(空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)工程系，西安 710077)

1 引 言

天基信息是提高戰(zhàn)場感知能力、奪取制信息權(quán)的重要因素,以其覆蓋面廣、信息量大、視角寬闊，在對敵作戰(zhàn)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用[1]。天基信息主要是通過衛(wèi)星獲得的，衛(wèi)星可以按照一定的拓?fù)浣M成天基信息網(wǎng)。但是衛(wèi)星容易受到環(huán)境的影響和敵方的干擾破壞，導(dǎo)致天基信息網(wǎng)絡(luò)通信的中斷，影響數(shù)據(jù)通信的效率[2]。因此，為了保障通信質(zhì)量，增強(qiáng)天基信息網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)能力和抗毀性，研究自組織天基戰(zhàn)場感知信息網(wǎng)具有重要的軍事戰(zhàn)略意義。

相比單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，雙層或多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有更強(qiáng)的抗毀性能[3]。Kimura提出了一種雙層(LEO/MEO)衛(wèi)星星座，比較了極軌道和傾斜軌道星座的差別，通過多覆蓋和增加仰角的方法保證通信的可靠性要求，但所需衛(wèi)星數(shù)量巨大[4]。Lee、胡劍浩、Akyildiz等人分別設(shè)計了不同空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的帶有星間鏈路(ISL)的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，主要研究多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法問題，得到了一些有意義的結(jié)果[5-7]。李暉提出了基于Walker delta型多層衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)路由策略[8]，但其考慮的是衛(wèi)星正常運(yùn)行時可能造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓闆r下路由的自適應(yīng)策略。易先清等設(shè)計了基于GEO/MEO星座的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀結(jié)構(gòu)[9]，但只對雙層天基網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了抗毀設(shè)計研究。

本文提出了一種基于改進(jìn)型TCP協(xié)議的三層(GEO/MEO/LEO)自組織可重構(gòu)天基信息網(wǎng)的組網(wǎng)模型，比較了其協(xié)議與地面網(wǎng)絡(luò)的不同，給出了自組織天基網(wǎng)的協(xié)議特點(diǎn)，最后分析了自組織可重構(gòu)天基信息網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其抗毀性能。

2 組網(wǎng)模型

天基信息網(wǎng)的核心是衛(wèi)星通信網(wǎng)，因多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路徑選擇性大、可替換鏈路多、抗毀性強(qiáng)，故選擇將地球同步衛(wèi)星(GEO)、中軌道衛(wèi)星(MEO)、低軌道衛(wèi)星(LEO)組成復(fù)合立體衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)對全球的持續(xù)性覆蓋。GEO星座、MEO星座、LEO星座與地面關(guān)口站在距離地球表面不同高度上通過互連鏈路分層組成立體的通信網(wǎng)絡(luò)。

由于受到衛(wèi)星平臺載荷能力的限制，天基信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理適合使用分布式結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分組管理。在這個分布式等級結(jié)構(gòu)中，衛(wèi)星被劃分成組，而且接受上層軌道衛(wèi)星的管理。假設(shè)有LEO、MEO、GEO三層衛(wèi)星，把它們分為衛(wèi)星組，如圖1所示。

(1)LEO組

Lij是某一中軌道衛(wèi)星Mij波束覆蓋的低軌道層衛(wèi)星的集合，Lij={Lij︳k=0,1,2,…,N(Lij)-1}，其中，N()是一個計算衛(wèi)星組大小的函數(shù)，i表示軌道序號，j代表某條軌道內(nèi)的第j個衛(wèi)星。在Lij衛(wèi)星組中的所有LEO衛(wèi)星都和MEO衛(wèi)星Mij鏈接，Mij是這個LEO衛(wèi)星組的管理者。LEO衛(wèi)星組可有多個，每組為一個邏輯群，每組中有一個組首，圖1中每個組中黑色的那顆衛(wèi)星即為組首。組首負(fù)責(zé)收集該群的狀態(tài)信息，并把這些信息定時上報給其上層MEO衛(wèi)星，由MEO負(fù)責(zé)給此組計算路由信息，并傳遞給組首，再由組首轉(zhuǎn)發(fā)給每顆LEO衛(wèi)星。

(2)MEO組

Mij是GEO中衛(wèi)星Gij覆蓋的MEO層衛(wèi)星的全部集合，Mij={Mij︳j=0,1,2,…,N(Mij)-1}，其中，i表示軌道序號，j代表某條軌道內(nèi)的第j個衛(wèi)星。在Mij衛(wèi)星組中的所有MEO衛(wèi)星都通過星際鏈路和GEO衛(wèi)星Gij鏈接，Gij是這個MEO衛(wèi)星組的管理者。

圖1 自組織戰(zhàn)場感知天基信息網(wǎng)組網(wǎng)模型

GEO衛(wèi)星是路由算法決策中樞，MEO衛(wèi)星完成對地球表面完全覆蓋，而LEO衛(wèi)星主要實(shí)現(xiàn)對地面移動終端的接入。其中，MEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星通過ISL連接，構(gòu)成拓?fù)浞€(wěn)定的衛(wèi)星骨干網(wǎng)，成為分層衛(wèi)星網(wǎng)的交換節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)的傳輸與轉(zhuǎn)發(fā)，并且負(fù)責(zé)與關(guān)口站和大型終端通信；LEO衛(wèi)星作為具有交換功能的用戶接入點(diǎn)，組成衛(wèi)星接入網(wǎng)絡(luò)，通過ISL與衛(wèi)星骨干網(wǎng)相連。

將分布在不同高度空間的GEO、MEO、LEO星座互連,可以提高基于GEO/MEO/LEO星座衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信性能和容量,特別是其系統(tǒng)抗毀性能。兼顧多層星座組網(wǎng)結(jié)構(gòu)和分組管理思想,在作為組管理者的GEO衛(wèi)星和分組組首的MEO衛(wèi)星、LEO衛(wèi)星之間建立星際通信鏈路IOLGEO-〉MEO、IOLMEO-〉LEO,通過這些星際通信鏈路將星座聯(lián)系起來,即使在因某種原因斷開這種鏈路連接時,星座還可獨(dú)立運(yùn)行。

3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

由于衛(wèi)星信道具有長時延、高誤碼率、大延時帶寬積等特性，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用的傳輸控制協(xié)議是改進(jìn)的TCP協(xié)議，常用的是空間通信協(xié)議規(guī)范(Space Communication Protocol Specification,SCPS)。SCPS 以Internet協(xié)議為基礎(chǔ),進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮蛿U(kuò)充，在空間和地面環(huán)境之間架設(shè)橋梁。

SCPS的4部分協(xié)議分別位于網(wǎng)絡(luò)層(SCPS-NP)、傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層之間(SCPS-SP)、傳輸層(SCPS-TP) 和應(yīng)用層(SCPS-FP),它們在底層協(xié)議(數(shù)據(jù)鏈路層、物理層)的支持下，構(gòu)成完整的網(wǎng)絡(luò)模型，實(shí)現(xiàn)包括空-地、空-空的端到端連接(如圖2所示)，主要解決了傳統(tǒng)TCP協(xié)議用在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的擁塞控制、流量控制機(jī)制不適用問題。

圖2 SCPS協(xié)議棧示意圖

數(shù)據(jù)鏈路層功能包括協(xié)議和信道編碼，用于節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)可靠的傳遞，主要任務(wù)是組織數(shù)據(jù)流，完成幀的劃分和界定，發(fā)現(xiàn)并糾正物理層的傳輸錯誤，保證信息正確，彌補(bǔ)丟失幀，保證信息包內(nèi)容的完整，同時進(jìn)行流量控制，控制多信息對共享的訪問。

SCPS-NP相當(dāng)于傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，用于控制數(shù)據(jù)包的路由。主要任務(wù)是對不同類型的總線之間信息，由網(wǎng)關(guān)進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換；對數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先級劃分；數(shù)據(jù)包擁塞后的恢復(fù)機(jī)制。由于衛(wèi)星移動的規(guī)律性，衛(wèi)星之間的路由切換頻繁，多層衛(wèi)星間信息路由宜采用動態(tài)方式，可增強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)健壯性。

由于衛(wèi)星通信是無線通信系統(tǒng)，容易受天電、星體顫動和其它無線通信系統(tǒng)干擾，通信質(zhì)量會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致天基信息網(wǎng)絡(luò)通信的中斷，影響數(shù)據(jù)通信的效率。衛(wèi)星星群之間通過借用Ad Hoc技術(shù)，構(gòu)成自組織網(wǎng)絡(luò)。在此借鑒改進(jìn)了Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由算法，使之更符合天基衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的情況。

但星座網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行特點(diǎn)和無線移動自組織網(wǎng)絡(luò)(Mobile Ad Hoc Network,MANET)有所不同,區(qū)別主要體現(xiàn)在鏈路全部為無線、規(guī)律性頻繁變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、中繼帶寬受到星間鏈路能力限制、交換節(jié)點(diǎn)處理能力受到航天可用器件的限制、節(jié)點(diǎn)和用戶接入的移動性、星際鏈路之間的長傳輸延時(這是影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中路由策略的主要因素)等幾個方面。

SCPS-SP協(xié)議位于傳輸層與網(wǎng)絡(luò)層之間，主要功能是負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)安全及緩沖策略。

SCPS-FP是網(wǎng)絡(luò)的最頂層，負(fù)責(zé)傳輸文件的生成、封裝、壓縮、存儲等。

4 自組織戰(zhàn)場感知天基信息網(wǎng)絡(luò)路由抗毀設(shè)計

天基信息網(wǎng)絡(luò)必須具有自主運(yùn)行技術(shù)，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的自主運(yùn)行能力，減少對地面系統(tǒng)的依賴，實(shí)現(xiàn)天基信息網(wǎng)絡(luò)的日常自主運(yùn)行、管理，從而有效降低運(yùn)行成本，優(yōu)化天基信息網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，提高其生存能力，以便當(dāng)?shù)孛嫦到y(tǒng)遭到破壞或受到敵方干擾情況下，天基信息網(wǎng)絡(luò)仍能保持其日常運(yùn)行，為此設(shè)計了自組織戰(zhàn)場感知天基信息網(wǎng)絡(luò)路由策略。

(1)天基分層網(wǎng)絡(luò)管理體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)管理中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓瘺Q定網(wǎng)絡(luò)管理組組首的變更,即由哪個節(jié)點(diǎn)為管理組首，或者采用Ad Hoc中簇頭選舉方法來選舉某個管理組的組首。傳輸層使用SCPS傳輸協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層使用SCPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的自組織路由算法，為保證信息傳輸?shù)陌踩裕枋褂肧CPS安全協(xié)議。

可在天基信息網(wǎng)絡(luò)的某個衛(wèi)星組中設(shè)置某顆離上層衛(wèi)星最近的那顆星為該星座的組首，圖1中黑色的衛(wèi)星即為本組組首。組首負(fù)責(zé)收集本組所有衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)信息并與其上層衛(wèi)星管理者交換信息，由上層管理星為本組所有衛(wèi)星計算路由表。同時，每個組也都有不同于組首的另一顆衛(wèi)星被指定或按照一定策略被選舉作為該衛(wèi)星組的備份組首。當(dāng)?shù)谝粋€組首出現(xiàn)故障時，備份組首執(zhí)行組首的功能。當(dāng)上層管理星出現(xiàn)故障時，由組首代替上層管理星為組內(nèi)用戶計算路由，從而在多層星座組網(wǎng)系統(tǒng)的管理過程中不會因?yàn)槟硞€衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的失效導(dǎo)致整個分層管理模式的崩潰。

(2)為保證系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性，增強(qiáng)天基信息網(wǎng)的抗毀性，可利用Ad Hoc技術(shù)實(shí)現(xiàn)天基信息網(wǎng)的骨干節(jié)點(diǎn)互連互通。采用分布式安全拓?fù)淇刂坪途S護(hù)算法，能夠在節(jié)點(diǎn)和鏈路失效發(fā)生時，網(wǎng)絡(luò)具有快速自組織、自重構(gòu)機(jī)制，同時具有在節(jié)點(diǎn)受到攻擊和發(fā)生故障失效后網(wǎng)絡(luò)的自恢復(fù)機(jī)制和抗毀機(jī)制。

由于衛(wèi)星無線通信容易受到電磁干擾，造成其通信的不確定性和自組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的移動性，已經(jīng)建立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會隨著節(jié)點(diǎn)的移動而發(fā)生改變；加上無線通信的固有特性，鏈路的連通性也動態(tài)發(fā)生變化，因此在自組網(wǎng)中對鏈路進(jìn)行監(jiān)測和修復(fù)，進(jìn)行路由維護(hù)一直是其路由協(xié)議的關(guān)鍵技術(shù)之一。

組中的組首負(fù)責(zé)收集本組內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息并與其它組衛(wèi)星之間交換，進(jìn)而形成能夠反映全局的鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫，由組首為本組內(nèi)的所有其它衛(wèi)星計算路由表。采用分布式分層鏈路狀態(tài)信息收集不僅能夠有效降低星間通信開銷，而且把路由計算和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)在多顆衛(wèi)星之間分擔(dān)，有利于轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)較重的衛(wèi)星全力進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，而使負(fù)載較輕的衛(wèi)星負(fù)責(zé)路由計算和鏈路狀態(tài)信息的收集。目前一些文獻(xiàn)提出的分級路由協(xié)議(HSRP)算法、基于分層分群的多層衛(wèi)星網(wǎng)路由(MLSR)算法具有一定的參考意義。

星座網(wǎng)絡(luò)擬采用具備流量適應(yīng)能力的靜態(tài)路由策略，稱為自適應(yīng)流量的拓?fù)淇煺侦o態(tài)路由(TSSR)。星座系統(tǒng)周期離散化為K個時間間隔，每個時間間隔Δt，鏈路代價變化足夠小，可以認(rèn)為是靜態(tài)拓?fù)?，所以動態(tài)拓?fù)淇梢赞D(zhuǎn)化為一個靜態(tài)拓?fù)涞男蛄?，稱為拓?fù)淇煺?。根?jù)每個靜態(tài)的拓?fù)淇煺湛梢允孪入x線為每對源、目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)按照改進(jìn)的Dijkstra算法計算出若干個具有最小路徑耗費(fèi)的路徑(也就是按照一定的準(zhǔn)則最好的路徑)，從而計算出一系列空間路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表，然后將空間路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表注入到每個衛(wèi)星交換節(jié)點(diǎn)上。星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖儠r可重新在線更新星上路由表。

通過這種方式星座衛(wèi)星只在每個時間間隔開始時通過軟件控制，進(jìn)行路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表的更新；當(dāng)衛(wèi)星需要計算ISL子網(wǎng)上的可用路徑時，不再進(jìn)行復(fù)雜計算，而是能夠直接查表求得，從而減小了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的處理時延和處理負(fù)荷，進(jìn)一步提高了尋路的效率。

另外一種安全機(jī)制是設(shè)置備份衛(wèi)星，平時不啟動備份星，只有在衛(wèi)星組中某顆衛(wèi)星遭到干擾或出現(xiàn)故障時才通過衛(wèi)星運(yùn)行中心使之機(jī)動到合適位置，并啟動它，使信息網(wǎng)的自組織、抗摧毀性能得到加強(qiáng)，保證天基信息網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量(QoS)。

5 結(jié)束語

把各類天基系統(tǒng)組成信息網(wǎng)發(fā)揮它們的最大作用已成為發(fā)展航天系統(tǒng)的共識。在一些不可預(yù)知的情況下，各空間節(jié)點(diǎn)的位置可能臨時發(fā)生變化或受到敵方攻擊，故如何增強(qiáng)信息節(jié)點(diǎn)鏈路之間的抗毀性，使天基信息網(wǎng)絡(luò)具有快速自組織能力，重新組網(wǎng)恢復(fù)通信，是保證戰(zhàn)場信息感知能力、保障作戰(zhàn)效能過程中必須要解決的一個問題。

本文從組網(wǎng)模型、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及路由抗毀設(shè)計幾個方面研究了多層分布式衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的快速自組織可重構(gòu)性。在軍事衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信息越來越重要的空天一體化戰(zhàn)爭中，抗毀性及重構(gòu)性是衡量一個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的重要性能，故本文的研究具有軍事上的實(shí)用意義。本文的下一步工作是對提出的網(wǎng)絡(luò)模型和可重構(gòu)路由方式進(jìn)行仿真并得出具體的結(jié)果和性能參數(shù)，以檢驗(yàn)所提方法的可行性。

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