星座衛星通信系統應用蜂窩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點(diǎn)移動(dòng)接入因特網(wǎng)的問(wèn)題，自其出現以來(lái)，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IP的移動(dòng)通信網(wǎng)的主要技術(shù)。衛星通信系統作為下一代移動(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 )的互連互通是大勢所趨，同時(shí)由于衛星系統天然的用戶(hù)移動(dòng)性特點(diǎn)，應用移動(dòng)IP技術(shù)也將是未來(lái)系統的重要選項。然而，在衛星通信系統中，由于衛星一直處于高速運動(dòng)狀態(tài)，其服務(wù)覆蓋區也一直處于變化當中，因此，即使用戶(hù)處于靜止狀態(tài)也面臨著(zhù)頻繁的與衛星的切換?；谏鲜鲈?，如果在系統中直接使用移動(dòng)IP協(xié)議則必然存在由于切換而帶來(lái)的頻繁的路由更新，從而導致路由信息占用大量系統帶寬資源，同時(shí)也加大了對衛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致系統時(shí)延的進(jìn)一步增加和信令開(kāi)銷(xiāo)的進(jìn)一步加大。因此，對移動(dòng)IP協(xié)議進(jìn)行適當修改，增加對用戶(hù)微觀(guān)移動(dòng)性的考慮，如在系統中引入微移動(dòng)IP技術(shù)，可以更好地適應衛星系統特點(diǎn)。本文將討論把移動(dòng)IP的擴展技術(shù)——蜂窩IP應用到無(wú)星際鏈路星座衛星通信系統的可行性以及相關(guān)性能分析。

　　1 蜂窩IP技術(shù)簡(jiǎn)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)蜂窩含有數個(gè)基站但只存在一個(gè)網(wǎng)關(guān)。當用戶(hù)在一個(gè)蜂窩內移動(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)送注冊信息。在Cellular網(wǎng)絡(luò )中，基站周期性的發(fā)射信標信號，移動(dòng)主機利用這些信標信號來(lái)確定最近的基站。移動(dòng)用戶(hù)發(fā)出的所有分組，不根據目的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發(fā)。移動(dòng)主機的上行分組觸發(fā)和更新著(zhù)的多個(gè)映射構成一個(gè)鏈，該鏈實(shí)際上構成了用于轉發(fā)下行分組的反向路徑。當移動(dòng)主機發(fā)生移動(dòng)時(shí)，映射構成的鏈路通過(guò)更新映射關(guān)系來(lái)指向新的位置。

　　Cellular IP支持尋呼業(yè)務(wù)。當移動(dòng)主機處于活動(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。因此，移動(dòng)主機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 )必須保證其對移動(dòng)主機的精確位置跟蹤。然而在現實(shí)中，相當多的用戶(hù)在相當長(cháng)的時(shí)間內是處于不工作狀態(tài)的，如果采用對活動(dòng)用戶(hù)的跟蹤方式，將勢必占用大量網(wǎng)絡(luò )資源，為此，蜂窩IP引入了尋呼功能。其核心構造是在蜂窩節點(diǎn)引入兩套緩存機制即路由緩存和尋呼緩存，對活動(dòng)主機使用路由緩存，對空閑主機使用尋呼緩存。系統將網(wǎng)絡(luò )劃分成不同的尋呼區域，每個(gè)尋呼區域由相當數量的相鄰的小區組成(認為每個(gè)小區有一個(gè)基站)，并且有惟一的標識?；驹谥芷谛缘陌l(fā)送的信標信號中加入尋呼區域的標識，以使移動(dòng)主機能夠確定自己移動(dòng)到哪個(gè)尋呼區域。Cellular IP網(wǎng)絡(luò )允許空閑主機在一個(gè)尋呼區域內移動(dòng)時(shí)，并不需要在每個(gè)小區的邊界發(fā)送位置更新包。移動(dòng)用戶(hù)只需要在移動(dòng)到不同尋呼區時(shí)或者是在尋呼更新時(shí)刻到達時(shí)發(fā)送更新包。

　　處于空閑狀態(tài)的移動(dòng)用戶(hù)發(fā)送分組數據的過(guò)程與處于活動(dòng)狀態(tài)的用戶(hù)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)該鏈也作為轉發(fā)下行分組的反向路徑。

　　移動(dòng)主機接收突發(fā)分組數據的過(guò)程稍顯復雜。當IP包到達一個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，首先查尋該節點(diǎn)的路由緩存是否可用，如可用則向下轉發(fā)，一旦發(fā)現該節點(diǎn)不存在移動(dòng)用戶(hù)的路由信息或者路由信息已經(jīng)過(guò)時(shí)不可用，則使用尋呼緩存來(lái)路由該包。由于尋呼緩存并不在每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)上都存在，如果該節點(diǎn)無(wú)尋呼緩存，則將該數據包轉發(fā)給所有的下行鄰居。如果數據包到達的節點(diǎn)的尋呼緩存中沒(méi)有到達目地節點(diǎn)的映射，則將該包丟棄。

　　2 應用蜂窩IP技術(shù)的衛星通信系統網(wǎng)絡(luò )結構

　　蜂窩IP技術(shù)在星座衛星通信系統中有天然的適應性。星座系統由數個(gè)衛星對地面進(jìn)行不間斷覆蓋，每顆衛星的覆蓋區即可以理解為一個(gè)蜂窩區域，整個(gè)地球即被分成數個(gè)蜂窩域。然而，若以一個(gè)衛星覆蓋區作為一個(gè)蜂窩，由于衛星的運動(dòng)，其地面覆蓋區也一直處于運動(dòng)之中，此時(shí)必然引起頻繁的切換和較大的路由信令開(kāi)銷(xiāo)。又由于在不存在星際鏈路的衛星系統中，任何用戶(hù)間(包括網(wǎng)內網(wǎng)外)的通信都需要地面信關(guān)站的轉發(fā)，因此，設定以一個(gè)地面信關(guān)站的實(shí)時(shí)覆蓋區作為一個(gè)蜂窩。地面信關(guān)站的實(shí)時(shí)覆蓋區即為在滿(mǎn)足最小仰角的情況下，該區域的任何點(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，圖2在圖1的基礎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。仿真使用的空間段為類(lèi)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(guān)測，將軌道高度設為1 414 km(周期為113 min，此時(shí)為回歸軌道)。同時(shí)為簡(jiǎn)化衛星星體結構，衛星無(wú)星際鏈路，只是單純的轉發(fā)信號，為彎管式轉發(fā)器。

　　由圖2可知，在不同仰角的情況下，只要適當設置關(guān)口站并通過(guò)地面網(wǎng)使各個(gè)關(guān)口站互連，就可實(shí)現全球的無(wú)縫覆蓋。在該系統中，以信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區作為一個(gè)蜂窩，同時(shí)將信關(guān)站作為該蜂窩域的網(wǎng)關(guān)，他負責為整個(gè)域內的移動(dòng)用戶(hù)提供登記、注冊、位置管理和資費管理等服務(wù)。信關(guān)站也作為該區域內的家代理(HA)或者外地代理(FA)，用戶(hù)在本區域內移動(dòng)時(shí)，即使在多顆衛星間切換，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，則用戶(hù)通過(guò)衛星將注冊信息發(fā)送到外區信關(guān)站(此時(shí)作為FA)，外區信關(guān)站然后通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò )向該用戶(hù)的家代理(HA)登記。根據Cellular IP分布式數據庫原理，系統各信關(guān)站分別存儲該域內的用戶(hù)位置信息，并且要求其存在路由和尋呼兩套緩存機制。

　　在該系統中，衛星只是發(fā)揮類(lèi)似地面網(wǎng)基站的功能，他負責為覆蓋區內的用戶(hù)提供無(wú)線(xiàn)接入服務(wù)。為了減少系統信令開(kāi)銷(xiāo)，衛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)系統網(wǎng)絡(luò )結構框圖如圖3所示，信關(guān)站與衛星通過(guò)星地鏈路相連，而信關(guān)站之間則通過(guò)地面網(wǎng)絡(luò )互連。為了進(jìn)一步減小系統信令開(kāi)銷(xiāo)，根據Cellular IP的基本原理，對活動(dòng)主機要求逐個(gè)衛星連續跟蹤，即一旦與衛星切換，則立即通知該信關(guān)站，因此將一個(gè)信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區作為對活動(dòng)主機的一個(gè)路由服務(wù)域，如圖3實(shí)線(xiàn)所示，所有信關(guān)站間都進(jìn)行路由緩存信息的交流。而對于空閑的移動(dòng)用戶(hù)，跟蹤粒度相對較松，根據衛星通信系統特點(diǎn)，可以適當擴大尋呼區域，即將幾個(gè)相鄰信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區當作一個(gè)尋呼區域，在實(shí)際操作中，可根據國界或地理區域的限制將數個(gè)信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區作為一個(gè)尋呼區，并把其中一個(gè)信關(guān)站尋呼緩存當作總尋呼路由緩存，而只把其他信關(guān)站的緩存作為分尋呼緩存，如圖3虛線(xiàn)所示，將三個(gè)信關(guān)站作為一個(gè)尋呼區域，尋呼緩存信息只在本尋呼區域內的信關(guān)站問(wèn)交流，具體工作過(guò)程將在下面說(shuō)明。

　　3 星座通信系統切換、位置管理和路由方案

　　3.1 切換管理

　　在該衛星通信系統中有三種切換發(fā)生，分別是衛星與地面信關(guān)站的切換、用戶(hù)與覆蓋衛星的切換、用戶(hù)到不同信關(guān)站覆蓋區的切換。由圖1、圖2可知，在最小仰角為30°時(shí)，信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區區域已相當縮小，在考慮高速寬帶業(yè)務(wù)時(shí)，可能需要更高的仰角，因此其覆蓋區將進(jìn)一步變小，進(jìn)而導致移動(dòng)用戶(hù)(特別是對飛機等在大范圍移動(dòng)的用戶(hù))在不同信關(guān)站間的切換將經(jīng)常發(fā)生。根據蜂窩IP的概念，這種切換實(shí)際上是在相鄰蜂窩小區間進(jìn)行，其切換準則只需采用與地面移動(dòng)通信系統相類(lèi)似的協(xié)議。對于衛星與地面站的切換，由于地面信關(guān)站往往具有很強的實(shí)時(shí)處理和運算能力，并且由于衛星星歷在相當精度內具有可預測性，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則需要和用戶(hù)與衛星間的切換準則進(jìn)行綜合考慮。一旦切換發(fā)生后，信關(guān)站應立即讓所屬衛星停止發(fā)送含有以前的蜂窩區域標識及尋呼區域標識的信標信號，轉而發(fā)送帶有新的標識的信標信號。

　　任一時(shí)刻用戶(hù)可能接收到屬于不同信關(guān)站的多個(gè)衛星轉發(fā)的信標信號，由于蜂窩IP被動(dòng)連接和快速切換的要求，用戶(hù)首先要甄別自己在哪個(gè)信關(guān)站的實(shí)時(shí)覆蓋區內，此時(shí)用戶(hù)可根據最強最多的標識信號自主判決。當知道自己所屬位置區后，用戶(hù)根據信標信號中的標識信息，只對含有自己所屬信關(guān)站標識信號的信標信號進(jìn)行比較處理?？紤]到移動(dòng)用戶(hù)機的體積、重量要求，其計算能力將受到限制，因此對于他采用簡(jiǎn)單的信號最強準則進(jìn)行切換，即用戶(hù)一旦檢測到比當前信號強的信標信號則馬上切換到該衛星，上行分組從而通過(guò)該衛星轉發(fā)到信關(guān)站，衛星及信關(guān)站在轉發(fā)過(guò)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)的星座衛星通信系統，其位置管理與路由方案與在地面系統中類(lèi)似，也分為活動(dòng)和空閑兩種控制管理機制。在用戶(hù)活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，當有數據發(fā)送時(shí)，用戶(hù)發(fā)出的上行分組數據先通過(guò)衛星路由到覆蓋區地面站，然后根據IP地址轉發(fā)至目的地，衛星及地面信關(guān)站也據此分組保存用戶(hù)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發(fā)路徑；當需要接收數據時(shí)，數據包先發(fā)送到信關(guān)站，然后查詢(xún)本地路由緩存，若存在用戶(hù)路由信息，則向指定衛星轉發(fā)，然后路由到用戶(hù)，若不存在，則丟棄該包。在用戶(hù)空閑狀態(tài)時(shí)，當有數據要發(fā)送時(shí)，其上行分組通過(guò)信標信號最強的衛星轉發(fā)至覆蓋區信關(guān)站，此時(shí)，用戶(hù)路由及位置信息已經(jīng)更新(或者建立)，用戶(hù)由空閑轉為活動(dòng)；當有分組轉發(fā)至該用戶(hù)時(shí)，IP數據包先轉發(fā)至含有主尋呼緩存的信關(guān)站，查詢(xún)主尋呼緩存，根據查詢(xún)結果轉發(fā)分組，若屬于本信關(guān)站覆蓋區，則通過(guò)所屬衛星廣播，用戶(hù)接收到分組后被激活，若不屬于本信關(guān)站覆蓋區，則向與其同屬一個(gè)尋呼域的含有分尋呼緩存的信關(guān)站轉發(fā)，用戶(hù)收到分組后也被激活。

　　用戶(hù)處于活動(dòng)狀態(tài)時(shí)，每切換到一新的衛星覆蓋區，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域時(shí)才發(fā)送尋呼更新包。衛星及地面信關(guān)站的緩存均設定超期更新時(shí)間，一旦過(guò)時(shí)，則緩存就設定為不可用狀態(tài)。同時(shí)，為了貫徹尋呼區域的概念，屬于同一尋呼域的含有分尋呼緩存的信關(guān)站應當向含有主尋呼緩存的信關(guān)站交流信息。為了移動(dòng)用戶(hù)機的正常工作，衛星周期性發(fā)送的信標信號中除了應包括信關(guān)站實(shí)時(shí)覆蓋區位置信息，還應該包含尋呼域信息。

　　移動(dòng)用戶(hù)機路由或尋呼流程圖如圖4所示。

　　4 性能分析

　　相對于普通的星座通信系統，引入IP概念后可以極大程度上滿(mǎn)足未來(lái)寬帶業(yè)務(wù)高速數據業(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IP特點(diǎn)，通過(guò)適當設置IP報頭，可以將系統控制與數據傳輸綜合考慮，簡(jiǎn)化現有網(wǎng)絡(luò )。

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

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

　　(2)Cellular IP支持尋呼業(yè)務(wù)，無(wú)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(xún)功能放到了地面信關(guān)站，在衛星只是加上了簡(jiǎn)單的路由緩存機制，極大地簡(jiǎn)化了并且降低了對衛星的要求，增加了系統的可靠性；

　　(4)信關(guān)站覆蓋區和尋呼區域的概念，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，便于世界各國間的合作。

　　5 結 語(yǔ)

　　微移動(dòng)IP協(xié)議在衛星通信網(wǎng)絡(luò )中有相當大的應用空間，本文只是從下一代網(wǎng)絡(luò )全IP的方向考慮，探討了將Cellular IP技術(shù)運用到星座衛星通信系統的可能性，并根據蜂窩IP的相關(guān)原理，對無(wú)星際鏈路的衛星系統網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行了改造，并且對網(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)相對于純移動(dòng)IP技術(shù)，應運到衛星通信系統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)設計，對基站移動(dòng)的情況未作考慮，因此下一步還需要在系統的切換問(wèn)題上進(jìn)行相應改進(jìn)，同時(shí)對其他方面作一些定量分析，以確實(shí)該技術(shù)在衛星網(wǎng)絡(luò )中的實(shí)用性，這是下一步的工作。