面向动态外地代理的卫星网络移动性管理机制

董彦磊， 李东昂， 刘 勤， 汪春霆， 史可懿

(1. 中国电子科技集团公司 航天信息应用技术重点实验室，河北省 石家庄 050081；2. 西安电子科技大学 综合业务网理论及关键技术国家重点实验室，陕西 西安 710071)

低轨(Low Earth Orbit，LEO)卫星通信系统能提供面向全球的个人移动通信服务，近年来发展迅速．由于其具有全球覆盖、传播时延低、传输损耗小以及部署成本低等特性，LEO卫星通信系统将是未来全球移动通信系统的一个重要方向．目前国外典型的LEO卫星通信系统有铱星系统(Iridium)和全球星系统(Globalstar)．随着新一代无线网络中全互联网协议(Internet Protocol，IP)技术的发展，支持移动IP的移动性管理将是未来LEO卫星通信系统的重要组成部分[1]．

由于LEO卫星网络覆盖范围广，服务的用户终端数量和种类多，网络拓扑和业务具有高动态性，若直接采用移动IP技术，则卫星网络用户的业务切换会频繁触发用户到家乡代理的绑定更新，产生较高的切换时延和大量信令开销．文献[2]采用了MIPv6协议来实现星间切换的移动性管理，由于实际中卫星的平均过顶时间为 10 min，用户业务在星间切换会导致大量的管理开销．为了降低移动管理的开销，文献[3]提出了一种分布式网络结构，利用地面信关站分担卫星用户家乡代理的部分移动性管理功能，如果用户在信关站管理范围内发生星间切换，只需要在该信关站进行用户的绑定更新，由此减小了用户到所属家乡代理的注册和更新次数．由于这种分布式网络结构依赖信关站实施对用户的移动管理和业务转发，星地链路的长时延特性导致利用该方案实现移动性管理的时延较大．此外，实际中地面信关站的部署会受到多方因素限制，布站需要各方调解与协商，实现全球布站难度极大，因此该分布式网络结构的信关站部署方式可行度不高．

笔者针对高动态的LEO通信网络移动性管理问题，提出了一种面向动态外地代理的卫星网络移动性管理机制，设计了移动代理簇协同共管移动代理域内用户的网络架构，利用卫星星上处理与交换能力，支持移动代理簇内的信息共享，设置了归属移动外地代理和托管移动外地代理；前者负责维护用户在该域内的绑定关系信息，后者用来代理用户星间切换的相关移动信令，这样用户只需要在其归属移动外地代理变化时，才触发到家乡代理的绑定更新，用户在域内的切换只需更新其域内转发关系即可，降低了移动性管理开销与切换时延．该机制能适应LEO网络的高动态特性，减少移动性管理中星地之间信息交互，降低对地面站数量和位置部署的需求，减轻卫星移动导致的管理负荷．

1 系统模型

文中构建的面向动态外地代理的卫星网络系统其网络架构如图1所示．假设LEO卫星都已经具备星上处理及路由功能，且LEO卫星通信网基于IP技术．有关的术语定义介绍如下:

(1) 位置区．依据地形、经纬度等因素，人为划分的地面区域，以方便根据位置区管理卫星．

(2) 移动代理域．在位置区内，属于该位置区的所有LEO卫星节点的覆盖范围形成的区域．

(3) 移动代理簇．在位置区内，属于该位置区的所有LEO卫星节点．

(4) 家乡代理(Home Agent，HA)．放置在移动节点所在家乡网络的地面信关站处的路由器节点，用于维护移动节点的位置信息，包括移动节点的转交地址、家乡地址等．

(5) 移动外地代理(Mobile Foreign Agent，MFA)．放置在LEO卫星上的星载路由器节点，为注册的移动节点提供路由服务．MFA与IPv4中的外地代理以及IPv6中的接入路由器类似，为移动节点提供配置地址和发送分组的服务，但是MFA是移动的．

(6) 移动节点(Mobile Node，MN)．LEO卫星通信系统中的移动用户，其中用户的业务切换包含移动代理域内切换及移动代理域间切换．利用移动IP技术，虽然在移动的过程中用户会改变其卫星接入点，但仍可以利用原IP地址继续与其他用户正常通信．

在文中构建的卫星网络架构中，全球被划分为多个位置区，由若干个移动代理簇覆盖且管理．处于某个位置区内的多个MFA形成移动代理簇，移动代理簇内MFA协同管理移动节点．该网络架构支持簇内信息共享机制，适应高动态网络环境，减少移动网络对信息管理带来的影响．

2 面向动态外地代理的卫星网络移动性管理机制

图2 移动性管理机制工作流程图

为了减少到家乡代理的绑定更新次数，在文中移动性管理机制中，定义了两类卫星移动外地代理，即归属移动外地代理和托管移动外地代理．归属移动外地代理(Mobile Foreign Agent of Attachment，MFAA)负责维护用户在移动代理域内的绑定关系，移动节点在家乡代理处会绑定其MFAA的IP地址; 托管移动外地代理(Mobile Foreign Agent of Trusteeship，MFAT)是移动节点在其MFAA处绑定的移动外地代理．MFAA管理归属自身的移动节点与其MFAT之间的域内转发关系，而MFAT为附着在其链路上的移动节点代理相关移动信令，并负责与其MFAA进行信令交互．这两类移动外地代理，是相对于具体用户而声明的，一颗LEO卫星可能是某个用户的MFAA，也可能是其他用户的MFAT，或承担MFAA和MFAT的双重角色．

在文中移动性管理机制下，包括3种场景: 移动节点在域内切换且其MFAA未移出位置区，移动节点在域内切换且其MFAA移出位置区，以及移动节点在域间切换．其具体的移动性管理机制工作流程如图2所示．其中当移动节点在域内切换且其MFAA未移出位置区时，移动节点选择新的MFAT并与其MFAA之间建立域内转发关系即可．在另外两种场景下，移动节点均需重新选择MFAA，并更新HA处的绑定关系．为了降低切换频率和管理开销，移动节点以最长视距准则选择MFA作为该节点的MFAT；选择在位置区滞留时间最长、最晚移出位置区的MFA作为该节点的MFAA．

2.1 移动代理域内切换

当MN在移动代理域内移动，或由于卫星移动而导致MN相对移动时，可能导致MN切换到新的MFA．为了减小长时延星地链路的传输次数，充分利用星载处理与交换能力，MN只需向新MFA发送注册请求信息即可，剩下的管理流程会在移动代理簇内处理．当新MFA接收到MN的请求信息后，会查询移动代理簇内交互的绑定关系表，判断是否已有该节点信息的存在，如果域内已经有该MN的信息，新MFA会向MN注册的MFAA发送转发请求消息，自身会作为该MN的MFAT，并在MFAA处建立MFAA与MFAT之间的域内转发表项;否则，说明该MN的MFAA已经移出原位置区，此时新MFA自身会作为该MN的MFAT，并选择新的MFAA，更新移动代理簇内有关该MN的域内绑定关系表项，向家乡代理注册．

移动节点在域内切换且其MFAA未移出位置区时的卫星网络绑定关系建立过程，可用图3示例说明．在T1时刻，卫星节点LEO1为MN的MFAA，LEO1与信关站之间建立了绑定1，即信关站建立MN的绑定关系表项(IPMN，IPLEO1)，其中IPMN和IPLEO1分别是MN和卫星LEO1的IP地址．通过移动代理簇间的周期性信息交互，域内卫星节点LEO2、LEO3、LEO4也会建立域内绑定关系(IPMN，IPLEO1)．在T2时刻，MN相对移动到LEO5的覆盖范围，向LEO5发送注册请求，此时LEO5已经经过移动代理簇间信息交互，获取了MN的绑定关系，并得知其MFAA(LEO1)未移出代理域，则LEO5会向LEO1发送转发请求消息．当请求消息得到确认后，LEO1作为移动用户的MFAA，会建立域内转发表项(IPMN，IPLEO5)，即绑定2．这种绑定关系的更新，无需像MIPv6协议一样，每次变更服务卫星，MN都要发送注册报文以更新家乡代理处的绑定关系表项．绑定关系建立后，发送到MN的数据包按照绑定关系确定的路径转发即可到达．

图3 未移出位置区时的卫星网络绑定关系建立示意图

移动节点在域内切换且其MFAA移出位置区时的卫星网络绑定关系建立过程，用图4示例说明．在T1时刻，卫星节点LEO1为移动节点的MFAA，LEO1与信关站之间建立了绑定1．在T2时刻，移动节点相对移动到LEO5的覆盖范围并发送注册请求，此时LEO5同样已经经过移动代理簇间信息交互，发现MFAA(LEO1)移出代理域，则告知移动节点需重新选择MFAA．移动节点以LEO5作为MFAA重新发送注册请求，并更新家乡代理处的绑定关系表项，建立新建绑定1．域内卫星节点也会再次建立域内绑定关系(IPMN，IPLEO5)．

图4 移出位置区时的卫星网络绑定关系建立示意图

完整的移动代理域内切换包括上述两种场景，其中前者是文中提出机制主要针对的场景．通过改善移动性管理工作流程，移动代理簇实现二次转发便可传输数据，降低了网络高动态导致的大量管理开销．

图5 通信双方数据传输路径图

2.2 数据传输的路由

当通信对端 (Correspondent Node ， CN) 不知道移动节点的转交地址时，其数据传输的路径如图5所示．CN发送给MN的数据包经过MN的家乡代理、MN的MFAA，即LEO1，MN的MFAT，即LEO5，最终到达MN．虽然局部范围内不一定是最优的路由，但是在全局路由规划上(从信关站到LEO5)是较为理想的．由于移动节点的绑定关系表项存储在信关站，所以必须走“弯管式”路由．在这种机制下的数据传输路径，与 MIPv6协议在首次通信时的路由选择是一致的[4]，但在移动节点内切换且其MFAA未移出位置区时，只需要进行域内映射的更新，因此有关的位置更新开销会大大减少．

3 移动性管理开销分析

为了便于分析所提移动性管理机制与应用于LEO卫星网络中MIPv6协议的开销性能，定义位置管理开销为单位时间内产生的控制信令长度乘传输该消息所需跳数，其单位为 B·hops/h[5]．假设各信令信息分组大小相同，都为M(单位为B)，则单位时间内单颗卫星与地面终端之间发生切换的次数NHO可表示为[3]

其中，L表示卫星覆盖范围直径(单位为km)，D表示地面终端的分布密度，Vsat为低轨卫星的运行速度(单位为km/h)．

对于低轨卫星网络中的MIPv6协议，其位置管理开销包括移动节点到接入卫星的注册开销，和该卫星到家乡代理的注册开销，记为

(2)

其中，I为卫星数量，H(Si，H)表示移动节点接入卫星Si到其家乡代理HA之间的跳数(单位为hops)．

对于所提出的面向动态外地代理的卫星网络移动性管理机制，当卫星Si作为移动节点的MFAA时，其位置管理开销包括移动节点到卫星Si的注册开销和卫星Si到相关家乡代理的注册开销; 当卫星Si作为MFAT时，位置管理开销包括移动节点到卫星Si的注册开销和卫星Si到当前位置区内移动节点的MFAA注册开销．文中所提的移动管理方案的位置管理开销BISN可表示为

(3)

其中，ni表示卫星Si到位置区的MFAA之间的跳数，PA表示卫星Si作为MFAA的概率，PT表示卫星Si作为MFAT的概率，有 0≤PA≤1，且PA+PT=1．

为了比较BISN和BMIPv6的大小，记ΔB=BISN-BMIPv6，有

(4)

由于NHO≥0，M>0，0≤PA≤1，且部署的信关站数目远小于I，H(Si，H)大于ni，因此，ΔB<0，即在通常情况下，文中所提机制相比应用于低轨卫星网络中的移动IPv6协议在位置管理方面的开销更小．

在式(3)中，影响BISN大小的变量有I、PA、H(Si，H)和ni．一旦卫星星座给定，I值就确定下来，此时无论位置区以何种方式划分，H(Si，H)的均值始终不变，记为K=E(H(Si，H))．对于PA和ni，二者的值与位置区的划分方式有关，且ni的均值E(ni)会随着PA的均值E(PA)增大而减小．如果E(PA)减小，也即单个位置区划分面积增大，会导致位置区内的卫星数量增加，即E(ni)增大．但其准确的关系式很难给出．为了简化参数之间的联系，可以设定E(ni)与E(PA)满足增长率为负的一次函数关系，表征E(ni)随着E(PA)的增大呈现负增长的趋势，即假设满足E(ni)=A+kE(PA) 且k<0．根据极端条件 (E(PA)=0 和E(PA)=1)，可以计算出A=K，k=-K，可求得E(ni)=K(1-E(PA))．

记BISN的均值为E(BISN)，根据上文中的分析，可得式(3)的另一种表示，即

BISN=IE(BISN)=INHOM[K(E(PA))2-KE(PA)+K+1] ．(5)

根据式(5)可以看出，在星座给定的条件下，BISN与E(PA)满足二次函数关系，且存在极小值．

4 仿真结果与分析

4.1 移动性管理开销

仿真场景采用具有66颗低轨卫星的铱星系统，高度为 780k m，半双工的数据传输速率为 2 400 b/s[6]．106个终端用户均匀分布在地球地面，用户的密度D= 0.001 9个/km2．单个卫星覆盖面积直径L= 2 800k m，卫星运行速度Vsat= 27 000 km/h，信令分组大小 M= 60 B[3]．设定单颗卫星到某用户的家乡代理跳数H(Si，HA)的均值E(H(Si， HA))=K=4，且H(Si，HA)服从λ=4 的泊松分布．此外，设定ni服从λ=E(ni)的泊松分布，PA服从μ=E(PA)的截断正态分布，且E(ni)和E(PA)满足E(ni)=K(1-E(PA))关系．变量PT可由公式PT= 1-PA获取．其中，在仿真过程PA只截取正态分布中范围为0～1的随机变量X．上述仿真，最终的管理开销BISN和BMIPv6均采用仿真104次后求取均值作为其计算数值．

如图6所示，卫星作为MFAA的概率E(PA)对移动性管理开销具有较大影响．在极端条件下，当E(PA)=0 时，只包含域内MFAA与MFAT之间的绑定更新开销; 当E(PA)=1 时，系统不存在MFAT，协议工作流程与MIPv6协议一致，两者都接近MIPv6协议的管理开销．对比不同方差下的截断正态分布可得，理论计算开销与仿真结果比较吻合，表明仿真过程的合理性．在设定E(ni)和E(PA)满足E(ni)=K(1-E(PA))关系下，文中所述机制的开销比MIPv6协议的有不同程度的减少，且存在极小值点．在文中的场景下，可在E(PA)=0.5 处取极小值，管理开销约为MIPv6协议的80%．

图6 移动性管理开销和归属卫星概率均值的关系曲线图7 单位时间内某用户绑定更新次数与时间关系图

4.2 绑定更新次数

根据铱星系统星座设计，每颗卫星以 27 000 km/h 的速度高速飞行，绕地球1周约需要 1.5h ，用户连接时间约为 9～ 12 min[7]．文中规划一个在某时刻包含同轨道面3颗低轨卫星的位置区，通过统计某用户在单位时间内绑定更新的次数来分析其性能．用户发生切换的时间间隔设置为 10 min．

如图7所示，对于MIPv6协议，每隔 10 min 都要到HA进行绑定更新，即该用户每次切换卫星后就到HA位置更新．而对于文中所提机制，每隔 20 min 到HA进行绑定更新，同样，域内绑定更新的时间间隔也是 20 min，原因是用户的MFAA每隔 20 min 就会移出位置区，用户需重新选择MFAA，然后到HA更新位置信息．在MIPv6协议中，随着时间的增长，到HA的绑定更新次数成线性增长．在文中所提机制中，虽到家乡代理的绑定更新次数也在增加，对比MIPv6协议有大幅度减少，其减少量转化为域内卫星节点之间的绑定更新．相比到HA的更新，域内映射关系的更新能够明显降低移动性管理开销，提高系统性能．

在文中设定的仿真环境及正常条件下，所提新机制的开销比MIPv6协议开销降低约20%; 在新机制下，单位时间内某个随机用户到HA的绑定更新次数约为MIPv6协议的60%，即约有40%的位置更新不需要到远距离的HA，减少了信令处理时延，降低了移动性管理负荷，提高了系统信令处理的可靠性．

5 结 束 语

文中针对LEO卫星网络移动性管理负荷重和布站困难问题，提出了面向动态外地代理的卫星网络移动性管理机制，能够降低对地面布站的需求，优化移动性管理流程．通过形成移动代理域内共享机制，减小到家乡代理的绑定更新频率，大大降低了系统中移动性管理信令开销．

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