星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)應(yīng)用蜂窩IP技術(shù)的研究

　　移動(dòng)通信與Internet技術(shù)的融合催生了移動(dòng)IP技術(shù)的產(chǎn)生。移動(dòng)IP技術(shù)主要解決通信終端或節(jié)點(diǎn)移動(dòng)接入因特網(wǎng)的問題，自其出現(xiàn)以來，就得到了迅速發(fā)展，并且引起了人們的普遍關(guān)注，目前已經(jīng)成為下一代基于全I(xiàn)P的移動(dòng)通信網(wǎng)的主要技術(shù)。衛(wèi)星通信系統(tǒng)作為下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的一部分，其采用IP技術(shù)與地面網(wǎng)絡(luò)的互連互通是大勢(shì)所趨，同時(shí)由于衛(wèi)星系統(tǒng)天然的用戶移動(dòng)性特點(diǎn)，應(yīng)用移動(dòng)IP技術(shù)也將是未來系統(tǒng)的重要選項(xiàng)。然而，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，由于衛(wèi)星一直處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其服務(wù)覆蓋區(qū)也一直處于變化當(dāng)中，因此，即使用戶處于靜止?fàn)顟B(tài)也面臨著頻繁的與衛(wèi)星的切換?；谏鲜鲈颍绻谙到y(tǒng)中直接使用移動(dòng)IP協(xié)議則必然存在由于切換而帶來的頻繁的路由更新，從而導(dǎo)致路由信息占用大量系統(tǒng)帶寬資源，同時(shí)也加大了對(duì)衛(wèi)星星上處理能力的要求。此外，移動(dòng)IP的三角路由缺陷還可能導(dǎo)致系統(tǒng)時(shí)延的進(jìn)一步增加和信令開銷的進(jìn)一步加大。因此，對(duì)移動(dòng)IP協(xié)議進(jìn)行適當(dāng)修改，增加對(duì)用戶微觀移動(dòng)性的考慮，如在系統(tǒng)中引入微移動(dòng)IP技術(shù)，可以更好地適應(yīng)衛(wèi)星系統(tǒng)特點(diǎn)。本文將討論把移動(dòng)IP的擴(kuò)展技術(shù)——蜂窩IP應(yīng)用到無星際鏈路星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可行性以及相關(guān)性能分析。

　　1 蜂窩IP技術(shù)簡介

　　蜂窩IP(Cellular IP)是微移動(dòng)IP協(xié)議的一種，他支持尋呼、被動(dòng)連接和快速切換等業(yè)務(wù)。該協(xié)議將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分成若干個(gè)蜂窩，每個(gè)蜂窩含有數(shù)個(gè)基站但只存在一個(gè)網(wǎng)關(guān)。當(dāng)用戶在一個(gè)蜂窩內(nèi)移動(dòng)時(shí)，盡管他有可能在多個(gè)基站間切換，但只要他不移動(dòng)到另一個(gè)蜂窩中，就不需要向家代理(HA)發(fā)送注冊(cè)信息。在Cellular網(wǎng)絡(luò)中，基站周期性的發(fā)射信標(biāo)信號(hào)，移動(dòng)主機(jī)利用這些信標(biāo)信號(hào)來確定最近的基站。移動(dòng)用戶發(fā)出的所有分組，不根據(jù)目的IP地址進(jìn)行選路，而是從基站向網(wǎng)關(guān)以逐跳方式沿最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)。移動(dòng)主機(jī)的上行分組觸發(fā)和更新著的多個(gè)映射構(gòu)成一個(gè)鏈，該鏈實(shí)際上構(gòu)成了用于轉(zhuǎn)發(fā)下行分組的反向路徑。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)發(fā)生移動(dòng)時(shí)，映射構(gòu)成的鏈路通過更新映射關(guān)系來指向新的位置。

　　Cellular IP支持尋呼業(yè)務(wù)。當(dāng)移動(dòng)主機(jī)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)必須逐個(gè)基站跟蹤其位置，以保證分組可以傳送到移動(dòng)主機(jī)。因此，移動(dòng)主機(jī)必須在每次切換后馬上通知網(wǎng)絡(luò)其新的位置，網(wǎng)絡(luò)必須保證其對(duì)移動(dòng)主機(jī)的精確位置跟蹤。然而在現(xiàn)實(shí)中，相當(dāng)多的用戶在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)是處于不工作狀態(tài)的，如果采用對(duì)活動(dòng)用戶的跟蹤方式，將勢(shì)必占用大量網(wǎng)絡(luò)資源，為此，蜂窩IP引入了尋呼功能。其核心構(gòu)造是在蜂窩節(jié)點(diǎn)引入兩套緩存機(jī)制即路由緩存和尋呼緩存，對(duì)活動(dòng)主機(jī)使用路由緩存，對(duì)空閑主機(jī)使用尋呼緩存。系統(tǒng)將網(wǎng)絡(luò)劃分成不同的尋呼區(qū)域，每個(gè)尋呼區(qū)域由相當(dāng)數(shù)量的相鄰的小區(qū)組成(認(rèn)為每個(gè)小區(qū)有一個(gè)基站)，并且有惟一的標(biāo)識(shí)。基站在周期性的發(fā)送的信標(biāo)信號(hào)中加入尋呼區(qū)域的標(biāo)識(shí)，以使移動(dòng)主機(jī)能夠確定自己移動(dòng)到哪個(gè)尋呼區(qū)域。Cellular IP網(wǎng)絡(luò)允許空閑主機(jī)在一個(gè)尋呼區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，并不需要在每個(gè)小區(qū)的邊界發(fā)送位置更新包。移動(dòng)用戶只需要在移動(dòng)到不同尋呼區(qū)時(shí)或者是在尋呼更新時(shí)刻到達(dá)時(shí)發(fā)送更新包。

　　處于空閑狀態(tài)的移動(dòng)用戶發(fā)送分組數(shù)據(jù)的過程與處于活動(dòng)狀態(tài)的用戶基本相同，分組沿最短路徑以逐跳方式路由到網(wǎng)關(guān)，以此觸發(fā)或更新映射鏈，同時(shí)該鏈也作為轉(zhuǎn)發(fā)下行分組的反向路徑。

　　移動(dòng)主機(jī)接收突發(fā)分組數(shù)據(jù)的過程稍顯復(fù)雜。當(dāng)IP包到達(dá)一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，首先查尋該節(jié)點(diǎn)的路由緩存是否可用，如可用則向下轉(zhuǎn)發(fā)，一旦發(fā)現(xiàn)該節(jié)點(diǎn)不存在移動(dòng)用戶的路由信息或者路由信息已經(jīng)過時(shí)不可用，則使用尋呼緩存來路由該包。由于尋呼緩存并不在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上都存在，如果該節(jié)點(diǎn)無尋呼緩存，則將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給所有的下行鄰居。如果數(shù)據(jù)包到達(dá)的節(jié)點(diǎn)的尋呼緩存中沒有到達(dá)目地節(jié)點(diǎn)的映射，則將該包丟棄。

　　2 應(yīng)用蜂窩IP技術(shù)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

　　蜂窩IP技術(shù)在星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有天然的適應(yīng)性。星座系統(tǒng)由數(shù)個(gè)衛(wèi)星對(duì)地面進(jìn)行不間斷覆蓋，每顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)即可以理解為一個(gè)蜂窩區(qū)域，整個(gè)地球即被分成數(shù)個(gè)蜂窩域。然而，若以一個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)作為一個(gè)蜂窩，由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，其地面覆蓋區(qū)也一直處于運(yùn)動(dòng)之中，此時(shí)必然引起頻繁的切換和較大的路由信令開銷。又由于在不存在星際鏈路的衛(wèi)星系統(tǒng)中，任何用戶間(包括網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)外)的通信都需要地面信關(guān)站的轉(zhuǎn)發(fā)，因此，設(shè)定以一個(gè)地面信關(guān)站的實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)作為一個(gè)蜂窩。地面信關(guān)站的實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)即為在滿足最小仰角的情況下，該區(qū)域的任何點(diǎn)在任何時(shí)刻都與該信關(guān)站至少共視一顆衛(wèi)星。圖1仿真了最小仰角30°時(shí)北京信關(guān)站(經(jīng)度116.5°，緯度39.9°，圖中黑色五角星處)的實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)，圖2在圖1的基礎(chǔ)上增加了烏魯木齊信關(guān)站(經(jīng)度87.5°，緯度43.9°)的實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)。仿真使用的空間段為類Globalstar星座，共有48顆星分成8個(gè)軌道，每軌道6顆星呈Walker星座分布。為便于地面站觀測(cè)，將軌道高度設(shè)為1 414 km(周期為113 min，此時(shí)為回歸軌道)。同時(shí)為簡化衛(wèi)星星體結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星無星際鏈路，只是單純的轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，為彎管式轉(zhuǎn)發(fā)器。

　　由圖2可知，在不同仰角的情況下，只要適當(dāng)設(shè)置關(guān)口站并通過地面網(wǎng)使各個(gè)關(guān)口站互連，就可實(shí)現(xiàn)全球的無縫覆蓋。在該系統(tǒng)中，以信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)作為一個(gè)蜂窩，同時(shí)將信關(guān)站作為該蜂窩域的網(wǎng)關(guān)，他負(fù)責(zé)為整個(gè)域內(nèi)的移動(dòng)用戶提供登記、注冊(cè)、位置管理和資費(fèi)管理等服務(wù)。信關(guān)站也作為該區(qū)域內(nèi)的家代理(HA)或者外地代理(FA)，用戶在本區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，即使在多顆衛(wèi)星間切換，也不需要向家代理(HA)登記，而一旦漫游到另一個(gè)信關(guān)站覆蓋區(qū)，則用戶通過衛(wèi)星將注冊(cè)信息發(fā)送到外區(qū)信關(guān)站(此時(shí)作為FA)，外區(qū)信關(guān)站然后通過地面網(wǎng)絡(luò)向該用戶的家代理(HA)登記。根據(jù)Cellular IP分布式數(shù)據(jù)庫原理，系統(tǒng)各信關(guān)站分別存儲(chǔ)該域內(nèi)的用戶位置信息，并且要求其存在路由和尋呼兩套緩存機(jī)制。

　　在該系統(tǒng)中，衛(wèi)星只是發(fā)揮類似地面網(wǎng)基站的功能，他負(fù)責(zé)為覆蓋區(qū)內(nèi)的用戶提供無線接入服務(wù)。為了減少系統(tǒng)信令開銷，衛(wèi)星雖然不具備星上處理能力，但仍然要求其帶有一定的緩存機(jī)制，即要求其存在路由緩存而不需要存在尋呼緩存。

　　整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，信關(guān)站與衛(wèi)星通過星地鏈路相連，而信關(guān)站之間則通過地面網(wǎng)絡(luò)互連。為了進(jìn)一步減小系統(tǒng)信令開銷，根據(jù)Cellular IP的基本原理，對(duì)活動(dòng)主機(jī)要求逐個(gè)衛(wèi)星連續(xù)跟蹤，即一旦與衛(wèi)星切換，則立即通知該信關(guān)站，因此將一個(gè)信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)作為對(duì)活動(dòng)主機(jī)的一個(gè)路由服務(wù)域，如圖3實(shí)線所示，所有信關(guān)站間都進(jìn)行路由緩存信息的交流。而對(duì)于空閑的移動(dòng)用戶，跟蹤粒度相對(duì)較松，根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)特點(diǎn)，可以適當(dāng)擴(kuò)大尋呼區(qū)域，即將幾個(gè)相鄰信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)當(dāng)作一個(gè)尋呼區(qū)域，在實(shí)際操作中，可根據(jù)國界或地理區(qū)域的限制將數(shù)個(gè)信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)作為一個(gè)尋呼區(qū)，并把其中一個(gè)信關(guān)站尋呼緩存當(dāng)作總尋呼路由緩存，而只把其他信關(guān)站的緩存作為分尋呼緩存，如圖3虛線所示，將三個(gè)信關(guān)站作為一個(gè)尋呼區(qū)域，尋呼緩存信息只在本尋呼區(qū)域內(nèi)的信關(guān)站問交流，具體工作過程將在下面說明。

　　3 星座通信系統(tǒng)切換、位置管理和路由方案

　　3.1 切換管理

　　在該衛(wèi)星通信系統(tǒng)中有三種切換發(fā)生，分別是衛(wèi)星與地面信關(guān)站的切換、用戶與覆蓋衛(wèi)星的切換、用戶到不同信關(guān)站覆蓋區(qū)的切換。由圖1、圖2可知，在最小仰角為30°時(shí)，信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)區(qū)域已相當(dāng)縮小，在考慮高速寬帶業(yè)務(wù)時(shí)，可能需要更高的仰角，因此其覆蓋區(qū)將進(jìn)一步變小，進(jìn)而導(dǎo)致移動(dòng)用戶(特別是對(duì)飛機(jī)等在大范圍移動(dòng)的用戶)在不同信關(guān)站間的切換將經(jīng)常發(fā)生。根據(jù)蜂窩IP的概念，這種切換實(shí)際上是在相鄰蜂窩小區(qū)間進(jìn)行，其切換準(zhǔn)則只需采用與地面移動(dòng)通信系統(tǒng)相類似的協(xié)議。對(duì)于衛(wèi)星與地面站的切換，由于地面信關(guān)站往往具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)處理和運(yùn)算能力，并且由于衛(wèi)星星歷在相當(dāng)精度內(nèi)具有可預(yù)測(cè)性，因此這種切換可以由地面站單向控制，具體采用何種切換準(zhǔn)則需要和用戶與衛(wèi)星間的切換準(zhǔn)則進(jìn)行綜合考慮。一旦切換發(fā)生后，信關(guān)站應(yīng)立即讓所屬衛(wèi)星停止發(fā)送含有以前的蜂窩區(qū)域標(biāo)識(shí)及尋呼區(qū)域標(biāo)識(shí)的信標(biāo)信號(hào)，轉(zhuǎn)而發(fā)送帶有新的標(biāo)識(shí)的信標(biāo)信號(hào)。

　　任一時(shí)刻用戶可能接收到屬于不同信關(guān)站的多個(gè)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)的信標(biāo)信號(hào)，由于蜂窩IP被動(dòng)連接和快速切換的要求，用戶首先要甄別自己在哪個(gè)信關(guān)站的實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)內(nèi)，此時(shí)用戶可根據(jù)最強(qiáng)最多的標(biāo)識(shí)信號(hào)自主判決。當(dāng)知道自己所屬位置區(qū)后，用戶根據(jù)信標(biāo)信號(hào)中的標(biāo)識(shí)信息，只對(duì)含有自己所屬信關(guān)站標(biāo)識(shí)信號(hào)的信標(biāo)信號(hào)進(jìn)行比較處理?？紤]到移動(dòng)用戶機(jī)的體積、重量要求，其計(jì)算能力將受到限制，因此對(duì)于他采用簡單的信號(hào)最強(qiáng)準(zhǔn)則進(jìn)行切換，即用戶一旦檢測(cè)到比當(dāng)前信號(hào)強(qiáng)的信標(biāo)信號(hào)則馬上切換到該衛(wèi)星，上行分組從而通過該衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)到信關(guān)站，衛(wèi)星及信關(guān)站在轉(zhuǎn)發(fā)過程中記錄或更新新的路由，同時(shí)將老路由刪除，并以此反向路徑轉(zhuǎn)發(fā)下行分組。

　　3.2 位置管理與路由方案

　　使用蜂窩IP技術(shù)的星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)，其位置管理與路由方案與在地面系統(tǒng)中類似，也分為活動(dòng)和空閑兩種控制管理機(jī)制。在用戶活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，用戶發(fā)出的上行分組數(shù)據(jù)先通過衛(wèi)星路由到覆蓋區(qū)地面站，然后根據(jù)IP地址轉(zhuǎn)發(fā)至目的地，衛(wèi)星及地面信關(guān)站也據(jù)此分組保存用戶位置信息及路由信息，同時(shí)將其反向鏈路作為下行分組的轉(zhuǎn)發(fā)路徑；當(dāng)需要接收數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)包先發(fā)送到信關(guān)站，然后查詢本地路由緩存，若存在用戶路由信息，則向指定衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，然后路由到用戶，若不存在，則丟棄該包。在用戶空閑狀態(tài)時(shí)，當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其上行分組通過信標(biāo)信號(hào)最強(qiáng)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)至覆蓋區(qū)信關(guān)站，此時(shí)，用戶路由及位置信息已經(jīng)更新(或者建立)，用戶由空閑轉(zhuǎn)為活動(dòng)；當(dāng)有分組轉(zhuǎn)發(fā)至該用戶時(shí)，IP數(shù)據(jù)包先轉(zhuǎn)發(fā)至含有主尋呼緩存的信關(guān)站，查詢主尋呼緩存，根據(jù)查詢結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)分組，若屬于本信關(guān)站覆蓋區(qū)，則通過所屬衛(wèi)星廣播，用戶接收到分組后被激活，若不屬于本信關(guān)站覆蓋區(qū)，則向與其同屬一個(gè)尋呼域的含有分尋呼緩存的信關(guān)站轉(zhuǎn)發(fā)，用戶收到分組后也被激活。

　　用戶處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，每切換到一新的衛(wèi)星覆蓋區(qū)，則發(fā)送路由更新包；處于空閑狀態(tài)時(shí)，則只到尋呼超期時(shí)刻或漫游到另一尋呼區(qū)域時(shí)才發(fā)送尋呼更新包。衛(wèi)星及地面信關(guān)站的緩存均設(shè)定超期更新時(shí)間，一旦過時(shí)，則緩存就設(shè)定為不可用狀態(tài)。同時(shí)，為了貫徹尋呼區(qū)域的概念，屬于同一尋呼域的含有分尋呼緩存的信關(guān)站應(yīng)當(dāng)向含有主尋呼緩存的信關(guān)站交流信息。為了移動(dòng)用戶機(jī)的正常工作，衛(wèi)星周期性發(fā)送的信標(biāo)信號(hào)中除了應(yīng)包括信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)位置信息，還應(yīng)該包含尋呼域信息。

　　移動(dòng)用戶機(jī)路由或?qū)ず袅鞒虉D如圖4所示。

　　4 性能分析

　　相對(duì)于普通的星座通信系統(tǒng)，引入IP概念后可以極大程度上滿足未來寬帶業(yè)務(wù)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展要求，也便于與下一代地面網(wǎng)的兼容，同時(shí)根據(jù)IP特點(diǎn)，通過適當(dāng)設(shè)置IP報(bào)頭，可以將系統(tǒng)控制與數(shù)據(jù)傳輸綜合考慮，簡化現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。

　　衛(wèi)星通信系統(tǒng)采用蜂窩IP技術(shù)相對(duì)于直接使用移動(dòng)IP技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)以信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區(qū)來劃分和區(qū)別蜂窩，其蜂窩要比普通地面系統(tǒng)或者單顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)大的多，因此可以減少用戶在不同蜂窩間切換的概率；

　　(2)Cellular IP支持尋呼業(yè)務(wù)，無論是從業(yè)務(wù)需求或是減少信令方面考慮，都是非常必要并且實(shí)用的；

　　(3)Cellular IP將大量的路由、查詢功能放到了地面信關(guān)站，在衛(wèi)星只是加上了簡單的路由緩存機(jī)制，極大地簡化了并且降低了對(duì)衛(wèi)星的要求，增加了系統(tǒng)的可靠性；

　　(4)信關(guān)站覆蓋區(qū)和尋呼區(qū)域的概念，一定程度上可以以一國國土范圍為界，充分考慮到了各國的信息安全和主權(quán)，便于世界各國間的合作。

　　5 結(jié) 語

　　微移動(dòng)IP協(xié)議在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中有相當(dāng)大的應(yīng)用空間，本文只是從下一代網(wǎng)絡(luò)全I(xiàn)P的方向考慮，探討了將Cellular IP技術(shù)運(yùn)用到星座衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可能性，并根據(jù)蜂窩IP的相關(guān)原理，對(duì)無星際鏈路的衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，并且對(duì)網(wǎng)絡(luò)的切換、路由和位置管理進(jìn)行了分析。蜂窩IP技術(shù)相對(duì)于純移動(dòng)IP技術(shù)，應(yīng)運(yùn)到衛(wèi)星通信系統(tǒng)中能極大的提高移動(dòng)性管理的效率、縮短時(shí)延，降低丟包率，但由于該技術(shù)是為地面網(wǎng)設(shè)計(jì)，對(duì)基站移動(dòng)的情況未作考慮，因此下一步還需要在系統(tǒng)的切換問題上進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，同時(shí)對(duì)其他方面作一些定量分析，以確實(shí)該技術(shù)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)用性，這是下一步的工作。