空间自组织网络研究

施文君

(安徽财经大学 管理科学与工程学院，安徽 蚌埠 233030)

空间自组织网络研究

施文君

(安徽财经大学 管理科学与工程学院，安徽 蚌埠 233030)

未来的空间探索需要空间自组织网络的支撑，空间自组织网络的覆盖区域较大，多跳的路由转发机制是一个挑战性问题。分析空间自组织网络的特点，将空间自组织网络进行分类，提出了空间自组织网络研究的关键问题，对空间网络的路由策略进行了对比分析。将空间实体物理运行规律和网络传染病模型结合，提出基于空间物理运行规律的传染病模型路由，分析网络结点运行数据，将提高路由效率，构建最优端到端路径，与传统路由相比，该路由更多地利用了网络结点的先验知识和传染病模型。

空间网络；自组织网络；传染病模型；路由协议；非可靠端到端；长延时

未来空间探索需要空间自组织网络的支撑，集群空间飞行器互联组成空间自组织网络，并与地面网络互联，能够有效传输数据。早期空间通信使用无线电讯号，通信软件缺乏普适性，网络异构不互联，建立一个标准化的空间网络迫在眉睫，这个空间网络适用于任何空间探测任务.[1]美国航天局(NASA)早期在开展地球环境监测技术研究时就提出sensor-web构想，即由小型卫星群、天基和低级设备互联构成有机统一的信息系统；Chien将这一构想推广到了星际探测通信体系结构中，提出了Ad Hoc Space Network[2]的概念，此后又涌现satellite sensor network[3]、space-based WSN[4]等概念。为了实现行星间的信息传输，一种通用信息交换网络星际英特网(Interplanetary Internet Network, IPN)被提出，并作为空间主干网提供行星间的互联互通，建立起太阳系内的网络通信，图1所示，通过使用卫星网关和IPN主干网，地球网络最远可以与火星互联。目前，IPN只是提出一个框架，具有传输延时大、传输损耗大、断续通信、信道误码率高等缺陷，采用Internet的TCP/IP技术是不能满足星际间的传输需求。未来，将太阳系内不同轨道上的各种卫星、星座和航天器等太空信息资源进行有机连接，构建集成化、智能化、综合一体的互联网，支撑更远距离的深空探测任务。[5]

图1 星际网络

一、空间自组织网络

1.空间自组织网络特点

空间环境与地面环境显著不同，空间自组织网络具有其特有的属性：(1)缺乏固定的通信基础设施；(2)极长和易变的传播延迟；(3)非对称的前向和反向链路容量；(4)高链路误码率；(5)间歇性链路连通性；(6)网络成员异构性(7)后期维护困难，并且空间自组织网络具有空间成员的速度较快，覆盖面积较大,运行轨迹可预测。这些属性和特点使得空间网络的设计和空间网络路由的研究具有极大的挑战性。

2. 空间自组织网络分类

未来空间多跳网络部署在太阳系，构建从地球到火星之间的多跳通信链接。考察空间自组织网络的应用，根据覆盖范围和速度等属性将其分为四类：星地互联自组织网络，星内自组织网络，星间自组织网络和星际自组织网络。

星地互联自组织网络是指新一代低轨卫星网络和地面无线自组织网络组成的星地一体化网络，如通过铱星网络、O3b卫星网络或One Web组成空间自组织网络与地面自组织网络进行通信。星地互联自组织网络由行星表面的多个实体和该行星轨道上的多个实体组成的自组织网络，网络成员分为两大类，地表的网络实体和轨道上的实体，广泛地应用于地球观测应用和行星的深空探测任务，如图2所示，Ad Hoc科学地球观测卫星网络(SEO)由多个地面站和多个卫星动态配置而成。

图2 星地互联自组织网络

星内自组织网络是指部署在分布式集群空间飞行器系统中的一种网络，分布式集群空间飞行器系统中各组成部件的通信呈现自组织网络性质。分布式集群空间飞行器系统[6]是指空间实体分解发射到空间，并在空间自由组合，运行在不同轨道的空间实体分解的模块通过组网构成一个异构集合群体，各模块可被替代，各个模块之间具有数据信息交换的能力，实现不同模块之间的资源共享和分布式计算，提高空间系统对不确定性的快速反应能力。

星间自组织网络是指由多颗同构的空间实体以自组织网络形式通信，空间实体身份对等，承担数据转发任务。根据空间实体距离的大小，分为三种：(1)星群；(2)星座；(3)编队飞行。距离分布从几十米到几千米。[7]

将自组织网络应用在星际主干网络中，称为星际自组织网络(IPSN, Interplanetary Self-organization Network)。图3所示。空间实体被部署在不同的行星轨道上，传输距离在两个行星之间的最长和最远距离之间，如火星和地球之间的距离在5500万公里到4亿公里之间。行星之间的超远距离，使得传输延时单位在分钟，甚至小时。由于空间实体被部署在不同的行星附近，因此星际自组织网络的密度非常稀疏。

图3 星际自组织网络

3. 空间自组织网络的关键问题研究

(1)数据链路层

目前国际航天任务中的空间自组织网络协议体系主要有四种研究方向：基于CCSDS的协议体系、基于TCP/IP的协议体系、将CCSDS与TCP/IP结合的协议体系和基于容延容断的网络协议体系。CCSDS数据链路子层使用数据包传输数据，同步和信道编码子层定义了空间链路上传输“帧”的同步和信道编码的方法，CCSDS数据链路协议子层包含四个协议：TC 空间数据链路协议、 TM 空间数据链路协议、 AOS 空间数据链路协议、 Prox-1 空间链路协议。NASA哥达德航天中心设立的OMNI项目将地面商用Internet技术用于航天器，使用的是基于TCP/IP的协议体系。OMNI 选用商业路由器使用的数据链路层协议，如 HDLC、 POS、ATM 等。其目的是使空地链路和商业路由器能够在数据链路层上直接接口。2000年10月，美国JPL实验室研究使用CCSDS与TCP/IP结合的协议体系，在数据链路层继续使用CCSDS建议，而在网络层使用IP及其扩展技术。基于容延容断的网络协议体系的核心方法是在应用层和下层之间加入中间层，即束层(bundlelayer)。图4为四种协议体系的数据链路层结构。

图4 网络协议体系数据链路层结构

(2)路由问题研究

空间自组织网络的路由设计是一个关键问题，由于空间环境复杂、误码率较高、延时较大、无全局信息给路由设计带来巨大的障碍。首先，在空间自组织多跳网络中，要综合考虑多种性能度量指标来进行路由选择；其次，空间路由协议要提供网络容错性和健壮性支持，能够在空间链路失效时，迅速选择代替链路避免服务中断；第三，路由协议要能够在多条路径间进行负载均衡，最大限度利用资源；第四，路由协议需要分布式处理和本地决策，以实现路由的自治和可重组。

(3)动态拓扑结构研究

空间自组织网络结构是指，集群空间飞行器按照一定的拓扑形式，在空间进行连接所形成的相应的网络结构。目前，国际上已经实现的、研究设计中的空间自组织网络拓扑结构形式主要包括：星型(邻星)组网、二维网格网、环型(总线)网、多维网格网、混合组网，[8]如图5所示。

图5 网络拓扑结构

二维星型组网是指在空间网络中存在一个网络中心结点，结点间不能直接连接，必须通过网络中心结点转接才能实现连接；二维网格网是指在空间网络中不存在一个网络中心结点，所有结点基本处于同一个平面高度内，只与自己同一个平面高度内的前后左右结点实现连接；环型网是指在空间网络中不存在一个网络中心结点，结点只与自己同一个平面高度内的左右结点实现连接，构成封闭的圆环，环型网的任何一个(或几个)结点连接断开，不构成封闭的圆环即为总线网；多维网格网是多层的二维网格网在空间的立体连接，即在不同的二维网格网的结点之间也实现网络连接；其中混合组网是网格网、环型网、星型网的组合实现。表1是五种网络拓扑结构的对比。

表1 网络拓扑结构对比

二、空间自组织网络路由

1.基于存储转发的路由

文献[9]提出了一种传染路由算法(epidemic routing)，网络中的接收到数据分组后，尽可能将其转发到所有能够接触到的结点，网络中的所有结点都需要保存并维护一张信息表记录本地存储的数据分组信息，这种路由算法在没有网络先验知识的情况下盲目发送数据分组，大量消耗有限的资源，如内存、容量和接触时间。文献[10]在传染路由算法的基础上提出了SNW路由协议(spray and wait routing protocol)，主要思想是限制网络中数据包拷贝数，减少能量消耗，但下一跳的盲目选择仍然导致数据投递率不高。文献[11]提出最大化吞吐量路由算法,利用存储转发机制，最大化利用链路的连通时段，中继结点利用缓存存储来自上一跳的分组，待下一跳连通时，转发存储的分组，依据路径上各跳的链路连通时序，确定各链路可利用的连通时段，获得路径的最大吞吐量。基于存储转发的路由适用于星内自组织网络，由于星内自组织网络的空间模块随时加入、退出、合并、分裂、替换，快速的完成新的网络拓扑的构建，基于存储转发的路由盲目发送数据的机制比较适用于此种网络。

2. 基于概率的路由

文献[12]提出了PROPHET路由协议，该算法基于结点之间的历史连接频繁程度，如果一个结点在过去被频繁的访问，那么就有可能在将来被访问，推测结点当前及未来一段时间的连通概率，构建端到端路径，依概率将数据发送到可能的到目的地的路径。文献[13]对PROPHET路由协议进行了优化，提高了PROPHET路由协议在突发情况下的性能。文献[14]提出MAXPROP路由协议，基于PROPHET路由对数据进行优先等级划分，优先传输队列中等级高的数据，在发生拥塞时删除等级低的数据，具有更高的信息投递成功率和降低的传输时延。星间自组织网络由多颗同构的空间实体进行通信，空间实体身份对等，承担数据转发任务，采用基于概率的路由，可以获得更高的效率。

3. 基于网络编码的路由

空间网络环境复杂，结点间的通信误码率较高，文献[15]提出在路由协议中加入网络编码，提高路由效率。在数据被转发之前对数据进行分块和编码，当数据到达目的地后进行重组和解码，降低了误码率，减少了传输时延，但要实现编码解码操作，必须有提高计算能力，文献[16]在PROPHET路由算法中加入编码和解码，极大提高了信息投递率。考虑到基于网络编码的路由的本质是路由协议中加入网络编码提高路由效率，在四种空间自组织网络使用的路由上都可以加上网络编码，同时也要提高计算能力。

4. 基于结点运动规律的路由

空间网络中结点的运行轨迹是有规律的，基于这个思想，文献[17]提出了MARVIN路由策略，通过查阅星历数据表，提前测算卫星结点的位置，发送数据分组，采用Dijkstra算法，离线进行路由表的生成和维护，在通信时加载路由表，提高了效率。文献[18]提出了CGR路由算法，假定链路的机会是计划好的或者规划好的而不是预测或者发现的，利用空间实体的轨道知识提高路由选择质量，空间实体具有全局路由的拓扑结构。星地互联自组织网络的网络结点运动规律和网络拓扑的动态变化的信息可以获得，采用基于结点运动规律的路由可以提前计算出结点的运行信息，将数据发送出去，信息投递率明显提高。

如表2所示，给出四种不同路由的对比，基于存储转发的路由具有较高的信息投递率，传输时延较低，计算复杂度低，但是网络资源利用率太低，基于概率的路由在信息投递率，传输时延和网络资源利用率方面表现都很好，但是计算复杂度太高，基于网络编码路由实质是在基于概率路由里引入网络编码，提高了网络的吞吐量，但也增加了计算复杂度和时延，基于结点运动规律的路由仅适合结点运动规律已知的网络。

表2 空间自组织网络路由对比

三、基于空间物理运行规律的传染病模型路由

实际空间网络结点的运动轨迹均呈现一定的规律性，大都围绕某个中心作环绕运动形成有规律的动态拓扑。网络结点每天都会在进行任务时产生大量数据并传回地球，美国航空航天局喷气动力实验室(Jet propulsion laboratory,JPL)的太阳系动力小组(Solar System Dynamics Group)提供在线数据和星历计算服务，名为Horizons。星历表提供特定时刻轨道物体的位置和速度，Horizons拥有53600多颗小行星，3000颗彗星，170颗天然卫星，所有的行星，太阳，60多个宇宙飞船的数据，可以获得最近分钟的信息[19],获得这些数据有很多方法，具体可以在文献[20]找到。本文提出基于空间物理运行规律的传染病模型路由将网络传染病模型与空间网络实体运行的环形拓扑结合，进行仿真实验发现轨道数，感染率等参数之间关联规则，得出各参数互相间的重要性，根据这些知识进行优化可以达到更高的感染率花费更少的时间。分析Horizons的数据发现强关联规则，提高路由的效率，减少延迟和降低资源消耗。图6为采用基于空间物理运行规律的传染病模型路由的星地互联网络，卫星结点A成功发送数据到卫星结点B。

图6 基于空间物理运行规律的传染病模型路由

结语

本文分析了非可靠端到端空间自组织网络。首先，介绍了空间自组织网络的特点，将空间自组织网络分为星地互联网络，星内自组织网络，星间自组织网络和星际自组织网络；其次，进行了空间自组织网络的关键问题研究；接着，将空间自组织网络目前的路由策略分为基于存储转发的路由，基于概率的路由，基于网络编码的路由和基于结点运动规律的路由四类，进行对比；最后提出了基于空间物理运行规律的传染病模型路由，将提高效率，构建最优端到端路径。

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SptialSelf-organizingNetworks

Shi Wenjun

(School of Management Science and Engineer, Anhui University of Finance and Economics, Bengbu, Anhui 233030,China)

Future space exploration demands space self-organizing networks. The coverage area of the space self-organizing network is large, so multi hop routing-transfer mechanism is a challenging problem. In this paper, the key problems in the research of space self-organizing networks are presented, and the space network routing strategies are analyzed. This paper presents an epidemic model routing based on motion laws of space objects that combines the physical operation rules of space objects with the network epidemic model and improves efficiency because of uses of network node’s prior knowledge. Compared with traditional routing, the epidemic model routing has more resource utilization and less energy consumption.

space; self-organizing networks; epidemic model; routing protocol; unreliable end-to-end; long-delay

ClassNo.:TP393DocumentMark：A

蔡雪岚)

施文君，在读硕士，安徽财经大学管理科学与工程学院。

2096-3874(2017)12-0041-06

TP393

A