賀達(dá)健，游鵬，雍少為

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理

賀達(dá)健，游鵬*，雍少為

國防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，長沙 410073

近年來，低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)以全球覆蓋、低傳輸時(shí)延、低功耗鏈路、較強(qiáng)的抗毀性等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，是未來全球移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分。移動(dòng)性管理是構(gòu)建LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，為推動(dòng)移動(dòng)性管理問題的研究，文章從LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)入手，闡述了LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)性管理的分類，并分析了其相比地面移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的特殊性。從鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層三個(gè)協(xié)議層次綜述了近年來LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理研究的國內(nèi)外現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了移動(dòng)IPv6(Mobile IPv6, MIPv6)和無縫IP分集通用移動(dòng)性結(jié)構(gòu)(Seamless IP-diversity based Generalized Mobility Architecture，SIGMA)在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。最后，指出了移動(dòng)性管理的發(fā)展趨勢(shì)。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；低軌道衛(wèi)星；移動(dòng)性管理；移動(dòng)IP；無縫IP分集通用移動(dòng)性結(jié)構(gòu)

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有全球覆蓋、低傳輸時(shí)延、低功耗鏈路、較強(qiáng)的抗毀性等特點(diǎn)，擁有廣闊的發(fā)展前景，是未來移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要組成部分。另外，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，以星間鏈路(Inter Satellite Link, ISL)和星上處理技術(shù)(On-Board Processing，OBP)為特征的下一代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)可以獨(dú)立于地面網(wǎng)絡(luò)，支持星上路由和數(shù)據(jù)處理，提供覆蓋海陸空的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)；IP技術(shù)的成熟和可靠也使得未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用IP技術(shù)成為趨勢(shì)。2007年，Iridium公司宣布發(fā)展Iridium NEXT計(jì)劃，為跨洋、極地、空中交通提供全球性高質(zhì)量的語音和數(shù)據(jù)覆蓋業(yè)務(wù)，該計(jì)劃仍將采用第一代Iridium系統(tǒng)的66顆LEO衛(wèi)星星座。2014年，谷歌公司宣布將建設(shè)180顆LEO衛(wèi)星提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。2014年11月，SpaceX公司宣布計(jì)劃發(fā)射700顆LEO小衛(wèi)星，為地面用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)，2015年9月又進(jìn)一步增加至4 000顆。2015年1月，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司OneWeb計(jì)劃將648顆LEO衛(wèi)星送入太空，下一步還將發(fā)射2400顆衛(wèi)星[1]。在國內(nèi)，2014年9月，清華大學(xué)聯(lián)合北京信威通信技術(shù)股份公司研制的靈巧通信試驗(yàn)衛(wèi)星(Smart Communication Satellite, SCS)發(fā)射成功，并在同年10月完成了所有的在軌試驗(yàn)[2]。中國航天科工集團(tuán)的“福星計(jì)劃”將發(fā)射156顆LEO小衛(wèi)星，第一期實(shí)現(xiàn)天星地網(wǎng)，透明轉(zhuǎn)發(fā)；第二期實(shí)現(xiàn)天地融合組網(wǎng)。

由于LEO衛(wèi)星繞地球運(yùn)動(dòng)，終端與衛(wèi)星之間會(huì)產(chǎn)生切換，為了保證終端在切換過程中保持正常通信，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行移動(dòng)性管理。移動(dòng)性管理需要對(duì)終端的位置進(jìn)行登記和管理，以方便網(wǎng)絡(luò)對(duì)終端發(fā)起呼叫和傳輸數(shù)據(jù)，還要維持終端與網(wǎng)絡(luò)的鏈路在兩個(gè)衛(wèi)星之間進(jìn)行切換時(shí)不中斷。但是，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、服務(wù)終端多，衛(wèi)星相對(duì)地面終端高速運(yùn)動(dòng)，終端與衛(wèi)星之間的切換十分頻繁，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也會(huì)動(dòng)態(tài)變化。此外，LEO衛(wèi)星因?yàn)轶w積、功率等硬件條件限制，處理性能有限。這些特點(diǎn)都為LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

針對(duì)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理問題，國內(nèi)外學(xué)者分別在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層提出了許多解決辦法。在鏈路層，主要有非優(yōu)先切換、排隊(duì)優(yōu)先切換、預(yù)留信道等策略。在網(wǎng)絡(luò)層，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(Internet Engineering Task Force, IETF)提出了移動(dòng)IPv4(Mobile IPv4, MIPv4)和MIPv6[3]對(duì)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性進(jìn)行管理，但移動(dòng)IP(Mobile IP，MIP)存在一些問題，例如較高的切換時(shí)延、丟包率等，于是對(duì)MIP進(jìn)行了擴(kuò)展，又提出了快速移動(dòng)IPv6(Fast Mobile IPv6, FMIPv6)[4]、分層移動(dòng)IPv6(Hierarchical Mobile IPv6, HMIPv6)[5]、多轉(zhuǎn)交地址協(xié)議(Multiple Care of Address, MCoA)[6]、代理移動(dòng)IPv6(Proxy Mobile IPv6, PMIPv6)[7]和快速代理移動(dòng)IPv6(Fast Proxy Mobile IPv6, FPMIPv6)[8]等協(xié)議。其中，MIPv6、FMIPv6、HMIPv6是基于主機(jī)的IPv6移動(dòng)性管理協(xié)議，PMIPv6、FPMIPv6是基于網(wǎng)絡(luò)的IPv6移動(dòng)性管理協(xié)議。在傳輸層，提出了體系較完善的SIGMA[9]以及移動(dòng)流控制傳輸協(xié)議(Mobile Stream Control Transmission Protocol, mSCTP)[10]、移動(dòng)防火墻安全會(huì)話轉(zhuǎn)換協(xié)議(Mobile SOCKS, MSOCKS)[11]、TCP連接遷移(TCP-Migrate)[12]等移動(dòng)性管理協(xié)議。

1 移動(dòng)性管理問題

移動(dòng)性管理主要包括切換管理和位置管理[13],目的是為網(wǎng)絡(luò)提供移動(dòng)性支持并滿足相關(guān)的服務(wù)質(zhì)量(Quality of Service，QoS)指標(biāo)，例如切換時(shí)延、丟包率、阻塞率、信令開銷等。無線網(wǎng)絡(luò)為了給終端提供連續(xù)的通信服務(wù)，必須在不同網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)切換來保證服務(wù)的不中斷，這是移動(dòng)性管理問題中的切換管理。另外，為了使網(wǎng)絡(luò)隨時(shí)向終端提供通信服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)還必須對(duì)終端的位置進(jìn)行管理，即支持位置管理。

作為無線網(wǎng)絡(luò)的一種，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也存在移動(dòng)性管理問題。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理問題可分為主機(jī)移動(dòng)性管理和網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理，具體的分類和特點(diǎn)如表1所示。

表1 移動(dòng)性管理問題分類及特點(diǎn)

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，只通過少量的地面站與地面互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)控制中心等進(jìn)行通信和管理，LEO衛(wèi)星作為網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，類似于地面無線網(wǎng)絡(luò)的基站，為覆蓋范圍內(nèi)的終端提供通信服務(wù)，終端可能位于地面、海洋以及空天的任何位置，衛(wèi)星之間通過ISL進(jìn)行通信并構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。在終端通信過程中，正在與終端進(jìn)行通信的衛(wèi)星由于移動(dòng)(包括衛(wèi)星和終端的移動(dòng)，主要包括飛機(jī)、船舶等終端的移動(dòng)，手持終端的移動(dòng)性可忽略)，其覆蓋區(qū)域可能離開終端所在位置，另外一個(gè)衛(wèi)星覆蓋區(qū)域進(jìn)入終端所在的位置，通信鏈路要在兩顆衛(wèi)星間切換，保證通信的連續(xù)性，同時(shí)對(duì)終端的位置進(jìn)行更新。LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理將衛(wèi)星看作具有星上處理功能的移動(dòng)路由器，為終端提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，屬于主機(jī)移動(dòng)性管理。但隨著空天一體化信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的用戶還將包括遙感衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等空天網(wǎng)絡(luò)用戶，因此未來的移動(dòng)性管理技術(shù)還將支持網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理，而且網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理將是以后重要的發(fā)展方向。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理可以參照主機(jī)移動(dòng)性管理的相關(guān)研究，如網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)(Network Mobility，NEMO)協(xié)議參照了MIP技術(shù)，無縫IP分集網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)(Seamless IP-diversity based Network Mobility, SINEMO)協(xié)議參照了SIGMA。

與地面無線網(wǎng)絡(luò)不同，由于LEO衛(wèi)星軌道高度低，相對(duì)地面作高速運(yùn)動(dòng)，終端對(duì)其可視時(shí)間(通信時(shí)間)通常只有幾分鐘，造成了終端與衛(wèi)星之間產(chǎn)生頻繁的切換以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)的變化，所以LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)具有與生俱來的移動(dòng)特性。表2總結(jié)了LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面無線網(wǎng)絡(luò)之間的主要差異，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面無線網(wǎng)絡(luò)，其單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍也比地面基站大得多，覆蓋區(qū)域內(nèi)的終端數(shù)量龐大，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要對(duì)大量的終端進(jìn)行移動(dòng)性管理。地面網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的位置是固定不變的，而LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)由于衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致接入點(diǎn)快速移動(dòng)，即使終端的位置固定不變，其與衛(wèi)星之間也會(huì)經(jīng)常發(fā)生切換，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的切換十分頻繁。

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是分布式的，每顆衛(wèi)星通過ISL與周圍的衛(wèi)星進(jìn)行通信，且其結(jié)構(gòu)不是固定的，會(huì)隨衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)而發(fā)生變化，即LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有動(dòng)態(tài)特性，這會(huì)對(duì)移動(dòng)性管理造成一定影響。不過衛(wèi)星運(yùn)行具有周期性，所以拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化也具有周期性，利用周期性變化的特點(diǎn)可以降低網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)變化給移動(dòng)性管理造成的影響。

表2 LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)與地面無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)比

另外，由于體積、功率等硬件條件限制，LEO衛(wèi)星的處理性能有限，難以滿足計(jì)算量大的移動(dòng)性管理技術(shù)。同時(shí)，考慮到衛(wèi)星的軌道高度，終端與衛(wèi)星之間信令傳輸?shù)耐禃r(shí)延較大。

以上這些特點(diǎn)，使LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理問題更突出，對(duì)移動(dòng)性管理有更高的要求，針對(duì)地面無線網(wǎng)絡(luò)提出來的移動(dòng)性管理協(xié)議不能直接應(yīng)用到LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中。

2 LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議層自下而上可分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，除物理層以外，其他協(xié)議層均有移動(dòng)性管理技術(shù)。在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，移動(dòng)性管理的研究主要集中在鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，在不同的協(xié)議層次有不同的特點(diǎn)和技術(shù)，如表3所示。

針對(duì)LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理問題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。在國內(nèi)，鏈路層移動(dòng)性管理技術(shù)得到了廣泛研究，特別是切換管理，國內(nèi)學(xué)者對(duì)排隊(duì)優(yōu)先、預(yù)留信道等切換策略進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能有一定的改善，但是對(duì)網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層移動(dòng)性管理技術(shù)的研究相對(duì)較少。國外學(xué)者早在20世紀(jì)70年代便開始利用衛(wèi)星系統(tǒng)承載IP業(yè)務(wù)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和空間信息網(wǎng)絡(luò)的提出，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)之間的聯(lián)系將越來越緊密。高協(xié)議層移動(dòng)性管理技術(shù)屏蔽了底層接入技術(shù)和物理傳輸介質(zhì)的差異，對(duì)上層協(xié)議和應(yīng)用透明，對(duì)地面互聯(lián)網(wǎng)具有良好的兼容性。因此，網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層等高協(xié)議層的移動(dòng)性管理技術(shù)越來越受到關(guān)注。

表3 不同協(xié)議層次的移動(dòng)性管理的特點(diǎn)及典型技術(shù)

2.1 鏈路層移動(dòng)性管理技術(shù)

鏈路層移動(dòng)性管理技術(shù)最早在蜂窩網(wǎng)中被提出和應(yīng)用，發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)相對(duì)成熟且得到了驗(yàn)證。鏈路層移動(dòng)性管理技術(shù)中的切換管理與位置管理一般獨(dú)立進(jìn)行研究，位置管理主要采用位置歸屬寄存器和訪問位置寄存器兩層位置數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)(Mobile Node, MN)的位置管理，切換管理又分為波束切換和星間切換。

(1)波束切換

波束切換又稱為蜂窩切換或者星內(nèi)切換，是指同一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)，鏈路在相鄰波束間的切換。波束切換技術(shù)主要有非優(yōu)先切換策略、排隊(duì)優(yōu)先切換策略和預(yù)留信道策略。

非優(yōu)先切換策略采用固定信道分配的方法，給每個(gè)小區(qū)、每類業(yè)務(wù)分配固定的信道數(shù)量。該策略雖然簡單，但不能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量的動(dòng)態(tài)變化，使系統(tǒng)的資源利用率降低，一般結(jié)合其他策略來使用[14]。

排隊(duì)優(yōu)先切換策略[15-19]基于排隊(duì)技術(shù)，以區(qū)分各種類型的呼叫或者請(qǐng)求的優(yōu)先級(jí)，使網(wǎng)絡(luò)資源分配更加合理。當(dāng)衛(wèi)星收到一個(gè)新呼叫或者切換請(qǐng)求時(shí)，如果下一波束沒有可用的信道，請(qǐng)求會(huì)放在一個(gè)特定的隊(duì)列中排隊(duì)等待，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)有信道空閑則被網(wǎng)絡(luò)接受，否則就強(qiáng)制中斷。同一個(gè)隊(duì)列中的呼叫或者請(qǐng)求按照先進(jìn)先出的原則進(jìn)行資源分配，不同隊(duì)列之間也可以設(shè)定不同的優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的隊(duì)列得到更多的網(wǎng)絡(luò)資源。

預(yù)留信道策略利用了保護(hù)信道的概念，在每個(gè)小區(qū)中設(shè)立保護(hù)信道專門為切換服務(wù)[20]。預(yù)留信道策略關(guān)鍵問題是設(shè)定合理的閾值，使預(yù)留的信道資源符合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，不至于造成網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)或策略效果下降。預(yù)留信道的閾值可以是一個(gè)固定值，也可以根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整，動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值能夠提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率[21-23]?，F(xiàn)有的動(dòng)態(tài)調(diào)整閾值的方法主要有：

1)基于預(yù)測(cè)的調(diào)整策略。利用概率模型或狀態(tài)量，對(duì)不同類型的請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留信道的閾值[22,24-26]；

2)基于時(shí)間的調(diào)整策略?？梢愿鶕?jù)MN在當(dāng)前波束內(nèi)逗留的時(shí)間或者預(yù)期的信道使用時(shí)間對(duì)下一個(gè)波束的預(yù)留信道進(jìn)行調(diào)整[21,27]。

3)基于QoS的調(diào)整策略。文獻(xiàn)[23]定義了一個(gè)“系統(tǒng)用戶滿意度”，用其度量系統(tǒng)QoS，以最大化“系統(tǒng)用戶滿意度”為準(zhǔn)則，動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留信道，克服了預(yù)留信道機(jī)制中帶寬利用率低的問題。文獻(xiàn)[28]中提出了一種呼叫接入控制策略和一種星內(nèi)切換方案，引入一個(gè)“移動(dòng)預(yù)約狀態(tài)”量，用于表示在每個(gè)小區(qū)內(nèi)所有激活呼叫所請(qǐng)求的帶寬信息，同時(shí)用它預(yù)測(cè)來自相鄰小區(qū)的呼叫可能發(fā)出的帶寬請(qǐng)求。

在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇非優(yōu)先切換策略、排隊(duì)優(yōu)先策略和預(yù)留信道策略，也可以同時(shí)選擇多種策略。如果以阻塞率和掉線率作為選擇依據(jù)，則在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中支持切換優(yōu)先的排隊(duì)優(yōu)先策略具有更好的性能[29]。不過，這些策略其他QoS指標(biāo)以及系統(tǒng)容量的對(duì)比分析還有待深入的研究。

(2)星間切換

星間切換又稱為衛(wèi)星切換，是指一個(gè)鏈路在相鄰衛(wèi)星間的切換。星間切換的關(guān)鍵技術(shù)除了信道分配以外，還有衛(wèi)星選擇策略。前者可以參考波束切換技術(shù)，而后者對(duì)于具有分集特征(即多重覆蓋特征，MN有多顆可見的衛(wèi)星可以選擇)的LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的性能具有重要的影響。選擇衛(wèi)星的準(zhǔn)則主要有最小負(fù)荷準(zhǔn)則、最小距離準(zhǔn)則、最長可視時(shí)間準(zhǔn)則、最強(qiáng)信號(hào)準(zhǔn)則和最短傳播路徑準(zhǔn)則等[30-31]。

最小負(fù)荷準(zhǔn)則使MN在所有可見衛(wèi)星中選擇負(fù)荷最小的衛(wèi)星，可以減少掉線率和阻塞率，以及提高系統(tǒng)資源利用率，但是傳輸時(shí)延較長，QoS較差[24]。最小距離準(zhǔn)則根據(jù)MN與衛(wèi)星的距離，選擇距MN最近的衛(wèi)星，而MN與距離最近的衛(wèi)星的通信仰角最大，切換的時(shí)間間隔很短，不符合長時(shí)間通信服務(wù)(例如多媒體業(yè)務(wù))的需求[32]；最長可視時(shí)間準(zhǔn)則使MN選擇的衛(wèi)星可以為其提供較長服務(wù)時(shí)間，在一定程度上降低了MN切換的頻率；最短傳播路徑準(zhǔn)則按照MN通信鏈路總長度最短的原則對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行選擇，可以減少M(fèi)N的通信時(shí)延[31,33]。

此外，星間切換還可以與路由優(yōu)化一起綜合考慮，在保證切換性能的同時(shí)，對(duì)路由進(jìn)行優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)資源的利用更合理[34]。

在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中，鏈路層移動(dòng)性管理技術(shù)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)底層技術(shù)相關(guān)，其性能的好壞不僅受到所采用策略的影響，還受到衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、底層技術(shù)和物理傳輸介質(zhì)等因素的影響。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層移動(dòng)性管理技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)中的IP地址有兩種含義，一種是身份標(biāo)識(shí)，一種是位置標(biāo)識(shí)。一般來說，終端在網(wǎng)絡(luò)中具有惟一的IP地址，網(wǎng)絡(luò)將IP地址作為身份標(biāo)識(shí)對(duì)終端進(jìn)行識(shí)別和認(rèn)證，又將IP地址作為位置標(biāo)識(shí)對(duì)終端進(jìn)行定位和發(fā)起路由。當(dāng)終端在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，若接入點(diǎn)發(fā)生變化而IP地址保持不變，網(wǎng)絡(luò)就不能對(duì)終端進(jìn)行定位和路由；如果IP地址發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)層以上的通信服務(wù)會(huì)中斷，網(wǎng)絡(luò)也無法對(duì)終端進(jìn)行識(shí)別和認(rèn)證。MIP的提出就是為了使終端以固定的IP地址在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，同時(shí)保證網(wǎng)絡(luò)層以上的鏈接不中斷，實(shí)現(xiàn)跨越不同網(wǎng)段和網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)的漫游功能。

國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)于2004年6月發(fā)布第一個(gè)框架性的基于IPv6的MIPv6標(biāo)準(zhǔn)，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的認(rèn)可。MIPv6在MIPv4的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，解決了MIPv4中的“三角路由”問題，有望取代現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)中的各種移動(dòng)性管理協(xié)議，解決未來移動(dòng)通信系統(tǒng)中的移動(dòng)性管理問題。

目前為止，基于IPv6的移動(dòng)性管理協(xié)議共分為兩大類，一類是基于主機(jī)(Host-Based)的移動(dòng)性管理協(xié)議，包括MIPv6、HMIPv6、FMIPv6等；另一類是基于網(wǎng)絡(luò)(Network-Based)的移動(dòng)性管理協(xié)議，包括PMIPv6、FPMIPv6等。

(1)基于主機(jī)的移動(dòng)性管理協(xié)議

MIPv6是標(biāo)準(zhǔn)IPv6移動(dòng)性管理協(xié)議，可以將其應(yīng)用在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中解決移動(dòng)性管理問題[35]。MIPv6規(guī)定MN位于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)，跟普通節(jié)點(diǎn)一樣，使用家鄉(xiāng)地址(Home Address, HoA)進(jìn)行通信，通過路由規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。當(dāng)MN在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)時(shí)，如圖1所示，MN根據(jù)接入網(wǎng)絡(luò)的路由器通告(Router Advertisement, RA)配置一個(gè)轉(zhuǎn)交地址(Care of Address， CoA)，然后向家鄉(xiāng)代理(Home Agent, HA)發(fā)送綁定更新(Binding Update, BU)，注冊(cè)當(dāng)前的CoA。HA在綁定緩存(Binding Cache, BC)中記錄HoA和CoA的對(duì)應(yīng)關(guān)系，同時(shí)向MN發(fā)送綁定確認(rèn)(Binding Acknowledgement, BA)作為對(duì)BU的響應(yīng)。隨后，MN和HA之間就建立了一條隧道(兩端的地址分別是HoA的地址和MN的CoA)進(jìn)行通信。每個(gè)MN的HoA都是固定的，與MN的網(wǎng)絡(luò)位置無關(guān)。

圖1 MIPv6發(fā)起會(huì)話過程Fig.1 Process of launching a communication in MIPv6

假如通信對(duì)端(Correspondent Node, CN)向MN發(fā)起會(huì)話，則MN總是通過HoA被尋址，CN直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到HA，由HA轉(zhuǎn)發(fā)給MN，不用考慮MN當(dāng)前的接入位置。此時(shí)，HA轉(zhuǎn)發(fā)來自CN的數(shù)據(jù)，而MN向CN發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過路由規(guī)則直接轉(zhuǎn)發(fā)。假設(shè)CN支持MIPv6的路由優(yōu)化模式，則MN會(huì)向CN發(fā)送當(dāng)前CoA，之后CN以MN的CoA為目的地址與MN進(jìn)行直接路由。MN的CoA地址無需向上層協(xié)議傳遞，只需通知HA和CN，HA收到CoA后對(duì)MN進(jìn)行位置管理，CN收到CoA后與MN直接路由，而上層協(xié)議依然以固定不變的HoA作為IP地址進(jìn)行通信。MIPv6在不影響其他協(xié)議層的基礎(chǔ)上，滿足了MN在網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性需求。

MIPv6的切換過程如圖2所示，MN從舊衛(wèi)星(Previous Satellite, pSAT)切換到新衛(wèi)星(New Satellite, nSAT)，MN首先從nSAT中獲得新的CoA，并向HA和CN發(fā)送BU，隨后HA在綁定緩存BC中記錄HoA和CoA的綁定信息，對(duì)MN進(jìn)行位置管理，CN更新路由的目的地址，繼續(xù)與MN進(jìn)行通信。

圖2 MIPv6切換過程Fig.2 Handover process in MIPv6

MIP可以屏蔽MN底層技術(shù)的差異，使LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)支持不同類型的MN，而且MIP簡化了網(wǎng)絡(luò)配置操作[36]。然而，由于標(biāo)準(zhǔn)MIPv6的切換過程與位置更新過程之間具有耦合關(guān)系[37]，即每次切換都需要更新CoA，進(jìn)行綁定更新，增加了切換時(shí)延[5](增加的時(shí)延大約是MN與CN之間通信時(shí)延的1.5倍)。而且綁定更新過程中MN與CN之間不能通信，導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)MIPv6產(chǎn)生了較高的切換時(shí)延和丟包，其性能與未來LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的要求相比還有差距。因此提出了FMIPv6、HMIPv6、MCoA等擴(kuò)展協(xié)議。

FMIPv6采用了快速切換技術(shù)，利用了底層的功能，提前檢測(cè)到MN下一個(gè)要接入的網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)，并向網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)預(yù)先注冊(cè)以降低切換過程的時(shí)延和丟包。

HMIPv6引入了代理分層機(jī)制，在網(wǎng)絡(luò)中加入移動(dòng)錨節(jié)點(diǎn)(Mobility Anchor Point, MAP)，MAP將網(wǎng)絡(luò)分成了若干區(qū)域，在其管理的區(qū)域內(nèi)，MN的綁定更新由其負(fù)責(zé)處理，功能類似于HA，從而減少了綁定更新的時(shí)間，降低了切換過程中的丟包。

MCoA規(guī)定MN在切換過程中獲得新CoA的同時(shí)舊CoA依然可用，實(shí)現(xiàn)MN的無縫切換，降低了切換時(shí)延、丟包等，但犧牲了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

FMIPv6、HMIPv6等擴(kuò)展協(xié)議應(yīng)用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理可以有效地降低切換時(shí)延和丟包[38]，表明分層機(jī)制和快速切換技術(shù)可以提高移動(dòng)性管理協(xié)議的性能。但是，MIPv6、FMIPv6、HMIPv6等基于主機(jī)的移動(dòng)性管理協(xié)議要求MN必須支持相關(guān)協(xié)議，切換過程中MN與接入路由器(Access Router, AR)之間要進(jìn)行信令交互，這對(duì)于星地往返時(shí)延較大的LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)來說，網(wǎng)絡(luò)性能會(huì)受到嚴(yán)重影響，比如切換時(shí)延較長、丟包率高等。

(2)基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議

IETF在2008年提出了基于網(wǎng)絡(luò)的PMIPv6，允許MN在移動(dòng)性管理過程中不進(jìn)行任何信令交換和處理，通過本地移動(dòng)錨點(diǎn)(Local Mobility Anchor, LMA)和移動(dòng)接入網(wǎng)關(guān)(Mobile Access Gateway, MAG)的代理功能，代替MN完成相關(guān)操作和信令傳輸。若應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，可以避免星地鏈路較長的往返時(shí)延，減少M(fèi)N的切換時(shí)延和丟包，提高移動(dòng)性管理性能。FPMIPv6是PMIPv6的擴(kuò)展協(xié)議，在PMIPv6的基礎(chǔ)上加入了快速切換技術(shù)。文獻(xiàn)[39]對(duì)比分析了基于主機(jī)的MIPv6、HMIPv6、FMIPv6與基于網(wǎng)絡(luò)的PMIPv6、FPMIPv6的切換時(shí)延、丟包和切換阻塞率3個(gè)性能指標(biāo)，結(jié)果如圖3所示，圖中：Dwl為無線鏈路固有的傳輸時(shí)延；v為MN的移動(dòng)速度；R為小區(qū)的覆蓋半徑；λs為平均會(huì)話到達(dá)速度；E(S)為平均會(huì)話長度；ρf為幀錯(cuò)誤率?？梢钥闯?，基于網(wǎng)絡(luò)的PMIPv6和FPMIPv6的性能要優(yōu)于基于主機(jī)的MIPv6、FPMIPv6和HPMIPv6的性能。

圖3 移動(dòng)性管理協(xié)議性能仿真結(jié)果[39]Fig.3 Simulation results of performance of mobility management protocols[39]

目前已有文獻(xiàn)對(duì)PMIPv6在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中性能進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[40]將PMIPv6應(yīng)用到了衛(wèi)星廣播中，為廣播終端提供移動(dòng)性支持，針對(duì)有隧道和無隧道兩種情形下的移動(dòng)性處理過程和信令時(shí)序進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過仿真與現(xiàn)有的兩種支持IP的廣播協(xié)議進(jìn)行比較，結(jié)果表明基于PMIPv6的衛(wèi)星廣播協(xié)議在切換時(shí)延和信令開銷上要優(yōu)于其他兩種協(xié)議，說明基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的PMIPv6應(yīng)用在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中可以提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的性能。但是文中并沒有考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性和ISL，LMA也由地面網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，沒有充分利用下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有ISL和星上處理的特點(diǎn)。另外，在GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，如果把PMIPv6的LMA由地面網(wǎng)絡(luò)控制中心充當(dāng)，將檢測(cè)MN移動(dòng)的功能從MAG中移到了LMA中，則基于PMIPv6的移動(dòng)性管理協(xié)議在信令開銷、切換時(shí)延和丟包率等方面的性能要優(yōu)于基于主機(jī)的MIPv6[41]。但是，基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的性能還有待進(jìn)一步的研究。

無論是基于主機(jī)的移動(dòng)性管理協(xié)議還是基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議，都是采用集中式管理方法，需要HA、MAP、LMA等錨點(diǎn)集中處理和轉(zhuǎn)發(fā)其覆蓋范圍內(nèi)的控制信令和用戶數(shù)據(jù)，由于單顆衛(wèi)星處理能力的限制，在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中只能由地面站充當(dāng)HA或MAP，這會(huì)嚴(yán)重限制LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)在全球范圍的部署和網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。此外，錨點(diǎn)也容易成為整個(gè)系統(tǒng)的單故障節(jié)點(diǎn)，一旦發(fā)生故障，會(huì)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)造成影響。這些缺點(diǎn)限制了IPv6移動(dòng)性管理協(xié)議在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

2.3傳輸層移動(dòng)性管理技術(shù)

與網(wǎng)絡(luò)層的移動(dòng)性管理技術(shù)不同，傳輸層的移動(dòng)性管理技術(shù)是對(duì)基于端到端的鏈路進(jìn)行管理，不用考慮IP地址的變化問題，移動(dòng)性管理只需確保在MN移動(dòng)過程中端到端的鏈路不中斷。傳輸層主要有mSCTP、MSOCKS、TCP-Migrate、SIGMA等協(xié)議，SIGMA是比較完整的結(jié)構(gòu)之一，支持MN與CN直接路由。

SIGMA也叫TraSH(Transport layer Seamless Handover scheme)協(xié)議[42]，利用了流控制傳輸協(xié)議(Stream Control Transmission Protocol, SCTP)的多家鄉(xiāng)(Multi-Homing)特點(diǎn)，終端可以使用多個(gè)IP地址同時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)軟切換。切換過程中，CN從IP地址列表中刪掉MN的舊IP地址之前，CN與MN之間仍可以使用舊IP進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與信令交換，其切換過程如圖4所示，當(dāng)MN進(jìn)入兩顆衛(wèi)星的重疊覆蓋區(qū)域時(shí)，MN從nSAT中創(chuàng)建新IP地址，并通知CN新IP地址，此時(shí)MN與CN之間依然通過舊IP地址進(jìn)行通信。當(dāng)MN深入nSAT覆蓋區(qū)域后，通知CN將新IP地址作為主地址并進(jìn)行通信，同時(shí)向位置管理器(Location Management, LM)發(fā)送位置更新，對(duì)MN進(jìn)行位置管理。當(dāng)MN離開pSAT的覆蓋區(qū)后，通知CN刪除MN的舊IP地址。

SIGMA在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中具有較低的切換時(shí)延和很低的切換丟包率[43-44]，表明SIGMA的軟切換特性可以有效地提高移動(dòng)性管理的性能。另外，引入預(yù)測(cè)機(jī)制，利用衛(wèi)星軌道信息和MN位置信息提前檢測(cè)下一個(gè)新接入衛(wèi)星，可以進(jìn)一步降低SIGMA的切換時(shí)延和丟包率[45]。

但是，SIGMA具有較高的管理開銷，其安全性和魯棒性沒有得到解決[46]。而且，SIGMA的切換時(shí)延和丟包率會(huì)隨著MN移動(dòng)速度增加而下降，另外地面與衛(wèi)星之間通信的長時(shí)延也會(huì)影響其性能。

圖4 SIGMA切換過程Fig.4 Handover process in SIGMA

除了上述協(xié)議外，文獻(xiàn)[47]提出了LEO衛(wèi)星無縫切換管理協(xié)議(Seamless Handover management scheme for LEO satellites,SeaHO-LEO)，利用衛(wèi)星緩存器和ISL，優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量、切換時(shí)延、阻塞率等性能，信令時(shí)序如圖5所示。但是SeaHO-LEO在切換過程中占用了兩個(gè)IP地址和兩顆衛(wèi)星的無線資源，還要求衛(wèi)星具有緩存功能，增加了系統(tǒng)成本。另外，MN參與了切換過程，星地鏈路的往返時(shí)延增加了切換時(shí)延。此外，文獻(xiàn)[47]還提出了一種基于MN和衛(wèi)星移動(dòng)軌跡的切換策略，該策略假設(shè)MN和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌跡全是已知的，根據(jù)軌跡信息計(jì)算出切換時(shí)刻與對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星，MN與衛(wèi)星利用計(jì)算結(jié)果在切換時(shí)刻進(jìn)行切換。該策略不產(chǎn)生位置更新操作(軌跡已知)和切換時(shí)延(根據(jù)切換時(shí)刻自發(fā)進(jìn)行切換)，但需要整個(gè)網(wǎng)絡(luò)具有嚴(yán)格的時(shí)鐘同步和MN精確的運(yùn)動(dòng)軌跡，否則會(huì)造成較高丟包率，具有明顯的局限性，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。

傳輸層的移動(dòng)性管理技術(shù)是對(duì)基于端到端的鏈路進(jìn)行管理，隨著用戶數(shù)增多，端到端鏈路數(shù)量也會(huì)增加，系統(tǒng)的移動(dòng)性管理開銷必然也會(huì)增大。傳輸層基于SCTP協(xié)議的SIGMA是比較完善的協(xié)議，利用多IP地址、多家鄉(xiāng)的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)性支持。雖然SIGMA在切換時(shí)延、丟包率等性能指標(biāo)上表現(xiàn)良好，但其需要MN支持多IP地址、多鏈路同時(shí)通信，犧牲了無線資源利用率，增加了網(wǎng)絡(luò)的阻塞率，降低了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。因此，SIGMA在網(wǎng)絡(luò)資源有限的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還待進(jìn)一步的研究。

2.4位置管理技術(shù)

由于LEO衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)，MN與衛(wèi)星之間頻繁地切換，使MN產(chǎn)生大量的位置更新，導(dǎo)致位置管理將占用大量的網(wǎng)絡(luò)資源。

通過引入分層位置管理機(jī)制，降低MN全局位置更新的頻率，可以減少位置更新占用的網(wǎng)絡(luò)資源。IETF組織提出的HMIPv6利用分層機(jī)制，通過MAP代理HA對(duì)MN的局部位置變化進(jìn)行更新，降低了位置管理開銷。在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中加入分層位置管理機(jī)制后，位置管理開銷明顯小于MIPv6和SIGMA[48]，說明分層位置管理機(jī)制降低了位置管理開銷。分層位置管理機(jī)制在一定程度上降低了全局位置更新的頻率，但位置管理開銷依然很大，而且LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)沒有明顯的分層結(jié)構(gòu)，不利于分層位置管理機(jī)制發(fā)揮自身優(yōu)勢(shì)。

在MIP中加入尋呼機(jī)制也可以降低位置管理的開銷。尋呼擴(kuò)展移動(dòng)IP(Paging extension for Mobile IP, P-MIP)協(xié)議[49]在基本MIP中引入尋呼機(jī)制，為MN設(shè)定了兩種狀態(tài)，即活動(dòng)狀態(tài)和空閑狀態(tài)。如果MN處于活動(dòng)狀態(tài)，則MN按照MIP的方法進(jìn)行位置管理，當(dāng)MN為空閑狀態(tài)時(shí)，用P-MIP進(jìn)行位置管理。P-MIP將網(wǎng)絡(luò)劃分為若干個(gè)尋呼區(qū)，在尋呼區(qū)內(nèi)移動(dòng)時(shí)，MN不需要向網(wǎng)絡(luò)更新位置，只有跨越不同的尋呼區(qū)時(shí)才會(huì)進(jìn)行位置更新，有效地降低了位置管理開銷。另外，根據(jù)P-MIP，當(dāng)MN有新呼叫時(shí)，網(wǎng)絡(luò)發(fā)起尋呼操作，向MN所在的尋呼區(qū)內(nèi)廣播尋呼信令，MN收到尋呼信令后向網(wǎng)絡(luò)發(fā)起連接請(qǐng)求并接受新的呼叫。

在具有尋呼機(jī)制的位置管理技術(shù)中，尋呼區(qū)的劃分對(duì)網(wǎng)絡(luò)的位置管理開銷和尋呼信令開銷至關(guān)重要。傳統(tǒng)劃分方法主要有[13,50-51]：1)基于衛(wèi)星覆蓋范圍劃分；2)基于地面控制站覆蓋范圍劃分；3)綜合考慮衛(wèi)星和地面控制站覆蓋范圍劃分。其中，如果綜合考慮衛(wèi)星和地面控制站的覆蓋范圍，只有當(dāng)MN同時(shí)離開當(dāng)前網(wǎng)關(guān)和衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域時(shí)，才進(jìn)行位置更新，可以降低高速用戶和在尋呼區(qū)邊界往復(fù)運(yùn)動(dòng)用戶的位置更新次數(shù)，從而降低位置管理開銷[48]。

傳統(tǒng)方法通過對(duì)尋呼區(qū)進(jìn)行合理的劃分，一定程度上降低了位置管理的開銷，但仍然沒有根本解決LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中MN與衛(wèi)星之間因頻繁切換而導(dǎo)致的大量的位置更新問題。文獻(xiàn)[52]提出了一種切換獨(dú)立的位置管理策略，該策略按照地理位置區(qū)域劃分尋呼區(qū)，與衛(wèi)星和地面控制站的覆蓋區(qū)域無關(guān)，取代了傳統(tǒng)的按照網(wǎng)絡(luò)邏輯區(qū)域進(jìn)行尋呼區(qū)設(shè)計(jì)的方法，解決了由頻繁切換帶來的大量位置更新的問題。不過，切換獨(dú)立的位置管理策略如何對(duì)MN發(fā)起尋呼操作仍需要更多的研究。

分層位置管理機(jī)制的管理開銷依然很大，MAP在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中如何部署的問題也沒有得到解決。尋呼機(jī)制在降低了位置管理開銷的同時(shí)，增加了尋呼操作，減緩了MN響應(yīng)新呼叫的速度。另外，如何對(duì)尋呼區(qū)進(jìn)行合理的規(guī)劃以及各種劃分方法的有效性如何還有待進(jìn)一步研究。

3 發(fā)展趨勢(shì)

移動(dòng)性管理技術(shù)作為LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，還存在以下幾個(gè)方面值得深入研究。

3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高動(dòng)態(tài)變化網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理

現(xiàn)有移動(dòng)性管理技術(shù)主要關(guān)注MN與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)、錨點(diǎn)之間的交互，忽略了移動(dòng)性管理與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系及影響，少有考慮LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)。LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)通過ISLs相互連接，形成網(wǎng)絡(luò)。值得注意的是ISLs通常存在較大數(shù)量的非固定鏈路，它的通斷受到諸多因素的影響，如星座類型、星間鏈路接入策略、衛(wèi)星之間的相對(duì)位置等。LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨著ISLs變化而變化，具有動(dòng)態(tài)性，但變化過程存在可預(yù)見性和周期性[53-54]。

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性及其對(duì)移動(dòng)性管理性能的影響都不可避免，所以LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理的研究必須考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，并且應(yīng)該著力解決如下兩個(gè)問題：

1)對(duì)比分析目前已有的移動(dòng)性管理協(xié)議在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的性能，了解動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如何影響移動(dòng)性管理性能。

2)如何利用動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可預(yù)見性和周期性降低其對(duì)移動(dòng)性管理性能的影響，提高LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理的性能。

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理

與基于主機(jī)的移動(dòng)性管理相比，基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理主要有以下特點(diǎn)[13,39,55]：

1)減少了終端與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)之間的信令交互，降低了無線鏈路對(duì)移動(dòng)性管理性能的影響；

2)利用基于網(wǎng)絡(luò)的思想，優(yōu)化移動(dòng)性管理協(xié)議的工作流程，降低鏈路的通信開銷；

3)不需要對(duì)現(xiàn)有終端進(jìn)行升級(jí)，降低了部署成本；

4)通過LMA和MAG的代理功能，所有的移動(dòng)性管理的信令由網(wǎng)絡(luò)側(cè)負(fù)責(zé)控制，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)管理的靈活性以及運(yùn)營商對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制和管理。

但是，基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理協(xié)議需要一個(gè)錨點(diǎn)(即LMA)同時(shí)完成控制信令的處理和用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，由于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和衛(wèi)星處理性能的限制，在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中如何合理地部署LMA仍需要進(jìn)一步的研究。

3.3 分布式移動(dòng)性管理

目前LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理都是集中式的，存在單點(diǎn)失效、性能瓶頸、次優(yōu)路由、可擴(kuò)展性差、長時(shí)延、多信令負(fù)載等問題。

IETF于2013年提出的分布式移動(dòng)性管理(Distributed Mobility Management, DMM)，以分布式轉(zhuǎn)發(fā)的方式分散數(shù)據(jù)流量，減輕移動(dòng)錨點(diǎn)的負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的傳輸效率[56-57]。對(duì)于具有分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)來說，若能采用DMM進(jìn)行移動(dòng)性管理，不僅可以降低對(duì)單顆衛(wèi)星性能的要求，還可以提高移動(dòng)性管理的效率。

但是，將DMM直接應(yīng)用在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中會(huì)面臨一些問題，如動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、分布不均勻的流量、用戶移動(dòng)模型的變化以及管理開銷的增多等，DMM必須針對(duì)這些問題進(jìn)行優(yōu)化。

3.4 跨層優(yōu)化的移動(dòng)性管理

在傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧中，各協(xié)議層之間獨(dú)立設(shè)計(jì)和運(yùn)行，影響了移動(dòng)性管理協(xié)議的性能和自適應(yīng)能力?？鐚觾?yōu)化為移動(dòng)性管理的發(fā)展提供了一種新模式。

跨層優(yōu)化通過對(duì)5個(gè)主要協(xié)議層(應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層)之間采用新型的交互機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各網(wǎng)絡(luò)層次的聯(lián)合優(yōu)化，提高移動(dòng)性管理協(xié)議的性能。例如利用主機(jī)標(biāo)識(shí)協(xié)議(Host Identity Protocol, HIP)對(duì)會(huì)話初始協(xié)議(Session Initiation Protocol, SIP)進(jìn)行跨層優(yōu)化，使IP地址的身份標(biāo)識(shí)功能與位置標(biāo)識(shí)功能分離，降低了切換時(shí)延、丟包、阻塞率等[58]。

但隨著優(yōu)化參數(shù)和涉及協(xié)議層數(shù)的增加，跨層優(yōu)化方法將變得相當(dāng)復(fù)雜，對(duì)網(wǎng)絡(luò)和終端性能的要求也會(huì)更高。而且，跨層優(yōu)化需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧進(jìn)行修改，增加了部署成本。因此，跨層優(yōu)化的移動(dòng)性管理在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用還需更多的研究。

4 結(jié)束語

本文分析了LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理問題的特殊性，從鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層3個(gè)協(xié)議層次對(duì)現(xiàn)有的移動(dòng)性管理技術(shù)進(jìn)行了綜述。鏈路層移動(dòng)性管理技術(shù)在電信網(wǎng)中比較成熟，功能強(qiáng)大，但是與底層技術(shù)、物理傳輸介質(zhì)等因素相關(guān)，不具備統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的移動(dòng)性管理技術(shù)均具有與底層技術(shù)無關(guān)以及對(duì)上層協(xié)議和應(yīng)用透明的特點(diǎn)，可以建立統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，解決各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的移動(dòng)性管理問題，但是現(xiàn)有的移動(dòng)性管理協(xié)議還存在一些問題。通過研究LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中基于網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性管理、分布式移動(dòng)性管理等技術(shù)，結(jié)合LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，可以提高系統(tǒng)的移動(dòng)性管理性能。

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(編輯：車曉玲、范真真)

Mobility management in LEO satellite communication networks

HE Dajian, YOU Peng*, YONG Shaowei

InstituteofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China

In recent years, low Earth orbit (LEO) satellite communication networks attract a lot of researchers' attention for its global coverage, short propagation delay, low-power links and great invulnerability performance，etc. It will be an important part of the future global mobile communication systems. Mobility management is a key technology for enabling service in LEO satellite communication networks.The characteristics, research status and problems of mobility management were analyzed. Firstly, a brief classification of mobility management of LEO satellite communications networks was provided and characteristics distinguished from terrestrial mobility wireless networks were analyzed based on the architecture and features of LEO satellite communication networks. Then the state-of-the-art mobility management schemes in LEO satellite communication networks were summarized from link layer, network layer and transport layer. A detailed description of the application of MIPv6 and SIGMA in LEO satellite environment was given. Finally,some trends of mobility management of LEO satellite communications networks was pointed out.

satellite network; low earth orbit (LEO) satellite; mobility management; mobile IP (MIP); Seamless IP-diversity based Generalized Mobility Architecture(SIGMA)

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國家安全重大基礎(chǔ)研究(973)

賀達(dá)健(1992-)，男，碩士研究生，dajian.he@gmail.com

*通訊作者：游鵬(1983-)，男，講師，ysw_nudt@vip.126.com，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和雷達(dá)探測(cè)

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