卫星网络分轨分簇管理策略

1相关工作

该算法中依照MEO卫星的每个快照周期的卫星覆盖区域对LEO按组划分，处在相同MEO卫星覆盖域内的LEO卫星为同一组，对于处在重叠覆盖域内的LEO会选择最近的一颗MEO，每个LEO卫星组都由相应的MEO卫星监控管理，MEO卫星依据下属LEO卫星发送来的链路状态信息为其计算最小延迟路径。提出了更为复杂的MLSN算法，在该算法中，卫星网络由GEO星座、MEO星座和LEO星座构成，其中GEO卫星是整个网络的决策中枢，GEO通过层间链路管理自己覆盖域内的MEO和LEO，MEO管理自己覆盖域内的LEO，每个LEO同时接入一个MEO和一个GEO，一个覆盖域内的卫星被划分为一组。文献[11]提出了一种算法，对SGRP中的管理架构进行了改进。在该算法中尽量扩大管理卫星的覆盖域，这样使得LEO卫星处在多个MEO卫星的管理覆盖域下，LEO与可视内的MEO都有层间链路，处在同一个MEO卫星下的覆盖域内的LEO卫星为一组，这会导致某些LEO被多个MEO管理。从上面可以看出传统的都是采用覆盖分域的管理方式，即将管理卫星可视范围内的低层LEO卫星划为一个域，由该管理卫星负责管理。首先这种方式要求卫星装备较多的链路收发设备，造成卫星有效载荷和整体设计实现难度增加。另外，这种管理方式要求必须有足够数量的管理卫星去实现全球覆盖，使得管理层星座设计比较复杂，增加了整个网络的成本。最后，在这种管理方式下，一旦某个LEO卫星移出或者移入某个管理卫星的范围就会导致整个管理关系的变化，管理关系频繁的变化，使得整个系统周期产生了很多时间碎片，大大增加了后面的时间片的划分难度。

2分轨分簇的网络结构

在卫星网络中存在三种链路，层间链路、轨间链路和轨内链路。轨内链路就是一个轨道内的卫星之间的链路，在任意的时间内，任意一个轨道内的卫星之间的连接关系不变，相对位置不变，不存在多普勒频移等现象，发生传输错误概率很小。而层间链路和轨间链路的连接关系随着时间的变化而变化。考虑到卫星网络的这个特点，我们将低层卫星的一个轨道作为一个簇，每个轨道设置一个簇头卫星，簇头负责管理本轨道内的卫星，然后一个或几个簇构成一个域，每个域又由一个高层卫星管理，也就是说高层管理卫星通过与域内的簇头通信来管理域内的所有低层卫星。这样设计带来了很明显的好处就是，管理卫星不需要直接覆盖域内所有的LEO卫星，使得其数目大大降低，另外由于簇头选择具有很强的灵活性使得对于管理卫星的位置要求不高。这使得我们可以将所有的管理卫星放在一个轨道上就能满足管理需求，管理卫星之间只存在轨内链路，他们之间的连接关系始终保持不变，这样就大大降低了管理层卫星星座设计的复杂度。簇头选择的依据是在该时间片内在该轨道上离管理卫星最近的一颗低层卫星。可以看出簇头随着时间在变，但是这不会影响到管理卫星和低层卫星之间的管理关系。

3具体的管理策略

由于卫星通信网络中各节点一直处在持续高速移动之中，导致卫星通信网络的拓扑结构的动态变化，但是卫星网络中卫星与移动自组网中节点完全随机运动不同，网络中卫星总是沿着固定的轨道以一定的速度运行，因此，卫星网络的拓扑是周期性变化的，具有可预测性。我们将整个周期划分成一定数量的等长时间片。在每个时间片内，卫星系统的拓扑基本上是不变的。在卫星系统部署之前要在地面离线做好以下工作：1）选择簇头和备份簇头：在地面上首先要划分好时间片，选择合适的时间片长。然后选出每个时间片内每个轨道的簇头和备份簇头。选择的依据是该簇头离管理层的某颗卫星的距离最短。2）给卫星预存数据信息库：每个卫星维护一个数据信息库，对于低层卫星来说，内容包括自己所在轨道内的卫星相对位置关系以及每个时间片的开始时间，每个时间片内自己所在轨道的簇头信息。对于簇头卫星来说，还得维护一份该时间片内它的管理者卫星的位置信息。对于管理层卫星来说，内容包括每个时间片内它要管理的轨道信息以及该轨道上的簇头信息和备份簇头信息。在卫星系统部署完毕之后，它的管理工作包括两个部分。首先是周期性的管理工作，在每个时间片的开始，管理卫星为自己域内的低层卫星计算路由。其次是触发事件的管理工作，当低层卫星发生一些意外事件，比如拥塞、卫星故障等等，就会触发管理卫星进行一些临时的额外的管理工作。

3.1周期性管理

周期性的管理工作主要是在每个时间开始的时候管理卫星为自己管理域内的低层卫星计算路由，用于该时间片内的数据转发，具体的流程如下：步骤1：当一个时间片开始的时候，低层卫星收集自身的链路状态信息，比如延迟、带宽等等，然后通过轨道内卫星的相对位置关系，将自己的状态信息以最小跳数发送给簇头。步骤2：簇头收集自己轨道内的链路状态信息，并进行判断是否收集完毕，如果是，就将链路状态信息进行汇总并发送给管理卫星。步骤3：管理卫星收集自己管理域内的链路状态信息，并进行判断是否收集完毕，如果是，就将自已域内的链路状态信息在管理轨道内泛洪。步骤4：管理卫星判断是否拥有了全网链路状态信息，如果有，就为自己管理域内的低层卫星计算路由表。步骤5：路由表计算完毕之后，管理卫星将其下发到自己域内的簇头卫星。步骤6：簇头卫星将路由表依次下发到该轨道内的每一个卫星。步骤7：低层卫星收到路由表并保存，在该时间片内利用这些路由表转发数据。

3.2触发性管理

一个低层卫星可能发生故障，或者发生拥塞，以及因为维护、测试等原因而暂时关闭，这些都会影响到整个网络的性能，甚至造成大量的丢包现象。在我们的管理策略中，一旦这种情况发生，将会采取如下方式处理：步骤1：故障卫星的邻居卫星检测到故障信息，首先在自己轨道内泛洪，该轨道内的其他卫星锁定故障卫星状态，然后簇头将这个信息发送给管理卫星。步骤2：管理卫星首先将这个故障信息在管理轨道内泛洪，然后所有管理卫星锁定故障卫星的状态，并生成一个故障报告给地面站或者控制中心。步骤3：管理卫星对其管理域内的低层卫星受到故障信息影响的那部分路由表进行更新，然后发送给管理域内的簇头。步骤4：簇头依次将这些更新的路由表通过轨内链路依次发送给对应的低层卫星。步骤5：低层卫星将收到的更新路由表替换掉受到故障信息影响那部分路由表。一旦故障卫星得到恢复就会触发另一次更新。

4仿真实验

我们仿真实验包括三个部分。首先，我们仿真计算了当管理卫星处于不同高度时，分轨分簇的管理策略所需要管理卫星的数目，并将其与传统的覆盖分域方式作了对比。然后我们仿真了在GEO/LEO双层网络下，两种管理策略的管理域随时间变化的情况。最后，我们仿真了在GEO/LEO双层网络下，两种管理策略在每个时间片的路由收敛时间。

4.1管理卫星数目随高度的变化情况

在仿真中，我们选择了一个类铱星系统的LEO星座作为低层卫星网络，管理卫星的高度变化范围为2000km~35786km，无论哪种策略，随着高度的增加，需要的管理卫星的数目不断减少。这主要是因为管理卫星越高，在LEO层上的覆盖范围越广，对覆盖分域策略来说能够管理的低层卫星也就越多，对分轨分簇管理策略来说能够管理的轨道数目也就越多。同样我们也可以看出分轨分簇的管理策略所需要的管理卫星数目在不同的高度下都比覆盖分域方式的要小得多，这主要是因为覆盖分域的方式必须要对整个LEO层实现全覆盖，而分轨分簇策略只需要覆盖轨道上的簇头即可。

4.2管理域随时间的变化情况

在仿真中，我们用卫星工具包STK模拟了一个GEO/LEO双层卫星网络，并将生成的数据导入到MATLAB中进行处理。每当管理域发生变化，即LEO卫星退出旧的管理卫星的管理域加入到新的管理卫星的管理域中，就会引起一次状态变化，在图3中我们用高度为1的脉冲表示在覆盖分域的策略下管理域的状态改变，用高度为2的脉冲表示分轨分簇的策略下管理域的状态改变。图中黑色区域表示状态改变很频繁。显然我们可以看到覆盖分域策略下管理域状态的改变要比分轨分簇策略下管理域状态改变要频繁的多，这大大增加了时间片划分的难度，而且状态改变一次就要在管理卫星之间通告一次，增大了整个系统的管理开销。

5.结束语

本文提出了一种分轨分簇的管理策略，每个轨道由一个簇头负责管理本轨道上的卫星，管理层的卫星只需要直接管理这些簇头即可。我们通过分析和仿真可以看出这种管理策略比传统的覆盖分域管理策略所需的卫星数目要小的多，并且降低管理层的星座设计复杂度。在对GEO/LEO双层卫星网络分别采用不同的管理策略时，可以看到传统的覆盖分域策略下管理域变化的要频繁的多，而两者的路由收敛时间相差不大。

作者:张承 郭薇 赵艳彬 单位:上海交通大学区域光纤通信网与新型光通信系统国家重点实验室 上海卫星工程研究所