LEO卫星通信网络的移动性管理

贺达健，游鹏，雍少为

国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073

LEO卫星通信网络的移动性管理

贺达健，游鹏*，雍少为

国防科学技术大学 电子科学与工程学院，长沙 410073

近年来，低轨道(Low Earth Orbit, LEO)卫星通信网络以全球覆盖、低传输时延、低功耗链路、较强的抗毁性等特点而受到广泛关注，是未来全球移动通信系统的重要组成部分。移动性管理是构建LEO卫星通信网络的关键技术，为推动移动性管理问题的研究，文章从LEO卫星通信网络的结构和特点入手，阐述了LEO卫星通信网络中移动性管理的分类，并分析了其相比地面移动无线网络的特殊性。从链路层、网络层、传输层三个协议层次综述了近年来LEO卫星通信网络移动性管理研究的国内外现状，重点介绍了移动IPv6(Mobile IPv6, MIPv6)和无缝IP分集通用移动性结构(Seamless IP-diversity based Generalized Mobility Architecture，SIGMA)在LEO卫星通信网络中的应用。最后，指出了移动性管理的发展趋势。

卫星网络；低轨道卫星；移动性管理；移动IP；无缝IP分集通用移动性结构

LEO卫星通信网络具有全球覆盖、低传输时延、低功耗链路、较强的抗毁性等特点，拥有广阔的发展前景，是未来移动通信系统的重要组成部分。另外，随着通信技术的发展，以星间链路(Inter Satellite Link, ISL)和星上处理技术(On-Board Processing，OBP)为特征的下一代卫星通信网络可以独立于地面网络，支持星上路由和数据处理，提供覆盖海陆空的移动网络服务；IP技术的成熟和可靠也使得未来卫星网络应用IP技术成为趋势。2007年，Iridium公司宣布发展Iridium NEXT计划，为跨洋、极地、空中交通提供全球性高质量的语音和数据覆盖业务，该计划仍将采用第一代Iridium系统的66颗LEO卫星星座。2014年，谷歌公司宣布将建设180颗LEO卫星提供卫星互联网业务。2014年11月，SpaceX公司宣布计划发射700颗LEO小卫星，为地面用户提供互联网接入服务，2015年9月又进一步增加至4 000颗。2015年1月，卫星互联网公司OneWeb计划将648颗LEO卫星送入太空，下一步还将发射2400颗卫星[1]。在国内，2014年9月，清华大学联合北京信威通信技术股份公司研制的灵巧通信试验卫星(Smart Communication Satellite, SCS)发射成功，并在同年10月完成了所有的在轨试验[2]。中国航天科工集团的“福星计划”将发射156颗LEO小卫星，第一期实现天星地网，透明转发；第二期实现天地融合组网。

由于LEO卫星绕地球运动，终端与卫星之间会产生切换，为了保证终端在切换过程中保持正常通信，需要对网络进行移动性管理。移动性管理需要对终端的位置进行登记和管理，以方便网络对终端发起呼叫和传输数据，还要维持终端与网络的链路在两个卫星之间进行切换时不中断。但是，LEO卫星通信网络覆盖范围广、服务终端多，卫星相对地面终端高速运动，终端与卫星之间的切换十分频繁，网络结构也会动态变化。此外，LEO卫星因为体积、功率等硬件条件限制，处理性能有限。这些特点都为LEO卫星通信网络的移动性管理带来了严峻的挑战。

针对卫星通信网络的移动性管理问题，国内外学者分别在链路层、网络层和传输层提出了许多解决办法。在链路层，主要有非优先切换、排队优先切换、预留信道等策略。在网络层，互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force, IETF)提出了移动IPv4(Mobile IPv4, MIPv4)和MIPv6[3]对网络的移动性进行管理，但移动IP(Mobile IP，MIP)存在一些问题，例如较高的切换时延、丢包率等，于是对MIP进行了扩展，又提出了快速移动IPv6(Fast Mobile IPv6, FMIPv6)[4]、分层移动IPv6(Hierarchical Mobile IPv6, HMIPv6)[5]、多转交地址协议(Multiple Care of Address, MCoA)[6]、代理移动IPv6(Proxy Mobile IPv6, PMIPv6)[7]和快速代理移动IPv6(Fast Proxy Mobile IPv6, FPMIPv6)[8]等协议。其中，MIPv6、FMIPv6、HMIPv6是基于主机的IPv6移动性管理协议，PMIPv6、FPMIPv6是基于网络的IPv6移动性管理协议。在传输层，提出了体系较完善的SIGMA[9]以及移动流控制传输协议(Mobile Stream Control Transmission Protocol, mSCTP)[10]、移动防火墙安全会话转换协议(Mobile SOCKS, MSOCKS)[11]、TCP连接迁移(TCP-Migrate)[12]等移动性管理协议。

1 移动性管理问题

移动性管理主要包括切换管理和位置管理[13],目的是为网络提供移动性支持并满足相关的服务质量(Quality of Service，QoS)指标，例如切换时延、丢包率、阻塞率、信令开销等。无线网络为了给终端提供连续的通信服务，必须在不同网络接入点之间实现切换来保证服务的不中断，这是移动性管理问题中的切换管理。另外，为了使网络随时向终端提供通信服务，网络还必须对终端的位置进行管理，即支持位置管理。

作为无线网络的一种，卫星网络也存在移动性管理问题。卫星网络的移动性管理问题可分为主机移动性管理和网络移动性管理，具体的分类和特点如表1所示。

表1 移动性管理问题分类及特点

LEO卫星通信网络是一个独立的网络，只通过少量的地面站与地面互联网、网络控制中心等进行通信和管理，LEO卫星作为网络接入点，类似于地面无线网络的基站，为覆盖范围内的终端提供通信服务，终端可能位于地面、海洋以及空天的任何位置，卫星之间通过ISL进行通信并构成网络。在终端通信过程中，正在与终端进行通信的卫星由于移动(包括卫星和终端的移动，主要包括飞机、船舶等终端的移动，手持终端的移动性可忽略)，其覆盖区域可能离开终端所在位置，另外一个卫星覆盖区域进入终端所在的位置，通信链路要在两颗卫星间切换，保证通信的连续性，同时对终端的位置进行更新。LEO卫星通信网络的移动性管理将卫星看作具有星上处理功能的移动路由器，为终端提供网络服务，属于主机移动性管理。但随着空天一体化信息网络的发展，LEO卫星通信网络的用户还将包括遥感卫星、导航卫星等空天网络用户，因此未来的移动性管理技术还将支持网络的移动性管理，而且网络移动性管理将是以后重要的发展方向。当然，网络移动性管理可以参照主机移动性管理的相关研究，如网络移动(Network Mobility，NEMO)协议参照了MIP技术，无缝IP分集网络移动(Seamless IP-diversity based Network Mobility, SINEMO)协议参照了SIGMA。

与地面无线网络不同，由于LEO卫星轨道高度低，相对地面作高速运动，终端对其可视时间(通信时间)通常只有几分钟，造成了终端与卫星之间产生频繁的切换以及网络结构动态的变化，所以LEO卫星通信网络具有与生俱来的移动特性。表2总结了LEO卫星通信网络与地面无线网络之间的主要差异，LEO卫星通信网络的覆盖面积要远远大于地面无线网络，其单颗卫星的覆盖范围也比地面基站大得多，覆盖区域内的终端数量庞大，卫星网络需要对大量的终端进行移动性管理。地面网络接入点的位置是固定不变的，而LEO卫星通信网络由于卫星的运动，导致接入点快速移动，即使终端的位置固定不变，其与卫星之间也会经常发生切换，因此，卫星网络中的切换十分频繁。

LEO卫星通信网络的拓扑结构是分布式的，每颗卫星通过ISL与周围的卫星进行通信，且其结构不是固定的，会随卫星的运动而发生变化，即LEO卫星网络结构具有动态特性，这会对移动性管理造成一定影响。不过卫星运行具有周期性，所以拓扑结构的变化也具有周期性，利用周期性变化的特点可以降低网络结构变化给移动性管理造成的影响。

表2 LEO卫星通信网络与地面无线网络对比

另外，由于体积、功率等硬件条件限制，LEO卫星的处理性能有限，难以满足计算量大的移动性管理技术。同时，考虑到卫星的轨道高度，终端与卫星之间信令传输的往返时延较大。

以上这些特点，使LEO卫星通信网络的移动性管理问题更突出，对移动性管理有更高的要求，针对地面无线网络提出来的移动性管理协议不能直接应用到LEO卫星通信网络中。

2 LEO卫星通信网络的移动性管理

网络协议层自下而上可分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层，除物理层以外，其他协议层均有移动性管理技术。在LEO卫星通信网络中，移动性管理的研究主要集中在链路层、网络层和传输层，在不同的协议层次有不同的特点和技术，如表3所示。

针对LEO卫星通信网络中的移动性管理问题，国内外学者做了大量研究。在国内，链路层移动性管理技术得到了广泛研究，特别是切换管理，国内学者对排队优先、预留信道等切换策略进行改进和优化，对网络性能有一定的改善，但是对网络层和传输层移动性管理技术的研究相对较少。国外学者早在20世纪70年代便开始利用卫星系统承载IP业务，随着互联网的迅猛发展和空间信息网络的提出，卫星网络与互联网之间的联系将越来越紧密。高协议层移动性管理技术屏蔽了底层接入技术和物理传输介质的差异，对上层协议和应用透明，对地面互联网具有良好的兼容性。因此，网络层、传输层等高协议层的移动性管理技术越来越受到关注。

表3 不同协议层次的移动性管理的特点及典型技术

2.1 链路层移动性管理技术

链路层移动性管理技术最早在蜂窝网中被提出和应用，发展到现在，已经相对成熟且得到了验证。链路层移动性管理技术中的切换管理与位置管理一般独立进行研究，位置管理主要采用位置归属寄存器和访问位置寄存器两层位置数据库结构，实现移动节点(Mobile Node, MN)的位置管理，切换管理又分为波束切换和星间切换。

(1)波束切换

波束切换又称为蜂窝切换或者星内切换，是指同一颗卫星覆盖区域内，链路在相邻波束间的切换。波束切换技术主要有非优先切换策略、排队优先切换策略和预留信道策略。

非优先切换策略采用固定信道分配的方法，给每个小区、每类业务分配固定的信道数量。该策略虽然简单，但不能适应网络业务量的动态变化，使系统的资源利用率降低，一般结合其他策略来使用[14]。

排队优先切换策略[15-19]基于排队技术，以区分各种类型的呼叫或者请求的优先级，使网络资源分配更加合理。当卫星收到一个新呼叫或者切换请求时，如果下一波束没有可用的信道，请求会放在一个特定的队列中排队等待，在规定时间内有信道空闲则被网络接受，否则就强制中断。同一个队列中的呼叫或者请求按照先进先出的原则进行资源分配，不同队列之间也可以设定不同的优先级，优先级高的队列得到更多的网络资源。

预留信道策略利用了保护信道的概念，在每个小区中设立保护信道专门为切换服务[20]。预留信道策略关键问题是设定合理的阈值，使预留的信道资源符合网络的实际情况，不至于造成网络资源浪费或策略效果下降。预留信道的阈值可以是一个固定值，也可以根据网络状态动态调整，动态调整阈值能够提高网络资源的利用率[21-23]。现有的动态调整阈值的方法主要有：

1)基于预测的调整策略。利用概率模型或状态量，对不同类型的请求进行预测，根据预测结果动态调整预留信道的阈值[22,24-26]；

2)基于时间的调整策略。可以根据MN在当前波束内逗留的时间或者预期的信道使用时间对下一个波束的预留信道进行调整[21,27]。

3)基于QoS的调整策略。文献[23]定义了一个“系统用户满意度”，用其度量系统QoS，以最大化“系统用户满意度”为准则，动态调整预留信道，克服了预留信道机制中带宽利用率低的问题。文献[28]中提出了一种呼叫接入控制策略和一种星内切换方案，引入一个“移动预约状态”量，用于表示在每个小区内所有激活呼叫所请求的带宽信息，同时用它预测来自相邻小区的呼叫可能发出的带宽请求。

在实际应用中，可以根据实际情况选择非优先切换策略、排队优先策略和预留信道策略，也可以同时选择多种策略。如果以阻塞率和掉线率作为选择依据，则在LEO卫星通信网络中支持切换优先的排队优先策略具有更好的性能[29]。不过，这些策略其他QoS指标以及系统容量的对比分析还有待深入的研究。

(2)星间切换

星间切换又称为卫星切换，是指一个链路在相邻卫星间的切换。星间切换的关键技术除了信道分配以外，还有卫星选择策略。前者可以参考波束切换技术，而后者对于具有分集特征(即多重覆盖特征，MN有多颗可见的卫星可以选择)的LEO卫星通信网络的性能具有重要的影响。选择卫星的准则主要有最小负荷准则、最小距离准则、最长可视时间准则、最强信号准则和最短传播路径准则等[30-31]。

最小负荷准则使MN在所有可见卫星中选择负荷最小的卫星，可以减少掉线率和阻塞率，以及提高系统资源利用率，但是传输时延较长，QoS较差[24]。最小距离准则根据MN与卫星的距离，选择距MN最近的卫星，而MN与距离最近的卫星的通信仰角最大，切换的时间间隔很短，不符合长时间通信服务(例如多媒体业务)的需求[32]；最长可视时间准则使MN选择的卫星可以为其提供较长服务时间，在一定程度上降低了MN切换的频率；最短传播路径准则按照MN通信链路总长度最短的原则对卫星进行选择，可以减少MN的通信时延[31,33]。

此外，星间切换还可以与路由优化一起综合考虑，在保证切换性能的同时，对路由进行优化，使网络资源的利用更合理[34]。

在LEO卫星通信网络中，链路层移动性管理技术与卫星网络底层技术相关，其性能的好坏不仅受到所采用策略的影响，还受到卫星结构、底层技术和物理传输介质等因素的影响。

2.2 网络层移动性管理技术

网络中的IP地址有两种含义，一种是身份标识，一种是位置标识。一般来说，终端在网络中具有惟一的IP地址，网络将IP地址作为身份标识对终端进行识别和认证，又将IP地址作为位置标识对终端进行定位和发起路由。当终端在网络中移动，若接入点发生变化而IP地址保持不变，网络就不能对终端进行定位和路由；如果IP地址发生变化，网络层以上的通信服务会中断，网络也无法对终端进行识别和认证。MIP的提出就是为了使终端以固定的IP地址在网络中移动，同时保证网络层以上的链接不中断，实现跨越不同网段和网络接入点的漫游功能。

国际互联网工程任务组(IETF)于2004年6月发布第一个框架性的基于IPv6的MIPv6标准，得到了学术界和工业界的认可。MIPv6在MIPv4的基础上进行了改进，解决了MIPv4中的“三角路由”问题，有望取代现有移动通信系统中的各种移动性管理协议，解决未来移动通信系统中的移动性管理问题。

目前为止，基于IPv6的移动性管理协议共分为两大类，一类是基于主机(Host-Based)的移动性管理协议，包括MIPv6、HMIPv6、FMIPv6等；另一类是基于网络(Network-Based)的移动性管理协议，包括PMIPv6、FPMIPv6等。

(1)基于主机的移动性管理协议

MIPv6是标准IPv6移动性管理协议，可以将其应用在LEO卫星网络中解决移动性管理问题[35]。MIPv6规定MN位于家乡网络时，跟普通节点一样，使用家乡地址(Home Address, HoA)进行通信，通过路由规则转发数据包。当MN在网络中移动时，如图1所示，MN根据接入网络的路由器通告(Router Advertisement, RA)配置一个转交地址(Care of Address， CoA)，然后向家乡代理(Home Agent, HA)发送绑定更新(Binding Update, BU)，注册当前的CoA。HA在绑定缓存(Binding Cache, BC)中记录HoA和CoA的对应关系，同时向MN发送绑定确认(Binding Acknowledgement, BA)作为对BU的响应。随后，MN和HA之间就建立了一条隧道(两端的地址分别是HoA的地址和MN的CoA)进行通信。每个MN的HoA都是固定的，与MN的网络位置无关。

图1 MIPv6发起会话过程Fig.1 Process of launching a communication in MIPv6

假如通信对端(Correspondent Node, CN)向MN发起会话，则MN总是通过HoA被寻址，CN直接把数据发送到HA，由HA转发给MN，不用考虑MN当前的接入位置。此时，HA转发来自CN的数据，而MN向CN发送数据时通过路由规则直接转发。假设CN支持MIPv6的路由优化模式，则MN会向CN发送当前CoA，之后CN以MN的CoA为目的地址与MN进行直接路由。MN的CoA地址无需向上层协议传递，只需通知HA和CN，HA收到CoA后对MN进行位置管理，CN收到CoA后与MN直接路由，而上层协议依然以固定不变的HoA作为IP地址进行通信。MIPv6在不影响其他协议层的基础上，满足了MN在网络中的移动性需求。

MIPv6的切换过程如图2所示，MN从旧卫星(Previous Satellite, pSAT)切换到新卫星(New Satellite, nSAT)，MN首先从nSAT中获得新的CoA，并向HA和CN发送BU，随后HA在绑定缓存BC中记录HoA和CoA的绑定信息，对MN进行位置管理，CN更新路由的目的地址，继续与MN进行通信。

图2 MIPv6切换过程Fig.2 Handover process in MIPv6

MIP可以屏蔽MN底层技术的差异，使LEO卫星通信网络支持不同类型的MN，而且MIP简化了网络配置操作[36]。然而，由于标准MIPv6的切换过程与位置更新过程之间具有耦合关系[37]，即每次切换都需要更新CoA，进行绑定更新，增加了切换时延[5](增加的时延大约是MN与CN之间通信时延的1.5倍)。而且绑定更新过程中MN与CN之间不能通信，导致标准MIPv6产生了较高的切换时延和丢包，其性能与未来LEO卫星通信网络的要求相比还有差距。因此提出了FMIPv6、HMIPv6、MCoA等扩展协议。

FMIPv6采用了快速切换技术，利用了底层的功能，提前检测到MN下一个要接入的网络接入点，并向网络接入点预先注册以降低切换过程的时延和丢包。

HMIPv6引入了代理分层机制，在网络中加入移动锚节点(Mobility Anchor Point, MAP)，MAP将网络分成了若干区域，在其管理的区域内，MN的绑定更新由其负责处理，功能类似于HA，从而减少了绑定更新的时间，降低了切换过程中的丢包。

MCoA规定MN在切换过程中获得新CoA的同时旧CoA依然可用，实现MN的无缝切换，降低了切换时延、丢包等，但牺牲了网络资源的利用率。

FMIPv6、HMIPv6等扩展协议应用于LEO卫星网络移动性管理可以有效地降低切换时延和丢包[38]，表明分层机制和快速切换技术可以提高移动性管理协议的性能。但是，MIPv6、FMIPv6、HMIPv6等基于主机的移动性管理协议要求MN必须支持相关协议，切换过程中MN与接入路由器(Access Router, AR)之间要进行信令交互，这对于星地往返时延较大的LEO卫星通信网络来说，网络性能会受到严重影响，比如切换时延较长、丢包率高等。

(2)基于网络的移动性管理协议

IETF在2008年提出了基于网络的PMIPv6，允许MN在移动性管理过程中不进行任何信令交换和处理，通过本地移动锚点(Local Mobility Anchor, LMA)和移动接入网关(Mobile Access Gateway, MAG)的代理功能，代替MN完成相关操作和信令传输。若应用于卫星网络中，可以避免星地链路较长的往返时延，减少MN的切换时延和丢包，提高移动性管理性能。FPMIPv6是PMIPv6的扩展协议，在PMIPv6的基础上加入了快速切换技术。文献[39]对比分析了基于主机的MIPv6、HMIPv6、FMIPv6与基于网络的PMIPv6、FPMIPv6的切换时延、丢包和切换阻塞率3个性能指标，结果如图3所示，图中：Dwl为无线链路固有的传输时延；v为MN的移动速度；R为小区的覆盖半径；λs为平均会话到达速度；E(S)为平均会话长度；ρf为帧错误率。可以看出，基于网络的PMIPv6和FPMIPv6的性能要优于基于主机的MIPv6、FPMIPv6和HPMIPv6的性能。

图3 移动性管理协议性能仿真结果[39]Fig.3 Simulation results of performance of mobility management protocols[39]

目前已有文献对PMIPv6在卫星网络中性能进行了研究。文献[40]将PMIPv6应用到了卫星广播中，为广播终端提供移动性支持，针对有隧道和无隧道两种情形下的移动性处理过程和信令时序进行了详细分析，并通过仿真与现有的两种支持IP的广播协议进行比较，结果表明基于PMIPv6的卫星广播协议在切换时延和信令开销上要优于其他两种协议，说明基于网络设计的PMIPv6应用在卫星网络中可以提高卫星网络的性能。但是文中并没有考虑卫星网络的动态性和ISL，LMA也由地面网关实现，没有充分利用下一代卫星网络具有ISL和星上处理的特点。另外，在GEO卫星网络中，如果把PMIPv6的LMA由地面网络控制中心充当，将检测MN移动的功能从MAG中移到了LMA中，则基于PMIPv6的移动性管理协议在信令开销、切换时延和丢包率等方面的性能要优于基于主机的MIPv6[41]。但是，基于网络的移动性管理协议在LEO卫星通信网络中的性能还有待进一步的研究。

无论是基于主机的移动性管理协议还是基于网络的移动性管理协议，都是采用集中式管理方法，需要HA、MAP、LMA等锚点集中处理和转发其覆盖范围内的控制信令和用户数据，由于单颗卫星处理能力的限制，在LEO卫星网络中只能由地面站充当HA或MAP，这会严重限制LEO卫星通信网络在全球范围的部署和网络的传输效率。此外，锚点也容易成为整个系统的单故障节点，一旦发生故障，会对整个网络造成影响。这些缺点限制了IPv6移动性管理协议在LEO卫星通信网络中的应用。

2.3传输层移动性管理技术

与网络层的移动性管理技术不同，传输层的移动性管理技术是对基于端到端的链路进行管理，不用考虑IP地址的变化问题，移动性管理只需确保在MN移动过程中端到端的链路不中断。传输层主要有mSCTP、MSOCKS、TCP-Migrate、SIGMA等协议，SIGMA是比较完整的结构之一，支持MN与CN直接路由。

SIGMA也叫TraSH(Transport layer Seamless Handover scheme)协议[42]，利用了流控制传输协议(Stream Control Transmission Protocol, SCTP)的多家乡(Multi-Homing)特点，终端可以使用多个IP地址同时通信，实现软切换。切换过程中，CN从IP地址列表中删掉MN的旧IP地址之前，CN与MN之间仍可以使用旧IP进行数据传输与信令交换，其切换过程如图4所示，当MN进入两颗卫星的重叠覆盖区域时，MN从nSAT中创建新IP地址，并通知CN新IP地址，此时MN与CN之间依然通过旧IP地址进行通信。当MN深入nSAT覆盖区域后，通知CN将新IP地址作为主地址并进行通信，同时向位置管理器(Location Management, LM)发送位置更新，对MN进行位置管理。当MN离开pSAT的覆盖区后，通知CN删除MN的旧IP地址。

SIGMA在卫星通信网络中具有较低的切换时延和很低的切换丢包率[43-44]，表明SIGMA的软切换特性可以有效地提高移动性管理的性能。另外，引入预测机制，利用卫星轨道信息和MN位置信息提前检测下一个新接入卫星，可以进一步降低SIGMA的切换时延和丢包率[45]。

但是，SIGMA具有较高的管理开销，其安全性和鲁棒性没有得到解决[46]。而且，SIGMA的切换时延和丢包率会随着MN移动速度增加而下降，另外地面与卫星之间通信的长时延也会影响其性能。

图4 SIGMA切换过程Fig.4 Handover process in SIGMA

除了上述协议外，文献[47]提出了LEO卫星无缝切换管理协议(Seamless Handover management scheme for LEO satellites,SeaHO-LEO)，利用卫星缓存器和ISL，优化了系统吞吐量、切换时延、阻塞率等性能，信令时序如图5所示。但是SeaHO-LEO在切换过程中占用了两个IP地址和两颗卫星的无线资源，还要求卫星具有缓存功能，增加了系统成本。另外，MN参与了切换过程，星地链路的往返时延增加了切换时延。此外，文献[47]还提出了一种基于MN和卫星移动轨迹的切换策略，该策略假设MN和卫星运动轨迹全是已知的，根据轨迹信息计算出切换时刻与对应的卫星，MN与卫星利用计算结果在切换时刻进行切换。该策略不产生位置更新操作(轨迹已知)和切换时延(根据切换时刻自发进行切换)，但需要整个网络具有严格的时钟同步和MN精确的运动轨迹，否则会造成较高丢包率，具有明显的局限性，也增加了系统的复杂性。

传输层的移动性管理技术是对基于端到端的链路进行管理，随着用户数增多，端到端链路数量也会增加，系统的移动性管理开销必然也会增大。传输层基于SCTP协议的SIGMA是比较完善的协议，利用多IP地址、多家乡的特点，实现移动性支持。虽然SIGMA在切换时延、丢包率等性能指标上表现良好，但其需要MN支持多IP地址、多链路同时通信，牺牲了无线资源利用率，增加了网络的阻塞率，降低了整个网络的传输效率。因此，SIGMA在网络资源有限的LEO卫星网络中的应用还待进一步的研究。

2.4位置管理技术

由于LEO卫星高速运动，MN与卫星之间频繁地切换，使MN产生大量的位置更新，导致位置管理将占用大量的网络资源。

通过引入分层位置管理机制，降低MN全局位置更新的频率，可以减少位置更新占用的网络资源。IETF组织提出的HMIPv6利用分层机制，通过MAP代理HA对MN的局部位置变化进行更新，降低了位置管理开销。在LEO卫星网络中加入分层位置管理机制后，位置管理开销明显小于MIPv6和SIGMA[48]，说明分层位置管理机制降低了位置管理开销。分层位置管理机制在一定程度上降低了全局位置更新的频率，但位置管理开销依然很大，而且LEO卫星网络没有明显的分层结构，不利于分层位置管理机制发挥自身优势。

在MIP中加入寻呼机制也可以降低位置管理的开销。寻呼扩展移动IP(Paging extension for Mobile IP, P-MIP)协议[49]在基本MIP中引入寻呼机制，为MN设定了两种状态，即活动状态和空闲状态。如果MN处于活动状态，则MN按照MIP的方法进行位置管理，当MN为空闲状态时，用P-MIP进行位置管理。P-MIP将网络划分为若干个寻呼区，在寻呼区内移动时，MN不需要向网络更新位置，只有跨越不同的寻呼区时才会进行位置更新，有效地降低了位置管理开销。另外，根据P-MIP，当MN有新呼叫时，网络发起寻呼操作，向MN所在的寻呼区内广播寻呼信令，MN收到寻呼信令后向网络发起连接请求并接受新的呼叫。

在具有寻呼机制的位置管理技术中，寻呼区的划分对网络的位置管理开销和寻呼信令开销至关重要。传统划分方法主要有[13,50-51]：1)基于卫星覆盖范围划分；2)基于地面控制站覆盖范围划分；3)综合考虑卫星和地面控制站覆盖范围划分。其中，如果综合考虑卫星和地面控制站的覆盖范围，只有当MN同时离开当前网关和卫星的覆盖区域时，才进行位置更新，可以降低高速用户和在寻呼区边界往复运动用户的位置更新次数，从而降低位置管理开销[48]。

传统方法通过对寻呼区进行合理的划分，一定程度上降低了位置管理的开销，但仍然没有根本解决LEO卫星通信网络中MN与卫星之间因频繁切换而导致的大量的位置更新问题。文献[52]提出了一种切换独立的位置管理策略，该策略按照地理位置区域划分寻呼区，与卫星和地面控制站的覆盖区域无关，取代了传统的按照网络逻辑区域进行寻呼区设计的方法，解决了由频繁切换带来的大量位置更新的问题。不过，切换独立的位置管理策略如何对MN发起寻呼操作仍需要更多的研究。

分层位置管理机制的管理开销依然很大，MAP在LEO卫星通信网络中如何部署的问题也没有得到解决。寻呼机制在降低了位置管理开销的同时，增加了寻呼操作，减缓了MN响应新呼叫的速度。另外，如何对寻呼区进行合理的规划以及各种划分方法的有效性如何还有待进一步研究。

3 发展趋势

移动性管理技术作为LEO卫星通信网络的关键技术，还存在以下几个方面值得深入研究。

3.1 拓扑结构高动态变化网络的移动性管理

现有移动性管理技术主要关注MN与网络接入点、锚点之间的交互，忽略了移动性管理与网络结构之间的相互关系及影响，少有考虑LEO卫星网络拓扑结构动态变化的特点。LEO卫星网络各节点通过ISLs相互连接，形成网络。值得注意的是ISLs通常存在较大数量的非固定链路，它的通断受到诸多因素的影响，如星座类型、星间链路接入策略、卫星之间的相对位置等。LEO卫星通信网络拓扑结构随着ISLs变化而变化，具有动态性，但变化过程存在可预见性和周期性[53-54]。

LEO卫星通信网络的拓扑结构的动态性及其对移动性管理性能的影响都不可避免，所以LEO卫星通信网络移动性管理的研究必须考虑网络拓扑结构的动态性，并且应该着力解决如下两个问题：

1)对比分析目前已有的移动性管理协议在LEO卫星通信网络中的性能，了解动态变化的网络结构如何影响移动性管理性能。

2)如何利用动态拓扑结构的可预见性和周期性降低其对移动性管理性能的影响，提高LEO卫星通信网络移动性管理的性能。

3.2 基于网络的移动性管理

与基于主机的移动性管理相比，基于网络的移动性管理主要有以下特点[13,39,55]：

1)减少了终端与网络接入点之间的信令交互，降低了无线链路对移动性管理性能的影响；

2)利用基于网络的思想，优化移动性管理协议的工作流程，降低链路的通信开销；

3)不需要对现有终端进行升级，降低了部署成本；

4)通过LMA和MAG的代理功能，所有的移动性管理的信令由网络侧负责控制，增强了网络管理的灵活性以及运营商对网络的控制和管理。

但是，基于网络的移动性管理协议需要一个锚点(即LMA)同时完成控制信令的处理和用户数据的转发，由于网络结构和卫星处理性能的限制，在LEO卫星通信网络中如何合理地部署LMA仍需要进一步的研究。

3.3 分布式移动性管理

目前LEO卫星通信网络的移动性管理都是集中式的，存在单点失效、性能瓶颈、次优路由、可扩展性差、长时延、多信令负载等问题。

IETF于2013年提出的分布式移动性管理(Distributed Mobility Management, DMM)，以分布式转发的方式分散数据流量，减轻移动锚点的负担，提高系统的传输效率[56-57]。对于具有分布式网络结构的LEO卫星通信网络来说，若能采用DMM进行移动性管理，不仅可以降低对单颗卫星性能的要求，还可以提高移动性管理的效率。

但是，将DMM直接应用在LEO卫星通信网络中会面临一些问题，如动态变化的网络拓扑结构、分布不均匀的流量、用户移动模型的变化以及管理开销的增多等，DMM必须针对这些问题进行优化。

3.4 跨层优化的移动性管理

在传统的TCP/IP协议栈中，各协议层之间独立设计和运行，影响了移动性管理协议的性能和自适应能力。跨层优化为移动性管理的发展提供了一种新模式。

跨层优化通过对5个主要协议层(应用层、传输层、网络层、链路层和物理层)之间采用新型的交互机制，实现对各网络层次的联合优化，提高移动性管理协议的性能。例如利用主机标识协议(Host Identity Protocol, HIP)对会话初始协议(Session Initiation Protocol, SIP)进行跨层优化，使IP地址的身份标识功能与位置标识功能分离，降低了切换时延、丢包、阻塞率等[58]。

但随着优化参数和涉及协议层数的增加，跨层优化方法将变得相当复杂，对网络和终端性能的要求也会更高。而且，跨层优化需要对网络的协议栈进行修改，增加了部署成本。因此，跨层优化的移动性管理在LEO卫星通信网络中的应用还需更多的研究。

4 结束语

本文分析了LEO卫星通信网络移动性管理问题的特殊性，从链路层、网络层和传输层3个协议层次对现有的移动性管理技术进行了综述。链路层移动性管理技术在电信网中比较成熟，功能强大，但是与底层技术、物理传输介质等因素相关，不具备统一的技术标准。网络层和传输层的移动性管理技术均具有与底层技术无关以及对上层协议和应用透明的特点，可以建立统一的技术标准，解决各种网络结构中的移动性管理问题，但是现有的移动性管理协议还存在一些问题。通过研究LEO卫星通信网络中基于网络的移动性管理、分布式移动性管理等技术，结合LEO卫星网络结构的动态特性，可以提高系统的移动性管理性能。

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(编辑：车晓玲、范真真)

Mobility management in LEO satellite communication networks

HE Dajian, YOU Peng*, YONG Shaowei

InstituteofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China

In recent years, low Earth orbit (LEO) satellite communication networks attract a lot of researchers' attention for its global coverage, short propagation delay, low-power links and great invulnerability performance，etc. It will be an important part of the future global mobile communication systems. Mobility management is a key technology for enabling service in LEO satellite communication networks.The characteristics, research status and problems of mobility management were analyzed. Firstly, a brief classification of mobility management of LEO satellite communications networks was provided and characteristics distinguished from terrestrial mobility wireless networks were analyzed based on the architecture and features of LEO satellite communication networks. Then the state-of-the-art mobility management schemes in LEO satellite communication networks were summarized from link layer, network layer and transport layer. A detailed description of the application of MIPv6 and SIGMA in LEO satellite environment was given. Finally,some trends of mobility management of LEO satellite communications networks was pointed out.

satellite network; low earth orbit (LEO) satellite; mobility management; mobile IP (MIP); Seamless IP-diversity based Generalized Mobility Architecture(SIGMA)

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0034

2015-12-10；

2016-01-14；录用日期：2016-05-11；

时间：2016-06-20 13:41:35

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160620.1341.002.html

国家安全重大基础研究(973)

贺达健(1992-)，男，硕士研究生，dajian.he@gmail.com

*通讯作者：游鹏(1983-)，男，讲师，ysw_nudt@vip.126.com，主要研究方向为卫星网络和雷达探测

贺达健, 游鹏, 雍少为.LEO卫星通信网络的移动性管理[J]. 中国空间科学技术, 2016, 36(3)：1-14.HEDJ,YOUP,YONGSW.MobilitymanagementinLEOsatellitecommunicationnetworks[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016, 36(3)： 1-14(inChinese).

V1；TN927

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http:∥zgkj.cast.cn