基于分层结构的卫星动态接入网络建模研究

刘振浩，张明智，王 燕，韩志军

（国防大学，北京 100091）

随着广大用户对多种通信业务需求的急速增加，基于地面网络的通信系统已无法满足现实需要。在商业和军事需求的推动下，空间卫星系统作为地面网络的重要补充，呈现出网络化发展趋势[1-3]。在军事通信方面，天基综合信息网（SBIN，Space-Based Information Networks）已成为军用航天领域的发展方向。未来战争需要获取战场不间断的全方位多频段信息，这就要求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，互通互连，合理组网，构成有机的智能化网络体系，即天基综合信息网[4-6]。卫星组网主要有单层、多层布星两种方式。当前各国已建成的宽带卫星网络大多采用单层布星的方式，由具有相同轨道高度的卫星构成星座，组成单层卫星网络。未来的卫星通信网络应当能够为所有用户提供大容量、高质量和高可靠性的通信业务，多种星间链路建立的立体多层卫星网应当具有较高的空间频谱利用率、灵活的空间通信等优点，并且可以为地面用户提供更多的接入选择和高通信仰角。因此，采用不同轨道上的卫星组网实现多重覆盖，构建基于分层结构的卫星动态接入网将成为未来卫星网络研究的热点[7-8]。

1 构建基于分层结构的卫星动态接入网必要性分析

由于卫星网络节点不断运动，卫星网络的拓扑结构随着时间不断发生变化，这使得卫星网络呈现出高动态性，这里我们将其称为卫星动态网络。深入分析卫星动态网络在轨道、空间几何结构以及网络拓扑结构等网络体系结构相关方面的特性，可以为卫星动态网络的设计提供参考及理论支持。卫星运行轨道是决定卫星动态网络特性的重要参数。按轨道高低可将卫星分为同步轨道卫星（GEO）、中轨卫星（MEO）、低轨卫星（LEO）和大椭圆轨道卫星（HEO）。各种轨道上的卫星因轨道高低不同，可提供的服务存在很大差异。

从应用角度将卫星网络分为单层卫星网络和分层卫星网络。单层卫星动态网络是指由多颗单一轨道的LEO、MEO或GEO构成的卫星网络。基于分层结构的卫星动态网络是指由同一轨道或不同轨道的卫星组成的卫星网络，它以天基卫星网为主干网络，根据需要可与地面无线网等网络连接。基于分层结构的卫星动态网络在时延、网络阻塞、网络抗毁性等方面都比单层卫星动态网络具有更优越的性能。为提高卫星动态网络性能，降低网络设计复杂性，需要设计由不同轨道上卫星构成的分层卫星动态网络，以满足天基综合信息网的要求[8-12]。基于分层结构的卫星动态网络由若干星座组成，根据卫星动态网络内部连接关系，本文将其分为简单分层卫星动态网络（SHSDN:Simple Hierarchical Satellite Dynamic Networks）和基于分层结构的卫星动态网络。现有的卫星网络基本是SHSDN。出于对网络稳定性的考虑，两种类型的网络都要求各层卫星间存在“冗余连接”关系，这种“强连接”关系直接导致分层卫星动态网络系统复杂性过高。为了克服 SHSDN“冗余连接”导致网络复杂性高的缺点，本文基于“骨干/接入”网络模型思想，提出基于分层结构的卫星动态接入网（HSDAN,Hierarchical Satellite Dynamic Access Networks）模型来简化分层卫星动态网络结构[13-14]。

2 分层结构的卫星动态接入网模型设计

2.1 HSDAN系统结构

HSDAN采用“骨干/接入”方式进行构建，由天基骨干网和天基接入网两大部分组成。天基骨干网由MEO卫星和GEO卫星通过ISL连接构成，是HSDAN的交换节点，负责空间数据的传输与分发，为所连接的MEO卫星和LEO卫星提供信息交换服务，并为地面具有大型终端的固定和移动用户提供服务。天基接入网由LEO星座构成，通过ISL与天基骨干网相连，并为地面小型终端的移动用户提供空间信息服务[15-16]。HSDAN的系统结构如图1所示。

图1 HSDAN系统结构图

2.2 HSDAN构建策略及优点

HSDAN是对SHSDN的优化设计，下面通过对比SHSDN 和 HSDAN 的结构特点来说明采用“骨干/接入”思想构建的HSDAN模型的构建策略及优点。

策略1:在SHSDN中，某颗卫星可同时与上一层的多颗卫星建立ISL，而在HSDAN中LEO卫星同时只与MEO卫星中的一颗卫星建立ISL，简化了卫星网络结构的复杂度。

策略2:在SHSDN中，LEO卫星间通过Inter-layer ISL连接，而在HSDAN中LEO卫星间不存在ISL，只是作为地面用户的接入节点。不同LEO卫星覆盖的用户通过天基骨干网进行数据传输，减小了LEO卫星设计的难度。

策略3:在SHSDN中，GEO卫星可以与LEO卫星通过Inter-layer ISL相连接，而在HSDAN中GEO卫星只负责对网络路由表进行维护。

策略4:在 SHSDN中，地面用户可以直接连接MEO卫星，而在HSDAN中只有地面的大型终端用户可以直接连接天基骨干网，小型用户通过连接LEO卫星获取服务。

基于“骨干/接入”网络模型思想的HSDAN具有以下优点:

● LEO卫星采用小卫星，既降低了系统成本，又降低了对地面终端发射功率和天线增益的要求。由于小卫星成本低，又可通过增加小卫星数量来提高星座的稳定性。

● 参与路由计算的网络节点减少。GEO卫星和MEO卫星负责路由的计算，数量众多但计算能力有限的小卫星不参与路由计算，从而降低了小卫星系统设计的复杂度。

● 由于骨干网的拓扑结构相对稳定，可以减少由于大量拓扑变化、路由信息更换对路由协议带来的影响。这样既保证了天基骨干网的可靠性，又提高了HSDAN的灵活性，兼顾了天基综合信息网中多种用户的需求。

2.3 HSDAN仿真模型构建

对卫星网络的仿真研究需要使用相关的仿真系统作为研究基础。不同的仿真系统在功能上各有侧重点，需要综合考虑各种情况，根据研究需要来选择合适的仿真系统。常用的卫星网络仿真系统有STK、OPNET、NS-2等。OPNET作为业界领先的网络仿真工具，对卫星网络提供了很好的支持，已成功应用于“海事卫星通信网络仿真”、“侦察卫星网络仿真”和“低轨卫星与地球战连接仿真”等多个卫星网络的仿真实例。OPNET使用层次化建模机制，提供了网络模型、节点模型和进程模型的三层仿真模型实现真实网络的建模。根据OPNET系统的仿真机制，将HSDAN仿真模型分为 HSDAN网络模型、HSDAN节点模型和HSDAN进程模型。

2.3.1 HSDAN网络模型

HSDAN网络模型主要是对卫星动态网络拓扑的设计，用于定义整个卫星动态网络对象，是最高层次的模型。HSDAN网络模型由子网对象、节点对象和链路对象组成，与真实卫星动态网络中的子网、网络设备节点和网络链路相对应。网络模型支持无限多重的子网模型。HSDAN网络模型由两类节点构成:卫星节点和地面节点。HSDAN网络模型的实现主要分为两步:首先在STK中建立卫星的轨道，以轨道文件形式存储，然后在 OPNET系统中为卫星节点设置“orbit”属性，导入轨道文件，从而建立 HSDAN网络模型。地面节点采用带有无线收发器的固定节点，通过无线链路接入HSDAN。

2.3.2 HSDAN节点模型

HSDAN节点模型用于定义节点的内部结构和设计数据流模型。HSDAN节点模型由接收机、发射机、队列、处理器和数据线构成。节点模型中采用基于模块的结构，一种协议由一个处理器模块实现，各个模块通过数据线连接，用来传递数据包和控制信息。在卫星动态接入网络中主要有两种节点模型:卫星节点模型和地面节点模型。图2给出了在OPNET系统中构建的HSDAN节点模型示例[8]。

图2 OPNET系统中的HSDAN节点模型示例

在整个网络中卫星节点的功能主要起数据转发作用，实现路由功能。HSDAN节点模型的卫星节点由物理层、数据链路层和网络层的协议构成。物理层由无线接收机(sat_rx)和无线发射机(sat_tx)构成，通过无线链路实现通信，无线收发机内含有三个信道，分别作为星地链路、同层星间链路和层间星间链路。数据链路层采用OPNET中的标准模块实现对信道占用的管理。网络层的arp、ipencap和ip模块采用OPNET的标准模块实现IP协议。地面节点用于产生和接收数据包，与卫星网络通信，测试HSDAN网络性能。地面节点模块包含完整的协议层，从物理层到应用层都采用标准的OPNET协议模型，物理层采用含有一个信道的无线发射机和接收机实现星地链路。

2.3.3 HSDAN进程模型

HSDAN进程模型定义HSDAN节点模型中模块的内部结构，进程模型可以模拟通信协议功能以及实现与仿真有关的控制行为，通常用于卫星动态网络协议的具体实现。进程模型由状态组成，当状态符合设定的转移条件时，发生状态转化，每个状态执行不同的描述状态行为的程序代码。OPNET提供了丰富的核心进程函数，涵盖了卫星动态网络仿真各个方面的功能。图 3中给出了在 OPNET系统中构建的一个HSDAN协议进程模型示例。

图3 OPNET系统中HSDAN进程模型示例

3 分层结构的卫星动态接入网络性能分析

利用上述建立的HSDAN仿真模型，通过实验对HSDAN网络的时延性能进行分析。通过与SHSDN的性能进行比较，说明所提出的HSDAN在网络性能上的提高。

3.1 HSDAN网络性能仿真想定

在对HSDAN的仿真中，使用3颗GEO卫星，相互间构建星间链路；MEO星座采用NGSO星座，每颗MEO卫星通过星间链路与3颗MEO卫星相连；LEO星座采用Iridium星座，LEO卫星之间不建立链路。设定GEO卫星之间的星间链路为αGbps，GEO卫星与 MEO卫星之间的星间链路为βMbps，MEO卫星之间的星间链路为δMbps，MEO卫星与LEO卫星之间的星间链路为λMbps。在 A城市设立中心节点，然后在相同纬度上，每隔20o设立一个地面节点，共设立9个地面节点，每个地面节点通过HSDAN向A城市节点不断地发送数据包，以测量HSDAN中端到端的时延性能。当卫星网络的链路利用率低于80%的时候，认为该HSDAN是低网络负载，当网络链路利用率高于 80%的时候认为该 HSDAN是高网络负载。分别在低网络负载和高网络负载情况下，仿真分析比较SHSDN与HSDAN的端到端时延性能。系统仿真运行τh，得到不同网络负载条件下，HSDAN网络模型与SHSDN网络模型的平均端到端时延，如图4所示。

3.2 仿真结果及分析

从仿真结果可以看到，网络低负载情况下，SHSDN网络的性能优于HSDAN网络；网络高负载情况下，网络的端到端时延主要取决于网络节点的处理时延，HSDAN网络的性能要远远大于SHSDN网络。随着未来通信业务尤其是军事通信业务需求的急剧增加，天基综合信息网络的负载将不断增加，当网络负载趋近于高负载时，采用HSDAN网络结构可有效提升天基综合信息网络性能。

图4 HSDAN与SHSDN的平均端到端时延特性比较

4 结束语

本文在分析卫星动态网络总体特点的基础上，探讨了构建基于分层结构的卫星动态接入网的必要性。基于“骨干/接入”思想，提出了基于分层结构的卫星动态接入网络（HSDAN）。根据OPNET系统的仿真机制，对HSDAN的网络模型、节点模型和进程模型进行了构建。仿真分析表明，在网络高负载条件下，基于“骨干/接入”网络模型的HSDAN网络具有更好的性能。

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