（计算机应用技术专业论文）卫星网络中基于分簇的切换独立性移动管理.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 卫星网络中的结点是时刻运动着的，也就决定了其拓扑结构是时刻变化的，这就给 卫星网络的管理提出了一个很大的挑战。移动性管理是在卫星网络研究中一个非常重要 的课题。 论文主要研究m e o l e o 卫星网络中的移动管理问题。不同轨道卫星间存在着大量 因相对运动而产生的切换事件，如果采用传统的移动口协议实现移动管理，时亥q 存在 着的切换问题会使得管理代价非常大。论文对h i p m 口方案进行了改进，提出了一种基 于空问位置划分的移动管理方法_ h i p m s n 。以地理位置信息为基础，将太空轨道空 间划分成多个匀速移动的立体分区，根据l e o 层占结点数目最多的星座的运行规律划分 立体分区，做到使占结点数目最多的星座保持相对分区稳定。同时采用松散位置管理， 引入分页概念，对活动及空闲结点实施不同的管理方法。依据l e o 层卫星的轨道高度 将空间划分的立体分区，使得移动管理中的位置更新基于分区而不是切换。用理论方法 分析了管理代价，并通过仿真实验与其它几种管理方法进行了性能比较与评价，表明能显 著降低移动管理代价，提高移动管理性能。 引入a dh o g 网络中分簇的概念，提出了一种适用于m e o l e o 卫星网络管理的基 于地理信息辅助的分簇方法。簇首及管理员由m e o 卫星担任，管理代理设置在l e o 卫 星之上。l e o 卫星轨道所处的外层空闻被划分成移动的分区，根据结点的密度分区合并 为簇，然后在簇内根据组合加权方式选择一个m e o 卫星作为簇首通过仿真实验验证 了在不同相关参数下方法的执行情况，证明本方法能很好的实现m e o l e o 卫星网络管 理簇的划分及管理 分析已有的星间切换策略，提出了一种基于链路故障检测的切换策略，降低了路由 的故障率。经过仿真实验的验证，本文所提策略在保证通信延迟等基本性能之外，能很 显著的降低卫星通信的故障率。 关键词： dh o t ：；卫星网络；移动管理；切换；分簇 大连理工大学硕士学位论文 h a n d o v e r - i n d e p e n d e n tm o b i l i t ym a n a g e m e n tb a s e do l lc l u s t e r i n gi n s a t e l l i t en e t w o r k s a b s t r a c t n o d o si ns a t e l l i t en e t w o r k sa r em o v i n gf o r c v e r , w h i c hd e c i d e st h a ti t st o p o l o g yi s v a r y i n g , w h i c hc h a l l e n g e st h er e s e a r c h e ss u c ha sr o u t i n gf o rs a t e l l i t en e t w o r k s t h e r e f o r e ， m o b i l i t y m a n a g e m e n t i s a v e r y i m p o r t a n ts u b j e c t i n t h e r e s e a r c h e s o f s a t e l l i t e n e t w o r k s m o b i l i t ym a n a g e m e n ti nm e o l e os a t e l l i t e n e t w o r k si si n v e s t i g a t e d c o n t i n u a l l y e x i s t i n gh a n d o v e r sw h i c ha r e c a u s e db yr e l a t i v em o v e m e n t so fd i f f e r e n to r b i ta l t i t u d e s a t e l l i t e sw o u l do b s e r v a b l yd e c r e a s et h em a n a g e m e n tc o s t h i p m i ps c h e m ep r o p o s e st h e c o n c e p to fh a n d o v e r - l n d e p e n d e n tb u to n l ya d a p t st oc o m m u n i c a t i o n sb e t w e e nl e o s a t e l l i t e n e t w o r k sa n dg r o u n di pn o l w o r l 随，c a n td i r e c t l yu s e di ns a t e l l i t en e t w o r k s t h e r e f o r e , h p m 口s c h e m ei si m p r o v e da n dam o b i l i t ym a n a g e m e n ts c h e m eb a s e do ng e o g r a p h i c a l l o c a t i o n si sp r o p o s e d n 璩o u t e rs p a c ei sd i v i d e di n t o m et h r e e - d i m e n s i o n a lc e l l sw h i c ha r e m o v i n go l ie v e nv e l o c i t y , w h i c ho a r l i e so u tt h el o c a t i o nu p d a t i n gb a s e do nc e l l sc r o s s i n gb u t n o th a n d o v e r a n dt h ec o n c e p to fc l u s t e r i n gi si n t r o d u c e dt ob et h eb a s i so fs y s t e mt o p o l o g y a n dr o u t i n gt oi m p r o v et h em o b i l i t ym a n a g e m e n t e x i s t e dh a n d o v e rs t r a t e g i e sa r ea n a l y z e d a n dab n do f n e ws t r a t e g yb a s e do nl i n kf a u l t c h e c k i n gi sp r o p o s e d ，w h i c hc a r ld e c r e a s et h ef a u l tr a t eo f r o u t i n g an e wg e o g r a p h i c a l - b a s e dc l u s t e r i n ga l g o r i t h mf o rm e o l e os a t e l l i t en e t w o r k s m a n a g e m e n ti sp r o p o s e db yi n t r o d u c et h ec o n c e p to fc l u s t e r i n go fa dh o cn e t w o r k s 1 1 l e c l u s t e r h e e da n dm a n a g e ra r eo c c u p i e db ym e os a t e l l i t e sa n da g e n t sa l eo c c u p i e db yl e o s a t e l l i t e s 而co u t e r s p a c ei n c l u d i n g l e os a t e l l i t eo r b i t si sd i v i d e di n t os o m e t h r e e - d i m a n s i o n a lc e l l sw h i c ha m o v i n go i le 啪v e l o c i t y n ec e l l sm e r g ei n t oc l u s t e r s a c c o r d i n gt od e n s i t yo fl e os a t e l l i t e s am e o s a t e l l i t ew i l lb es a l e c t e da se l u s t e r h e a db y c o m b i n e dw e i g h t s n 嵋r e l a t i v em o b i l i t ya n dr e g u l a r i t yo f s a t e l l i t eo r b i t sa r ec o n s i d e r e di nt h e p a p e rm e a n w h i l et h em a n a g e ra n da g e n t sa r ed e f i n i t e l ys e t , w h i c hp r o v i d e san e wv i e wo n s a t e l l i t en e t w o r k sm a n a g e m e n t k e y w o r d s ：a dh o e ；s a t e l l i t en e t w o r k s ；m o b i l i t ym a n a g e m e n t ；h a n d o v e r ；c l u s t e r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：盈垡煎日期：2 ：z ! ：圭! 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定 ，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 导师签名： 斗年j 习2 _ l l e t 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究课题的提出 卫星透信是现代通信系统中十分重要的一个组成部分。卫星通信覆盖面积广尤其 适合海洋、湖泊、两极等难以架设地面网络设施的地域及尚未建成网络基础设施的广大 农村地区。通信费用与距离无关，不受地面自然灾害的影响，以及卫星地面站安装简单、 快捷等特点也是其得到快速发展的原因。而由于近年来互联网的迅速发展，以网络形式 存在的卫星系统逐渐成为下一代网络的基础设施。 无线移动网络是移动计算( m o b i l ec o m p u t i n g ) 的基石。在无线移动网络中，网络结 点的物理位置的不断变化一即结点的移动性，给整个网络的安全性、可靠性、资源重 用、q o s 、路由、接口、拥塞控制、通道分配等诸多方面带来了挑战。 卫星网络作为无线移动网络的一种，其中的结点是时刻运动着的，也就决定了其拓 扑结构是时刻变化的，这就给卫星网络的路由等问题的研究提出了一个很大的挑战。因 此，移动性管理是在卫星网络研究中一个非常重要的课题。移动性管理是移动计算的最 重要和最具有挑战性的问题之一，设计无线移动网络的合理、离效、优化的移动性管理 策略，并给出行之有效的算法及严密的理论证明，不论对理论研究还是对实践均是相当 重要的。 移动性管理的研究，对现有移动通信系统的改进、新一代移动通信系统的设计与高 效运行、信息网络建设、信息网络安全、移动软件( 如移动a g e n t 等) 、移动商务( m o b i l e c o m m e r c e ) 、公共安全、抢险救灾、节能、环境保护等领域的研究，有着重要的应用价 值。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 卫星通信的最早设想出现在1 9 4 5 年c l a r k e 发表的著名论文( e x t r a - t e r r e s t r i a lr e l a y s 中。他设想在一个特定的轨道里，由三颗近似等间隔的人造卫星组成一个静止卫星星座 的概念，从而利用它们进行全球双向通信和广播业务。 卫星移动通信最早应用于实际当属国际海事卫星组织( i n m a r s a t ) 。它的前身是美 国的m a r i s a t ，美国于1 9 7 6 年首次用通信卫星提供海上搜索救援和日常通信业务，包括 天线电话和电报服务。此后，卫星移动通信业务不断扩大其服务范围，扩大到陆地移动 用户1 9 7 9 年7 月1 6 日国际海事卫星组织1 n m a r s a t 诞生，成为世界上第一个卫星 移动通信业务的经营者，并于1 9 8 2 年2 月1 日正式挂牌运营。1 9 9 5 年国际海事卫星组 织更名为国际移动卫星组织，英文缩写名称未作变动。现在的i n m a r s a t 是一个多国 卫星网络中基丁：分簇的切换独立性移动管理 组织，成员国均在该组织内有一个具体公司或组织作为代表。到目前为止，有8 1 个国 家相继加入了i n m a r s a t 成员国行列。 2 0 世纪9 0 年代，卫星移动通信进入了一个大发展时期。继i n m a r s a t 使用同步 卫星( 即高轨道卫星) 之后，加拿大与美国的两家公司联合推出了北美移动业务卫星系统 ( m s a t ) 建立区域性卫星移动通信系统。此外，澳大利亚、日本、墨西哥、俄罗斯等 国，都在竭尽努力发展自己的卫星移动通博系统，亚洲与欧洲的一些国家也在积极筹划 发展区域性的卫星移动通信系统。 利用中低轨道卫星来进行移动通信，乃至实现全球个人通信，是近年来卫星通信领 域里的一个热门话题。特别是用手持机进行全球通信具有划时代的意义，这一方面是由 于它对卫星移动通信提出了更高的要求，因为用户机的质量不过几百克，又只能使用轻 型的低增益无方向性天线；另一方面手持机当属个人移动通信范畴，无论持机者为公事 还是私事通话，低廉的话路费用是用户与通信系统经营者共同追求的目标。利用中低轨 道卫星进行移动通信的有摩托罗拉公司的“铱”系统、美国轨道通信公司与加拿大环球通 信有限公司的轨道通信卫星、美国星系统全球定位公司的星系统、美国洛拉尔奎尔通信 公司的全球星、美国伊利普卫星公司的伊利普卫星、美国星座通信公司的白羊通信卫星 等。 中低轨道卫星技术的推动，使卫星网络得以实现。2 0 世纪8 0 年代以来，微电子、 微机械技术、微加工设备和工艺都有飞速的发展，随着这些技术的成熟及在卫星上的普 遍应用，卫星出现了小型化、低成本的趋向。从2 0 世纪8 0 年代中期至今，现代小卫星 走向成熟。特别是微纳米技术的开发取得了重大突破，能够部分进入应用领域，这就使 卫星能够做得更小、更便宜。目前，以美国喷气推进实验室为代表的一批国外团体，已 经用微纳米技术开发出足球大小的卫星。美国空军实验室最早提出了名为技术卫星 - 2 1 ( t e c h s a t 2 1 ) 的演示计划，来验证卫星网络的可行性。由4 0 颗质量为l o l o o k g 的 微型雷达卫星组成的“虚拟卫星”，其地面分辨率可高达0 1 m ，能解决发现并捕获移动 目标的问题。 随后，主要由中低轨道卫星组成的卫星网络逐渐成为研究热点。研究重点主要在于 卫星网络的路由算法设计。迄今为止，已有许多路由算法被提出，如h a s h i m o t o y 提出 的基于妒的路由，e k i c ie 提出的基于分布式的路由，g o u n d e rvv 所提出的快照序 列的路由算法，w e t n o r m 提出的基于a t m 的路由算法等。 目前国外卫星网络的主要的研究机构有美国俄亥俄州立大学的高性能计算及网络 实验室，他们的研究重点是卫星网络的路由算法问题，其中的e k i c ie 教授等人就卫星 网络路由算法等课题有多篇研究论文发表。i n t e r n o t 工程任务组( i e t f ，i n t e m o t 大连理工大学硕士学位论文 e n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 着眼于对现有t c p i p 协议进行改进，以适应卫星网络的特点。 i e t f 已提出了一些扩展建议，即如r f c1 3 2 3 ( “l o n g - f a t ”c h a n n e l ，b i gw i n d o wb n g b u f f e r ，以克服长时延、大带宽高容量时的t c p 传输瓶颈) ，r c f2 0 1 8 ( s a c ks e l e c t i v e a c k n o w l e d g e m e n t ，以改进长时延、大窗口、高误码时的传输效率) ，r f c2 0 0 1 及2 5 1 8 ( t c p c o n g e s t i o nc o n t r o l ，s l o ws t a r t ，c o n g e s t i o na v o i d a n c e , f a s tr e t r a n s m i t , f a s tr e c o v e r y 等， 以实现动态信道有效利用及改进卫星信道非对称性引起的性能起伏等) ；也可采用欺骗 ( s p o o f i n g ) 之类t c p i p 协议变换形式的网关技术，可使吞吐性能获得数倍的改进，如此 等等，均属一些较典型的改进口卫星网络q o s 性能的有效途径。 国内对卫星网络的研究比国外要晚，电子科技大学的吴诗其教授等人最早对适合于 中国的卫星网络进行了研究，提出了适合中国的m e o l e o 双层卫星网络星座设计，并 对相关问题进行了研究。南京邮电学院的王汝传教授等人对l e o 卫星网络的路由问题 作了较深入的研究。近年来，东北大学网络与通信中心的王光兴教授等人在a dh o c 网 络基础上对卫星网络进行了研究，将a dh o c 中的理论应用到卫星网络的研究中，提出 了一系列新的研究成果。 卫星相关技术正经历着快速发展，由于其各方面优点，中低轨卫星将会成为未来卫 星组网的主要部分。星上处理技术，星间链路技术也将会逐渐提高，卫星网络在全球个 人通信系统中的作用将会越来越重要。所以现在对卫星网络的相关问题进行研究有着重 要的理论及长远意义。 1 3 本文的主要工作 本文的主要工作包括如下几个部分： ( 1 ) 轨道高度的不同使得两层卫星之间存在着相对运动，会产生大量连接m e o 结 点与处于其覆盖区边缘的l e o 结点的链路的断开及建立( 即切换) 事件，但卫星轨道的规 律性又使得这些切换事件是可预测的。同时卫星移动速度的确定性使得以地理位置为基 础进行移动性管理研究成为我们的首选方法。我们对h i p m m 方案进行了改进，提出了 一种基于空间位置划分的移动管理方法忸i p m s n ，根据l e o 层卫星的轨道高度将 空间划分为立体分区，使得移动管理中的位置更新基于分区而不是切换。 ( 2 ) 卫星网络是一种新型的无线网络形式，可以看作是一种特殊的a dh o c 网络。 但由于其本身具有的特殊性质，现有的无线网络管理协议不能高效的应用于卫星网络 中。通过引入a dh o c 网络中分簇的概念，提出了一种适用于m e o l e o 卫星网络管理 的基于地理信息辅助的分簇算法。簇首及管理员由m e o 卫星担任，管理代理设置在l e o 卫星之上。l e o 卫星轨道所处的外层空间被划分成移动的分区，根据结点的密度分区合 卫星网络中基。f 分簇的切换独立性移动管理 并为簇，然后在簇内根据组合加权方式选择一个m e o 结点作为簇首。本算法考虑了不 同层卫星之间的相对移动性及卫星运动的规律性，明确了管理员及管理代理的设置位 置，为卫星网络管理提供了一种有价值的研究方法。 ( 3 ) 卫星网络的特殊环境造成了卫星链路的故障率比其它网络形式要高，尤其是当 网络规模很大时，其影响就会很明显。针对大规模m e o l e o 网络的切换事件，以故障 检测为基础，提出了一种主要考虑故障率的故障加权切换策略。与现有文献所提出的几 种切换策略相比，故障加权切换策略既能提供比较合理的时延，又能很明显的降低路由 的故障率。 1 4 本文的组织结构 本文剩余部分的组织如下： 第二章主要针对卫星网络及其移动管理问题。首先阐述了卫星网络的构成元素，详 细介绍了卫星星座、轨道、星间链路的概念。然后分析了卫星网与地面网的差异所在及 双层卫星网络区别于单层卫星网络的优势。接着阐述了移动管理的相关概念及具体内 容，最后分析了卫星网络移动管理的实现。 第三章主要是分析m e o l e o 卫星网络移动管理方案。在此部分给出了一种独立于 切换的管理方案，并对其可行性进行理论分析及仿真实验。 第四章通过引入a dh o e 网络中分簇的概念，提出了一种适用子m e 0 ，l e o 卫星网 络管理的基于地理信息辅助的分簇算法，并通过仿真运行分析了算法的性能。 第五章中针对大规模m e o l e o 网络的切换事件，以故障检测为基础，提出了一种 主要考虑故障率的故障加权切换策略。 最后对全文进行了总结。 大连理工大学硕士学位论文 2 卫星网络概述 随着航天技术和计算机网络技术的迅速发展，现代卫星通信系统已不局限于单颗卫 星的通信，正在逐渐向网络化方向发展。由多颗卫星按照一定规则构成的卫星网络系统 以其良好的覆盖能力、良好的移动性和良好的可扩展性为特点，已经成为一种重要的通 信手段，得到广大研究者的关注。它不受地理环境限制，不受时间限制，能够使任何人 在任何地点于任何时间和其他人通信，是地面通信网的补充和延伸。 本章简要介绍了卫星网络。2 1 节阐述卫星网络的构成元素，详细介绍了卫星星座、 轨道、星间链路的概念。2 2 节阐述了卫星网与地面网的差异所在，这是路由协议改进 的基础。2 3 节介绍双层卫星网络区别予单层卫星网络的优势。 2 1 卫星网络 卫星网络是由不同轨道上多种类型的卫星系统，按照空间信息资源的最大有效综合 利用原则，互通互联，有机构成的智能化体系【。卫星星座是卫星网络的重要组成部分， 它决定了卫星网络的结构。卫星星座的定义由卫星轨道和星间链路两部分构成。 2 1 1 卫星星座 一个卫星移动通信系统的所有按一定规则分布的卫星构成该系统的卫星星座。通常 它们具有相同的使命，提供地面段各设备收发信号之间的转接或交换处理。按照卫星轨 道和卫星数量的不同可以构成任意不同的卫星星座。 近年来，设计者们提出了多种卫星星座设计方案，力图使得卫星星座的覆盖面积达 到最优。比较有代表性的是w a l k e r 星座体系【2 】。它是由设计者w a l k e r 的名字命名。w a l k e r 星座采用圆形轨道，星座参数有四个。按照w a l k e r 惯用的符号和表示方法，可写为 i ：t ，p ，f 。其中，i 为轨道平面倾角，t 是星座中的总的卫星数目，p 为轨道平面的数目( 所 有轨道面具有相同的倾角) ，f 是轨道相位参数，0 f p 1 。轨道内卫星间的角度为 3 6 0 。p e r 轨道闻的角度为3 6 0 。p ，相位角为3 6 0 。f 厂r 。其结构图如图2 1 所示。 w a l k e r 星座按照所采用轨道的倾角的不同可分为两种类型。一种是极轨道星座另 一种是倾斜轨道星座。卫星轨道平面倾角为9 0 。或接近9 0 。时，轨道通过地球南、北 极，这种轨道称为极轨道以极轨道卫星构成的星座对高纬度地区可形成多重覆盖。倾 斜轨道平面与赤道平面的夹角小于9 0 。极轨道星座不利于低纬度地区的覆盖，而对于 高纬度地区，特别是对地球南、北两极地区，星群又过分密集。因此，与采用倾斜轨道 的星座相比，在覆盖特性相同的情况下，极轨道星座所需的卫星数目要多。 一5 一 卫星网络中基于分簇的切换独立性移动管理 图2 1w a l k e r 星座示意图 f i g 2 1i l l u s t r a t i o no f w a l k e rc o n s t e l l a t i o n 2 1 2 卫星轨道 卫星轨道是卫星运行的轨迹。不同轨道参数的轨道对系统性能产生很大影响。根据 轨道参数不同可以分为圆形轨道和椭圆轨道。 ( 1 ) 椭圆轨道 椭圆轨道是指轨道离心率大于零的轨道。地球位于轨道的一个焦点上。卫星和地球 问的距离周期性地变化，其运动速度和轨道高度也在时刻变化，覆盖面积不均匀。卫星 在离地球较近的一端时工作，在远离地球时关闭链路，常用于提供特定地区的服务。 ( 2 ) 圆形轨道 圆形轨道是椭圆轨道的特例。其轨道离心率等于零。地球位于轨道中心。卫星和地 球间的距离恒定，运动速度不变，卫星在任意位置都可以工作，因此较容易提供的全球 覆盖，目前被广泛使用。 圆形轨道按照轨道高度的不同，圆形轨道可以分为三类：地球同步卫星( g e o ) 、中 轨道卫星( m e o ) 和低轨道卫星( l e o1 。 地球同步卫星 地球同步卫星轨道高度在2 0 0 0 0 k i n 以上，位于赤道正上方。当其海拔达到3 5 7 8 6 a n 时，卫星运行的角速度和地球运行的角速度相同，使得从地面看去卫星和地球是相对静 止的。如果仅使用地球同步卫星并不能实现全球覆盖。然而，地球同步卫星有一个优点 就是最少可以用三颗g e o 卫星就可以覆盖地球非常大的面积。 低轨道卫星 一6 大连理工大学硕士学位论文 低轨道卫星轨道高度在5 0 0 - 2 0 0 0 o n 左右。其轨道高度要远远小于g e o 卫星，因此 l e o 卫星到地球的往返时延较小，通常在3 0 m s 以内。对于高度为1 0 0 0 k i n 的卫星，最 长过境时闻( 仰角为1 0 0 。) 不到1 3 r a i n 。因此要实现全球覆盖则需要较多数目的卫星劈 席j 根据覆盖率和最小仰角的不同，需要的卫星数目则不同。通常为几十颗甚至上百颗。 中轨道卫星 中轨道卫星轨道高度在1 0 0 0 0 - 2 0 0 0 0 k m 之间，位于g e o 和l e o 卫星之间。因此， 其性能基本上也介于g e o 和l e o 卫星之间。m e o 卫星相对地球站运行速度比l e o 卫 星要慢，每颗卫星相对于地球的可见时间是1 2 小时。一般需要十几颗m e o 卫星提供 全球覆盖。中轨卫星到地球的往返时延为ll o - 1 3 0 m s 。 2 1 3 星闻链路 星间链路是指星问或星地之间双向通信的链路( 可以是激光链路，也可以采用毫米 波如k a 波段链路) 具有网络特性的卫星星座中的卫星之间主要靠星间链路进行通信。 星间链路和卫星星座共同决定了卫星网络的拓扑结构。卫星网中的链路可以分为三类： 轨道间链路( i o l ：i n t e r - o r b i t a ll i n k ) ，轨道内链路( i s l ：i n t e r - s a t e l l i t el i n k ) 和星地链路 c o d l ：u s e r d a t a 姒1 。 ( 1 ) 轨道内星间链路 同一个轨道面卫星之间的链路称为轨道内星间链路。由于卫星位置相对固定，这种 链路能够一直保持，可视为永久链路。在相同的覆盖情况下，通过i s l 可以极大的提高 系统的通信容量；在覆盖不同的区域时，可以大大地增加通信覆盖的面积；同时可以提高 地面站的最小仰角，提高通信的质量。 ( 2 ) 轨道问链路 不同轨道的卫星之间的链路称为轨道间链路。卫星网络可以由运行在不同高度的卫 星轨道组成，形成多层星座的卫星网络。在这样的星座中，不同层的卫星通过层间的卫 星链路通信。l e o ，m e o 和g e o 卫星之问都可以有通信链路。i o l 可以是同层( 如l e o ) 不同轨道卫星间的星际链路，也可以是同层( 如l e o 和m e o ) 卫星之问的星际链路。在 具有星际链路的卫星网络中每颗卫星将成为空间网的一个结点，使通信信号能按照所需 的最佳路径进行传输，对于组织全球通网将是十分方便和灵活的1 3 】。 轨道问链路在某些情况下会关闭，如当星际链路位于极地地区以内时，由于卫星相 对位置发生变化，链路要关闭，等到出了极地地区就恢复连接：位于反旋轨道问的星际链 路由于星间相对运动速度极快，可通信时间极短；椭圆轨道中的卫星在离地球较远一方时 链路关闭，在靠近地球一方时恢复链路。 卫星网络中基于分簇的切换独立性移动管理 ( 3 ) 星地链路 卫星通过u d l 和其覆盖范围内的地面网关通信。一颗卫星可和多个地面网关进行 通信。当然，一个地面网关也可以直接和不同层中的多颗卫星通信。 2 2 卫星网与地面网的差异 卫星网与地面上的各种通信网络的不同主要在于它有以下几个方面的特性： ( 1 ) 地面网大都属于固定结点网，即使是近几年来新兴的移动通信网，也只是用户 终端在移动，而作为网络核心的骨干路由结点是固定的，并没有脱离传统的固定网络的 范畴。卫星网与其区别就在于网络中的各个路由结点一直处于运动之中。路由结点的不 断运动导致了卫星网网络拓扑的剧烈变化，这是卫星网区别于一般网络的主要特性。 ( 2 ) 卫星网是由众多卫星结点组成的通信网络，每个卫星结点有自己特定的运行轨 道。卫星与卫星之间的空问距离相对于地面网络的结点距离大了很多。距离增大导致数 据传输时延随之增大。卫星网这种相对较大的网络传输时延对于网络协议及其性能都有 非常大的影响。 ( 3 ) 卫星网卫星结点的不断运动，导致了卫星间相对距离的变化。这种距离的变化 对于网络时延有很大的影响，可能导致网络时延的抖动。这种时延抖动会影响网络的路 由协议，同时它对实时性要求较高的网络业务( 如视频会议) 的影响有时会是致命的。 卫星网与现有的地面网络之间存在如此显著的差异，因此对卫星网路由协议的设 计，必须充分考虑卫星网的上述特性。 2 3 双层卫星网络优势 目前对卫星网的研究大多集中在单层卫星网，其中以l e o 卫星网最具代表性。随 着通信技术的迅速发展，新一代的卫星网通常需要支持多媒体信息传输，包括对网络带 宽资源占用较多的视频业务等。因此，对卫星网络的性能提出了更高的要求。大多数单 层l e o 卫星网是通过增加在轨卫星的数量来提高系统性能，当l e o 网络规模扩大到一 定程度时，单层l e o 卫星网的矛盾就暴露出来了，例如时延限制路由算法的复杂性与 l e o 卫星网络规模成几何级数关系在l e o 星座规模达到一定程度的条件下，卫星切换 后重路由算法中优化概率等于1 ，路由优化机制己经没有作用了。具体l e o 卫星网缺点 如下： ( 1 ) 时延指标过高 导致单层l e o 星座卫星网时延指标过高的因素来自两个方面。首先随着l e o 星座 规模不断扩大，每条路由中l e o 卫星结点数呈现几何级数增长，尤其在远距离传输路 由中，虽然单个l e o 卫星处理时延并不是很大，但由于路由中包含过多l e o 卫星，导 8 一 大连理工大学硕士学位论文 致l e o 卫星时延积累值的迅速增加，使得整体单层l e o 卫星网中卫星处理时延和过高。 其次随着l e o 星座规模不断扩大，路由中包含l e o 卫星闻星问链路数目也迅速增加， 而且l e o 卫星阃链路切换概率较高，导致单层l e o 卫星网络路由切换概率较高，重路 由过程严重破坏了单层l e o 卫星网时延指标。 ( 2 ) l e o 卫星网阻塞概率过高 在单层l e o 卫星网中，为实现全球无缝覆盖，通常使用极轨道类型星座。极轨道 l e o 星座中星自j 链路在通过极地地区时由于星载跟踪系统技术原因会暂时关闭，因此该 链路所承载流量必须切换到相邻l e o 卫星上。随着l e o 星座规模不断扩大，链路切换 频率将增高，导致单层l e o 卫星网中路由阻塞概率增大，包括一次路由中断概率和重 路由中断概率增大，丽在多层星座卫星网中，通过m e o 卫星中继，网络可以明显降低 星间链路切换概率，从而达到降低网络阻塞概率的目的。 ( 3 ) l e o 卫星网的系统抗毁性较差 在多层星座卫星网中，源卫星和目的卫星问存在很多差异性很大的“备用”路由， 在所选路由中某颗卫星或是某条链路出现故障条件下，多层星座卫星网能够很“容易” 地找到满足原有q o s 要求( 时延等条件) 的替代路由。在单层l e o 卫星网中，虽然源卫 星和目的卫星问也存在多条“备用”路由，但是能够提供同样时延指标的“备选”路由 数不多，因此在所选路由中某颗卫星或某条链路出现故障条件下，单层l e o 卫星网不 易找到满足原有q o s 要求的替代路由。 ( 4 ) 单层l e o 卫星网的星载跟瞄系统设计困难 单层l e o 卫星网络多数使用极轨道星座或是近极轨道星座。极轨道星座虽然简化 了星座设计过程，但是逆向轨道间链路设计问题成为影响系统性能的难点。如果为了满 足覆盖缝两侧地实时通信要求而采用逆向轨道间链路，则会增加l e o 卫星跟踪系统设 计的复杂性。即使通过恰当增加实现复杂性条件下，实现了逆向轨道问链路，其性能也 很难保证，为使用逆向轨道间链路，需要有特殊控制( 如更复杂的差错控制功能和功率 控制功能等) ，这样更增加系统实现复杂性在多层星座卫星网中，通过m e o 卫星中继 服务，卫星网不需要再维持低轨道星座中逆向轨道问链路，甚至可以采用倾斜轨道来实 现l e o 星座，降低了对星载跟瞄系统的设计要求。 在多层卫星网中，m e o 卫星和g e o 卫星成为卫星网交换结点，为所连接m e o 卫 星和l e o 卫星提供信息交换服务，每个l e o 卫星成为具有交换功能的用户接入点，与 低速率的地面移动用户和高速率固定用户相连接，并为其覆盖区内用户进行信息交换， 位于不同l e o 卫星攫盖区内用户间和卫星用户和地面网络用户阔信息交换通过l e o 卫 卫星网络中基于分簇的切换独立性移动管理 星与m e o 卫星问链路、g e o 卫星与m e o 卫星间链路、m e o 卫星间链路和g e o 卫星 来实现。 由上可看出，未来的卫星网既要求网络传输的高可靠性，又要求移动终端的全球覆 盖性，而且还要求高质量的接入服务和提供q o s 保证等。如果仅采用l e o , m e o 或g e o 单层星座卫星网都无法同时满足上述要求，因此必须采用能够结合各个轨道层面优势的 多层星座卫星网络的形式构建未来的卫星网。 2 4 卫星网络移动管理 2 4 1 移动管理原理 移动网络结构主要包括：一个全局唯一的主机名( 或者一个m 地址) ，一个一开始分 配给主机的本地网络，一个移动主机进入的外地网络。 利用两层地址的概念解决网络地址双重应用问题【”1 。即地址的前一部分为反映移 动主机接入点的路由地址，后一部分则为终端地址。这只是一个逻辑上的概念。根据此 概念提出了几个构成部分：发送代理f a ( f o r w a r d i n ga g e n t ) 负责将数据包的发送地址 ( f o r w a r d i n ga d d r e s s ) 变换为家乡地址( h o m ea d d r e s s ) ，其作用由函数 g ( f o r w a r d i n ga d d r e s s ) 一( h o m ea d d r e s s ) 来表示；位置目录l d ( l o c a t i o nd i r e c t o r y ) 表示了 移动主机的家乡地址与发送地址之间的对应关系；地址传输代理a t a ( a d d r e s s t r a n s l a t i o n a g e n t ) 查询位置目录l d ，得到与数据包家乡地址对应的发送代理地址，由函 数f ( h o m ea d d r e s s ) 寸( f o r w a r d i n g a d d r e s s ) 来表示。在实际实旋过程中，a t a 可能对频繁 使用的l d 进行缓存，以提高运行性能，位置更新协议( l u p ) 提供可靠机制以保证l d 与 其缓存备份的一致。 图2 2 两层地址示意图 f i g 2 2i l l u s t r a t i o no f t w o - l a y e ra d d r e 目i 大连理工大学硕士学位论文 移动管理问题主要就是解决上面提到的几个部分的设计。 2 4 2 现有移动管理方案 ( 1 ) 移动i p 中的移动管理 移动m 是基于家乡代理( h o m ea g e n t ) 外地代理( f o r e i g ha g e n t ) 的模型 m 。如图2 3 中，其中位于家乡网络的家乡代理( 主代理) 把分组地址发给指定的计算机， 然后由指定的计算机发给位于外地网络的外地代理( 客代理) ，再由它们发给移动主机。也 就是我们常说的三角路由。如果移动主机移动到另外一个网络，它就必须在它的家乡代理 中注册它的外地代理。如果移动主机离它的家乡网络很远的话，这个注册过程就很费时 间。 主代理h 箍讯主机c h 图2 3 移动i p 结构图 f i g 2 3s t m c m r eo f m o b i l ei p 当移动主机从一个小区移动到另一个小区时，需要进行切换操作。切换过程中容易造 成数据丢失。切换频率增加，包丢失率升高。在移动口环境中，可采用如下方式切换。当 进入一个新小区时，移动主机通过新的客代理给主代理发登记消息，主代理检验登记请求 后，给新客代理一个回答。以后发往主代理的口包直接由管道发往新客代理。它所存在 的问题是，在移动主机离开原先的外地代理而新外地代理还没有得到主代理确认发到原 先外地代理的球包会丢失掉。只能根据需要由高层重传。在移动网络，尤其是卫星网络 中，移动主机切换得非常频繁，以至于基于m o b i l ei p 的机制的网络在这种情况中分组丢 失，分组延时以及信令延时都很大，这不符合现代移动通信的发展要求。 ( 2 ) 改进的移动m ( p m i p ) 移动管理 文献【8 】引入分页的概念，使用分页在通信建立之前定位空闲结点的位置。 卫星网络中基丁玢簇的切换独立性移动管理 分页原先主要用于蜂窝网络中，一组基站组成一个分页区，这组基站由一个相同的 移动交换中心控制。当有通信请求到达时，移动交换中心向其分页区内的基站发送分页 信息，每个基站再在其自己的蜂窝区内广播分页信息以确定目标主机的精确位置。 将分页引入移动m 中，对外地代理实施分页扩展，即在广播信息中增加一个分页 位“p ”。活动结点与移动i p 中操作相同，结点改变接入点进行注册。空闲结点在分页 区内移动时不注册，在分页区间移动需注册。当移动结点收到分页请求信息后，结点通 过相连的外地代理向其家乡代理进行注册，当收到注册回复信息后，移动结点通过当前 外地代理向其原外地代理发送分页回复信息以告知当前位置，然后原外地代理将缓冲区 中的数据通过当前外地代理转交给移动结点。 p m m 中的移动侦测：网络阃的移动侦测与移动m 中的算法相同，有两种方法。 当结点为活动结点时，调用注册算法，当结点为空闲结点且在分页区内网络间移动时， 不注册。分页区间的移动侦测算法根据分页方法的不同而不同。无重叠分页方法中，结 点记录代理发送广播的生存时间。如果一个广播的生存时间已到期，则结点查看是否有 同一代理的其它广播，没有则认为已与其注册外地代理失去连接，查看是否有之前收到 的其它代理的广播。有，看其p a i 与之前代理的p a i 是否相同，相同不傲任何改变，不 同则立即注册到新外地代理。若结点已与代理失去连接，则发送一个注册请求信息。 ( 3 ) 自组网( a d h o c 网络) 中的移动管理 a dh o c 网络又称为“自组网”或“多跳网络”，是一种特殊的、应用前景广阔的新型移 动无线网络，它是由一组自主的无线结点或终端相互合作而形成的独立于固定基础设施 并且采用分布式管理的网络，是一种自创造、自组织和自管理网络。在这种环境下，由 于结点的无线通信范围的有限性，网络中无法直接通信的结点可以借助于其他结点的分 组转发实现彼此通信。 自组网中的移动管理也是其设计路由及运动模型的关键技术之一【9 - 1 0 1 。文献f 4 】中提 出了分级自组网中一种移动管理解决方案。此方案将使用逻辑家乡代理( 口翻) 的宏移动 管理与自组网内微移动管理进行结合。 文章使用的网络结构为自组网与作为骨干网的高性能网络相结合。自组网与骨干两 之间由网关相连，些网关管理自组网及其结点，隔离其与骨干网之间的相互影响。 宏移动管理：用户向一组逻辑本地代理l h a ( l o g i c a lh o m ea g e n t ) 注册，此l h a 为 管理数据库的一个子集。l h a 中对应每个用户有一个服务实体，包含了用户的标识符， 状态标签，转交地址及位置更新时标。 当用户主机们进入一个子网时，向其子网的网关g 1 发送注册请求。此网关查看其 所管理主机的目录，若“l 此在其目录中，则只更新其与移动交换站m s l 的绑定关系， 大连理工大学硕士学位论文 否则g j 向其主机目录中添加一条目录，然后实施绑定更新：将网关地址作为主机的转 交地址( c o a ) ，使用一定算法得到主机的一个, h a 成员厶 聪，对子网外的联系主机将网 关的地址作为转交地址通知给它，对子网内部的联系主机则通知给它们用户主机与移动 交换站的绑定关系。雎珥收到绑定消息后检查甜j 的状态标签，看其是否是活动的，不 是则激活它。然后分配一个服务实体，将其标识符，状态标签，转交地址及位置更新时 标记录。使用位置更新时标查看其是否是最新的，不是则抛弃。随