协同控制下的空间信息网络简单虚拟局域网构想

程禹，胡维多

北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191

协同控制下的空间信息网络简单虚拟局域网构想

程禹，胡维多*

北京航空航天大学 宇航学院，北京 100191

针对空间信息网的组网实现问题，考虑卫星通信网络的长时延、动态性、资源受限等网络特性，提出了一种协同控制下的虚拟局域网组网构想：首先，通过将空间信息网络划分成多个虚拟局域网的方法分割空间广域网，减轻星载计算机的信息处理负担和带宽资源的无谓损耗。其次，基于一致性算法，在协同控制律中加入路由算法实现虚拟局域网内节点卫星信息的两两联通，提高空间信息网络的可靠性和协同处理性能，将这种时变时滞协同控制律应用在空间信息网结构中能够实现空间强连通组网，应用于单个卫星上则可以实现关键节点卫星的冗余备份和负载均衡。最后，模拟仿真空间信息网框架结构和冗余节点虚拟局域网，在50 s内迅速实现预定轨迹收敛，且收敛后具有较为稳定的星间时延，从而验证了方案的可行性。

虚拟局域网；空间信息网；协同控制；一致性算法；路由算法；组网

作为中国“十三五”规划(2016-2020年)的重要项目之一，天地一体化信息网络以其较高的实用价值和重大的战略性意义，正越来越成为领域内的研究重点与研究热点。相比于成熟的地面通信网络，空间信息网存在长星间链路引起的高传播时延，大空间跨度等导致的高误码率，卫星在轨运行带来的拓扑结构动态性，以及由平台能力、频谱资源制约的星上功率和带宽等技术难题1]，其实现技术仍然处于探索的初级阶段。

目前的空间信息网实现技术主要分为主从控制下的多层星座组网和协同控制下的点对点(ad-hoc)自组网。传统主从控制的多层星座组网是当下主流的空间信息网实现方式，这种方法通过先单独设计通信卫星星座再加以星座间、层间叠加的方式实现星间网络的互联互通，拥有合理的构型和通信时延；但它没有考虑有限的卫星网络数据处理能力，传统主从控制方法协同性能的不足也使系统缺乏稳定性，控制成本提高2-5]。特别地，文献6]在多层星座组网的基础上提出将天基网络作为传输节点，将数据处理中心分布式地布置在地面的实现方法，有效地缓解了星载计算机处理能力不足的缺点，但是数据在天地网络间往返带来的通信时延却难以忽视。Ad-hoc自组网采用分布式组网和控制的实现方法，具有较强的抗毁自愈能力，同时兼备一定的安全性，可以很好地适应空间网络的高动态性；但其覆盖范围有限，空间数据传输需要经过多跳路由转发，极大增大了传播时延，影响信息的时效性7-9]。

因此，本文借鉴地基网络虚拟局域网的组网和实现技术10-11]，提出一种将空间信息网划分为多个简单虚拟局域网的空间组网构想，并在基于一致性算法的协同控制律中加入路由算法，实现并加强了对空间虚拟局域网的协同控制效果，能够应用于天基网络的强连通组网、卫星燃料的节约优化、星载计算机的协同运算等方面，在一定程度上为中国空间信息网的实现技术提供了一种较新的思路。

1 空间虚拟局域网的构型构想

在天地一体化信息网络中，一种常见的设计方案是采用地球静止轨道(Geostationary Orbit，GEO)通信卫星星座(包括3颗地球静止卫星)和低轨道(Low Earth Orbit，LEO)通信卫星星座(包括数十颗卫星)作为天基网络的骨干传输网，同时以GEO星座兼作与地基网络通信的终端接入网3]。本文拟采用此构型作为空间虚拟局域网(Virtual Local Area Network，VLAN)的骨干接入网络。

1.1 GEO层空间虚拟局域网的结构构型

GEO层骨干网络作为连接天地通信网络的网关层，通信负载较重，一般不再接入空间VLAN。但是单颗GEO卫星的可靠性十分有限，一旦某一颗卫星出现故障，往往会导致天基网内部、天地网络之间等多方通信中断，出现网络瘫痪的情况。为了防止这种意外的出现，提高通信的可靠性，需要在GEO星座的每颗卫星周围构建相对稳定的卫星编队组成冗余备份VLAN，作为冗余网络节点的同时，也可以实现信息的协同处理，如图1中VLAN 1～3所示。

骨干网络是天基网络的主要交换和传输通道，如果所有骨干网卫星存在于一个广播域内，那么数量庞大的广播帧必将影响网络的传输性能。为了减轻骨干网络不必要的广播负载和星载计算机运算能力的无谓消耗，考虑到骨干网络的稳定拓扑，拟将LEO层通信卫星星座划分为一个个单独的骨干网VLAN，再分别接入GEO层通信卫星星座VLAN 8，相邻星座间的相邻卫星属于同一VLAN以减少域内信息交换时延，如图1中VLAN 4～7所示，骨干网VLAN间通过汇聚链接组成稳定的互联互通的双层网络拓扑结构。

图1 GEO虚拟局域网结构Fig.1 Structure of GEO virtual LAN

1.2 LEO层空间虚拟局域网的结构构型

LEO层骨干网络承载着空间绝大多数VLAN连接，需要稳定规律的接入链接和信道带宽。理想情况下，节点卫星直接连接信号范围内的骨干网访问接入点(AP)验证身份、接入相应的VLAN网络，如图2的VLAN 1所示。对于拓扑变化较快，或者临时性较强的卫星群，可以考虑通过组建Ad-hoc网络的模式组成VLAN进行通信，如图2的VLAN 2所示。对于某些负载较重的LEO层骨干网节点卫星，也可以配置冗余备份VLAN实现节点备份和负载均衡，如图2的VLAN 3所示。

图2 LEO虚拟局域网结构Fig.2 Structure of LEO virtual LAN

但是考虑到目前卫星处理能力有限，为了减轻骨干网卫星的数据传输压力，采用层次化网络的方法为拓扑较为稳定的VLAN设计三层模型结构实现结构构型。选举负载能力较强的节点卫星作为核心层交换机接入VLAN范围内的骨干网卫星，VLAN内一部分关键节点卫星接入核心层卫星，作为汇聚层交换机；VLAN内的其余节点卫星属于接入层，通过关联汇聚层交换机接入网络。在这种设计中，骨干网卫星和核心层节点卫星仅提供高速连接和最优传输路径，安全、路由、流量负载等策略由汇聚层卫星实施，有效地减小了骨干网卫星的负载压力，如图2的VLAN 4所示。

2 含路由算法的时滞时延协同控制算法

为了实现上述空间信息网的VLAN组网构型，考虑VLAN对域内卫星相对位置的要求，卫星的控制算法需要同时具备一定的协同性。本文拟采用一致性算法实现对VLAN域内节点卫星的协同控制。

(1)

由于在信息交互的过程中存在路由算法等协议，在VLAN组网的过程中，星载计算机需要实时计算信息的路由选择，加上信息在星间链路上的传播时延，必定会对计算带来较大的时变时延，所以需要设计存在时变时滞的一致性算法。对于简单的卫星VLAN结构，可以使用简洁高效的Floyd路由算法12]。

假设局域网成员的路由表都能够及时更新，每个成员实时广播自己的位置信息，则将本节点到其他节点的相对距离作为网络消费权值，写入邻接矩阵A中得到加权邻接矩阵B；将得出的加权邻接矩阵B带入Floyd路由算法中，计算出本节点数据传输到其他节点的最短距离和路径选择，MAC地址指向下一跳卫星路由；此时其他成员的路由表已经更新，仅需查询路由表得到之后的路径选择即可。综合Floyd算法的计算时间和信息在最优链路上的传播时间，得到最终时变时滞时延。时延表达式为

(2)

式中：τij为卫星i和卫星j之间的时变时滞时延；tr为路由器建立路由表带来的时延；dij(t-ta)表示上一时刻t-ta时对应路由表中卫星i和卫星j之间的最优链路距离，c=2.997 9×105km/s表示电磁波在空间的传播速度；ns为该条路径上的卫星数目；ts表示星上交换和星上处理所需的时间，假定为1ms。

同时，由于利用路由算法得出了每对节点卫星间的路由选择，相当于所有节点之间都可以相互通信，则可以认为编队虚拟局域网的信息拓扑图是强连通的，即邻接矩阵A=aij]变为对角线元素为0，其余元素都为1的强连通邻接矩阵B=bij]。

将式(2)带入式(1)中，得到空间VLAN含路由算法的时滞时延一致性算法公式为:

(3)

在空间VLAN组网系统中，协同控制算法的应用需求广泛。总结下来主要可以分为如下3种情况：

1)构建和维护空间信息网骨干网络。空间信息网骨干网络采用激光通信技术，其高度聚集的激光光束对于节点卫星的相对位置等有较为严格的要求，需要使用一致性算法对骨干网涉及的卫星星座加以协同控制。一般按照VLAN划分实现域内协同控制，如图1的VLAN4～7；衡量骨干网卫星星载计算机的计算能力，最多可实现整个骨干网络的协同控制。

2)为关键卫星置备冗余节点。这种情况下卫星节点间的距离一般比较小，可以使用相对运动(Clohessy-Wilshire)方程描述冗余节点卫星相对于关键卫星的运动，并在控制力中加入一致性算法实现协同控制，如图1的VLAN1～3所示。

3)组建信息拓扑结构稳定的空间VLAN子网。类似于第二种情况，将参考节点换为提供接入点的骨干网卫星即可。如果此VLAN采用三层模型结构，则需要分别以核心层卫星和汇聚层卫星为参考节点进行两次编队协同控制，如图2的VLAN1和VLAN4。

3 协同控制任务的仿真与分析

本文以仿真天基骨干网和备置GEO卫星冗余节点的任务为例，实现空间信息网骨架VLAN结构的构建，以卫星节点间的位置信息验证VLAN的协同处理功能，以卫星节点间的通信时延衡量VLAN系统的网络性能。

3.1 空间虚拟局域网的参数和构型

对于冗余备份VLAN，选取与参考GEO卫星距离较近的5颗闲置卫星为绕飞卫星，为了显现协同控制算法的控制效果，需要变轨实现环绕参考GEO卫星的编队构型。拟定构型构成半径为5km的圆轨道，5颗绕飞卫星均匀分布在此编队轨道上。假设已知5颗绕飞卫星和参考GEO卫星初始时刻的轨道六要素如表1的编号1～6行所示。

由于变动前后的卫星轨道都是圆轨道或者近圆轨道，信息拓扑结构比较稳定，则选取固定无向拓扑图表征卫星编队局域网的信息拓扑。为了方便协助参考GEO卫星处理数据和信息交互，假设绕飞卫星与参考卫星之间都存在星间链路，则参考卫星对于绕飞卫星信息传输的路径选择有较大影响。将参考GEO卫星列入拓扑结构，假定卫星编队飞行过程中，局域网内卫星之间的信息拓扑如图3所示，1～5表示绕飞卫星，6表示参考GEO卫星。

表1 节点卫星的轨道六要素

图3 卫星编队信息拓扑结构Fig.3 Communication topology of the satellites

则此GEO卫星编队的邻接矩阵为

式中：第i行、第j列元素aij表征卫星i和卫星j之间的通信关系：aij=1表示卫星i和卫星j之间存在星间链路；aij=0表示卫星i和卫星j之间不存在星间链路。

对于骨干网VLAN簇，拟使用3个长半轴为8 000km、由8颗卫星均布而成的LEO卫星星座和1个3颗卫星均布的GEO卫星星座。24颗LEO星座群以邻近关系划分为4个VLAN，记为VLAN1～VLAN4；GEO星座记为VLAN5。简单起见，LEO星座VLAN的拓扑结构与冗余备份VLAN相同；GEO星座VLAN拓扑结构强连通；LEO星座4个VLAN域内的所有卫星分别拥有相同的初始位置，对应4个初始位置的轨道6要素如表1中编号7～10行所示。

3.2 轨道动力学模型

对于冗余备份VLAN，定义参考质心轨道坐标系Oxyz，原点固连在GEO卫星质心，Ox轴取为参考星的地心矢径方向，Oz轴沿参考星轨道面法线正向，Oy轴与Ox轴、Oz轴组成右手直角坐标系。由于GEO卫星运行轨道为圆轨道，则选用C-W方程描述卫星间的相对运动13]。在Oxyz坐标系中，忽略除地球中心引力外的摄动力，为了方便表示，建立相对运动动力学方程的矩阵形式：

(4)

(5)

3.3 协同控制器设计

冗余备份VLAN和骨干网VLAN群都需要设计基于一致性算法的协同控制器来减轻VLAN域内卫星的数据处理压力，提高星间信息的协调管理。文献14]中提出了基于一致性算法的多智能体线性协同控制律：

局域网内编队飞行结构的二阶线性一致性算法控制律为:

(6)

式中:K为控制增益矩阵。将式(6)分别带入式(4)和式(5)，即得到完整的轨道动力学方程。

3.4 仿真结果与分析

假设所有虚拟局域网编队的成员都可以获得所有成员的期望状态信息，那么根据编队轨道动力学模型，取正定增益矩阵G=diag(2,2,2)，控制增益矩阵K=diag(10,10,10)，所有卫星质量设为500kg,得到GEO冗余备份VLAN的协同控制结果如图4所示；骨干网协同控制结果如图5所示，这里只截取了LEO层的VLAN1～VLAN4，图5中左上角6颗卫星属于VLAN1，右上、左下、右下角6颗卫星分属VLAN2～4。以GEO冗余备份VLAN为例，取时间为横坐标，绕飞卫星i相对于绕飞卫星j的总路径时延为纵坐标，可以得到绕飞卫星i、j之间的时变时滞时延的变化曲线，这里给出绕飞卫星1相对于绕飞卫星2到5的时变时滞时延变化曲线，如图6所示。

图4 GEO冗余备份VLAN卫星运动轨迹Fig.4 GEO redundant satellites′ trajectories

图5 LEO骨干网VLAN卫星运动轨迹Fig.5 LEO backbone VLAN satellites′ trajectories

图6 绕飞卫星1相对于其他绕飞卫星的时延Fig.6 Satellite 1′s delay relative to other satellites

从空间信息网VLAN结构的仿真结果(如图4和图5)可知，本文设计的含路由功能的时变时滞一致性算法具有较好的协同控制性能，节点卫星拥有良好的收敛轨迹，能够快速地进入预定轨道。从节点卫星间的时延图像(见图6)可以看出，域内卫星具有较快的收敛速度，收敛时间约为50s；卫星间的时延比较小，介于1.015ms与2.035ms之间，拓扑结构稳定后系统的时延抖动小于0.003ms。对比文献16]仿真结果可得，本文提出的虚拟局域网组网方案具有一定的合理性和可行性。

4 结束语

本文提出了一种加入路由功能的时变时滞协同控制律下的空间虚拟局域网组网方法。针对卫星通信网络的长时延、动态性、资源受限等缺陷，将虚拟局域网技术应用于空间信息网络，设计了基于GEO/LEO双层星座的空间虚拟局域网组网构型。考虑实际通信情况，将路由算法等通信协议带来的时延和信息的传播时延引入到虚拟局域网系统的协同控制律中，使控制算法更具真实性、更有工程实践效果；同时，路由算法等协议的引入，也让协同控制算法不仅仅局限于邻接矩阵提供的信息耦合，使所有成员的状态都参与到对彼此的协同控制中，增强了虚拟局域网系统的协同性，提高了控制算法的控制精度。模拟仿真天基骨干网VLAN簇和GEO冗余备份VLAN的实例表明，使用含路由算法的协同控制律能够实现空间虚拟局域网组网，具有较小的时延和时延抖动，表现出良好的协同性，论证了组网方案的可行性。

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(编辑：车晓玲)

A conception of VLAN spatial networking under cooperative control

CHENG Yu，HU Weiduo*

SchoolofAstronautics，BeihangUniversity，Beijing100191，China

Based on long time delay，high dynamic nature，and limited resources of the satellite network,a space virtual local area network(VLAN)division method under cooperative control was proposed to implement spatial information network.Firstly，to improve the utilization rate of satellite bandwidth and computing resources，satellite network was divided into several VLAN. Secondly，the routing algorithm was combined with consistency algorithm to achieve higher reliability in satellites′ mutual connection and communication. When applied to spatial satellite network，the algorithm can achieve strong connectivity between each node；when applied to a single satellite，it can help in intra-area load balance and redundant backup. Finally, examples were given to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm for both space network and a single satellite.The results show that all satellites can convergence to their planned orbit in 50 seconds and the network can achieve a stable space structure.

virtual local area network；spatial information network；cooperative control；consistency algorithm； routing algorithm；networking

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0003

2016-05-18；

2016-08-26；录用日期：2016-11-24；

时间：2016-12-27 11:18:09

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161227.1118.001.html

程禹(1992-)，男，硕士研究生，chengyua3798@163.com，研究方向为导航制导与控制

*通讯作者：胡维多(1965-)，男，教授，weiduo.hu@buaa.edu.cn，研究方向为小行星运动和卫星控制系统故障仿真

程禹，胡维多. 协同控制下的空间信息网络简单虚拟局域网构想J].中国空间科学技术，2017，37(1)：11-18.CHENGY，HUWD.AconceptionofVLANspatialnetworkingundercooperativecontrolJ].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(1)：11-18(inChinese).

V57;TP393

A

http:∥zgkj.cast.cn