天地一体化信息网络资源动态管理技术研究*

周家喜，张正宇，顾 钰

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

天地一体化信息网络由涵盖陆、海、空、临、天在内的多种异构网络互联组成，网络节点类型多样，网络拓扑结构高动态变化。随着近年来临近空间平台的大力发展，平流层飞艇、高空长航时无人机等临近空间平台，也加入到天地一体化信息网络中。该类平台的快速移动性导致天地一体化信息网络具有更高的动态性。为了实现信息在网络节点之间的无缝高效传输，除了需要设计有效的传输协议连接所有网络节点，还要研究高效的移动性管理和切换管理策略。

在移动性管理方面，目前主要都是基于移动IPv6（Mobile IPv6）的卫星网络移动性管理方法开展相关研究工作[1-4]。它的核心思想是将卫星网络划分为多个区域，区域内采用改进的IPv6协议进行位置管理。

由于需要保持IP卫星网络节点与地面网络IP节点之间的连通性，天地一体化信息网络另一个主要的问题是解决网络的切换管理问题，即节点移动状态下的通信连续性问题。2004-2005年，IETF组织分别提出快速移动IPv6（Fast Mobile IPv6，FMIPv6）协议、分层移动IPv6（Hierarchy Mobile IPv6，HMIPv6）协议以及快速分层移动IPv6（Fast Hierarchy Mobile IPv6，FHMIPv6） 协议[5]。而对于卫星网络节点高速频繁运动导致切换频繁的问题，文献[6]中提出了一种基于传输层的端到端的无缝切换方法；文献[7]提出了一种基于卫星和用户运动模式的切换方法，能够减小延时、降低包丢失概率和切换阻塞概率；文献[8]提出了一种利用资源分配的自适应切换策略，以改善用户的QoS。针对地空数据通信系统的越区切换问题，文献[9]提出了一种基于目标运动估计的越区切换优化策略，以提高地空通信保障的可靠性。当用户处于有规律的运动状态时，文献[10]提出了一种基于马尔科夫链的运动轨迹预测的切换方法，能够最小化切换中断概率，减少切换控制信令的消耗。

以上动态网络节点移动性管理和切换管理主要考虑的是卫星网络和地面网络之间的切换策略，对于临近空间平台涉及较少。对于天空地一体化信息网络，邻近空间平台将是未来一个重要的发展方向。而临近空间平台运动特性与卫星等平台差别较大，因此在天地一体化信息网络建模、分析时需要进行综合全面的考虑。

1 天地一体化信息网络结构建模

基于临近空间平台的天地一体化信息网络是由节点和节点之间的链接组成动态网络。不同于平面拓扑结构，天地一体化信息网络拓扑结构是三维立体的，且网络中由于设备多样、设备能力与任务功能各不相同。邻近空间飞艇、无人机等平台的运动特性与卫星、地面节点均存在较大差异。为了对网络的网络拓扑结构进行建模，需要先构建网络节点层次结构图，分析节点在网络中的位置、节点在网络中具有的能力（骨干节点、接入节点、中继节点等）和节点自身的基本属性（如节点位置、轨道参数、覆盖范围等），进而对节点进行分类，并定性地描述节点属性。简化的天地一体化信息网络节点层次图，如图1所示。

图1 天地一体化信息网络节点层次图

1.1 空间信息网络拓扑结构静态建模

在对网络节点进行建模前，首先需根据网络节点层次和节点的基本属性对节点进行抽象化。节点属性可以简单分为三个大类：节点编号、节点类型和节点属性。

节点编号（Num）：节点的唯一标识编号。

节点类型（Type）：可根据其确定是哪类节点，如高轨卫星、低轨卫星、平流层飞艇、无人机、地面节点、骨干节点、中继节点等。节点类型既可以是单一类型，也可以是多种类型的组合。

节点属性（NodeProperty）：表示节点的属性，如本地缓存大小、轨道参数、天线类型、工作频段、是否与周围节点建立链接等。

节点可以形式化表示为：

以临近空间平台的飞艇节点为例。如果它的节点类型为激光中继节点，则表示其主要功能是实现卫星上的激光通信数据到飞艇，然后再通过微波链路传输到地面节点；如果它的属性中有激光通信频段，那么表示飞艇与上层卫星具有激光高速链路，以保证宽带高速传输。

完成了节点的形式化表示，则可以通过节点模型对链接进行建模。链接指节点与节点间建立的有效数据传输通路。根据节点属性，判断节点间是否有链接以及决定链接的属性。一条链接主要包括基本属性和特殊属性，可以描述为：

其中OriNode为源节点，DestNode为目的节点，LinkProperty则描述链路的属性（如两个节点间链接的开始时间与中断时间、链路类型、通信频段、通信速率等）。

在节点与链接的建模基础上，即可对多层网络拓扑进行建模。空间信息网络系统是一个随时间演化的动态网络，但在某一个很短的时间内可以将网络看作一个静态网络。此时，网络拓扑固定不变，可以画出网络拓扑图。

空间信息网络拓扑的静态模型反映了某一时刻的拓扑结构特征，模型可表示为：

Topol(t,Node,Link) （3）

其中t表示观测网络的某一时刻，Node表示网络节点集合，Link表示在该时刻的网络链接集合。根据模型可以用拓扑图来表示当前时刻的空间信息网络，直观清楚地了解某时刻网络拓扑结构的状态，如节点间的链接情况、节点与目标区域的链接数量等。拓扑图模型定义如下：

TG={t,M,NP,LP} （4）

其中t表示空间信息网络系统某一时刻；M为链接矩阵，标识节点间是否存在链路连接；NP（Node Property）表示节点本地缓存大小、天线形式、轨道参数等属性；LP（Link Property）表示链路的时延、速率等属性。图2为包含5个节点的拓扑图简化示例，图中链接功能属性只标注了最大速率，节点属性只标注了源和目的节点和本地缓存容量。

图2 网络节点链接拓扑

图2 也可以用拓扑结构形象化表示为节点集、链接集和网络拓扑集，简化为：

节点集N={Num,Buf }，Num表示节点编号，Buf表示节点的本地缓存容量。

链接集Link={OriNode,DestNode,Rate}，分别表示源节点、目的节点和链路的最大速率。

网络拓扑集：TG={t,M,NP,LP}，其中M表示5个节点间的相互连接关系，NP表示各个节点的本地缓存容量大小，LP表示两个节点间的最大通信速率，分别为：

1.2 空间信息网络拓扑结构动态建模

静态建模只能表示某个时间点或很短时间段内的网络拓扑结构，而天地一体化网络中的节点随着时间运动、节点位置、节点部分属性是变化的。为了表示网络随时间的变化特性和网络整体的结构拓扑性能，需要建立空间信息网络拓扑结构的动态模型。

天地一体化网络的空间维度较大，节点的运动相对而言变化较慢。基于节点的轨迹可预测性，可以将全时间域分成若干个时间片，认为在一个相对较短的时间片内系统拓扑结构固定不变。这个时间片内的系统拓扑结构用上述的静态建模方法进行建模。为了反映网络拓扑结构随时间的演化，可以使用一系列连续的静态结构表示动态拓扑。下一个静态结构相对上一个静态结构，节点以及节点间链接的部分特性（如链接距离、通信速率、天线俯仰角、节点间距离等）会发生变化。

2 动态组网建模下的无线资源管理

无线资源管理通常包含队列管理和移动性管理。队列管理是根据业务的优先级定义，优先保证重要业务的可靠传输；移动性管理则是通过优化移动终端节点的位置管理策略，以最小化移动性管理成本。

2.1 动态建模动态组网建模下的优先级管理策略

网络中存在大量的不同用户，各个用户传输的信息也各不相同，则定义用户优先级和业务优先级，分别表示不同用户、不同类型业务的优先级。然后，综合考虑用户优先级和业务优先级来确定传输优先级。网络则设计为优先保障传输优先级高的业务。

用户可以分为普通用户和特殊用户两种。特殊用户的优先级高于普通用户，用户优先级定义如下：

业务优先级则根据业务具体类型确定，主要考虑业务的最大时延容忍度、重要程度等参数信息。为保证网络能服务更多业务，通常设计为速率需求越小的业务优先级越高，保证同类业务中速率小的优先级更高。在节点吞吐量一定的情况下，可以容纳更多的用户传输业务，即增大节点的系统容量。业务优先级定义如下：

其中，Ii和Ti分别为业务i的重要程度和最大时延容忍度，即重要程度越高，优先级也越高，要求时延越小的业务优先级越高。

传输优先级定义为用户优先级与业务优先级的乘积，即：

表示传输优先级高的业务优先传输，即在网络产生拥塞时优先丢弃传输优先级低的业务包。对于业务i，它的丢弃概率为：

故理论上优先级为Wi和Wi+1的业务的平均吞吐量比值为：

由式（12）和式（13）可知，带宽资源的预留和分配方案、业务包的丢弃时机会对拥塞概率 ()pt p(t)产生影响，从而影响网络吞吐量。在基于优先级的队列管理策略下，优先级更高的业务能够获得更好的传输保障。

2.2 网络的移动性管理

在网络的移动性管理方面，可以将卫星节点与邻近空间平台节点分类考虑。卫星类节点可以采用轨道参数进行定时更新的方式，而邻近空间平台节点则采用划分区域管理的方式进行移动性管理。

同步轨道卫星的位置相对静止，低轨卫星的位置周期性变化，故系统位置数据库中直接建立所有卫星的时刻-位置对应表，根据时刻查找对应位置，无需周期性上报。仅当低轨卫星轨道有所变化时，再上报位置数据库进行更新，以节省信令开销。

临近空间平台以及地面终端的位置信息管理，采用不同于卫星切换的移动性管理策略，可将全球分割成一系列区域。当临近空间平台和终端移动到相邻区域时，再改变其IP地址并上报位置数据库进行更新。IP区域大小的划分可根据实际组网情况和可容纳用户数目进行设计。该方案设计的优点是系统中移动速度慢的用户较多时，对移动速度慢的用户而言，位置更新间隔长、信令开销较小。另外，本方案需集中管理IP地址映射，因此在网络设计、工程实施时既可以设计专用具备网络管理功能的同步轨道卫星节点，然后将网络的移动性管理功能部署在该类卫星上，也可以部署在地面控制中心进行集中管理，最终周期性通过网络发送更新至网络中的所有节点。

2.3 移动性管理成本分析

假设控制消息包大小为M，在M相同时，移动性管理成本主要包括IP地址更新成本和节点位置更新成本。

IP地址更新时，更新节点和IP地址管理节点之间通常进行三次握手，并且通知业务传输中的对方节点更改目的IP地址。设HMN,LD表示更新节点和IP地址管理节点之间的跳数，HMN,MN为某项业务链路的跳数，α表示更新节点的通信速率，则IP地址更新成本可以表示为：

节点在发送位置更新报文时，其位置更新成本为：

其中Rsc(t)为IP地址更新发生率。

基于以上分析，可以通过合理的划分IP区域，设计位置更新机制，优化移动性管理具体步骤和流程，使得移动性管理成本最小化。

3 结 语

本文在传统卫星通信网络基础上，分析了邻近空间平台的加入对天地一体化信息网络建模、资源管理的影响，对基于邻近空间平台的天地一体化信息网络进行了静态和动态建模，并分析了动态组网建模下的队列管理策略、移动性管理策略以及移动性管理成本，对我国规划建设的“科技创新2030——重大工程”天地一体化信息网络的建设具有一定的参考价值。

参考文献：

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