張 平，趙 晶，虞志剛，薛斯達，陸 洲

(中國電子科學(xué)研究院，北京 100041)

0 引 言

近年來，隨著經(jīng)濟全球化發(fā)展和我國國家利益拓展，天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)作為我國全球化信息保障的重要手段，逐漸成為研究的熱點。2006年，沈榮駿院士首先提出了我國天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)的概念及總體構(gòu)想[1]。2013-2014年，工業(yè)和信息化部電子科學(xué)技術(shù)委員會組織了“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究”重點課題，從發(fā)展戰(zhàn)略、總體方案和關(guān)鍵技術(shù)等三個方面對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)開展研究[2]。2013年和2015年，國內(nèi)先后兩次召開了天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的高峰論壇，對凝聚國內(nèi)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究力量并形成統(tǒng)一的認(rèn)識發(fā)揮了重要作用。2015年，張乃通院士發(fā)表了《對建設(shè)我國“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”的思考》[3]，對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的定位、邊界作了清晰的說明，并提出了網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)的設(shè)想和對建設(shè)工作的建議。2016年，吳曼青院士發(fā)表了《天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)設(shè)想》[4]，結(jié)合重大工程的建設(shè)需求對天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)架構(gòu)和技術(shù)體系做了深入的闡述。

圖1 天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

如圖1所示，空間信息網(wǎng)絡(luò)是天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的核心要素和重要組成。空間信息網(wǎng)絡(luò)由天基骨干網(wǎng)、天基接入網(wǎng)、地基節(jié)點網(wǎng)互聯(lián)形成，并可與其它衛(wèi)星通信系統(tǒng)、地面互聯(lián)網(wǎng)、移動通信網(wǎng)等異構(gòu)網(wǎng)系開放互聯(lián)，為陸、海、空、天各類用戶提供安全可靠的網(wǎng)絡(luò)與信息服務(wù)。

天基骨干網(wǎng)由布設(shè)在地球同步軌道的骨干節(jié)點通過激光、微波鏈路組網(wǎng)而成，實現(xiàn)骨干互聯(lián)和骨干接入功能，同時為天基、空基及地表用戶提供全球中繼與寬帶接入服務(wù)。天基接入網(wǎng)由布設(shè)在低軌的接入節(jié)點構(gòu)成綜合低軌星座，提供全球移動通信、寬帶接入及區(qū)域增強通信服務(wù)，以及航空/航海目標(biāo)監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集回傳等信息業(yè)務(wù)。地基節(jié)點網(wǎng)由多個骨干節(jié)點互聯(lián)而成，具備互聯(lián)天基骨干/接入節(jié)點、互聯(lián)互通地面網(wǎng)絡(luò)、支撐天地一體的運維管控和應(yīng)用服務(wù)等功能。

空間信息網(wǎng)絡(luò)涉及信息獲取、處理、傳輸、存儲和分發(fā)等各個環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的基于地面存儲信息的方式在信息獲取的時效性和空間帶寬利用、系統(tǒng)安全抗毀[5]等方面存在問題。隨著空間組網(wǎng)和航天電子信息技術(shù)的不斷進步，在衛(wèi)星上部署信息處理和存儲資源在技術(shù)和經(jīng)濟上都逐漸變得可行。為此，本文提出了一種基于空間分布式存儲的信息系統(tǒng)方案，充分利用空間信息網(wǎng)絡(luò)中的信息處理和存儲資源，來提升信息獲取的時效性，并減小對空間帶寬資源的消耗。

1 背景情況分析

隨著流媒體、高清電視、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)的普及，網(wǎng)絡(luò)中的信息呈爆炸式增長，信息的高效存儲和分發(fā)成為一個研究熱點。為了提升信息分發(fā)的效率，研究者相繼提出了發(fā)布訂閱模式、網(wǎng)絡(luò)編碼、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。

1.1 發(fā)布訂閱模式

為了解決網(wǎng)絡(luò)和用戶動態(tài)性問題，滿足用戶多樣化信息需求，研究者提出了發(fā)布訂閱(P/S)模式[6，7]。發(fā)布/訂閱通信模式定義了兩類角色，分別是發(fā)布者(Publisher)和訂閱者(Subscriber)，其中發(fā)布者是信息的生產(chǎn)者，而訂閱者是信息的消費者。兩者通過網(wǎng)絡(luò)中的事件服務(wù)器完成信息交互(稱為事件)。

整個信息交互流程如圖2所示：①發(fā)布者產(chǎn)生信息并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的事件服務(wù)器，事件服務(wù)器記錄信息的摘要和存儲的位置；②訂閱者向事件服務(wù)器發(fā)送訂閱請求，請求中包含了訂閱者感興趣的信息主題；③事件服務(wù)器檢索信息目錄，找到匹配的信息并發(fā)送給訂閱者。

圖2 發(fā)布訂閱模式

在發(fā)布訂閱模式下，信息的發(fā)布者和訂閱者不需要同時在線，也不需要知道對方的地址，從而實現(xiàn)發(fā)布者和訂閱者在時間和空間上的完全解耦。

1.2 冗余備份技術(shù)

為了提升信息存儲系統(tǒng)的可靠性，通常采用冗余備份的分布式存儲系統(tǒng)，目前主要有復(fù)制和糾刪碼兩種方式[8-10]。

復(fù)制方式是最簡單的冗余策略，通過在信息存儲系統(tǒng)中的多個節(jié)點存放多份信息副本，達到提升系統(tǒng)可靠性的目的。在某個節(jié)點發(fā)生故障時，會重新生成一份信息副本存儲到新的節(jié)點中，保證系統(tǒng)中存儲的副本數(shù)量不變。這種方式的缺點是需要消耗大量的存儲和帶寬資源。

糾刪碼方式的實現(xiàn)相對復(fù)雜，其工作原理如下：首先將源信息切分成k個數(shù)據(jù)塊，接著對這k個數(shù)據(jù)塊進行編碼生成n個編碼塊，然后將這n個編碼塊存儲到系統(tǒng)中的n個節(jié)點中，實現(xiàn)信息的分布式存儲。在信息復(fù)原時，只需要獲取n個編碼塊中的任意k個編碼塊就能夠恢復(fù)出原始信息。采用這種方式，系統(tǒng)中的節(jié)點只需要存儲源信息的部分編碼塊，在保證系統(tǒng)可靠性的前提下減少系統(tǒng)冗余存儲開銷。

1.3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)

隨著視頻點播、在線課程等新業(yè)務(wù)的驅(qū)動，海量用戶對相同內(nèi)容的獲取導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)帶寬的大量消耗，并加劇了服務(wù)器的處理能力瓶頸問題。為此，研究者提出了內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)[11，12]的概念，通過將內(nèi)容部署到離用戶盡可能近的節(jié)點，減少用戶獲取信息的時延，并降低網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的消耗。

圖3 內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)示意

內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)原理如圖3所示，整個系統(tǒng)包括一個中心服務(wù)器和若干個部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的內(nèi)容緩存。信息流程如下：①用戶向中心服務(wù)器發(fā)送內(nèi)容請求；②中心服務(wù)器根據(jù)用戶所在位置確定離用戶最近的內(nèi)容緩存節(jié)點，并將用戶的請求重定向到該節(jié)點；③內(nèi)容緩存節(jié)點收到重定向請求后，將緩存的內(nèi)容發(fā)送給請求的用戶。

通過將內(nèi)容分布式部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣的方式，內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)可以極大的降低網(wǎng)絡(luò)帶寬資源的消耗，減輕中心服務(wù)器的壓力，從而提升用戶服務(wù)質(zhì)量。

2 空間信息分布式存儲系統(tǒng)設(shè)計

本節(jié)主要介紹空間信息存儲系統(tǒng)的設(shè)計，分為基于地面存儲方案和基于空間存儲方案。

2.1 地面存儲方案

在地面存儲方案中，所有的信息處理和存儲都在地面完成，空間節(jié)點(衛(wèi)星)只是作為信息轉(zhuǎn)發(fā)的通道。

基于地面的信息存儲系統(tǒng)如圖4所示，整個系統(tǒng)包括信源節(jié)點、信宿節(jié)點、信息服務(wù)中心、高軌節(jié)點和低軌星座等部分。其中信息服務(wù)中心位于地面，信源節(jié)點產(chǎn)生信息并發(fā)送給信息服務(wù)中心進行存儲，信宿節(jié)點通過空間信息網(wǎng)絡(luò)(由高軌節(jié)點和低軌星座組成)連接到信息服務(wù)中心，向信息服務(wù)中心發(fā)送信息請求并獲取所需要的信息。

圖4 地面存儲系統(tǒng)

2.2 空間存儲方案

在空間存儲方案中，空間節(jié)點(衛(wèi)星)具備信息的處理和存儲能力，與地面協(xié)同完成信息發(fā)布、處理、存儲和分發(fā)等各個環(huán)節(jié)。

圖5 空間信息分布式存儲系統(tǒng)

基于空間的信息分布式存儲系統(tǒng)如圖5所示，整個系統(tǒng)同樣包括信源節(jié)點、信宿節(jié)點、信息服務(wù)中心、高軌節(jié)點和低軌星座等部分。其中信息服務(wù)中心位于地面，信源節(jié)點產(chǎn)生信息并發(fā)送給信息服務(wù)中心，信息服務(wù)中心完成信息的收集、記錄和處理，并通過高軌節(jié)點將處理后的信息發(fā)送到低軌星座中進行分布式存儲，信宿節(jié)點直接向空間信息網(wǎng)絡(luò)(由高軌節(jié)點和低軌星座組成)發(fā)送信息請求并獲取所需要的信息。

這種基于空間的信息分布式存儲系統(tǒng)可以提高信息獲取的時效性，并降低空間帶寬資源的消耗，是本文研究的重點，下一節(jié)將針對這一系統(tǒng)給出具體的信息交互流程。

3 信息流程

在空間信息分布式存儲系統(tǒng)中，有兩種不同的信息存儲策略，即復(fù)制和編碼兩種方式，下面分別介紹相應(yīng)的信息流程。

3.1 基于復(fù)制的信息流程

參考發(fā)布訂閱模式，可以將整個信息交互流程分為信息發(fā)布和信息接收兩個過程。

信息發(fā)布過程如圖6所示，主要步驟如下：①信源節(jié)點將原始信息發(fā)送給信息服務(wù)中心；②信息服務(wù)中心將原始信息發(fā)送至高軌節(jié)點；③高軌節(jié)點以廣播方式將原始信息發(fā)送至低軌星座，低軌星座對原始信息進行存儲。

圖6 信息發(fā)布過程

信息接收過程如圖7所示，主要步驟如下：①信宿節(jié)點向信息服務(wù)中心提出信息的請求；②信息服務(wù)中心根據(jù)信宿節(jié)點的位置，確定一個離信宿節(jié)點最近的存儲有原始信息的低軌衛(wèi)星，并將低軌衛(wèi)星的位置信息反饋給信宿節(jié)點；③信宿節(jié)點根據(jù)信息服務(wù)中心反饋的低軌衛(wèi)星位置信息，從低軌衛(wèi)星上獲取存儲的原始信息。

圖7 信息接收過程

3.2 基于編碼的信息流程

基于編碼的信息流程與基于復(fù)制的信息流程基本一致，只是增加了信息編碼和信息解碼兩個過程。

在圖6的信息發(fā)布過程步驟②中，信息服務(wù)中心需要對原始信息進行編碼，再將編碼后的信息發(fā)送給高軌節(jié)點。具體編碼方式如下：

信息服務(wù)中心將原始信息按照重要程度分為n等級，分別記為C1，C2，…，Cn，并根據(jù)相應(yīng)的等級分配數(shù)字K1，K2，…，Kn(1≤K1

MC=MO×G

(1)

其中G={gp,q}(1≤p≤Ki，1≤q≤N)是一個Ki×N的矩陣，G的任意Ki×Ki子矩陣都是滿秩的矩陣。

在圖7的信息接收過程步驟②中，信息服務(wù)中心反饋給信宿節(jié)點的不是單顆低軌衛(wèi)星的位置信息，而是根據(jù)信宿節(jié)點位置及原始信息等級，確定解碼恢復(fù)原始信息所需要的低軌星座子集R。在步驟③中，信宿節(jié)點從低軌星座子集R中獲取編碼信息并解碼恢復(fù)出原始信息。具體解碼方式如下：

信宿節(jié)點根據(jù)低軌星座子集R從對應(yīng)的Ki顆低軌衛(wèi)星中獲取Ki份編碼信息，記為MR={MC,R1，MC,R2，…，MC,RKi}，并進而解碼恢復(fù)出原始信息MO。信息解碼的公式如下：

MO=MR×GR-1

(2)

其中GR={gp,q}(1≤p≤Ki，q∈R)是由G提取的Ki×Ki子矩陣。

4 系統(tǒng)性能分析及仿真

基于前面兩小節(jié)介紹的空間信息分布式存儲系統(tǒng)和信息流程，本節(jié)對系統(tǒng)性能開展理論分析，并結(jié)合仿真進行驗證。

4.1 理論模型

基于圖4和圖5所示的網(wǎng)絡(luò)場景，假設(shè)信源節(jié)點和信宿節(jié)點都在地面，低軌星座由N個節(jié)點(衛(wèi)星)組成，低軌節(jié)點之間無星間鏈路。對于空間信息網(wǎng)絡(luò)中的每一份信息，信源節(jié)點只有一個，而信宿節(jié)點可能有很多，這也意味著信息發(fā)布過程只需要一次，而信息接收過程可能存在多次。因此，信息接收過程是影響系統(tǒng)性能的主要因素，重點對以下兩個指標(biāo)進行分析：

(1)接收時間TR：信宿節(jié)點從空間信息網(wǎng)絡(luò)中獲取信息并恢復(fù)出原始信息的時間，包括信息傳播時間、信息處理時間和解碼時間等，在空間信息網(wǎng)絡(luò)中主要考慮信息傳播時間，信息處理和解碼時間可以忽略不計；

(2)帶寬消耗B：信宿節(jié)點接收信息消耗的空間信息網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，考慮到不同長度鏈路消耗的資源不同，計算時采用鏈路長度加權(quán)后的結(jié)果，即：

(3)

其中Vi和Li分別代表每段鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量和鏈路的長度。

下面分別就三個網(wǎng)絡(luò)場景開展分析：

4.1.1地面存儲方案

在該方案中，信息存儲在地面信息服務(wù)中心，信宿節(jié)點需要從地面信息服務(wù)中心獲取信息，分為三種情況：

(1)信宿節(jié)點和地面信息服務(wù)中心在同一顆低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，此時可以通過低軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)完成信息接收，接收時間TR為：

TR=Tc,l+Tl,d

(4)

其中Tc,l為信息服務(wù)中心到低軌衛(wèi)星的時延，Tl,d為低軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

B=V*(Lc,l+Ll,d)

(5)

其中V為原始信息大小，Lc,l為信息服務(wù)中心到低軌衛(wèi)星的鏈路長度，Ll,d為低軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的鏈路長度。

(2)信宿節(jié)點和地面信息服務(wù)中心不在同一顆低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，但在同一顆高軌衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，此時需要通過高軌節(jié)點中轉(zhuǎn)才能完成信息接收，接收時間TR為：

TR=Tc,g+Tg,d

(6)

其中Tc,g為信息服務(wù)中心到高軌衛(wèi)星的時延，Tg,d為高軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

B=V*(Lc,g+Lg,d)

(7)

其中Lc,g為信息服務(wù)中心到高軌衛(wèi)星的鏈路長度，Lg,d為高軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的鏈路長度。

(3)信宿節(jié)點和地面信息服務(wù)中心在兩顆不同的高軌衛(wèi)星覆蓋下，此時需要經(jīng)過兩顆高軌衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)才能完成信息接收，假設(shè)與地面信息服務(wù)中心相連的高軌衛(wèi)星為g1，與信宿節(jié)點相連的高軌衛(wèi)星為g2，可以計算出接收時間TR為：

TR=Tc,g1+Tg1,g2+Tg2,d

(8)

其中Tc,g1為信息服務(wù)中心到高軌衛(wèi)星g1的時延，Tg1,g2為高軌衛(wèi)星g1到高軌衛(wèi)星g2的時延，Tg2,d為高軌衛(wèi)星g2到信宿節(jié)點的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

B=V*(Lc,g1+Lg1,g2+Lg2,d)

(9)

其中Lc,g1為信息服務(wù)中心到高軌衛(wèi)星g1的鏈路長度，Lg1,g2為高軌衛(wèi)星g1到高軌衛(wèi)星g2的鏈路長度，Lg2,d為高軌衛(wèi)星g2到信宿節(jié)點的鏈路長度。

4.1.2基于復(fù)制的空間存儲方案

在該方案中，信息未作處理直接以原始形式存儲在低軌星座上，信宿節(jié)點從存儲有原始信息的低軌衛(wèi)星獲取信息，分為三種情況：

(1)存儲有原始信息的低軌衛(wèi)星在信宿節(jié)點可見范圍內(nèi)，此時可直接從該低軌衛(wèi)星接收信息，接收時間TR等于低軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延Tl,d，即：

TR=Tl,d

(10)

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

B=V*Ll,d

(11)

(2)存儲有原始信息的低軌衛(wèi)星不在信宿節(jié)點可見范圍內(nèi)，但該低軌衛(wèi)星和信宿節(jié)點在同一顆高軌衛(wèi)星的覆蓋范圍內(nèi)，此時通過高軌節(jié)點中轉(zhuǎn)可以完成信息接收，接收時間TR為：

TR=Tl,g+Tg,d

(12)

其中Tl,g為低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星的時延，Tg,d為高軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

B=V*(Ll,g+Lg,d)

(13)

其中Ll,g為低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星的鏈路長度，Lg,d為高軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的鏈路長度。

(3)存儲有原始信息的低軌衛(wèi)星和信宿節(jié)點在不同高軌衛(wèi)星的覆蓋下，此時需要經(jīng)過兩顆高軌衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)才能完成信息接收，設(shè)與低軌衛(wèi)星相連的高軌衛(wèi)星為g1，與信宿節(jié)點相連的高軌衛(wèi)星為g2，可以計算出接收時間TR為：

TR=Tl,g1+Tg1,g2+Tg2,d

(14)

其中Tl,g1為低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星g1的時延，Tg1,g2為高軌衛(wèi)星g1到高軌衛(wèi)星g2的時延，Tg2,d為高軌衛(wèi)星g2到信宿節(jié)點的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

B=V*(Ll,g1+Lg1,g2+Lg2,d)

(15)

其中Ll,g1為信息服務(wù)中心到高軌衛(wèi)星g1的鏈路長度，Lg1,g2為高軌衛(wèi)星g1到高軌衛(wèi)星g2的鏈路長度，Lg2,d為高軌衛(wèi)星g2到信宿節(jié)點的鏈路長度。

4.1.3基于編碼的空間存儲方案

在該方案中，信息經(jīng)過編碼之后以編碼信息的形式存儲在低軌星座上，信宿節(jié)點從存儲有編碼信息的低軌衛(wèi)星獲取編碼信息，并通過解碼恢復(fù)出原始信息，假設(shè)恢復(fù)原始信息至少需要K個編碼數(shù)據(jù)塊，分為三種情況：

(1)在信宿節(jié)點可見范圍內(nèi)低軌衛(wèi)星數(shù)量不少于K，此時可從中選取K個離信宿節(jié)點最近的低軌衛(wèi)星，從這些衛(wèi)星上獲取編碼信息并解碼，需要等K個編碼數(shù)據(jù)塊都接收完才能解碼恢復(fù)出原始信息，因此接收時間TR等于最后一個編碼數(shù)據(jù)塊接收的時間，即：

TR=max{Tli,d}1≤i≤K

(16)

其中Tli,d為第i顆低軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

(17)

其中Lli,d為第i顆低軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的鏈路長度。

(2)在信宿節(jié)點可見范圍內(nèi)低軌衛(wèi)星數(shù)量J少于K，但與信宿節(jié)點處在同一顆高軌衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的低軌衛(wèi)星數(shù)量不少于K，此時信宿節(jié)點可從J顆低軌衛(wèi)星直接獲取J個編碼數(shù)據(jù)塊，同時從剩余的低軌衛(wèi)星中選取K-J顆離高軌衛(wèi)星最近的低軌衛(wèi)星，經(jīng)過高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)從這些衛(wèi)星上獲取K-J個編碼數(shù)據(jù)塊，需要等K個編碼數(shù)據(jù)塊都接收完才能解碼恢復(fù)出原始信息，因此接收時間TR等于最后一個編碼數(shù)據(jù)塊接收的時間，即：

TR=max{Tli,d,Tlj,g+Tg,d}1≤i≤J,1≤j≤K-J

(18)

其中Tlj,g為第j顆低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星的時延。因為低軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延總是小于高軌衛(wèi)星到信宿節(jié)點的時延，所以公式(18)可以簡化為：

TR=max{Tlj,g+Tg,d}1≤j≤K-J

(19)

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

(20)

其中Llj,g為第j顆低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星的鏈路長度。

(3)在信宿節(jié)點可見范圍內(nèi)低軌衛(wèi)星數(shù)量J，與信宿節(jié)點處在同一顆高軌衛(wèi)星覆蓋范圍內(nèi)的低軌衛(wèi)星數(shù)量M，兩者都小于K(J

TR=max {Tlm,g1+Tg1,g2+Tg2,d}1≤m≤K-M

(21)

其中Tlm,g1為第m顆低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星g1的時延。

相應(yīng)的帶寬消耗B為：

(22)

其中Llj,g2為第j顆低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星g2的鏈路長度，Llm,g1為第m顆低軌衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星g1的鏈路長度。

4.2 仿真結(jié)果

為了比較不同存儲系統(tǒng)的性能，本小節(jié)將給出仿真的結(jié)果。

仿真場景設(shè)置如下：

(1)1個信宿節(jié)點，位置可在全球任意地點；

(2)1個信息服務(wù)中心，位于北京；

(3)3個高軌節(jié)點，在地球同步軌道上等間隔分布(0°E，120°E，120°W)，通過星間鏈路形成環(huán)網(wǎng)；

(4)1個低軌星座，低軌衛(wèi)星之間沒有星間鏈路，在覆蓋范圍內(nèi)可與信宿節(jié)點、高軌節(jié)點和信息服務(wù)中心建立連接，其中地面節(jié)點的仰角不小于20°，在仿真中選取了OneWeb星座(軌道高度1200 km，18個軌道面，每個軌道面40顆衛(wèi)星，總共720顆衛(wèi)星)作為代表。

4.2.1地面存儲與空間存儲方案比較

基本假設(shè)如下：在地面存儲方案中原始信息存儲在信息服務(wù)中心，在空間存儲方案中假設(shè)每個低軌衛(wèi)星都存儲了一份原始信息(此時復(fù)制和編碼兩種方式?jīng)]有區(qū)別)。為了體現(xiàn)上小節(jié)理論分析中的三種不同情況，信宿節(jié)點選取三個典型位置：北京、三亞和倫敦，仿真結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 地面存儲與空間存儲方案的信息接收時間比較

圖9 地面存儲與空間存儲方案的空間帶寬消耗比較

圖8比較了地面存儲和空間存儲兩種方案下的信息接收時間。在空間存儲方案中，信宿節(jié)點直接從低軌衛(wèi)星上接收信息，不管信息節(jié)點在什么地方，信息接收時間都只是一跳低軌衛(wèi)星到地面的無線鏈路傳播時延，考慮到地面仰角因素，時延約為4.4 ms。在地面存儲方案中，因為信息存儲在地面的信息服務(wù)中心，需要考慮信宿節(jié)點與信息服務(wù)中心的位置關(guān)系。信宿節(jié)點在北京、三亞和倫敦三個不同位置，分別與信息服務(wù)中心在同一顆低軌衛(wèi)星、同一顆高軌衛(wèi)星和不同高軌衛(wèi)星的覆蓋下，對應(yīng)的時延約為12.7 ms、245 ms和495 ms。假設(shè)信宿節(jié)點的位置在全球隨機分布，則地面存儲方案的平均信息接收時間約為424 ms，相比空間存儲方案的4.4 ms 增加了近100倍。

圖9比較了地面存儲和空間存儲兩種方案下的空間帶寬消耗。為了便于比較，我們以V*1200 km(星地最短距離)為基本單位做了歸一化處理。從圖中可以看到，空間存儲方案的空間帶寬消耗平均為1.1個單位，而地面存儲方案在三種情況下(信宿節(jié)點在北京、三亞和倫敦)的空間帶寬消耗分別為3.2、61和124個單位，約為空間存儲方案的3、56和113倍。平均而言，地面存儲方案的空間帶寬消耗為106個單位，將近是空間存儲方案的97倍。

4.2.2復(fù)制與編碼方案比較

在空間存儲方案中，進一步比較基于復(fù)制和基于編碼兩種不同存儲策略的性能。影響系統(tǒng)性能的主要因素是在空間存儲的信息冗余量S，在復(fù)制方案中就是低軌星座中存儲的原始信息份數(shù)，在編碼方案中信息冗余量S與低軌衛(wèi)星數(shù)量N和恢復(fù)原始信息需要的編碼信息數(shù)量K相關(guān)，即：

S=N/K

(23)

在仿真中N=720，為保證S和K均為整數(shù)，選取S的值為{1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 12, 15, 16, 18, 20, 24, 30, 36, 40, 45, 48, 60, 72, 80, 90, 120, 144, 180, 240, 360, 720}，仿真的結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 復(fù)制與編碼方案的信息接收時間比較

圖11 復(fù)制與編碼方案的空間帶寬消耗比較

圖10比較了復(fù)制和編碼兩種方案下的信息接收時間。隨著在空間存儲的信息冗余量的增加，兩種方案的信息接收時間都逐步減小。在復(fù)制方案中，信息接收時間基本隨著信息冗余量平滑下降，S=1時為325 ms，S=720時減小到4.4 ms。在編碼方案中，信息接收時間隨信息冗余量的變化呈現(xiàn)階梯狀下降，S=1時為488 ms，S=2時急劇下降到278 ms，之后隨著信息冗余量的增加緩慢下降，S=40時降到242 ms，接著又下降一個臺階，S=45時急劇下降到8.2 ms，之后在緩慢下降，S=720時降到4.4 ms。這種階梯狀下降的原因是編碼方案需要等所有編碼數(shù)據(jù)塊都接收到之后才能解碼恢復(fù)出原始信息，如公式(16)、(19)和(21)所示，信息接收時間取的是最長路徑傳播時延，兩個階躍點分別對應(yīng)從三種不同情況的切換。從圖中可以看出：在S≤40時，信宿節(jié)點直接可見的低軌衛(wèi)星數(shù)量小于K，編碼方案需要通過高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)才能完成信息解碼和恢復(fù)，信息接收時間為最長路徑傳播時延，所以復(fù)制方案的信息接收時間要優(yōu)于編碼方案；在S≥45時，信宿節(jié)點直接可見的低軌衛(wèi)星數(shù)量大于K，不需要經(jīng)過高軌衛(wèi)星就可以實現(xiàn)信息解碼和恢復(fù)，而復(fù)制方案因為原始信息在所有衛(wèi)星中隨機存儲，存在一定的概率在可見范圍內(nèi)找不到原始信息，所以編碼方案要優(yōu)于復(fù)制方案。

圖11比較了復(fù)制和編碼兩種方案下的空間帶寬消耗。為了便于比較，我們同樣以V*1200 km(星地最短距離)為基本單位做了歸一化處理。隨著在空間存儲的信息冗余量的增加，兩種方案的空間帶寬消耗都逐步減小。信息冗余量S=1時，兩種方案的空間帶寬消耗B均為81.2單位，當(dāng)S增大到720時，兩種方案的空間帶寬消耗仍然相同為1.1單位。其它情況下，編碼方案的空間帶寬消耗均小于復(fù)制方案，主要原因是編碼方案總是選取離信宿節(jié)點最近的K顆低軌衛(wèi)星獲取編碼信息，而復(fù)制方案由于信息存儲位置的隨機性有一定的概率需要從較遠(yuǎn)的衛(wèi)星獲取原始信息。

從圖11可以看出，復(fù)制方案的空間帶寬消耗隨著S的增大平穩(wěn)下降，而編碼方案的空間帶寬消耗有兩個快速下降的突變點(S=2和S=45)，分別對應(yīng)兩種情況：1)當(dāng)S≥2時至多只需要通過一顆高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)即可完成信息接收；2)當(dāng)S≥45時可直接通過低軌衛(wèi)星解碼并恢復(fù)出原始信息。當(dāng)S=2時，編碼方案的空間帶寬消耗為63.6單位，而復(fù)制方案為71.2單位，大約為編碼方案的1.12倍。當(dāng)S繼續(xù)增大時，兩者基本同步下降，差距維持在1-2倍之間。當(dāng)S=40時，編碼方案的空間帶寬消耗為8.2單位，而復(fù)制方案為23.6單位，大約為編碼方案的2.88倍。當(dāng)S從40增大到45時，有一個突變，編碼方案的空間帶寬消耗從8.2急劇下降為1.7單位，而復(fù)制方案僅從23.6減小到22.8單位，其空間帶寬消耗大約為編碼方案的13.6倍，兩者差距達到最大。原因是S=45時，K=16，而信宿節(jié)點直接可見的衛(wèi)星數(shù)不小于17顆，所以編碼方案不需要經(jīng)過高軌節(jié)點就可以直接解碼恢復(fù)出原始信息，而復(fù)制方案有一定概率需要通過高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)才能獲取原始信息，而通過高軌衛(wèi)星中轉(zhuǎn)的空間資源消耗約為直接通過低軌衛(wèi)星的40-50倍。當(dāng)S繼續(xù)增大時，復(fù)制方案的空間帶寬消耗繼續(xù)平穩(wěn)下降，而編碼方案則維持在較低水平，最終兩者趨于一致。

5 結(jié) 語

面向空間信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的趨勢，本文提出了一種基于空間分布式存儲的信息系統(tǒng)方案，并與傳統(tǒng)的基于地面的信息存儲方案做了比較。在基于空間存儲的方案中，又分析比較了復(fù)制和編碼兩種不同的存儲策略。通過理論分析和數(shù)值仿真可知，空間存儲方案相比地面存儲方案在信息接收時間和空間帶寬資源利用方面有很大的提升，信息平均接收時間從424 ms降為4.4 ms，同時空間帶寬資源消耗節(jié)省了近99%。對比復(fù)制和編碼兩種方案，當(dāng)信息冗余量達到一定值時，編碼方案的性能要優(yōu)于復(fù)制方案，兩者最大差距可超過10倍。