衛(wèi)星網(wǎng)絡分軌分簇管理策略論文

　　1相關工作

　　該算法中依照MEO衛(wèi)星的每個快照周期的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域對LEO按組劃分，處在相同MEO衛(wèi)星覆蓋域內的LEO衛(wèi)星為同一組，對于處在重疊覆蓋域內的LEO會選擇最近的一顆MEO，每個LEO衛(wèi)星組都由相應的MEO衛(wèi)星監(jiān)控管理，MEO衛(wèi)星依據(jù)下屬LEO衛(wèi)星發(fā)送來的鏈路狀態(tài)信息為其計算最小延遲路徑。提出了更為復雜的MLSN算法，在該算法中，衛(wèi)星網(wǎng)絡由GEO星座、MEO星座和LEO星座構成，其中GEO衛(wèi)星是整個網(wǎng)絡的決策中樞，GEO通過層間鏈路管理自己覆蓋域內的MEO和LEO，MEO管理自己覆蓋域內的LEO，每個LEO同時接入一個MEO和一個GEO，一個覆蓋域內的衛(wèi)星被劃分為一組。文獻[11]提出了一種算法，對SGRP中的管理架構進行了改進。在該算法中盡量擴大管理衛(wèi)星的覆蓋域，這樣使得LEO衛(wèi)星處在多個MEO衛(wèi)星的管理覆蓋域下，LEO與可視內的MEO都有層間鏈路，處在同一個MEO衛(wèi)星下的覆蓋域內的LEO衛(wèi)星為一組，這會導致某些LEO被多個MEO管理。從上面可以看出傳統(tǒng)的都是采用覆蓋分域的管理方式，即將管理衛(wèi)星可視范圍內的低層LEO衛(wèi)星劃為一個域，由該管理衛(wèi)星負責管理。首先這種方式要求衛(wèi)星裝備較多的鏈路收發(fā)設備，造成衛(wèi)星有效載荷和整體設計實現(xiàn)難度增加。另外，這種管理方式要求必須有足夠數(shù)量的管理衛(wèi)星去實現(xiàn)全球覆蓋，使得管理層星座設計比較復雜，增加了整個網(wǎng)絡的成本。最后，在這種管理方式下，一旦某個LEO衛(wèi)星移出或者移入某個管理衛(wèi)星的范圍就會導致整個管理關系的變化，管理關系頻繁的變化，使得整個系統(tǒng)周期產(chǎn)生了很多時間碎片，大大增加了后面的時間片的劃分難度。

　　2分軌分簇的網(wǎng)絡結構

　　在衛(wèi)星網(wǎng)絡中存在三種鏈路，層間鏈路、軌間鏈路和軌內鏈路。軌內鏈路就是一個軌道內的衛(wèi)星之間的鏈路，在任意的時間內，任意一個軌道內的衛(wèi)星之間的連接關系不變，相對位置不變，不存在多普勒頻移等現(xiàn)象，發(fā)生傳輸錯誤概率很小。而層間鏈路和軌間鏈路的連接關系隨著時間的變化而變化。考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡的這個特點，我們將低層衛(wèi)星的一個軌道作為一個簇，每個軌道設置一個簇頭衛(wèi)星，簇頭負責管理本軌道內的衛(wèi)星，然后一個或幾個簇構成一個域，每個域又由一個高層衛(wèi)星管理，也就是說高層管理衛(wèi)星通過與域內的簇頭通信來管理域內的所有低層衛(wèi)星。這樣設計帶來了很明顯的好處就是，管理衛(wèi)星不需要直接覆蓋域內所有的LEO衛(wèi)星，使得其數(shù)目大大降低，另外由于簇頭選擇具有很強的靈活性使得對于管理衛(wèi)星的位置要求不高。這使得我們可以將所有的管理衛(wèi)星放在一個軌道上就能滿足管理需求，管理衛(wèi)星之間只存在軌內鏈路，他們之間的連接關系始終保持不變，這樣就大大降低了管理層衛(wèi)星星座設計的復雜度。簇頭選擇的依據(jù)是在該時間片內在該軌道上離管理衛(wèi)星最近的一顆低層衛(wèi)星�？梢钥闯龃仡^隨著時間在變，但是這不會影響到管理衛(wèi)星和低層衛(wèi)星之間的管理關系。

　　3具體的管理策略

　　由于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中各節(jié)點一直處在持續(xù)高速移動之中，導致衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的拓撲結構的動態(tài)變化，但是衛(wèi)星網(wǎng)絡中衛(wèi)星與移動自組網(wǎng)中節(jié)點完全隨機運動不同，網(wǎng)絡中衛(wèi)星總是沿著固定的軌道以一定的速度運行，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡的拓撲是周期性變化的，具有可預測性。我們將整個周期劃分成一定數(shù)量的等長時間片。在每個時間片內，衛(wèi)星系統(tǒng)的拓撲基本上是不變的。在衛(wèi)星系統(tǒng)部署之前要在地面離線做好以下工作：1）選擇簇頭和備份簇頭：在地面上首先要劃分好時間片，選擇合適的時間片長。然后選出每個時間片內每個軌道的簇頭和備份簇頭。選擇的依據(jù)是該簇頭離管理層的某顆衛(wèi)星的距離最短。2）給衛(wèi)星預存數(shù)據(jù)信息庫：每個衛(wèi)星維護一個數(shù)據(jù)信息庫，對于低層衛(wèi)星來說，內容包括自己所在軌道內的衛(wèi)星相對位置關系以及每個時間片的開始時間，每個時間片內自己所在軌道的簇頭信息。對于簇頭衛(wèi)星來說，還得維護一份該時間片內它的管理者衛(wèi)星的位置信息。對于管理層衛(wèi)星來說，內容包括每個時間片內它要管理的軌道信息以及該軌道上的簇頭信息和備份簇頭信息。在衛(wèi)星系統(tǒng)部署完畢之后，它的管理工作包括兩個部分。首先是周期性的管理工作，在每個時間片的開始，管理衛(wèi)星為自己域內的低層衛(wèi)星計算路由。其次是觸發(fā)事件的管理工作，當?shù)蛯有l(wèi)星發(fā)生一些意外事件，比如擁塞、衛(wèi)星故障等等，就會觸發(fā)管理衛(wèi)星進行一些臨時的額外的管理工作。

　　3.1周期性管理

　　周期性的管理工作主要是在每個時間開始的時候管理衛(wèi)星為自己管理域內的低層衛(wèi)星計算路由，用于該時間片內的數(shù)據(jù)轉發(fā)，具體的流程如下：步驟1：當一個時間片開始的時候，低層衛(wèi)星收集自身的鏈路狀態(tài)信息，比如延遲、帶寬等等，然后通過軌道內衛(wèi)星的相對位置關系，將自己的狀態(tài)信息以最小跳數(shù)發(fā)送給簇頭。步驟2：簇頭收集自己軌道內的鏈路狀態(tài)信息，并進行判斷是否收集完畢，如果是，就將鏈路狀態(tài)信息進行匯總并發(fā)送給管理衛(wèi)星。步驟3：管理衛(wèi)星收集自己管理域內的鏈路狀態(tài)信息，并進行判斷是否收集完畢，如果是，就將自已域內的鏈路狀態(tài)信息在管理軌道內泛洪。步驟4：管理衛(wèi)星判斷是否擁有了全網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息，如果有，就為自己管理域內的低層衛(wèi)星計算路由表。步驟5：路由表計算完畢之后，管理衛(wèi)星將其下發(fā)到自己域內的簇頭衛(wèi)星。步驟6：簇頭衛(wèi)星將路由表依次下發(fā)到該軌道內的每一個衛(wèi)星。步驟7：低層衛(wèi)星收到路由表并保存，在該時間片內利用這些路由表轉發(fā)數(shù)據(jù)。

　　3.2觸發(fā)性管理

　　一個低層衛(wèi)星可能發(fā)生故障，或者發(fā)生擁塞，以及因為維護、測試等原因而暫時關閉，這些都會影響到整個網(wǎng)絡的性能，甚至造成大量的丟包現(xiàn)象。在我們的管理策略中，一旦這種情況發(fā)生，將會采取如下方式處理：步驟1：故障衛(wèi)星的鄰居衛(wèi)星檢測到故障信息，首先在自己軌道內泛洪，該軌道內的其他衛(wèi)星鎖定故障衛(wèi)星狀態(tài)，然后簇頭將這個信息發(fā)送給管理衛(wèi)星。步驟2：管理衛(wèi)星首先將這個故障信息在管理軌道內泛洪，然后所有管理衛(wèi)星鎖定故障衛(wèi)星的狀態(tài)，并生成一個故障報告給地面站或者控制中心。步驟3：管理衛(wèi)星對其管理域內的低層衛(wèi)星受到故障信息影響的那部分路由表進行更新，然后發(fā)送給管理域內的簇頭。步驟4：簇頭依次將這些更新的路由表通過軌內鏈路依次發(fā)送給對應的低層衛(wèi)星。步驟5：低層衛(wèi)星將收到的更新路由表替換掉受到故障信息影響那部分路由表。一旦故障衛(wèi)星得到恢復就會觸發(fā)另一次更新。

　　4仿真實驗

　　我們仿真實驗包括三個部分。首先，我們仿真計算了當管理衛(wèi)星處于不同高度時，分軌分簇的管理策略所需要管理衛(wèi)星的數(shù)目，并將其與傳統(tǒng)的覆蓋分域方式作了對比。然后我們仿真了在GEO/LEO雙層網(wǎng)絡下，兩種管理策略的管理域隨時間變化的情況。最后，我們仿真了在GEO/LEO雙層網(wǎng)絡下，兩種管理策略在每個時間片的路由收斂時間。

　　4.1管理衛(wèi)星數(shù)目隨高度的變化情況

　　在仿真中，我們選擇了一個類銥星系統(tǒng)的LEO星座作為低層衛(wèi)星網(wǎng)絡，管理衛(wèi)星的高度變化范圍為2000km~35786km，無論哪種策略，隨著高度的增加，需要的管理衛(wèi)星的數(shù)目不斷減少。這主要是因為管理衛(wèi)星越高，在LEO層上的覆蓋范圍越廣，對覆蓋分域策略來說能夠管理的低層衛(wèi)星也就越多，對分軌分簇管理策略來說能夠管理的軌道數(shù)目也就越多。同樣我們也可以看出分軌分簇的管理策略所需要的管理衛(wèi)星數(shù)目在不同的高度下都比覆蓋分域方式的要小得多，這主要是因為覆蓋分域的方式必須要對整個LEO層實現(xiàn)全覆蓋，而分軌分簇策略只需要覆蓋軌道上的簇頭即可。

　　4.2管理域隨時間的變化情況

　　在仿真中，我們用衛(wèi)星工具包STK模擬了一個GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡，并將生成的數(shù)據(jù)導入到MATLAB中進行處理。每當管理域發(fā)生變化，即LEO衛(wèi)星退出舊的管理衛(wèi)星的管理域加入到新的管理衛(wèi)星的管理域中，就會引起一次狀態(tài)變化，在圖3中我們用高度為1的脈沖表示在覆蓋分域的策略下管理域的狀態(tài)改變，用高度為2的脈沖表示分軌分簇的策略下管理域的狀態(tài)改變。圖中黑色區(qū)域表示狀態(tài)改變很頻繁。顯然我們可以看到覆蓋分域策略下管理域狀態(tài)的改變要比分軌分簇策略下管理域狀態(tài)改變要頻繁的多，這大大增加了時間片劃分的難度，而且狀態(tài)改變一次就要在管理衛(wèi)星之間通告一次，增大了整個系統(tǒng)的管理開銷。

　　5.結束語

　　本文提出了一種分軌分簇的管理策略，每個軌道由一個簇頭負責管理本軌道上的衛(wèi)星，管理層的衛(wèi)星只需要直接管理這些簇頭即可。我們通過分析和仿真可以看出這種管理策略比傳統(tǒng)的覆蓋分域管理策略所需的衛(wèi)星數(shù)目要小的多，并且降低管理層的星座設計復雜度。在對GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡分別采用不同的管理策略時，可以看到傳統(tǒng)的覆蓋分域策略下管理域變化的要頻繁的多，而兩者的路由收斂時間相差不大。

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