卫星网络切换问题研究及性能优化

王春锋

(钱学森空间技术实验室，北京　100094)

王春锋(1966—)，男，陕西省富平县人，钱学森空间技术实验室高级工程师，硕士生导师。主要研究方为天基综合信息网，卫星编队网络与相对导航系统，网络编码，网络安全等;

E-mail:jessen_wang@163.com



工程与应用

卫星网络切换问题研究及性能优化

王春锋

(钱学森空间技术实验室，北京100094)

摘要：对地观测系统已经从单一平台发展成为多星组网系统，基于星间链路的卫星组成了一个空间无线Ad hoc网络系统，在卫星运动的过程中，不同的卫星与地面站在不同的时刻连通，需要解决卫星网络的移动管理和切换问题。本文讨论了空间卫星网络移动性特性，对已有的卫星切换方法进行了分析，指出了这些方法的缺陷，提出了采用交叉层设计和网络编码联合设计方案，减少切换时延和丢包率，从而改善卫星网络切换性能。

关键词：空间无线Ad hoc网络； 移动管理；切换；网络编码

0引言

在卫星运行的过程中，一般情况下卫星传感器采集的数据先缓冲在卫星中，当卫星与地面站链路连通时才进行数据传输，但这样就延迟了实时数据到地面站的传输，通过卫星组网，每当一个卫星与地面进行连通时，其它的卫星可以通过卫星网络把实时数据传输到与地面连通的卫星，再由它发送到地面，比等待自己直接与地面站进行连通时再进行数据传输要更快。不同卫星基于星间链路组成了一个空间无线Ad Hoc网络，不同卫星之间的传感器需要协同，同时在卫星与地面站短短的接触时间(约8~15 min)内实现数据传输到地面。

在卫星围绕地球旋转运动过程中，卫星网络与地面站的连接在不断的切换，卫星与到地面站之间连接的断开和重新连接产生了在IP层的移动性管理和连接切换问题。切换管理协议需要实现切换时保持网络通信的连续性。目前研究主要包括传统的移动IP方法[1-3]和SIGMA(Seamless IP Diversity based Generalized Mobility Architecture)无缝多重IP移动架构[4-6]切换方法，此外在文献[7]中也提出了一种改进方法，这些方法都有其内在的缺陷，比如切换时延长或丢包率高等问题。本文探讨了交叉层和网络编码方法改善卫星网络的移动管理切换方法，并进行了性能分析。

1相关工作

目前卫星网络移动管理主要是基于移动IP方法[1-2]和SIGMA多重地址无缝切换方法[4]。

1.1基于移动IP的方法

如图1所示，移动IP在卫星网络管理应用的总体架构。

图1　移动IP卫星网络应用总体架构

考虑卫星移动主机MH；本地代理HA与地面站A连接，外部代理FA与地面站B连接，并通过地面互联网与通信节点CN连接。在本地链路连接网络中，卫星移动主机MH与通信节点CN之间的数据交换通过旧路径，即通过本地代理HA和地面站A与通信节点CN通信。当卫星移动知己进入地面站B时，在外部链路连接网络中，启动获得转交地址程序，在获得转接地址后，转交地址被通知到本地代理HA，这样就连接了从本地代理HA到外部代理FA的IP封装隧道，实现数据传输。

基于移动IP方法存在性能差的问题，包括切换时延长，丢包率高，吞吐量低。

1.2SIGMA无缝多重IP切换方法

SIGMA无缝多重IP地址切换系统架构如图2所示。

图2　SIGMA协议多重地址无缝切换

该方法利用移动终端具有多重IP地址方法，在切换过程中可以在获得新的传输路径前，始终保持旧的传输数据路径在激活状态，从而获得更低的切换时延，SIGMA方法是基于端到端传输层切换，使用了SCTP协议，该协议支持终端多重IP地址。切换过程包括5个步骤。第一步，获得新的IP2地址，即当卫星移动后，收到新的接入路由器的路由广播，卫星就获得新接入子网的IP2地址；第二步，把新的IP2地址加入流传输协议连接中；第三步，重定向卫星的数据包传输到新的地址；第四步，更新本地管理；第五步，使旧链路处于非激活态。

2交叉层和网络编码方法应用

在第2节阐述的SIGMA方法在切换时延上有了性能改善，但没有充分考虑卫星网络的组网特性，这些方法是依据传统网络分层协议体系架构设计理念。卫星网络是一个高动态的移动环境，移动管理必须实现无缝移动，快速切换，在卫星网络中由于卫星确定的运行轨道，卫星的位置可以相当准确地预测，卫星网络可以采用交叉层协同协议体系架构[8]，可以利用链路层指示信息优化路由和传输层连接控制管理方法，减少存储的路由信息，从而提高切换性能。此外当卫星网络中有多个链路与地面站连接时，使用低质量的数据链路丢包率高，传输性能降低，可以采用网络编码方法改善网络丢包率,减少重传。

(1)交叉层协同协议体系架构如图3所示。

图3　交叉层协议架构

在图3中MAC层集成网络层路由和物理层功能，从而向网络层提供路由和传输层提供链路质量信息，从而优化网络层路由功能，以及优化传输层连接控制功能。网络层和传输层可利用数据链路层的无线信号强度指示参数(RSSI)进行传输层的快速切换，减少切换时延。切换流程如下：

图4　基于交叉层架构的切换流程

(2)网络编码方法应用

在切换的过程中有2条(PATp和PATp)链路同时进行数据包传输，在PATp链路断开之前，PATp由于链路质量下降，丢包率增加，也增加了链路重传，影响数据传输的整体性能，如何用好多个传输链路进行高效数据传输，在建立多个通信链路时，启用网络编码进行数据传输，设e为PATp链路分组误码率，设定e=0.2，则1/e-1=4，即每4个分组会有一个丢包。分组b1,b2,b3,b4,被分配在PTAp上传输，a1,a2,a3,a4,被分配在PATp上传输，在PATp上再传输一个b1,2,3,4=b1+b2+b3+b4分组，PATp是正常链路，可以正常接收，PATp质量下降链路，丢包的概率为0.2，每4个分组有一个丢包，假设b2丢失，则接收端可以收到则通过PATp接收的b1,b3,b4和PATp接收的b1,2,3,4，可以解的b2=b1,2,3,4-b1-b3-b4。这样PATp不用进行数据包重传，虽然牺牲了PATp链路一点带宽，但增加了系统的整体传输性能。

3切换时延分析

在交叉层设计中，移动卫星与地面通信节点CN的切换时延如下公式所示：

T=L2+L3+L4=L2+TD+RTT

(1)

由于交叉层网络设计的特性，L3可以忽略，这样只有L2和L4层的时延，L4包括连接控制消息发送与确认、以及系统设置当前IP地址等处理时间TD，连接控制消息发送与确认即一个RTT。而第2节中两种方法实现切换时先需要路由的广播过程，接着至少需要4个以上消息交互换传输过程，从而系统切换性能将会大大改善。

4网络时延性能仿真分析

本节对6节点的组成的无线Ad hoc网络进行了仿真分析。仿真服务器配置为8核2.4GHz Intel E5620和12G RAM。服务器部署CentOS v6.4 64位系统与VMware ESXi 5.1虚拟机，采用C++语言开发。仿真结果如图5所示。仿真结果表明基于交叉层设计和切换管理方法大大降低了数据传输时延。

图5　网络时延性能仿真

5结语

本文阐述了卫星网络的移动特性，包括了主机移动性和网络移动性，通过分析基于移动IP和SIGMA多重地址无缝切换两种方法的原理，指出两种方法存在的性能不足，有切换时延长和丢包率高的问题，提出把交叉层网络设计架构应用于卫星网络中，说明了交换层设计中的切换管理流程，分析了切换时延和性能的改善。

参考文献：

[1]C. Perkins, “IP Mobility Support for IPv4,” RFC 3220, Jan. 2002.

[2]S. Deering and R. Hinden, “Internet Protocol, Version 6(IPv6) Specification,” Internet draft, Dec. 1998.

[3]T. R. Henderson, Host mobility for IP networks: a comparison,” IEEE Network, vol. 17, no. 6, pp. 18-26,Nov-Dec 2003.

[4]Shaojian Fu,y, Mohammed Atiquzzaman, Liran Ma and Yong-Jin Lee，“Signaling cost and performance of SIGMA: A seamless handover scheme for data networks”，WIRELESS COMMUNICATIONS AND MOBILE COMPUTING，2005；5:825-845.

[5]Robert Hsieh, Zhe Guang Zhou, and Aruna Seneviratne, “S-MIP: A seamless handoff architecture for Mobile IP,” IEEE INFOCOM, San Francisco, CA, pp. 1774-1784, April 2003.

[6]Shaojian Fu, y, Mohammed Atiquzzaman, Liran Ma and Yong-Jin Lee, Signaling cost and performance of SIGMA: A seamless handover scheme for data networks, WIRELESS COMMUNICATIONS AND MOBILE COMPUTING 2005; 5:825-845.

[7]Lu Wang, Xiangqun Li, Lixiang Liu and Xiaohui Hu, A seamless soft handover management scheme in NGEO satellite networks, INTERNATIONAL JOURNAL OF SATELLITE COMMUNICATIONS AND NETWORKING, 2013; 31:187-197.

[8]Chang, Z., Gaydadjiev, G.N., Vassiliadis, S.: Infrastructure for cross-layer designs interaction. In: the 16th IEEE International Conference on Computer Communications and Networks (IC3N), August 2007, pp. 19-25.

王春锋(1966—)，男，陕西省富平县人，钱学森空间技术实验室高级工程师，硕士生导师。主要研究方为天基综合信息网，卫星编队网络与相对导航系统，网络编码，网络安全等;

E-mail:jessen_wang@163.com

Research of Satellite Network Handoff Problem and Performance Optimization

WANG Chun-feng

(Qian Xuesen Laboratory of Space Technology,Beijing 100094,China)

Abstract:The earth observation system has evolved from a single satellite platform to a multi-satellite network system. The satellites based on inter-satellite links form a space wireless Ad hoc network system. When the satellites move around the earth, the connection of the satellite with ground will transfer from a ground station to another ground station. In order to ensure the continuity of communication, the mobile and handoff management problem of satellite network must be solved. This paper discuss the mobility characteristics of space satellite network, analyses existing handoff method for satellite network and points out the limitations of these methods. A joint design scheme of cross layer design and network is proposed and the scheme can reduce the handoff delay and packet loss rate, so the handoff performance of satellite network is optimized.

Key words:Space wireless Ad hoc network；Mobility management；Handoff；Network coding

作者简介

中图分类号：TP393.02

文献标识码：A

文章编号：1673-5692(2016)01-036-04

基金项目：863国家高技术研究发展计划资助项目(2012AA120601)；973国家重点基础研究发展计划项目(2014CB845303)

收稿日期：2015-12-15

修订日期：2016-01-12

doi:10.3969/j.issn.1673-5692.2016.01.008