向其他網(wǎng)關進行信息同步。此時開銷Cla可由式（9）計算：

其中，Pi為中國境外終端在密度為ρi位置區(qū)的概率。當Nacc,i與Nacc相等時，式（9）與式（4）本質上是一樣的。

根據(jù)地面終端密度確定虛擬網(wǎng)關大小將會引起衛(wèi)星星座中虛擬網(wǎng)關占比P'vir發(fā)生變化。式（8）和式（9）中系統(tǒng)總網(wǎng)關數(shù)目N'LA和虛擬網(wǎng)關數(shù)目N'vir均會減小，H(LAk,LAj)'因為全局網(wǎng)關數(shù)目的減少也會減小，但每個虛擬網(wǎng)關內部的局部更新開銷H'vir_n會相應增大。

綜上所述，系統(tǒng)總體開銷為：

2.4 虛擬網(wǎng)關開銷

由于地球的自轉和低軌衛(wèi)星的高速移動性，覆蓋同一位置區(qū)的衛(wèi)星是不斷變化的。虛擬網(wǎng)關本身可以被視為與地面位置區(qū)一一映射關系。虛擬網(wǎng)關的規(guī)模和位置僅與地面終端分布密度有關，同時虛擬網(wǎng)關內部存在衛(wèi)星的接入與接出。

按照現(xiàn)有方式，在虛擬網(wǎng)關中，當有新的衛(wèi)星進入時，舊的衛(wèi)星將從當前網(wǎng)關中被移除。對于舊衛(wèi)星的移出，系統(tǒng)需要在向虛擬網(wǎng)關內部其他衛(wèi)星廣播移出信息。新接入的衛(wèi)星需要向當前虛擬網(wǎng)關內的全部衛(wèi)星廣播自身進入虛擬網(wǎng)關的消息，以便于新的用戶位置更新信息不用傳遞給已經(jīng)移出網(wǎng)關的衛(wèi)星，就可以正常傳遞給有新接入的衛(wèi)星。因此，這樣的一次移入移出對應的全球系統(tǒng)開銷可以表示為：

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真基本參數(shù)設置

本文中的仿真工具為MAT?LAB2021a推出的衛(wèi)星通信工具箱。我們采用極軌星座（每軌24顆衛(wèi)星，共30條軌道）?；痉抡鎱?shù)如表1所示。

▼表1 星座仿真基本參數(shù)表

每個單元格為經(jīng)度12°、緯度15°的方格區(qū)域。衛(wèi)星軌道分為30軌，右旋升交點赤經(jīng)以6°為間隔在0～180°內均勻取值，真近點角以15°為間隔在0～360°內均勻取值。為了體現(xiàn)相位差異，軌道編號為奇數(shù)的真近點角從[7.5,22.5,37.5,…,352.5]中取值，軌道編號為偶數(shù)的衛(wèi)星真近點角從[0,15,30,…,345]中取值。星座仿真如圖5所示。

▲圖5 衛(wèi)星星座仿真圖

圖5中外部紅色點為720顆衛(wèi)星，地球表面圓圈為每顆衛(wèi)星覆蓋面。每顆衛(wèi)星可以與同軌道相鄰兩顆衛(wèi)星以及相鄰軌道上的兩顆衛(wèi)星建立星間鏈路。紫色線表示異軌之間的星間鏈路建立情況，分布不均勻的藍色點表示地球表面添加的移動終端。

利用仿真工具并結合圖4中地面終端密度所獲得的地面終端分布如圖6所示。

▲圖6 地面終端分布

3.2 開銷公式所需參數(shù)求解

本仿真規(guī)定，所有地面終端接入衛(wèi)星的規(guī)則為按時序排隊。地面終端將與第1個接入的衛(wèi)星保持連接，直至衛(wèi)星離開地面終端位置區(qū)，此時再接入下一顆衛(wèi)星。通過統(tǒng)計不同經(jīng)緯度地區(qū)地面終端在24 h內接入衛(wèi)星的次數(shù)，可以計算出圖4中不同密度地區(qū)的用戶接入次數(shù)平均值Nacc,i。根據(jù)圖4，我們可以將全局680顆低軌衛(wèi)星分成規(guī)模分別為4、8、16、24的4種虛擬網(wǎng)關。其余40顆衛(wèi)星處于中國國境上方，不需要構成虛擬網(wǎng)關。虛擬網(wǎng)關規(guī)模、數(shù)目、Nacc,i等參數(shù)值如表2所示。其中，虛擬網(wǎng)關內部廣播跳數(shù)H'vir_n可根據(jù)虛擬網(wǎng)關規(guī)模以及衛(wèi)星之間的連接情況建立鄰接矩陣。利用Dijkstra[9]算法可計算出從虛擬網(wǎng)關邊界上任意一點到整個虛擬網(wǎng)關進行廣播所需的平均跳數(shù)。

▼表2 全球虛擬網(wǎng)關參數(shù)

非均勻分布時，虛擬網(wǎng)關總數(shù)目為51個，共包含680顆衛(wèi)星；均勻分布時，680顆衛(wèi)星以4顆衛(wèi)星為一組來劃分虛擬網(wǎng)關，此時虛擬網(wǎng)關總數(shù)為170個。假設中國境內的地面網(wǎng)關數(shù)目為10個，則非均勻分布時虛擬網(wǎng)關出現(xiàn)概率為P'vir=0.83，均勻分布時虛擬網(wǎng)關出現(xiàn)概率Pvir=0.94。均勻分布時，Nacc取表2中Nacc,i的加權平均值。

根據(jù)圖4可建立非均勻規(guī)模的虛擬網(wǎng)關（虛擬網(wǎng)關總數(shù)為51）和均勻規(guī)模的虛擬網(wǎng)關（虛擬網(wǎng)關總數(shù)為170）之間的鄰接矩陣。此時，非均勻規(guī)模時網(wǎng)關到網(wǎng)關之間的平均跳數(shù)為，均勻規(guī)模時的平均跳數(shù)為。可以看出，非均勻規(guī)模虛擬網(wǎng)關的全局更新跳數(shù)遠小于均勻規(guī)模虛擬網(wǎng)關的跳數(shù)。由表2可知，虛擬網(wǎng)關非均勻時規(guī)模較大的虛擬網(wǎng)關內部更新跳數(shù)也將增大。

3.3 位置更新開銷仿真

根據(jù)前述參數(shù)仿真兩種情況下的位置更新開銷，分別為虛擬網(wǎng)關為均勻分布時的位置更新開銷和根據(jù)地面終端密度自適應調整虛擬網(wǎng)關規(guī)模方案的位置更新開銷。

均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)和非均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)因衛(wèi)星運動而發(fā)生的位置管理開銷如圖7所示。均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)和非均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)因地面終端發(fā)生越區(qū)切換而產生的位置更新開銷如圖8所示。

▲圖7 衛(wèi)星移動造成的位置更新開銷

▲圖8 用戶越區(qū)切換造成的位置更新開銷

圖7中，對于非均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)，由于引入了更大的虛擬網(wǎng)關，此時每次因衛(wèi)星運動而產生的虛擬網(wǎng)關內部更新開銷占主要部分。因此，非均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)在衛(wèi)星移動時將產生更大的信令開銷，性能表現(xiàn)不如均勻分布虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)。圖8中，當非均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)引入更大的虛擬網(wǎng)關之后，系統(tǒng)中整體網(wǎng)關的數(shù)量變少。相比于均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)中的170個虛擬網(wǎng)關，非均勻虛擬網(wǎng)關中僅有51個虛擬網(wǎng)關。這大幅降低了全局更新的開銷。因此，用戶越區(qū)切換造成的位置更新開銷更小。將兩種位置更新開銷相加可計算系統(tǒng)總開銷，如圖9所示。采取本文提出的依據(jù)地面用戶密度自適應調整虛擬網(wǎng)關規(guī)模的方法將產生更小的位置更新開銷。

▲圖9 均勻分布虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)與非均勻分布虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)開銷對比

4 結束語

本文對DV-DMM系統(tǒng)在移動性管理方面的位置管理開銷進行了進一步探索，提出了一種根據(jù)地面終端密度自適應調整虛擬網(wǎng)關規(guī)模的算法，并比較了均勻分布虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)和非均勻分布虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)在用戶因衛(wèi)星運動和越區(qū)切換而發(fā)生位置更新的性能開銷。仿真結果表明，非均勻分布虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)位置管理中的位置更新信令開銷要小于非均勻虛擬網(wǎng)關系統(tǒng)。