周家喜，張正宇，顧 鈺

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引 言

天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)由涵蓋陸、海、空、臨、天在內(nèi)的多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)組成，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型多樣，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高動態(tài)變化。隨著近年來臨近空間平臺的大力發(fā)展，平流層飛艇、高空長航時(shí)無人機(jī)等臨近空間平臺，也加入到天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)中。該類平臺的快速移動性導(dǎo)致天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)具有更高的動態(tài)性。為了實(shí)現(xiàn)信息在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的無縫高效傳輸，除了需要設(shè)計(jì)有效的傳輸協(xié)議連接所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，還要研究高效的移動性管理和切換管理策略。

在移動性管理方面，目前主要都是基于移動IPv6（Mobile IPv6）的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動性管理方法開展相關(guān)研究工作[1-4]。它的核心思想是將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)采用改進(jìn)的IPv6協(xié)議進(jìn)行位置管理。

由于需要保持IP衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與地面網(wǎng)絡(luò)IP節(jié)點(diǎn)之間的連通性，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)主要的問題是解決網(wǎng)絡(luò)的切換管理問題，即節(jié)點(diǎn)移動狀態(tài)下的通信連續(xù)性問題。2004-2005年，IETF組織分別提出快速移動IPv6（Fast Mobile IPv6，F(xiàn)MIPv6）協(xié)議、分層移動IPv6（Hierarchy Mobile IPv6，HMIPv6）協(xié)議以及快速分層移動IPv6（Fast Hierarchy Mobile IPv6，F(xiàn)HMIPv6） 協(xié)議[5]。而對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)高速頻繁運(yùn)動導(dǎo)致切換頻繁的問題，文獻(xiàn)[6]中提出了一種基于傳輸層的端到端的無縫切換方法；文獻(xiàn)[7]提出了一種基于衛(wèi)星和用戶運(yùn)動模式的切換方法，能夠減小延時(shí)、降低包丟失概率和切換阻塞概率；文獻(xiàn)[8]提出了一種利用資源分配的自適應(yīng)切換策略，以改善用戶的QoS。針對地空數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的越區(qū)切換問題，文獻(xiàn)[9]提出了一種基于目標(biāo)運(yùn)動估計(jì)的越區(qū)切換優(yōu)化策略，以提高地空通信保障的可靠性。當(dāng)用戶處于有規(guī)律的運(yùn)動狀態(tài)時(shí)，文獻(xiàn)[10]提出了一種基于馬爾科夫鏈的運(yùn)動軌跡預(yù)測的切換方法，能夠最小化切換中斷概率，減少切換控制信令的消耗。

以上動態(tài)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)移動性管理和切換管理主要考慮的是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)之間的切換策略，對于臨近空間平臺涉及較少。對于天空地一體化信息網(wǎng)絡(luò)，鄰近空間平臺將是未來一個(gè)重要的發(fā)展方向。而臨近空間平臺運(yùn)動特性與衛(wèi)星等平臺差別較大，因此在天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建模、分析時(shí)需要進(jìn)行綜合全面的考慮。

1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模

基于臨近空間平臺的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)之間的鏈接組成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。不同于平面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是三維立體的，且網(wǎng)絡(luò)中由于設(shè)備多樣、設(shè)備能力與任務(wù)功能各不相同。鄰近空間飛艇、無人機(jī)等平臺的運(yùn)動特性與衛(wèi)星、地面節(jié)點(diǎn)均存在較大差異。為了對網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，需要先構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)圖，分析節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置、節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中具有的能力（骨干節(jié)點(diǎn)、接入節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)等）和節(jié)點(diǎn)自身的基本屬性（如節(jié)點(diǎn)位置、軌道參數(shù)、覆蓋范圍等），進(jìn)而對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類，并定性地描述節(jié)點(diǎn)屬性。簡化的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層次圖，如圖1所示。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層次圖

1.1 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靜態(tài)建模

在對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模前，首先需根據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)層次和節(jié)點(diǎn)的基本屬性對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽象化。節(jié)點(diǎn)屬性可以簡單分為三個(gè)大類：節(jié)點(diǎn)編號、節(jié)點(diǎn)類型和節(jié)點(diǎn)屬性。

節(jié)點(diǎn)編號（Num）：節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識編號。

節(jié)點(diǎn)類型（Type）：可根據(jù)其確定是哪類節(jié)點(diǎn)，如高軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星、平流層飛艇、無人機(jī)、地面節(jié)點(diǎn)、骨干節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)等。節(jié)點(diǎn)類型既可以是單一類型，也可以是多種類型的組合。

節(jié)點(diǎn)屬性（NodeProperty）：表示節(jié)點(diǎn)的屬性，如本地緩存大小、軌道參數(shù)、天線類型、工作頻段、是否與周圍節(jié)點(diǎn)建立鏈接等。

節(jié)點(diǎn)可以形式化表示為：

以臨近空間平臺的飛艇節(jié)點(diǎn)為例。如果它的節(jié)點(diǎn)類型為激光中繼節(jié)點(diǎn)，則表示其主要功能是實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星上的激光通信數(shù)據(jù)到飛艇，然后再通過微波鏈路傳輸?shù)降孛婀?jié)點(diǎn)；如果它的屬性中有激光通信頻段，那么表示飛艇與上層衛(wèi)星具有激光高速鏈路，以保證寬帶高速傳輸。

完成了節(jié)點(diǎn)的形式化表示，則可以通過節(jié)點(diǎn)模型對鏈接進(jìn)行建模。鏈接指節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)間建立的有效數(shù)據(jù)傳輸通路。根據(jù)節(jié)點(diǎn)屬性，判斷節(jié)點(diǎn)間是否有鏈接以及決定鏈接的屬性。一條鏈接主要包括基本屬性和特殊屬性，可以描述為：

其中OriNode為源節(jié)點(diǎn)，DestNode為目的節(jié)點(diǎn)，LinkProperty則描述鏈路的屬性（如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間鏈接的開始時(shí)間與中斷時(shí)間、鏈路類型、通信頻段、通信速率等）。

在節(jié)點(diǎn)與鏈接的建?；A(chǔ)上，即可對多層網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行建模。空間信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)隨時(shí)間演化的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)，但在某一個(gè)很短的時(shí)間內(nèi)可以將網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔潭ú蛔?，可以畫出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞撵o態(tài)模型反映了某一時(shí)刻的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征，模型可表示為：

Topol(t,Node,Link) （3）

其中t表示觀測網(wǎng)絡(luò)的某一時(shí)刻，Node表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集合，Link表示在該時(shí)刻的網(wǎng)絡(luò)鏈接集合。根據(jù)模型可以用拓?fù)鋱D來表示當(dāng)前時(shí)刻的空間信息網(wǎng)絡(luò)，直觀清楚地了解某時(shí)刻網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的狀態(tài)，如節(jié)點(diǎn)間的鏈接情況、節(jié)點(diǎn)與目標(biāo)區(qū)域的鏈接數(shù)量等。拓?fù)鋱D模型定義如下：

TG={t,M,NP,LP} （4）

其中t表示空間信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)某一時(shí)刻；M為鏈接矩陣，標(biāo)識節(jié)點(diǎn)間是否存在鏈路連接；NP（Node Property）表示節(jié)點(diǎn)本地緩存大小、天線形式、軌道參數(shù)等屬性；LP（Link Property）表示鏈路的時(shí)延、速率等屬性。圖2為包含5個(gè)節(jié)點(diǎn)的拓?fù)鋱D簡化示例，圖中鏈接功能屬性只標(biāo)注了最大速率，節(jié)點(diǎn)屬性只標(biāo)注了源和目的節(jié)點(diǎn)和本地緩存容量。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)鏈接拓?fù)?/p>

圖2 也可以用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形象化表示為節(jié)點(diǎn)集、鏈接集和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼?，簡化為?/p>

節(jié)點(diǎn)集N={Num,Buf }，Num表示節(jié)點(diǎn)編號，Buf表示節(jié)點(diǎn)的本地緩存容量。

鏈接集Link={OriNode,DestNode,Rate}，分別表示源節(jié)點(diǎn)、目的節(jié)點(diǎn)和鏈路的最大速率。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼篢G={t,M,NP,LP}，其中M表示5個(gè)節(jié)點(diǎn)間的相互連接關(guān)系，NP表示各個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地緩存容量大小，LP表示兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最大通信速率，分別為：

1.2 空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動態(tài)建模

靜態(tài)建模只能表示某個(gè)時(shí)間點(diǎn)或很短時(shí)間段內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)隨著時(shí)間運(yùn)動、節(jié)點(diǎn)位置、節(jié)點(diǎn)部分屬性是變化的。為了表示網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)間的變化特性和網(wǎng)絡(luò)整體的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫阅?，需要建立空間信息網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動態(tài)模型。

天地一體化網(wǎng)絡(luò)的空間維度較大，節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動相對而言變化較慢?；诠?jié)點(diǎn)的軌跡可預(yù)測性，可以將全時(shí)間域分成若干個(gè)時(shí)間片，認(rèn)為在一個(gè)相對較短的時(shí)間片內(nèi)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定不變。這個(gè)時(shí)間片內(nèi)的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用上述的靜態(tài)建模方法進(jìn)行建模。為了反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)間的演化，可以使用一系列連續(xù)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)表示動態(tài)拓?fù)?。下一個(gè)靜態(tài)結(jié)構(gòu)相對上一個(gè)靜態(tài)結(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)間鏈接的部分特性（如鏈接距離、通信速率、天線俯仰角、節(jié)點(diǎn)間距離等）會發(fā)生變化。

2 動態(tài)組網(wǎng)建模下的無線資源管理

無線資源管理通常包含隊(duì)列管理和移動性管理。隊(duì)列管理是根據(jù)業(yè)務(wù)的優(yōu)先級定義，優(yōu)先保證重要業(yè)務(wù)的可靠傳輸；移動性管理則是通過優(yōu)化移動終端節(jié)點(diǎn)的位置管理策略，以最小化移動性管理成本。

2.1 動態(tài)建模動態(tài)組網(wǎng)建模下的優(yōu)先級管理策略

網(wǎng)絡(luò)中存在大量的不同用戶，各個(gè)用戶傳輸?shù)男畔⒁哺鞑幌嗤?，則定義用戶優(yōu)先級和業(yè)務(wù)優(yōu)先級，分別表示不同用戶、不同類型業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。然后，綜合考慮用戶優(yōu)先級和業(yè)務(wù)優(yōu)先級來確定傳輸優(yōu)先級。網(wǎng)絡(luò)則設(shè)計(jì)為優(yōu)先保障傳輸優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)。

用戶可以分為普通用戶和特殊用戶兩種。特殊用戶的優(yōu)先級高于普通用戶，用戶優(yōu)先級定義如下：

業(yè)務(wù)優(yōu)先級則根據(jù)業(yè)務(wù)具體類型確定，主要考慮業(yè)務(wù)的最大時(shí)延容忍度、重要程度等參數(shù)信息。為保證網(wǎng)絡(luò)能服務(wù)更多業(yè)務(wù)，通常設(shè)計(jì)為速率需求越小的業(yè)務(wù)優(yōu)先級越高，保證同類業(yè)務(wù)中速率小的優(yōu)先級更高。在節(jié)點(diǎn)吞吐量一定的情況下，可以容納更多的用戶傳輸業(yè)務(wù)，即增大節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)容量。業(yè)務(wù)優(yōu)先級定義如下：

其中，Ii和Ti分別為業(yè)務(wù)i的重要程度和最大時(shí)延容忍度，即重要程度越高，優(yōu)先級也越高，要求時(shí)延越小的業(yè)務(wù)優(yōu)先級越高。

傳輸優(yōu)先級定義為用戶優(yōu)先級與業(yè)務(wù)優(yōu)先級的乘積，即：

表示傳輸優(yōu)先級高的業(yè)務(wù)優(yōu)先傳輸，即在網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生擁塞時(shí)優(yōu)先丟棄傳輸優(yōu)先級低的業(yè)務(wù)包。對于業(yè)務(wù)i，它的丟棄概率為：

故理論上優(yōu)先級為Wi和Wi+1的業(yè)務(wù)的平均吞吐量比值為：

由式（12）和式（13）可知，帶寬資源的預(yù)留和分配方案、業(yè)務(wù)包的丟棄時(shí)機(jī)會對擁塞概率 ()pt p(t)產(chǎn)生影響，從而影響網(wǎng)絡(luò)吞吐量。在基于優(yōu)先級的隊(duì)列管理策略下，優(yōu)先級更高的業(yè)務(wù)能夠獲得更好的傳輸保障。

2.2 網(wǎng)絡(luò)的移動性管理

在網(wǎng)絡(luò)的移動性管理方面，可以將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與鄰近空間平臺節(jié)點(diǎn)分類考慮。衛(wèi)星類節(jié)點(diǎn)可以采用軌道參數(shù)進(jìn)行定時(shí)更新的方式，而鄰近空間平臺節(jié)點(diǎn)則采用劃分區(qū)域管理的方式進(jìn)行移動性管理。

同步軌道衛(wèi)星的位置相對靜止，低軌衛(wèi)星的位置周期性變化，故系統(tǒng)位置數(shù)據(jù)庫中直接建立所有衛(wèi)星的時(shí)刻-位置對應(yīng)表，根據(jù)時(shí)刻查找對應(yīng)位置，無需周期性上報(bào)。僅當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星軌道有所變化時(shí)，再上報(bào)位置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新，以節(jié)省信令開銷。

臨近空間平臺以及地面終端的位置信息管理，采用不同于衛(wèi)星切換的移動性管理策略，可將全球分割成一系列區(qū)域。當(dāng)臨近空間平臺和終端移動到相鄰區(qū)域時(shí)，再改變其IP地址并上報(bào)位置數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更新。IP區(qū)域大小的劃分可根據(jù)實(shí)際組網(wǎng)情況和可容納用戶數(shù)目進(jìn)行設(shè)計(jì)。該方案設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)中移動速度慢的用戶較多時(shí)，對移動速度慢的用戶而言，位置更新間隔長、信令開銷較小。另外，本方案需集中管理IP地址映射，因此在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、工程實(shí)施時(shí)既可以設(shè)計(jì)專用具備網(wǎng)絡(luò)管理功能的同步軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，然后將網(wǎng)絡(luò)的移動性管理功能部署在該類衛(wèi)星上，也可以部署在地面控制中心進(jìn)行集中管理，最終周期性通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送更新至網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)。

2.3 移動性管理成本分析

假設(shè)控制消息包大小為M，在M相同時(shí)，移動性管理成本主要包括IP地址更新成本和節(jié)點(diǎn)位置更新成本。

IP地址更新時(shí)，更新節(jié)點(diǎn)和IP地址管理節(jié)點(diǎn)之間通常進(jìn)行三次握手，并且通知業(yè)務(wù)傳輸中的對方節(jié)點(diǎn)更改目的IP地址。設(shè)HMN,LD表示更新節(jié)點(diǎn)和IP地址管理節(jié)點(diǎn)之間的跳數(shù)，HMN,MN為某項(xiàng)業(yè)務(wù)鏈路的跳數(shù)，α表示更新節(jié)點(diǎn)的通信速率，則IP地址更新成本可以表示為：

節(jié)點(diǎn)在發(fā)送位置更新報(bào)文時(shí)，其位置更新成本為：

其中Rsc(t)為IP地址更新發(fā)生率。

基于以上分析，可以通過合理的劃分IP區(qū)域，設(shè)計(jì)位置更新機(jī)制，優(yōu)化移動性管理具體步驟和流程，使得移動性管理成本最小化。

3 結(jié) 語

本文在傳統(tǒng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，分析了鄰近空間平臺的加入對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)建模、資源管理的影響，對基于鄰近空間平臺的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了靜態(tài)和動態(tài)建模，并分析了動態(tài)組網(wǎng)建模下的隊(duì)列管理策略、移動性管理策略以及移動性管理成本，對我國規(guī)劃建設(shè)的“科技創(chuàng)新2030——重大工程”天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)具有一定的參考價(jià)值。

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