卫星网络移动性管理技术研究现状及展望*

王熹微，吴 琦，郭孟泽，李 妍，朱立东

(1.中国空间技术研究院，北京 100094；2.电子科技大学 通信抗干扰技术国家级重点实验室，成都 611731；3.中国卫通集团股份有限公司，北京 100094)

0 引 言

随着无线通信技术的发展，遍布陆、海、空的通信节点对通信的质量提出了更高的要求，通信范围由传统的地面蜂窝网扩展到了天地一体化的信息网络。下一代空间信息网络将实现与地面网络的无缝融合，形成对各种节点具有服务能力的天地一体化信息网络。

上一代卫星网络的服务仅限于低比特率的应用，因此往往用户面较窄。在未来的天地一体化信息网络中，将实现向全球用户提供随时随地的灵活多媒体服务，而卫星网络作为天地一体化信息网络中天基信息传输系统的重要组成部分，宽带卫星链路也将被用作天基信息传输系统的骨干网络，提供无处不在的多媒体和高速数据应用。

出于对传播延迟、功耗、通信速率和覆盖性等多方面考虑，未来的宽带卫星网络将部署大量非静止地球轨道(Non-geostationary Earth Orbit,NGEO)、中地球轨道(Medium Earth Orbit,MEO)和低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO))卫星，形成大规模卫星星座。由于该类型卫星具有高速移动性和相对较短的覆盖周期，将导致地面节点和卫星之间的频繁切换。为了避免这种切换影响通信的建立或通信链路的稳定性，保证用户体验，需要对卫星网络进行有效的移动性管理。

传统卫星网络的移动性管理技术，如标准移动IP(Mobile IP,MIP)[1]，在每次突发事件(卫星发生切换或通信节点发生轻微移动时)都需要对通信节点位置进行更新，将当前节点的位置信息发送给地面信关站、卫星、本地代理等设备，便于寻呼的正常进行。当前的管理机制应用于NGEO卫星网络将在每次突发事件中产生大量绑定更新请求，每一次绑定更新信息在大规模卫星星座中进行全局广播也会造成巨大的信令开销和信息传输时延。由于卫星的大小、重量等限制使得卫星无法达到和地面基站相同的数据存储和处理能力，而目前IP/NGEO卫星网络的大部分处理功能还需要在地面站中实现，这种网络路由器和处理功能的分工使得该网络移动性管理受到严重限制。

针对现有技术的不足和卫星网络的特点，目前的主要思想是以MIP协议为蓝本，根据IP/NGEO卫星网络的特点对其进行优化和改进。本文将对当前卫星网络移动性管理技术进行综述，并进一步指出该项技术未来的发展方向。

1 卫星通信网络移动性管理概述

卫星通信系统主要包括空间段、地面段和用户段，网络结构如图1所示。

空间段主要由通信卫星构成，地面段主要包括关口站、网络管理中心、互联网接入等功能实体。用户段包括各类用户终端，如手持、车载、舰载、机载终端等。为保证通信网络能定位漫游节点并对其进行呼叫，同时在节点进入其他服务区时能保持连接，从而使得各种类型终端都能通过卫星网络随时随地通信，需要对网络进行有效的移动性管理。

移动性管理的目的是定位移动节点，保证数据的无缝传输[1]。文献[2]将卫星通信系统中的移动性管理技术分为位置管理和切换管理，分别如图2和图3所示。

图2 位置管理

图3 切换管理

位置管理和切换管理构成了现如今卫星网络移动性管理技术的两大研究方向。

2 卫星网络移动性管理关键技术研究进展

由于地球静止轨道(Geostationary Earth Orbit,GEO) 卫星在通信过程中延迟较高，为了适应未来天地一体化网络的低延迟高速率的通信需求，NGEO卫星星座成为未来发展的理想选择。不同于GEO卫星在通信过程中能够与地面节点保持相对静止，NGEO卫星相对于地面节点具有高速移动性，现有卫星通信网络的移动性管理协议和技术也都主要针对这种星座特性而设计。本节将重点综述卫星网络相关的网络层管理协议、位置管理和切换管理技术发展现状。

2.1 典型网络层管理协议

随着全IP技术的发展，支持IP移动性管理将成为未来天地一体化网络的共同特点。早在2004年互联网工程任务组(The Internet Engineering Task Force,IETF)就提出了基于主机的移动IPv6[3](Mobile IPv6,MIPv6)协议。该协议是一种基于主机的移动性管理方案，协议中每个节点都由归属地址(Home Address,HoA)唯一标识，该地址被存储在节点的归属代理(Home Agent,HA)中。当移动节点检测到自身离开其归属网络并到达另一外地网络时，会获得外地网络为其配置的转交地址(Care-of-Address,CoA)，同时需要将该地址转发给其HA，完成绑定更新。将该协议应用于IP/NGEO卫星网络中，因为卫星的高速运动地面节点在不同接入卫星之间产生频繁切换，当节点远离其本地网络时将引起长距离的绑定更新开销和通信延迟。

在MIPv6协议的基础上，分层移动IPv6[4](Hierarchical Mobile IPv6,HMIPv6)移动性管理协议中引入了移动锚点(Mobility Anchor Point,MAP)的概念。该功能实体在网络中起到了类似于MIPv6的中HA的作用，为在其管理域内的移动节点分配CoA，同时该功能实体还可以向移动节点提供数据转发和路由服务等。HMIPv6将网络分成多个域，每个域内至少有一个MAP，并为域内的移动节点分配链路转交地址(Link Care-of Address,LCoA)和区域转交地址(Regional Care-of Address,RCoA)，前者标识了其接入路由器，后者标识了其MAP，因此当节点在同一MAP下的不同接入路由器之间移动时，仅需要改变LCoA，该变化无需向HA进行更新，仅需要在MAP处将新LCoA与RCoA进行绑定操作即可。当移动节点移出MAP管理域时，则需要由新MAP对其分配新的LCoA和RCoA，此时需要向移动节点HA处进行新地址的绑定更新。通过这种划分方式，相比MIPv6协议，HMIPv6协议体现了分层管理的思想，降低了节点向HA进行位置更新绑定的开销和长距离传输信令的时延，这种优势在大规模卫星星座下将更加明显。

快切换IPv6[5](Fast Handovers for Mobile IPv6,FMIPv6)采用了快速切换技术，在移动节点发生切换之前，通过底层技术检测其即将切换的网络接入点，在切换发生之前为其在新网络进行信息预备制与隧道建立，可以显著缩短移动节点的切换时延，同时也可以降低丢包率。MIPv6为未来无线网络的一种基础协议，应用于IP/NGEO卫星网络中依然存在开销大延迟高的问题，HMIPv6协议和FMIPv6协议从不同的角度对其进行了优化。文献[6]中，作者以MIPv6为参照，详细对比了HMIPv6、FMIPv6以及两者的组合(H+F MIPv6)的性能表现，研究了移动节点数量对于不同协议的切换延迟、丢包率、切换成功概率等多方面关键性能之间的影响。

除了上述几种移动性管理协议之外，还有学者提出了基于网络的代理移动IPv6[7](Proxy Mobile IPv6,PMIPv6)协议。该协议将网络划分为多个PMIPv6域，并且引入移动接入网关和本地移动锚点两个网络功能实体，利用该功能实体代替移动节点完成与其他网络功能实体之间的信令交互功能。具体而言，移动接入网关负责检测移动节点处于本地网络或外地网络，代替节点进行位置绑定更新和绑定更新应答报文的发送和接收，建立起移动接入网关和本地移动锚点之间的隧道。而本地移动锚点则在本地域中充当了节点的HA功能，节点在本地域中移动时只需要向本地移动锚点进行位置更新。文献[8]对比了MIPv6和PMIPv6在低轨卫星网络中的切换性能，仿真结果表明移动接入网关和本地移动锚点提供的基于网络的移动性服务减少了信令传输和切换时延，PMIPv6协议在切换延迟、切换阻塞概率和丢包率等方面均优于MIPv6。

HMIPv6、FMIPv6、PMIPv6以及它们的组合协议作为对MIPv6协议的基本改进，均从不同的角度降低了网络位置更新开销和切换时延，同时在切换阻塞概率和丢包率方面也有不同程度提升，同时这些提升也与信道状态和系统服务用户数量等因素息息相关[6,8]，不同场景下不同协议的表现各有优劣，最终采用哪种协议应当综合考虑应用场景所需指标要求。

2.2 位置管理

位置管理的目的是当终端在网络内部移动时，确保网络能够随时了解终端的新接入点，从而保证通信对端能够将分组准确传送到终端新的网络接入点。为了降低位置管理的开销，现有的研究分别从以下三个方面进行展开。

2.2.1 位置区设计与管理

在传统蜂窝移动通信网中，通常采用位置区域(Location Area,LA)进行位置管理。LA使得系统得以追踪在网络中漫游的用户：当系统知道某用户所在的LA时，只需要在该LA内的蜂窝区中发送寻呼信号即可。文献[2]中提到，因为低轨卫星的高速移动性，LA不能与卫星的覆盖区域相关联，因此目前的研究关注的是如何定义卫星网络中的位置区。

在文献[9]和[10]中，使用<网关，点波束>对方法定义位置区域，在低轨卫星星座中，高速移动的点波束将使得网关和点波束之间频繁发生切换，从而产生大量的位置更新信令开销。针对这种切换相关的位置区定义方法的不足，文献[11]中提出了一种与切换无关的IP/LEO卫星网络位置管理方案，该方案的目的是利用地理位置信息，使位置管理过程与卫星运动解耦。具体而言，该方案将地球表面划分为若干个单元，移动节点的ID与当前其所在地理单元相关联，其IP地址可以由公式(1)表示：

IP_address=Prefix+Node_ID 。

(1)

式中：Prefix表示节点的位置，包含经纬度等地理信息；Node_ID用于唯一地标识单元中的节点。因此要求每一个移动节点安装全球定位系统接收器来定位，只有当移动节点移动到邻近的单元格时才会发生ID更改和相应的绑定更新。这减少了更新请求的数量，最终大大提高了系统的可伸缩性。

采用地理位置的编址方法可以有效降低移动性管理开销，然而忽略了卫星网络本身组网路由问题，对于高速运动的卫星而言，如果也采取相同的编址方法将会造成卫星的IP地址不断发生变化，会增加星上处理负担和路由复杂度，因此需要考虑对卫星进行位置管理。

文献[12]引用了基于地理位置的地面站管理，使得节点IP地址与地面站相关联，只有当节点移动到邻近的地面站时才会产生相应的绑定更新开销。其中，对于移动节点和卫星分别按照公式(2)和公式(3)进行编址:

Node_IP_Address=Ground_Station_Prefix+Node_ID,

(2)

Satellite_IP_Address=Ground_Station_Prefix+Satellite_ID。

(3)

式中：Ground_Station_Prefix为地面站节点;Node_ID用于标识单元中的用户节点；Satellite_ID用于标识卫星节点。这种编址策略考虑了地面站对卫星和节点的管控因素，可以有效降低终端位置更新开销。此外，引入地面站管理可以实现对位置目录的分布式管理[13]，能够缩短IP地址绑定更新的传输路径，减轻卫星通信和存储能力的压力，同时也降低了寻呼开销。但卫星地址前缀如果按照公式(3)变化，则每经过一个地面站都需要变化其前缀信息，也会产生大量的地址更新开销。

单从地面站[12]地理信息进行位置区编址的方案仍然存在卫星地址前缀更新快，位置更新开销大的问题，因此文献[14]提出了利用地面站和卫星覆盖双位置区对节点位置加以编址，只有当节点同时移出卫星覆盖区以及地面站管理区时才会进行位置更新。节点离开卫星管理区的概率较高，但离开地面站管理区概率较低，整体上节点位置更新频率得以降低，同时文中考虑将GPS信息应用于寻呼策略中，提高寻呼成功概率的同时降低了寻呼代价。

以上成果从利用地理和地面站信息角度进行位置管理优化，还可以从移动节点的角度出发进行位置管理优化。文献[13]提出了一种混合动态位置管理方案，其将移动节点按照移动速度分为准静态节点、高速节点和其他三类，引入了呼叫移动比(Ratio of Call to Movement,CMR)来决定节点发生位置更新的区域：对于高速运动节点采用大的位置区进行管理，对于低速运动的节点提供小的位置区管理，从而整体上降低所有节点因为越区切换而引发的位置更新开销。从节点当前是否有通信需求也可以对节点进行分类处理，最具代表性是寻呼移动IP(Paging Extensions for Mobile IP,P-MIP)[15]和蜂窝IP(Cellular IP,C-IP)[16]协议，通过引入空闲节点的松散位置管理和应用寻呼来定位空闲节点，可以降低绑定更新频率。类似地，文献[17]提出了基于节点行为的位置区划分方法，将地面节点划分为活跃与空闲状态，对活跃的节点采用精确位置管理，空闲节点采用粗粒度位置管理并配置较大的位置管理区，从而降低位置管理开销。

除了从节点的状态进行划分进行细粒度的位置区管理与划分之外，文献[18]提出了IP地址同时起到了节点定位器和标识符的作用，这使得目前的IP移动性方案存在固有不足，具体表现为非最优路由、过度依赖锚点、复杂的信令开销等。为此，提出了基于网关的卫星网络区域移动管理体系结构，在解耦定位器和标识符的基础上，采用区域移动管理，大大降低了位置管理开销。类似地，Liu等人[19]在天地一体化网络中提出了一种基于身份映射系统的移动性管理机制，其核心思想也是实现了节点定位器和标识符的分离，以及移动切换的低时延、高可靠性。

表1从位置区设计准则分类、划分位置区依据及其考虑的关键性能指标方面对本节内容进行了归纳，其中定位器与标识符分离方法[18-19]是唯一揭示了IP移动性管理方案不足且寻求突破的方案，在降低位置管理开销的同时兼顾了切换时延和可靠性等性能指标的优化，但也面临着与当前基于IP的移动性管理方案的兼容性问题，值得进一步探索其工程实现可行性。

表1 部分位置区设计策略分类及其考虑指标

2.2.2 分层位置管理方案

传统MIPv6协议应用在NGEO卫星网络移动性管理技术中时，节点因为卫星运动或自身切换都需要将自身位置更新信息传递给本地代理，当该节点远离本地代理时将产生较大的位置更新开销和通信延迟。为了克服这些问题，文献[20]提出了一种分布式移动性管理方案，通过部署移动锚点，将多个位置区合并为更大的位置区单元，锚点在该位置区单元中起到本地代理的作用，当节点在锚点覆盖区域内移动时只需要向锚点进行位置更新操作。相比MIPv6方案，该方案发生越区切换的概率更低，降低了位置更新开销和向本地代理更新产生的通信延迟。不同于文献[20]将移动锚点部署在地面信关站中实现分布式移动性管理的操作。文献[21]选择将移动锚点部署在卫星上，移动用户将初始接入卫星作为其接入时的移动锚点，在特定的切换次数内无需向本地代理发送位置更新消息，仅仅向距离自己较近的移动锚点(卫星)进行位置更新操作，当切换次数超过某一阈值时才需要更换锚点并重新向本地代理进行位置更新绑定。该方法可以一定程度上降低绑定更新开销，但当卫星距离移动节点较远时，绑定更新需要更多的步骤，也将引入更高的切换延迟。针对这种不足，文献[22]提出了柔性代理的概念，以缓解用某一刻固定卫星做移动锚点的不足，一旦完成对应节点的绑定更新过程，当前锚点的功能将自动中继到节点当前的接入卫星，避免了长距离绑定更新。

文献[23]提出了一种基于虚拟代理域(Virtual Agent Domain,VAD)的移动性管理机制，设计了虚拟代理集群(Virtual Agent Cluster,VAC)来共同管理相应VAD中的网络用户结构，节点在VAD内的切换只需要更新其域内关系，减少了移动性管理开销和切换延迟。类似地，文献[24]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，把归属于同一位置区的低轨卫星所覆盖区域设置为一个移动代理域，支持域内卫星节点间的周期性信息交互，仅在移动节点在归属外地代理卫星变更的情况下才会触发用户到本地代理的绑定更新，因此降低了节点的位置管理开销。

移动锚点本质上是与MIPv6中家乡代理相同的功能实体，将该锚点布设在星上时会提升对单星的业务负载，影响系统稳定性。VAD中的VAC则是由一个卫星集实现部分家乡代理的功能，实现了分布式管理，相比MIPv6在位置管理开销和交换延迟方面均有提升[23]，降低了对单星的性能要求。针对未来包含大规模卫星星座且境外地面站布设受限的天地一体化网络体系，这种由卫星承载部分家乡代理功能的策略具有较高的应用价值。

2.2.3 基于指针的位置管理方案

除了分层位置管理方案之外，文献[25]提出了一步指针转发策略，其主要思想是移动节点的位置更新信息不告知归属位置寄存器(Home Location Register,HLR)，而在旧访问位置寄存器(Visitor Location Register,VLR)中建立一条指针指向新的VLR，从而降低移动节点的位置更新代价。同一步指针转发策略类似，K步指针转发策略[26]包含K+1个VLR，每次节点更换VLR都需要向旧VLR中写入指向新VLR的指针，指针指向链可以表示为HLR-VLR_1-VLR_2-…VLR_K+1，进一步避免了频繁地向本地代理进行位置更新。

2.3 切换管理

在优化位置管理方案的同时，节点必须同时准备好在不同通信节点之间的传输链路，使得发生切换时可以从当前通信节点及时切换到另一个通信节点。因此移动性管理技术必须包括切换管理，保证通信过程中的服务质量，并使独立的子网能够维持对其用户的服务。

针对于切换过程中的优化问题，现有工作侧重于从链路层和传输层进行相关优化研究。

2.3.1 链路层切换优化

对于多波束卫星通信系统，同一卫星的不同波束之间发生切换，称为波束切换；如果切换发生在两颗卫星之间，则称为星间切换。

在呼叫接入控制中，系统会计算切换呼叫阻塞概率来进一步决定是否允许新到达的呼叫进入网络。文献[30]提出了连接允许控制(Connection Admission Control,CAC)算法，当一个新的呼叫请求到达一个点波束时，它与用户未来以一定概率访问的可能邻近点波束列表相关联，为邻居列表中的每个点波束更新一个迁移预留度量。该算法将带宽保留在邻近波束中，以降低切换阻塞率，但对于切换概率较大的低轨卫星网络，该方法的适用性存在问题。文献[31]引入了地理连接允许控制(Geographical Connection Admission Control,GCAC)算法来降低低轨卫星网络中点波束切换的切换呼叫阻塞概率，相比于前一种算法，可以达到有界切换阻塞概率，且能更好地处理非均匀的流量分布。

在星间切换开销优化方面，Miao等人[32]分析得出影响卫星切换的因素主要包括接收信号强度、剩余服务时间和空闲信道数，提出了多属性决策(Multi-attribute Decision,MD)算法，综合考虑三个因素判断当前卫星是否应发生切换。相较于由单一因素决定的星间切换策略，这种决策算法更加科学。文献[33]提出了一种基于潜在博弈(Potential Game,PD)的低轨卫星通信网络移动节点切换策略，并通过仿真验证了提出的方法可以大大减少平均切换开销，提高呼叫质量，但这种方法所需的增益和损失函数还处在假设阶段，尚未结合工程实际。文献[22]发现对于接入卫星的移动节点而言，大部分切换将发生在同一轨道的相邻卫星之间，利用这样的切换特点，可以对同一卫星下的用户进行聚合切换(Aggregated Handover,AH)，仿真表明对于聚合用户进行预切换可以降低用户在星间切换的信令开销。这些方法均减少了系统中平均星间切换开销。

2021年，Liu等人在文献[34]中系统概括了LEO卫星的波束间切换、星间切换等问题，指出了波束切换的核心在于信道切换策略的设计；介绍了基于图论和博弈论的星间切换策略及其优缺点。文章较为系统地概括了LEO卫星网络中的链路层切换策略研究现状，同时也为未来的研究提供了有益参考。

星地之间的链路切换方式，除了影响系统的切换开销之外，还有可能对通信过程中的路由算法产生影响。当用户正处在通信中时，如果发生星地切换，为保证通信的稳定性，需要及时将通信链路的起点卫星及时更新为新的接入卫星。为解决这种问题，在文献[35]和[36]中，作者提出了一种称为覆盖区切换重路由协议(Foot Handover Rerouting Protocol,FHRP)，该协议分为增强和足迹重路由两个阶段。在增强阶段，网络将找到从新的接入卫星连接到现有路由的直接链路，这样可以以最小的信令延迟和位置更新开销更新路由。当不存在满足当前通信容量的通信链路时，将利用最优路由算法找到一条新的路由。在足迹重路由阶段，将现有路由迁移到与原路由具有相同最优特性的路由上，这个步骤的最终目的是实现多次切换后无需应用最优路由算法计算出最优路由，可以降低系统路由开销。

还有一种链路切换发生在星间链路之间，如极地附近的卫星会切断与邻近轨道上与其他卫星的星间链路、卫星星座个别卫星发生故障从而失去与相邻卫星的星间链路等。这种切换将改变网络拓扑的连接模式，通过这些链路正在进行的通信需要重新路由，因此这种链路切换主要影响网络层的路由算法实现。

在保证通信链路稳定性方面，文献[37]提出的基于异步传输模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)的路由方法通过优化两颗卫星之间的路由，使得每个卫星对在一个系统周期内具有最小链路切换数的唯一路径。该算法降低了链路切换发生的概率，但另一方面也会阻塞一些链路，导致系统的星间链路无法充分利用。当链路切换已经发生时，在如何降低切换过程中发生的重路由次数方面，有学者提出了概率路由协议(Probabilistic Routing Protocol,PRP)[38-39]，在路由路径中剔除所有在会话中可能发生链路切换的星间链路，从而降低了通信期间重路由次数。

除了关注通信过程中链路是否发生切换的稳定性问题之外，对于路由算法而言通信开销和时延也非常重要。Yuan等人[40]提出的双层卫星网络路由算法(Double-Layered Satellite Network Routing Algorithm,DLRA)是一种适用于MEO/LEO双层卫星网络结构的分布式路由算法。作者创造性地将星间链路剩余寿命引入到路径权值的计算中，该算法在端到端时延、路由开销和链路稳定性方面都有较好的性能。DLRA算法作为一种链路状态路由算法，能够对网络拓扑的变化做出及时响应，在更新路由信息的同时也增大了系统开销。Pan等人[41]提出的面向LEO卫星网络的基于轨道预测的最短路径优先路由(Orbit Prediction Shortest Path First Routing,OPSPF)算法能够利用星座的规律性，进行周期性的路由计算，很好地处理了规则的拓扑变化。此外，对于非规则的拓扑变化，作者提出的按需处理动态路由机制可以有效降低通信开销和路由收敛时间。

未来的天地一体化网络架构中，卫星网络需要与地面的不同网络无缝运行在一起。此时的切换管理往往不能仅限于卫星网络，需要在整个系统层面联合考虑。针对这种场景，文献[42]将模糊逻辑概念应用于异构环境中，提出了一种基于IP的面向分组的多段系统的移动性管理方案，演示了如何使用模糊逻辑概念来组合每个网络相关的参数以便于网络、无线电等可以采取合理的方法进行切换管理。从整个系统层面联合考虑切换管理的特点决定了文献[42]的工作与前文中提出的各种链路层切换优化方法之间具有良好的兼容性，对于卫星网与地面5G/6G网络的融合具有重要意义。

表2归纳了链路层切换优化方法的主要分类和这些方法在优化中所考虑的主要指标，不难看出，对于波束间切换而言，更加关注的是信道切换过程中发生的切换呼叫阻塞率和对于新生呼叫阻塞率；而星间切换则更为关注信令开销的降低，当星间切换发生时如果用户正处在通信中，则需要确保当前通信对于用户而言没有明显间断时间，此时也需要关注通信链路的稳定性问题。星间链路发生切换时，主要影响的是路由算法的设计，根据当前的应用场景需求，需要从链路稳定性、时延、信令开销等多方面决定当前系统需要选用哪种路由算法。

防治方法：一是选用无病种薯，播种前用40%福尔马林120倍液浸种4分钟。二是多施有机肥或绿肥，可抑制发病。三是与葫芦科、豆科、百合科蔬菜进行5年以上轮作。四是选择保水好的菜地种植，结薯期遇干旱应及时浇水。

表2 链路层切换优化方法分类及其考虑指标

2.3.2 传输层切换优化

MIP是由因特网工程任务小组提出的处理移动通信中互联网主机移动性的标准，该标准在移动环境中使用时存在高延迟和高丢包率的问题，在NGEO卫星高速移动的场景下表现得尤为明显。为了改进系统移动性管理的性能，MIPv6[3]、HMIPv6[4]、FMIPv6[5]、FHMIPv6[6]等网络层移动性管理协议被相继提出，但仍然无法解决MIP固有的高延迟和丢包率问题。

文献[43]针对这些问题提出了一种无缝切换方法(Seamless IP diversity based Generalized Mobility Architecture,SIGMA)。该方法主要基于流控制传输协议(Stream Control Transmission Protocol,SCTP)[44]，该协议允许网络中的通信节点同时拥有多个IP地址。文献[39]表明，SIGMA相比于MIPv6具有更低的切换延迟和丢包率，从而使得网络具备更高的吞吐量。Wang等人[21]在文献[43]的基础上，考虑到低轨卫星网络的高拓扑动态性，通过设置切换次数阈值来决定进行全局位置更新还是局部位置更新，在进行分层位置管理的同时通过灵活调整阈值降低了传统SIGMA方案在频繁切换场景下的丢包率和端到端时延。Zhang等人[45]提出了一种基于预测的IP/NGEO卫星网络切换增强SIGMA方案，相比于传统SIGMA方案也做到了时延和丢包率的优化。

然而，随着NGEO卫星网络中切换速度的加快，SIGMA的性能仍然会下降，因此其在IP/NGEO卫星网络中的应用也存在一定的改进空间。

3 卫星网络移动性管理技术研究展望

卫星网络中的移动性管理技术主要借鉴了地面移动性管理技术，但卫星的功率、星上处理能力等客观因素限制了卫星无法达到地面站的信息承载能力，因此移动性管理中涉及的本地代理等集中式处理单元往往只能布置在地面站上，所有到达移动节点的流量都需要通过集中式处理单元，往往会造成次优路由问题，同时地面站的布设往往受地理、政治等因素影响，基本无法做到全球覆盖；另一方面，卫星与地面站之间的频繁切换将产生大量的绑定更新信令，这些对网络的吞吐量和覆盖性产生了很大限制。因此，卫星网络移动性管理技术还可以从以下几个角度展开相关研究。

3.1 基于服务功能链的移动性管理

卫星通信网络因为其高可靠性和大容量的特点，具备提供高质量通信服务的能力，因此将在空天地一体化网络中扮演重要角色。未来的卫星通信网络中NGEO卫星数目将持续增长，因此需要开发出更为高效的移动性管理技术以降低系统的管理开销。软件定义网络(Software Defined Networking,SDN)等新型网络技术的出现为解决该类多源异构网络的移动性管理问题带来了新的解决方案。文献[46-48]在SDN的基础上探索了软件定义卫星网络(Software Defined Satellite Network,SDSN)架构，在减少地面站数量的情况下实现了实时、快速的网络配置部署，极大地促进了无缝移动性管理的实现。周佳琦等人[49]在无人机自组网方向上提出了基于SDN的高效自适应路由维护机制，利用SDN实现了基于距离估计的自适应转发策略，根据无人机节点的历史流表项信息估算并选择时延最低的方案转发流表项缺失数据包，同时在路由维护过程中采用了基于周期回复的消息聚合策略，减少了控制包的发包次数，同时降低了数据包传输时延和网络控制开销。其工作表明SDN应用于网络路由策略制定时具有重要意义，也具有应用于卫星网络的潜力。时永鹏在文献[50]中提出了一种基于SDN空天地一体化网络架构，该架构由卫星网络域、空中网络域和地面网络域组成，不同的网络域需要不同的SDN控制器负责管理和分配网络资源。要实现这样的目标，需要将SDN与网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术相结合。

服务功能链(Service Function Chains,SFC)是SDN/NFV架构下的一种组合多种虚拟网络功能(Virtualization Network Function,VNF)以管理网络的新兴技术，其中VNF的组合方式需要参考业务逻辑的需求，可以随着业务逻辑的改变而进行动态重构。如当地面网络发生拥塞时，两个地面终端之间的通信链路可以自动由地面网络切换至卫星网络实现通信，从而显著提升网络性能。现有的诸多研究主要针对网络端到端时延、资源分配等优化问题，围绕SFC在特定场景和需求下的动态编排求解问题而展开，尚未有人对天地一体化网络架构中的移动性管理问题展开研究。如何在这种在SFC的动态编排中考虑实现高效的移动性管理，是未来值得研究的方向。

3.2 面向5G/6G的移动性管理

5G包含了增强移动宽带、海量机器类通信和超高可靠低时延通信三大应用场景，对于无法发展地面网络的偏远地区，要实现这些应用场景离不开NGEO卫星的支持，同时天地融合发展也被公认为未来6G网络的重要特征，因此卫星网与地面5G/6G网络的互联互通是必然要求。但同时，将卫星与5G/6G集成也面临着高传播延迟和损耗、频谱稀缺、大多普勒效应等挑战。现有的移动性管理技术更多的是从节省管理信令开销的角度进行优化，随着未来卫星网络的进一步发展，星座中卫星数量的进一步增多，这样的优化不可或缺。但同时也需要从这些挑战入手，通过有效的移动性管理技术减弱这些挑战对系统性能的影响，如在考虑卫星传播延迟的情况下调整卫星位置更新的时间周期，实现更为精确的位置管理等。面向5G/6G更高的通信速率和更低的延迟需求，也需要设计更为合理的、可以与其他卫星星座联合工作的卫星星座构型，并针对特殊的星座构型设计有效的移动性管理方法也是未来值得研究的方向之一。

3.3 跨层移动性管理

传统的移动性管理技术往往是针对于开放式系统互联(Open System Interconnection,OSI)模型中的某一个协议层加以优化，鲜有针对网络、链路、传输层的联合性能优化，跨层的移动性管理可能成为未来IP/NEGO卫星网络新的研究方向；同时，跨层优化也需要考虑与当前的底层顶层协议的兼容性问题，在未来可以考虑结合博弈论、深度学习等理论或技术实现在不同层之间的联合优化。

3.4 大规模卫星网络移动性管理

由于低轨卫星相对于中、高轨卫星具有低时延、低功耗等优点，因此成为了未来发展卫星网络的重要阵地。但由于低轨卫星覆盖范围较小，因此需要发射大量的低轨卫星形成大规模卫星星座才能保证卫星网络的全球覆盖性。美国SpaceX的“星链”(Starlink)是一个计划拥有12 000颗(有可能扩展到42 000颗)卫星的星座，该星座目前已经发射了大约1 000颗Ku/Ka频段卫星。与SpaceX一样，美国亚马逊、加拿大的Telesat、英国的OneWeb等都在计划部署自己的大规模卫星星座。如何根据大规模卫星网络特性设计新的移动性管理协议，以减少系统的位置管理和切换管理开销也值得进一步研究。

4 结束语

卫星通信网络作为未来天地一体化网络中的重要组成部分，是未来各国信息网络建设的重要阵地。低轨卫星网络具有低延迟、低功耗等优点，对于未来发展宽带通信具有重要意义，但低轨卫星网络又有其固有的高动态性，网络拓扑高速变化，为了保证通信过程中的通信双方能够通过卫星网络准确建立起会话，需要对卫星网络进行有效的移动性管理。另一方面，随着不同轨道高度卫星数量的增多，地面终端将与卫星之间产生更为频繁的切换和位置更新开销，且这些信令通过大规模星间链路进行全局广播时会进一步造成更多的广播开销，这些开销将对星上负载能力产生挑战。因此，移动性管理的开销优化问题将成为未来重要的研究方向。