基于SCPS协议的快速自组织可重构天基信息网组网*

(空军工程大学 电讯工程学院 网络工程系，西安 710077)

1 引 言

天基信息是提高战场感知能力、夺取制信息权的重要因素,以其覆盖面广、信息量大、视角宽阔，在对敌作战中得到了越来越广泛的应用[1]。天基信息主要是通过卫星获得的，卫星可以按照一定的拓扑组成天基信息网。但是卫星容易受到环境的影响和敌方的干扰破坏，导致天基信息网络通信的中断，影响数据通信的效率[2]。因此，为了保障通信质量，增强天基信息网络的重构能力和抗毁性，研究自组织天基战场感知信息网具有重要的军事战略意义。

相比单层卫星网络，双层或多层卫星网络具有更强的抗毁性能[3]。Kimura提出了一种双层(LEO/MEO)卫星星座，比较了极轨道和倾斜轨道星座的差别，通过多覆盖和增加仰角的方法保证通信的可靠性要求，但所需卫星数量巨大[4]。Lee、胡剑浩、Akyildiz等人分别设计了不同空间拓扑结构的带有星间链路(ISL)的多层卫星网络，主要研究多层卫星网络的路由算法问题，得到了一些有意义的结果[5-7]。李晖提出了基于Walker delta型多层卫星通信网络自适应路由策略[8]，但其考虑的是卫星正常运行时可能造成的网络拓扑变化情况下路由的自适应策略。易先清等设计了基于GEO/MEO星座的卫星网络抗毁结构[9]，但只对双层天基网络进行了抗毁设计研究。

本文提出了一种基于改进型TCP协议的三层(GEO/MEO/LEO)自组织可重构天基信息网的组网模型，比较了其协议与地面网络的不同，给出了自组织天基网的协议特点，最后分析了自组织可重构天基信息网的网络架构及其抗毁性能。

2 组网模型

天基信息网的核心是卫星通信网，因多层卫星网络路径选择性大、可替换链路多、抗毁性强，故选择将地球同步卫星(GEO)、中轨道卫星(MEO)、低轨道卫星(LEO)组成复合立体卫星网络，可实现对全球的持续性覆盖。GEO星座、MEO星座、LEO星座与地面关口站在距离地球表面不同高度上通过互连链路分层组成立体的通信网络。

由于受到卫星平台载荷能力的限制，天基信息网络系统的管理适合使用分布式结构对网络进行分组管理。在这个分布式等级结构中，卫星被划分成组，而且接受上层轨道卫星的管理。假设有LEO、MEO、GEO三层卫星，把它们分为卫星组，如图1所示。

(1)LEO组

Lij是某一中轨道卫星Mij波束覆盖的低轨道层卫星的集合，Lij={Lij︳k=0,1,2,…,N(Lij)-1}，其中，N()是一个计算卫星组大小的函数，i表示轨道序号，j代表某条轨道内的第j个卫星。在Lij卫星组中的所有LEO卫星都和MEO卫星Mij链接，Mij是这个LEO卫星组的管理者。LEO卫星组可有多个，每组为一个逻辑群，每组中有一个组首，图1中每个组中黑色的那颗卫星即为组首。组首负责收集该群的状态信息，并把这些信息定时上报给其上层MEO卫星，由MEO负责给此组计算路由信息，并传递给组首，再由组首转发给每颗LEO卫星。

(2)MEO组

Mij是GEO中卫星Gij覆盖的MEO层卫星的全部集合，Mij={Mij︳j=0,1,2,…,N(Mij)-1}，其中，i表示轨道序号，j代表某条轨道内的第j个卫星。在Mij卫星组中的所有MEO卫星都通过星际链路和GEO卫星Gij链接，Gij是这个MEO卫星组的管理者。

图1 自组织战场感知天基信息网组网模型

GEO卫星是路由算法决策中枢，MEO卫星完成对地球表面完全覆盖，而LEO卫星主要实现对地面移动终端的接入。其中，MEO卫星和GEO卫星通过ISL连接，构成拓扑稳定的卫星骨干网，成为分层卫星网的交换节点，负责空间数据的传输与转发，并且负责与关口站和大型终端通信；LEO卫星作为具有交换功能的用户接入点，组成卫星接入网络，通过ISL与卫星骨干网相连。

将分布在不同高度空间的GEO、MEO、LEO星座互连,可以提高基于GEO/MEO/LEO星座卫星网络的通信性能和容量,特别是其系统抗毁性能。兼顾多层星座组网结构和分组管理思想,在作为组管理者的GEO卫星和分组组首的MEO卫星、LEO卫星之间建立星际通信链路IOLGEO-〉MEO、IOLMEO-〉LEO,通过这些星际通信链路将星座联系起来,即使在因某种原因断开这种链路连接时,星座还可独立运行。

3 网络协议

由于卫星信道具有长时延、高误码率、大延时带宽积等特性，在卫星网络中使用的传输控制协议是改进的TCP协议，常用的是空间通信协议规范(Space Communication Protocol Specification,SCPS)。SCPS 以Internet协议为基础,进行适当的修改和扩充，在空间和地面环境之间架设桥梁。

SCPS的4部分协议分别位于网络层(SCPS-NP)、传输层与网络层之间(SCPS-SP)、传输层(SCPS-TP) 和应用层(SCPS-FP),它们在底层协议(数据链路层、物理层)的支持下，构成完整的网络模型，实现包括空-地、空-空的端到端连接(如图2所示)，主要解决了传统TCP协议用在卫星网络中产生的拥塞控制、流量控制机制不适用问题。

图2 SCPS协议栈示意图

数据链路层功能包括协议和信道编码，用于节点之间数据可靠的传递，主要任务是组织数据流，完成帧的划分和界定，发现并纠正物理层的传输错误，保证信息正确，弥补丢失帧，保证信息包内容的完整，同时进行流量控制，控制多信息对共享的访问。

SCPS-NP相当于传统的网络层协议，用于控制数据包的路由。主要任务是对不同类型的总线之间信息，由网关进行协议转换；对数据进行优先级划分；数据包拥塞后的恢复机制。由于卫星移动的规律性，卫星之间的路由切换频繁，多层卫星间信息路由宜采用动态方式，可增强其网络健壮性。

由于卫星通信是无线通信系统，容易受天电、星体颤动和其它无线通信系统干扰，通信质量会发生变化，从而导致天基信息网络通信的中断，影响数据通信的效率。卫星星群之间通过借用Ad Hoc技术，构成自组织网络。在此借鉴改进了Ad Hoc网络的动态路由算法，使之更符合天基卫星网络的情况。

但星座网络的运行特点和无线移动自组织网络(Mobile Ad Hoc Network,MANET)有所不同,区别主要体现在链路全部为无线、规律性频繁变化的网络拓扑、中继带宽受到星间链路能力限制、交换节点处理能力受到航天可用器件的限制、节点和用户接入的移动性、星际链路之间的长传输延时(这是影响卫星网络中路由策略的主要因素)等几个方面。

SCPS-SP协议位于传输层与网络层之间，主要功能是负责数据安全及缓冲策略。

SCPS-FP是网络的最顶层，负责传输文件的生成、封装、压缩、存储等。

4 自组织战场感知天基信息网络路由抗毁设计

天基信息网络必须具有自主运行技术，以增强网络的自主运行能力，减少对地面系统的依赖，实现天基信息网络的日常自主运行、管理，从而有效降低运行成本，优化天基信息网络运行，提高其生存能力，以便当地面系统遭到破坏或受到敌方干扰情况下，天基信息网络仍能保持其日常运行，为此设计了自组织战场感知天基信息网络路由策略。

(1)天基分层网络管理体系结构中，网络管理中心根据网络拓扑的变化决定网络管理组组首的变更,即由哪个节点为管理组首，或者采用Ad Hoc中簇头选举方法来选举某个管理组的组首。传输层使用SCPS传输协议，网络层使用SCPS网络协议的自组织路由算法，为保证信息传输的安全性，需使用SCPS安全协议。

可在天基信息网络的某个卫星组中设置某颗离上层卫星最近的那颗星为该星座的组首，图1中黑色的卫星即为本组组首。组首负责收集本组所有卫星的链路状态信息并与其上层卫星管理者交换信息，由上层管理星为本组所有卫星计算路由表。同时，每个组也都有不同于组首的另一颗卫星被指定或按照一定策略被选举作为该卫星组的备份组首。当第一个组首出现故障时，备份组首执行组首的功能。当上层管理星出现故障时，由组首代替上层管理星为组内用户计算路由，从而在多层星座组网系统的管理过程中不会因为某个卫星节点的失效导致整个分层管理模式的崩溃。

(2)为保证系统的可靠性和可扩展性，增强天基信息网的抗毁性，可利用Ad Hoc技术实现天基信息网的骨干节点互连互通。采用分布式安全拓扑控制和维护算法，能够在节点和链路失效发生时，网络具有快速自组织、自重构机制，同时具有在节点受到攻击和发生故障失效后网络的自恢复机制和抗毁机制。

由于卫星无线通信容易受到电磁干扰，造成其通信的不确定性和自组网节点的移动性，已经建立的网络拓扑结构会随着节点的移动而发生改变；加上无线通信的固有特性，链路的连通性也动态发生变化，因此在自组网中对链路进行监测和修复，进行路由维护一直是其路由协议的关键技术之一。

组中的组首负责收集本组内的链路状态信息并与其它组卫星之间交换，进而形成能够反映全局的链路状态数据库，由组首为本组内的所有其它卫星计算路由表。采用分布式分层链路状态信息收集不仅能够有效降低星间通信开销，而且把路由计算和数据转发任务在多颗卫星之间分担，有利于转发任务较重的卫星全力进行数据转发，而使负载较轻的卫星负责路由计算和链路状态信息的收集。目前一些文献提出的分级路由协议(HSRP)算法、基于分层分群的多层卫星网路由(MLSR)算法具有一定的参考意义。

星座网络拟采用具备流量适应能力的静态路由策略，称为自适应流量的拓扑快照静态路由(TSSR)。星座系统周期离散化为K个时间间隔，每个时间间隔Δt，链路代价变化足够小，可以认为是静态拓扑，所以动态拓扑可以转化为一个静态拓扑的序列，称为拓扑快照。根据每个静态的拓扑快照可以事先离线为每对源、目的卫星节点按照改进的Dijkstra算法计算出若干个具有最小路径耗费的路径(也就是按照一定的准则最好的路径)，从而计算出一系列空间路由表和转发表，然后将空间路由表和转发表注入到每个卫星交换节点上。星座网络拓扑改变时可重新在线更新星上路由表。

通过这种方式星座卫星只在每个时间间隔开始时通过软件控制，进行路由表和转发表的更新；当卫星需要计算ISL子网上的可用路径时，不再进行复杂计算，而是能够直接查表求得，从而减小了卫星节点的处理时延和处理负荷，进一步提高了寻路的效率。

另外一种安全机制是设置备份卫星，平时不启动备份星，只有在卫星组中某颗卫星遭到干扰或出现故障时才通过卫星运行中心使之机动到合适位置，并启动它，使信息网的自组织、抗摧毁性能得到加强，保证天基信息网络的通信质量(QoS)。

5 结束语

把各类天基系统组成信息网发挥它们的最大作用已成为发展航天系统的共识。在一些不可预知的情况下，各空间节点的位置可能临时发生变化或受到敌方攻击，故如何增强信息节点链路之间的抗毁性，使天基信息网络具有快速自组织能力，重新组网恢复通信，是保证战场信息感知能力、保障作战效能过程中必须要解决的一个问题。

本文从组网模型、网络协议及路由抗毁设计几个方面研究了多层分布式卫星网络的快速自组织可重构性。在军事卫星网络信息越来越重要的空天一体化战争中，抗毁性及重构性是衡量一个卫星网络的重要性能，故本文的研究具有军事上的实用意义。本文的下一步工作是对提出的网络模型和可重构路由方式进行仿真并得出具体的结果和性能参数，以检验所提方法的可行性。

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