吳 煬,胡谷雨,金鳳林,唐斯琪

(陸軍工程大學(xué)指揮控制工程學(xué)院,江蘇 南京 210007)

1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究背景與意義

隨著通信技術(shù)的發(fā)展,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在通信方面發(fā)揮的作用越來(lái)越重要,引起了學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的廣泛關(guān)注。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在支持全球覆蓋方面有著不可或缺的作用,這不僅可以對(duì)地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)展與補(bǔ)充,還能在自然災(zāi)害、緊急救援、地質(zhì)勘測(cè)等應(yīng)用方面提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸與正常通信。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由衛(wèi)星和星間鏈路組成,根據(jù)衛(wèi)星軌道不同的高度,將衛(wèi)星分為三類:靜止軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit, GEO, 36 000 km)、中軌道衛(wèi)星(Medium Earth Orbit, MEO, 5 000-10 000 km)、低軌道衛(wèi)星(Low Earth Orbit, LEO, 500-1 500 km)。相比于靜止軌道衛(wèi)星和中軌道衛(wèi)星,低軌道衛(wèi)星有著傳播時(shí)延小、能耗少、信號(hào)衰減少等優(yōu)點(diǎn),有利于實(shí)時(shí)通信和降低移動(dòng)終端的功率。中軌道衛(wèi)星一般作為傳輸數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星,本文不予討論。

從20世紀(jì)90年代開(kāi)始,利用地面的蜂窩網(wǎng)進(jìn)行通信以及光纖通信的飛速發(fā)展,使得衛(wèi)星通信的應(yīng)用與研究逐漸衰落,當(dāng)時(shí)正在研究的低軌衛(wèi)星星座包括Iridium 與Globalstar也停滯不前。后來(lái),隨著同步軌道衛(wèi)星的研究的興起,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的概念也進(jìn)一步發(fā)酵,這都大大促進(jìn)了對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的研究與發(fā)展。我國(guó)也將天地一體化網(wǎng)絡(luò)積極擺在戰(zhàn)略地位,事實(shí)上,國(guó)家基金委、工信部、科技部等均先后啟動(dòng)了關(guān)于空間信息網(wǎng)或天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的專項(xiàng),并且天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)被列入了國(guó)家“十三五”規(guī)劃,是國(guó)家科技創(chuàng)新2030重大項(xiàng)目之一。在航天工程方面,航天科技、航天科工集團(tuán)等也有鴻雁、虹云工程等相關(guān)實(shí)踐探索。另外,對(duì)于國(guó)內(nèi)天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的研究走在前列的大學(xué)包括清華大學(xué)、北京郵電大學(xué)、南京郵電大學(xué)等。2020年6月30日,我國(guó)北斗三號(hào)全球同步衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的最后一顆組網(wǎng)的衛(wèi)星、第三顆地球同步軌道衛(wèi)星有效載荷圓滿完成開(kāi)通,標(biāo)志著我國(guó)靜止軌道衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)一步成熟。表1對(duì)比了同步軌道衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星的特點(diǎn)。

表1 同步軌道衛(wèi)星與低軌衛(wèi)星參數(shù)比較

雖然在實(shí)際應(yīng)用中,靜止軌道衛(wèi)星的發(fā)展更成熟,應(yīng)用更廣泛,但是與低軌衛(wèi)星相比,低軌衛(wèi)星擁有著其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn):

1)低軌衛(wèi)星擁有全球覆蓋的能力。對(duì)于同步軌道衛(wèi)星而言,一顆同步軌道衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域占全球面積的42.4%,故3顆同步軌道衛(wèi)星就能覆蓋全球。然而,由于同步軌道衛(wèi)星的軌道在赤道上空,達(dá)不到通信時(shí)需要的最小仰角,極區(qū)的用戶無(wú)法利用其進(jìn)行通信,故不能達(dá)到全球覆蓋通信的效果。低軌衛(wèi)星星座有著全球覆蓋的能力,包括為兩極地區(qū)提供通信。

2)低軌衛(wèi)星有利于無(wú)線通信。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí),由于傳輸距離較同步軌道衛(wèi)星近,傳播損耗較小,從而使得低軌衛(wèi)星通信對(duì)地面用戶終端的輻射功率與品質(zhì)的要求不高,有利于地面用戶的移動(dòng)終端的通信。

3)單點(diǎn)故障易解決。對(duì)于同步軌道衛(wèi)星而言,一顆同步軌道衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域較大,當(dāng)同步軌道衛(wèi)星發(fā)生單點(diǎn)故障后,通過(guò)其進(jìn)行通信的所有用戶都無(wú)法進(jìn)行正常通信,而重新發(fā)射衛(wèi)星成本較低軌衛(wèi)星成本高。低軌衛(wèi)星數(shù)量較多,發(fā)生單點(diǎn)故障后,易進(jìn)行切換,而且能夠通過(guò)一箭多星的技術(shù)減少發(fā)射成本。

4)低軌衛(wèi)星傳播時(shí)延小。同步軌道衛(wèi)星的軌道高度約36 000 km,傳播數(shù)據(jù)包時(shí)每跳時(shí)延約250 ms～270 ms,這已經(jīng)不能滿足多種用戶通信QoS需求。比如音頻、視頻等數(shù)據(jù)類型對(duì)時(shí)延、帶寬的要求比較高,無(wú)法通過(guò)同步軌道衛(wèi)星來(lái)滿足。而低軌衛(wèi)星軌道高度約為500 km～1 500 km,傳播數(shù)據(jù)包時(shí)每跳時(shí)延約為10 ms～20 ms,能夠滿足多種QoS需求,滿足實(shí)時(shí)通信的需求。

低軌衛(wèi)星軌道資源是有限的,需要盡快去競(jìng)爭(zhēng)此資源,而在地域上,我國(guó)幅員遼闊,對(duì)于偏遠(yuǎn)山區(qū)需要衛(wèi)星通信,不僅如此,當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生之后,地面通信設(shè)備受損的情況下,需要衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。隨著社會(huì)的發(fā)展,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越體現(xiàn)著更多的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究具有以下意義:

1)理論意義:隨著通信技術(shù)的發(fā)展,5G移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的出現(xiàn)與應(yīng)用,使得地面網(wǎng)絡(luò)更加快速發(fā)展。2019年在芬蘭召開(kāi)的“6G”無(wú)線峰會(huì)上,研究人員討論了毫米波的定位、環(huán)境與量子反向散射通信、5G后傳感與通信融合等問(wèn)題,其中最引人注目的6G研究的主流思想是將5G與衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合發(fā)展。對(duì)天地一體化進(jìn)行的研究能夠推動(dòng)5G移動(dòng)通信技術(shù)與衛(wèi)星通信技術(shù)的融合與發(fā)展,未來(lái)的天地一體化網(wǎng)絡(luò)采用的體系結(jié)構(gòu)為“接入網(wǎng)+核心網(wǎng)+軟件定義網(wǎng)絡(luò)(Software-defined Network, SDN)+網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)”,當(dāng)未來(lái)使5G地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合后,能利用5G移動(dòng)通信的優(yōu)勢(shì)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)。為了將5G地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合,需要在數(shù)據(jù)分組、路由協(xié)議等方面進(jìn)行研究。地面網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展日趨成熟,然而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)還需要進(jìn)一步研究。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于其動(dòng)態(tài)性而引發(fā)的一系列技術(shù)理論問(wèn)題亟須解決,這個(gè)動(dòng)態(tài)性不僅指衛(wèi)星與衛(wèi)星之間由于經(jīng)過(guò)極區(qū)而產(chǎn)生通信中斷與連接的動(dòng)態(tài)性,還指衛(wèi)星與用戶終端之間連接的動(dòng)態(tài)性。從衛(wèi)星組網(wǎng)的實(shí)質(zhì)來(lái)說(shuō),其關(guān)鍵技術(shù)包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)、衛(wèi)星切換、路由協(xié)議等。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為下一代天地一體化網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分,隨時(shí)隨地為地面終端提供通信服務(wù),這已經(jīng)廣泛吸引了學(xué)術(shù)界的關(guān)注。

2)實(shí)踐意義:在芬蘭的6G峰會(huì)上,華為提出未來(lái)發(fā)射一萬(wàn)多顆低軌衛(wèi)星覆蓋全球來(lái)實(shí)現(xiàn)6G通信的設(shè)想。在人口密集的城市,天地一體化網(wǎng)絡(luò)為人們的衣食住行都提供了方便,包括自動(dòng)駕駛、智能工廠、遠(yuǎn)程醫(yī)療等,同時(shí)也能為手持終端提供通信,使人們進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代。在人口稀少的沙漠地區(qū)與海洋區(qū)域,同樣能夠?qū)崿F(xiàn)通信,天地一體化網(wǎng)絡(luò)在偏遠(yuǎn)地區(qū)、軍事通信的應(yīng)急指揮、災(zāi)害救援等方面發(fā)揮著不可替代的作用。為了實(shí)現(xiàn)天地一體化,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越成為工業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)。

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)介

隨著低軌衛(wèi)星通信的普及,LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的用戶數(shù)量和數(shù)據(jù)量迅速增加。LEO衛(wèi)星與移動(dòng)終端之間的連接關(guān)系非常多。但是,LEO衛(wèi)星的星上處理和儲(chǔ)存能力無(wú)法滿足處理和儲(chǔ)存這些連接關(guān)系的需要。

為了管理連接關(guān)系,建立基于二進(jìn)制圖的框架,考慮經(jīng)典體系結(jié)構(gòu)中衛(wèi)星處理能力有限,可以將計(jì)算和存儲(chǔ)放在地面位置服務(wù)器上,使用文獻(xiàn)[5]中提出的軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Software-defined Satellite Networks, SDSN)體系結(jié)構(gòu)。

如圖1所示,數(shù)據(jù)平面由LEO衛(wèi)星和便攜式衛(wèi)星終端(Portable Satellite Terminals, PSTs)組成?？刂破矫嬗傻孛嬲?、控制器和本地服務(wù)器組成?？刂破魍ㄟ^(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)OpenFlow (Satellite Network OpenFlow, SNOF)信道生成切換指令并發(fā)送給LEO衛(wèi)星。LEO衛(wèi)星通過(guò)星間鏈路(Inter-plane ISLs, ISLs)相互通信。然而,本文主要考慮星地鏈路的切換問(wèn)題,因此,本文不考慮ISLs。實(shí)線表示衛(wèi)星與地面的連接,虛線表示數(shù)據(jù)平面中的可選衛(wèi)星。在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中,地面網(wǎng)絡(luò)和高中軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展早已日趨成熟,將地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合時(shí),低軌衛(wèi)星是必不可少的一部分,需要進(jìn)一步研究。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特別是低軌衛(wèi)星組網(wǎng),屬于天地一體化混合組網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié),故下文主要介紹典型的低軌衛(wèi)星星座。

圖1 軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

低軌衛(wèi)星星座類型大致可以分為兩類,包括傾斜軌道星座(或玫瑰星座)和近極軌道星座。這兩種星座類型可以統(tǒng)稱為Walker星座,傾斜軌道星座也被稱為Walker star星座,而近極軌道星座也被稱為Walker polar星座。研究者們通常用N/P/Q來(lái)表示W(wǎng)alker星座,其中N表示在每一衛(wèi)星軌道上的衛(wèi)星顆數(shù),P表示衛(wèi)星軌道的軌道數(shù),Q表示相鄰軌道衛(wèi)星的相位因子。

低軌衛(wèi)星星座有多種典型的星座系統(tǒng),各低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的參數(shù)差別較大,表2針對(duì)幾種典型的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行比較。表2中幾種典型的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)都不屬于我國(guó),美國(guó)、俄羅斯等國(guó)家已經(jīng)擁有了自己的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng),我國(guó)必須發(fā)展自己的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)。

表2 幾種典型的低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)參數(shù)比較

Globalstar星座為玫瑰星座的代表,由俄羅斯擁有。Iridium星座為典型的極軌道星座,由美國(guó)所擁有。我們用STK9軟件對(duì)這兩個(gè)典型的低軌衛(wèi)星星座進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬,模擬的結(jié)果如圖2、3所示。

圖2 Globalstar星座示意圖

圖3 Iridium星座示意圖

圖2、圖3表示了Globalstar星座與Iridium星座的示意圖。在以Iridium星座為代表的極軌道星座中,第一個(gè)軌道與最后一個(gè)軌道上運(yùn)轉(zhuǎn)的衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)方向相反,兩個(gè)軌道是以相反的方向旋轉(zhuǎn)的,這被稱之為反向縫,反向縫造成了較大的多普勒頻移,此時(shí)難以瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤,無(wú)法傳輸數(shù)據(jù)。在傾斜軌道衛(wèi)星星座中,不存在反向縫。還有一種情況,當(dāng)衛(wèi)星飛過(guò)極區(qū)上空時(shí),兩個(gè)相鄰軌道的衛(wèi)星之間的相對(duì)角速度較大,此時(shí)同樣對(duì)衛(wèi)星的瞄準(zhǔn)、捕獲、跟蹤都無(wú)法正常進(jìn)行,衛(wèi)星之間無(wú)法傳輸數(shù)據(jù),鏈路斷開(kāi),等衛(wèi)星離開(kāi)極區(qū)之后,重新建立連接。

相對(duì)于靜止軌道衛(wèi)星和中軌衛(wèi)星,低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓深A(yù)測(cè)

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩嘧兓?但是由于具有周期性,可預(yù)測(cè)每一時(shí)刻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在低軌衛(wèi)星沿軌道運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中,衛(wèi)星與相鄰衛(wèi)星之間的連接不斷變化,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟搽S之周期性變化,故某一時(shí)刻的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是可預(yù)測(cè)的。

2)不同區(qū)域流量分布不同

不同區(qū)域需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不同,一顆Iridium星座中低軌衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域的直徑為4 500 km。地球上的人口分布隨區(qū)域而不同,比如城市人口比較密集,需要傳輸?shù)牧髁枯^大,而偏遠(yuǎn)地區(qū)人口稀疏,需要傳輸?shù)牧髁枯^少。不僅如此,地球上70%的區(qū)域都是海洋,海洋和沙漠地區(qū)幾乎沒(méi)有流量的產(chǎn)生。

3)需要頻繁進(jìn)行衛(wèi)星切換

低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)速度較快,當(dāng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí),用戶需要與當(dāng)前連接的衛(wèi)星斷開(kāi),選擇其中一顆靠近的衛(wèi)星進(jìn)行連接,完成衛(wèi)星切換。

4)低軌衛(wèi)星具有多徑性特征

在低軌衛(wèi)星星座中,從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的路徑有很多條,在進(jìn)行路徑選擇時(shí)根據(jù)不同的QoS需求進(jìn)行選擇。

天地一體化組網(wǎng)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì),當(dāng)前的星座網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò),在未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)的研究中,需要將星座網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合,待解決的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)問(wèn)題有很多,包括星地鏈路的切換、星間路由、地面網(wǎng)關(guān)路由等等。本文從星地鏈路、星間路由和組網(wǎng)時(shí)服務(wù)功能鏈(Service Function Chaining, SFC)部署階段與路由階段出發(fā),探討的關(guān)鍵技術(shù)包含衛(wèi)星切換、路由協(xié)議、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)虛擬化等。下文從三個(gè)方面分別進(jìn)行闡述。

3 低軌衛(wèi)星切換機(jī)制

隨著QoS需求的增加,用戶對(duì)于通信網(wǎng)絡(luò)的要求越來(lái)越高,靜止軌道衛(wèi)星在時(shí)延與頻譜分配方面已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了由多媒體業(yè)務(wù)增加所催生的應(yīng)用需求。為了滿足多樣化的QoS需求,低時(shí)延、低功率的低軌衛(wèi)星應(yīng)運(yùn)而生,具有良好的發(fā)展前景與應(yīng)用前景。低軌衛(wèi)星切換機(jī)制將用戶終端與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái),更加能直接影響用戶體驗(yàn)。

在低軌衛(wèi)星星座通信過(guò)程中,用戶與低軌衛(wèi)星之間的星地鏈路連接時(shí)間大約在10分鐘左右,地面用戶為了保持當(dāng)前的連接,需要與飛離自己的低軌衛(wèi)星斷開(kāi)連接,與飛向自身的低軌衛(wèi)星建立連接,從而完成衛(wèi)星切換。在低軌衛(wèi)星通信過(guò)程中,需要不斷地進(jìn)行衛(wèi)星切換,改變星地之間的連接關(guān)系。但是,衛(wèi)星切換會(huì)導(dǎo)致一些問(wèn)題,比如切換時(shí)延的增加、傳輸信息數(shù)據(jù)的丟失、增加信令開(kāi)銷等,為了盡量減少切換次數(shù),降低掉話率,均衡星座網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,需要衛(wèi)星切換策略確定切換的衛(wèi)星與切換的時(shí)刻。

低軌衛(wèi)星星座切換還存在另外兩種衛(wèi)星切換,包括點(diǎn)波束切換和星間鏈路切換。點(diǎn)波束切換是指在低軌衛(wèi)星星座中,衛(wèi)星使用多個(gè)波束時(shí),會(huì)在多個(gè)波束之間進(jìn)行切換,這一類的切換方法早已比較成熟。而星間鏈路切換意指在極軌道星座中,當(dāng)衛(wèi)星接近極區(qū)的時(shí)候,由于相對(duì)速度過(guò)快而導(dǎo)致與相鄰軌道衛(wèi)星鏈路斷開(kāi),離開(kāi)極區(qū)時(shí)星間鏈路連接的過(guò)程,此切換與硬件有關(guān)。由于對(duì)星地鏈路的切換研究較少,本文對(duì)上述兩種切換不予考慮,僅考慮星地鏈路的切換。

對(duì)于單個(gè)移動(dòng)終端用戶和覆蓋其所在范圍的衛(wèi)星而言,有著三種衛(wèi)星切換的基本標(biāo)準(zhǔn):剩余可見(jiàn)時(shí)長(zhǎng)、用戶相對(duì)衛(wèi)星的仰角和衛(wèi)星的可用信道數(shù)目。進(jìn)行低軌衛(wèi)星切換時(shí),參考標(biāo)準(zhǔn)如果是剩余可見(jiàn)時(shí)間,那么這能夠降低切換次數(shù),參考標(biāo)準(zhǔn)如果是用戶相對(duì)衛(wèi)星的仰角,能夠保證良好的通話質(zhì)量,參考標(biāo)準(zhǔn)如果是衛(wèi)星的可用信道數(shù)目,則能夠均衡星座網(wǎng)絡(luò)負(fù)載。

3.1 研究現(xiàn)狀

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星切換的研究越來(lái)越受到研究者的關(guān)注,切換策略的結(jié)果越來(lái)越接近理論切換次數(shù)下界。在衛(wèi)星切換的研究中,根據(jù)上述衛(wèi)星切換的三個(gè)基本標(biāo)準(zhǔn),從實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)的不同出發(fā),將研究主要分為四類,如表3所示。

文獻(xiàn)[33-34]中提出了一種硬切換策略,在該硬切換策略中,地面的基站按照某一周期發(fā)送低軌衛(wèi)星的列表,在此列表中的衛(wèi)星為前兩個(gè)具有最大仰角的衛(wèi)星,在進(jìn)行衛(wèi)星切換的時(shí)候,為列表中的衛(wèi)星設(shè)置門(mén)限值,用戶通信時(shí)需要根據(jù)所對(duì)應(yīng)衛(wèi)星的門(mén)限值的大小來(lái)選擇切換的衛(wèi)星。這種硬切換策略的優(yōu)點(diǎn)在于能夠使地面用戶的掉話率降低。接著,Gkizeli等人在文章[35]中提出一種軟切換策略,這種軟切換策略是一種適應(yīng)于衛(wèi)星信道特征的低軌衛(wèi)星多樣性的衛(wèi)星切換策略(CASD),當(dāng)用戶終端進(jìn)行衛(wèi)星切換時(shí),用戶終端向要切換的衛(wèi)星發(fā)送信令,預(yù)留信道資源,建立新的連接。

當(dāng)?shù)蛙壭l(wèi)星進(jìn)行切換時(shí),不僅僅要把可切換的衛(wèi)星的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行比較,還要考慮可切換衛(wèi)星上的可用信道。Papapetrou等人在文獻(xiàn)[36]中提出并且測(cè)試了多種衛(wèi)星切換策略,為了減少預(yù)留資源的浪費(fèi),使用了動(dòng)態(tài)多普勒優(yōu)先切換策略(DDBHP)。文章以最大仰角、最大服務(wù)時(shí)長(zhǎng)、最多可用信道作為切換的標(biāo)準(zhǔn),給出三種切換策略,將9種情況進(jìn)行仿真模擬。仿真結(jié)果表明,新用戶在進(jìn)行入網(wǎng)時(shí),選擇可用信道最多的衛(wèi)星進(jìn)行接入最優(yōu),當(dāng)用戶在通信過(guò)程中進(jìn)行衛(wèi)星切換時(shí),選擇具有最大服務(wù)時(shí)長(zhǎng)的衛(wèi)星進(jìn)行切換將獲得很高的通信效率。該方法最大的問(wèn)題在于沒(méi)有考慮到地球的自轉(zhuǎn)因素,脫離了實(shí)際情況,而且,計(jì)算開(kāi)銷比較大。

文獻(xiàn)[39]將剩余可見(jiàn)時(shí)間、容量、用戶相對(duì)于衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星的重疊時(shí)長(zhǎng)等作為進(jìn)行衛(wèi)星切換的標(biāo)準(zhǔn),然而這些標(biāo)準(zhǔn)也是由上述三個(gè)基本切換標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)而得。

文獻(xiàn)[40]將概率論方法引入衛(wèi)星切換,求出了衛(wèi)星可見(jiàn)時(shí)間分布函數(shù)和衛(wèi)星剩余可見(jiàn)時(shí)間的分布函數(shù),然后假設(shè)用戶終端的通信時(shí)間服從負(fù)指數(shù)分布,求出了衛(wèi)星切換的用戶切換下界。這首次完成了衛(wèi)星切換次數(shù)的理論推導(dǎo)。

文獻(xiàn)[41]詳細(xì)研究了用戶終端在街道進(jìn)行衛(wèi)星通信的情況下,對(duì)用戶相對(duì)于衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間進(jìn)行建模。文獻(xiàn)[42]在計(jì)算用戶終端相對(duì)于衛(wèi)星的可見(jiàn)時(shí)間時(shí)使用了星座參數(shù)、經(jīng)緯度坐標(biāo)、用戶坐標(biāo)等參數(shù)。Wu等人提出一種SDSN架構(gòu),并基于此架構(gòu)提出一種無(wú)縫切換機(jī)制,與硬切換、混合切換機(jī)制相比在時(shí)延、吞吐量方面有較大提高。

Wu等人提出一種基于圖論的衛(wèi)星切換框架,使用有向圖來(lái)表示用戶終端可以切換的所有的衛(wèi)星切換路徑,將剩余服務(wù)時(shí)間等切換標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為有向圖中所有邊的權(quán)重,從而能夠轉(zhuǎn)化成在此有向圖中尋找最短路徑的問(wèn)題,此策略能夠使平均切換次數(shù)達(dá)到和最大剩余服務(wù)時(shí)間策略相同的效果。

He等人提出一種基于多Agent的強(qiáng)化學(xué)習(xí)的低軌衛(wèi)星星座切換算法,在滿足負(fù)載約束的條件下,最大限度減少切換次數(shù)和用戶掉話率。

Feng等人在KM算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),使算法更適用于衛(wèi)星切換,同時(shí),采用了多輸入多輸出(MIMO, multiple-input multiple-output)技術(shù)提高通話質(zhì)量。

Li等人提出了一種超密集低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的用戶中心切換方案?；舅枷胧抢眯l(wèi)星的存儲(chǔ)能力來(lái)提高用戶的通信質(zhì)量。通過(guò)在多顆衛(wèi)星上同時(shí)緩沖用戶的下行數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)地面用戶的無(wú)縫切換,使得用戶能夠一直訪問(wèn)鏈路質(zhì)量最好的衛(wèi)星。仿真結(jié)果表明,以用戶為中心的切換方案在吞吐量、切換時(shí)延和端到端時(shí)延方面優(yōu)于傳統(tǒng)的切換方案。

3.2 存在的問(wèn)題

上述所有方法都忽略了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中平均信噪比對(duì)衛(wèi)星切換平均次數(shù)與通話質(zhì)量的影響。信噪比反映了網(wǎng)絡(luò)中通話的質(zhì)量,也稱為訊噪比,是指一個(gè)通信系統(tǒng)中有用的信號(hào)與噪聲之比,單位是分貝(dB)。此處有用的信號(hào)是指某個(gè)電子設(shè)備收到的來(lái)自外部電子設(shè)備的需要處理的電信號(hào),而噪聲則是指原電子設(shè)備產(chǎn)生的原信號(hào)中不存在的沒(méi)有規(guī)則的其他額外信號(hào),并且,當(dāng)原信號(hào)發(fā)生變化時(shí),噪聲并不發(fā)生變化。在實(shí)際生活中,用戶希望獲得的是原信號(hào),不應(yīng)該添加噪聲,所以信噪比應(yīng)該越大越好。

如圖4所示,我們假設(shè)LEO衛(wèi)星的波束覆蓋是圓形的,仰角越小,信噪比越小。例如,>>,然后PST1> PST2> PST3(信噪比)。因此,仰角直接影響通信質(zhì)量。開(kāi)關(guān)時(shí)間可由仰角決定。

圖4 信噪比與仰角的關(guān)系

以用戶相對(duì)于衛(wèi)星的仰角為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí),可以最大限度增加平均信噪比,但是勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致平均切換次數(shù)的增加,以剩余服務(wù)時(shí)間作為參考標(biāo)準(zhǔn)時(shí),能夠最大限度減少平均切換次數(shù),但是平均信噪比將會(huì)相應(yīng)降低。

4 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議一直以來(lái)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。特別是路由協(xié)議的設(shè)計(jì),在天地一體化組網(wǎng)中地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合時(shí)起到關(guān)鍵的作用。根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu),將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議分為單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

4.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

單層網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議主要是針對(duì)低軌衛(wèi)星星座而設(shè)計(jì)的路由協(xié)議。

由于低軌衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈動(dòng)態(tài)周期性變化,所以從屏蔽低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性出發(fā),可將低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議進(jìn)行如下分類。

4.1.1 虛擬拓?fù)?/p>

虛擬拓?fù)洳呗允侵笇⑿l(wèi)星的運(yùn)行周期[,],分為個(gè)時(shí)間間隙[,],[,],…,[-1,],每個(gè)時(shí)間間隙衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變,針對(duì)每個(gè)時(shí)間間隙,可以使用地面網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行路由,不同時(shí)間間隙可以進(jìn)行路由優(yōu)化。

文獻(xiàn)[56-57]用理論的方法推導(dǎo)出了一種將時(shí)隙進(jìn)行劃分的方法,在進(jìn)行時(shí)隙劃分的過(guò)程中,以衛(wèi)星與相鄰衛(wèi)星的連接的通斷為依據(jù),將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)浒磿r(shí)隙劃分為靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?然后對(duì)靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的時(shí)隙長(zhǎng)度和數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。文獻(xiàn)[58]在上述工作的基礎(chǔ)上,對(duì)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行了優(yōu)化。

文獻(xiàn)[59-65]都是采用了虛擬拓?fù)洳呗詠?lái)對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性進(jìn)行屏蔽,這樣將動(dòng)態(tài)路由轉(zhuǎn)化為靜態(tài)路由,從而能夠最大限度減少路由協(xié)議的復(fù)雜度。

Rajagopal等人研究設(shè)計(jì)了一種新的極限學(xué)習(xí)機(jī)和基于多任務(wù)甲蟲(chóng)天線搜索算法的分布式路由混合模型。該模型在平均時(shí)延、丟包率和排隊(duì)時(shí)延等不同度量指標(biāo)上均優(yōu)于其他路由模型。

Zhou等人提出了一種基于隸屬度的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由策略,建立基于不確定鏈路信息的路由模型,并且使用grey wolf優(yōu)化算法進(jìn)行求解，能夠在復(fù)雜的環(huán)境實(shí)現(xiàn)高效、安全的路由。

4.1.2 虛擬節(jié)點(diǎn)策略

如圖5所示,虛擬節(jié)點(diǎn)策略是指將初始狀態(tài)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)衛(wèi)星的投影點(diǎn)作為虛擬節(jié)點(diǎn),每個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)具有獨(dú)立的標(biāo)識(shí),衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)將離衛(wèi)星最近的虛擬節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識(shí)作為衛(wèi)星的標(biāo)識(shí),衛(wèi)星標(biāo)識(shí)隨運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)改變,以達(dá)到屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性的目的。此方法適用于類銥星星座。

圖5 虛擬節(jié)點(diǎn)策略

文獻(xiàn)[68-69]在虛擬節(jié)點(diǎn)的策略的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究, 當(dāng)多顆低軌衛(wèi)星覆蓋一個(gè)地面終端時(shí),在地球固定足印模型的基礎(chǔ)上提出一種多狀態(tài)的虛擬拓?fù)?MSVN)。為了對(duì)使用虛擬節(jié)點(diǎn)方法的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行理論分析推導(dǎo),文獻(xiàn)[71]采用了形式化的方法進(jìn)行了分析,對(duì)屬性進(jìn)行分析,對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了優(yōu)化。文獻(xiàn)[72-76]都采用了虛擬節(jié)點(diǎn)策略屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性。

4.1.3 拓?fù)淦矫婊椒?/p>

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦矫婊侵笇⒄麄€(gè)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)看作一個(gè)二維平面,在這個(gè)二維平面中,所有的低軌衛(wèi)星相對(duì)邏輯位置并不發(fā)生變化,故可將每顆低軌衛(wèi)星用二維坐標(biāo)(,)表示,來(lái)達(dá)到屏蔽網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性的目的，如圖6所示。

圖6 拓?fù)浠矫娣椒?/p>

文獻(xiàn)[77]提出的路由協(xié)議便是使用了拓?fù)浠矫娣椒ㄆ帘涡l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性,對(duì)所有衛(wèi)星設(shè)置一個(gè)二維坐標(biāo),再根據(jù)二維坐標(biāo)進(jìn)行路由。

Roth等人提出了基于通信堆棧第2層中的地理地址標(biāo)識(shí)符的路由算法,由于MAC尋址方案與IP解耦合,能夠靈活地選擇地址解析方案。該方法大幅減少了端到端時(shí)延和重路由率。

4.1.4 存在的問(wèn)題

從已有的研究中可以看出,對(duì)于低軌星座網(wǎng)絡(luò)中的負(fù)載均衡路由仍有許多可以改進(jìn)的地方,主要包括充分利用星座網(wǎng)絡(luò)的多路徑特性，采用鏈路利用率作為鏈路權(quán)重，提早對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分流，而并非等到隊(duì)列利用率達(dá)到某一程度之后再采取擁塞避免措施。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行思考,包括:屏蔽低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)性、鏈路利用率的提高和鏈路可靠性的保證。

4.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

為了打破單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議性能的局限性,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生,在現(xiàn)有的研究中,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議也是研究的熱點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì),所有的研究大致可分為基于IP的路由協(xié)議、基于QoS的路由協(xié)議、流量均衡路由協(xié)議。下文分別進(jìn)行介紹。

4.2.1 基于IP的路由協(xié)議

經(jīng)典的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(LEO/MEO/GEO)路由協(xié)議MLSR(Multi-Layered Satellite Routing)由Akyildiz等人提出,引入了衛(wèi)星組與組管理的概念,即在MEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域內(nèi)形成LEO組,在GEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)形成MEO組,GEO衛(wèi)星對(duì)全局衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由計(jì)算,MEO衛(wèi)星對(duì)LEO衛(wèi)星的路由表進(jìn)行提煉。為了降低整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)的復(fù)雜性,Chen等人提出了SGRP(Satellite Grouping and Routing Protocol)路由協(xié)議,此協(xié)議采用LEO/MEO雙層結(jié)構(gòu),更加深化了衛(wèi)星組與組管理的概念,LEO衛(wèi)星選擇覆蓋時(shí)間最長(zhǎng)的MEO衛(wèi)星作為其組管理者。不僅如此,每2分鐘或者每4分鐘進(jìn)行路由表的更新時(shí),LEO衛(wèi)星對(duì)鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行上報(bào),組管理者M(jìn)EO互相交換鏈路狀態(tài)信息,計(jì)算路由表,最后發(fā)送至LEO衛(wèi)星,進(jìn)行路由表的更新。

4.2.2 基于QoS(Quality of Service)的路由協(xié)議

QoS路由協(xié)議的提出是為了滿足一些多媒體應(yīng)用的需要,包括音頻應(yīng)用、視頻應(yīng)用、時(shí)延敏感型應(yīng)用、丟包敏感型應(yīng)用等。Bayhan等人提出ARPQ(adaptive routing protocol for quality of service)路由協(xié)議,主要適用于時(shí)延敏感型應(yīng)用,比如VoIP(voiceover Internet protocol)。此路由協(xié)議與上述的SGRP協(xié)議相似,不同之處在于ARPQ協(xié)議首先設(shè)定了一個(gè)閾值,然后對(duì)到達(dá)的語(yǔ)音分組進(jìn)行分類傳輸,當(dāng)分組的傳輸時(shí)延小于此閾值,則直接在LEO層傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。如果分組的傳輸時(shí)延大于此閾值,則由MEO層進(jìn)行傳輸。此方法缺點(diǎn)在于預(yù)測(cè)擁塞的能力不足。Zhou等人在衛(wèi)星組與組管理的概念上提出HDRP(hierarchical and distributed QoS routing protocol)協(xié)議,此協(xié)議與MLSR和SGRP協(xié)議的區(qū)別在于不采用虛擬節(jié)點(diǎn)策略屏蔽LEO的動(dòng)態(tài)性,而是采用衛(wèi)星的實(shí)際具體位置來(lái)確定組成員。為了減少快照數(shù)目,HDRP進(jìn)一步提出了快照合并策略。Lu等人闡述了上述衛(wèi)星組與組管理的缺點(diǎn),即不能保證衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

隨著啟發(fā)式算法的應(yīng)用,基于QoS的路由協(xié)議大大提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由性能,Long等人提出使用蟻群算法、遺傳算法來(lái)優(yōu)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由,提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)性能。

4.2.3 流量均衡路由協(xié)議

流量均衡路由協(xié)議同樣是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議研究的熱點(diǎn)。流量均衡路由協(xié)議能夠提高整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,降低網(wǎng)絡(luò)的丟包率。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有可預(yù)測(cè)性和周期性,當(dāng)某個(gè)地區(qū)產(chǎn)生流量擁塞時(shí),衛(wèi)星能夠提前預(yù)測(cè),調(diào)整路由策略。Nishiyama等人提出了一種平衡流量的QoS路由協(xié)議,將流量分為三類:時(shí)延敏感型流量、視頻應(yīng)用流、盡力而為傳輸流量。時(shí)延敏感流的優(yōu)先級(jí)最高,通過(guò)擁塞區(qū)域時(shí)優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā);視頻應(yīng)用流在LEO衛(wèi)星上傳輸,遇擁塞地區(qū)繞道而行;盡力而為傳輸流量可通過(guò)GEO衛(wèi)星進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。此方法缺點(diǎn)在于在MEO層可能會(huì)發(fā)生擁塞。為了解決此問(wèn)題,Kawamoto 等人提出將發(fā)生擁塞的LEO衛(wèi)星流量分散發(fā)送到幾個(gè)MEO衛(wèi)星上。不僅如此,Nishiyama等人進(jìn)一步采用ARPQ路由協(xié)議的思想,在理論上計(jì)算出流量偏繞閾值,當(dāng)流量超過(guò)此閾值,則向MEO衛(wèi)星傳輸,否則直接在LEO層傳輸。

4.3 各種衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議對(duì)比

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議在天地一體化組網(wǎng)中的地位舉足輕重,研究者們對(duì)其開(kāi)展了孜孜不倦的研究。不論是單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議還是多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議,都是隨著終端用戶的需求的發(fā)展而發(fā)展。為了將上述路由協(xié)議對(duì)比,我們從結(jié)構(gòu)、目標(biāo)、擁塞反應(yīng)能力等方面進(jìn)行了分析,如表4所示。

表4 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議比較

5 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)虛擬化

目前的地面網(wǎng)絡(luò)(如Internet、Telcom網(wǎng)絡(luò)等)已經(jīng)不能滿足當(dāng)今用戶和運(yùn)營(yíng)商的各種需求,因此,近年來(lái)研究者提出了許多全新的通信架構(gòu),例如,基于數(shù)據(jù)中心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù),這顯著提高了網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)放性、靈活性、可編程性,提高了資源利用率。依托如今大行其道的虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(NFV/SDN)技術(shù),我們可以把所有的硬件抽象為計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)這三類資源進(jìn)行統(tǒng)一管理分配,給不同的5G切片不同大小的資源,且完全隔離互不干擾,實(shí)現(xiàn)邏輯上的高層統(tǒng)一管理和靈活切割。因此NFV/SDN成為5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的基礎(chǔ)。衛(wèi)星和地面網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)促使學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重新考慮它們的一體化進(jìn)程。因此,如何將寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,越來(lái)越受到關(guān)注。此方面的研究主要在連接兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(即衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò))的網(wǎng)關(guān)路由上,涉及兩個(gè)方面的內(nèi)容。一個(gè)是在SFC部署階段,當(dāng)新的SFC請(qǐng)求到達(dá)時(shí),將新的SFC與正在運(yùn)行的SFC進(jìn)行合并時(shí)導(dǎo)致的時(shí)延增加與QoS降低的問(wèn)題,綜合算法復(fù)雜度,根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量分布動(dòng)態(tài)調(diào)整目標(biāo)函數(shù),并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,提出優(yōu)化算法。另一方面是在SFC已經(jīng)部署完成的情況下,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的流量分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)路由選擇。

5.1 SFC部署優(yōu)化

由于SDN和NFV在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)和部署服務(wù)時(shí)具有強(qiáng)大的可控性,近幾年它們受到了前所未有的關(guān)注。特別是,SDN將控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面解耦合,以支持按需分組傳輸,而NFV將網(wǎng)絡(luò)功能與專有硬件設(shè)備解耦,以支持按需服務(wù)部署。目前,衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是供應(yīng)商專用的封閉網(wǎng)絡(luò),缺乏良好的彈性和互操作性。隨著SDN和NFV技術(shù)的引入,在部署和管理SDN/NFV兼容的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時(shí),除了能夠減少成本外,還可以實(shí)現(xiàn)更大的靈活性。

盡管支持SDN/NFV的云能夠?yàn)樘斓匾惑w化網(wǎng)絡(luò)提供許多優(yōu)勢(shì),但是如何有效利用云底層資源并部署定制的網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)鏈仍然是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。

在對(duì)服務(wù)功能鏈進(jìn)行部署時(shí),基于以下假設(shè):

1)為新的SFC請(qǐng)求打開(kāi)新的虛擬機(jī)時(shí),比對(duì)服務(wù)功能鏈進(jìn)行服務(wù)消耗的底層云資源更多。

2)運(yùn)營(yíng)商能夠掌握全局視圖,并且擁有中心控制器對(duì)資源進(jìn)行整合。

3)新的SFC請(qǐng)求能夠與正在運(yùn)行的SFC進(jìn)行合并。

隨著SDN和NFV的興起,如何將它們應(yīng)用到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中已成為研究者廣泛討論的話題,特別是在文獻(xiàn)[89]中,作者舉例說(shuō)明了衛(wèi)星地面段中四個(gè)典型用例的實(shí)踐,其中SDN和NFV可用于顯著提高網(wǎng)絡(luò)靈活性。同樣,在[90]中,作者還表述了衛(wèi)星地面段的另外三種場(chǎng)景,其中SDN和NFV技術(shù)可以提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)互操作、服務(wù)部署和管理。文獻(xiàn)[92]研究了SDN和NFV技術(shù)在satcom平臺(tái)上的適用性,并總結(jié)了相關(guān)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。綜上所述,不難預(yù)測(cè),在不久的將來(lái),將SDN和NFV引入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),特別是地面部分,有很好的前景。

此外,服務(wù)功能鏈(Service Function Chaining, SFC)是一種新興的提供定制服務(wù)的技術(shù),它通常利用SDN和NFV來(lái)部署,在一組有序的網(wǎng)絡(luò)功能上控制流量。近年來(lái),SFC因其在流程調(diào)度和服務(wù)構(gòu)成方面的可控性而備受關(guān)注。因此,如何執(zhí)行SFC映射已成為其最終部署面臨的一大挑戰(zhàn),研究者從不同的角度提出了許多解決方案。例如,文獻(xiàn)[96]將SFC映射表示為一個(gè)MIP(混合整數(shù)規(guī)劃)問(wèn)題,目標(biāo)是最小化物理網(wǎng)絡(luò)中的資源碎片。而資源碎片指的是由于這些節(jié)點(diǎn)周圍的鏈路帶寬不足而無(wú)法映射某些節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[97]定義了一個(gè)具有最優(yōu)可用性的SFC映射問(wèn)題,并提出了一種新的在線算法,在保證所需的高可用性的前提下,使物理資源消耗最小化。文獻(xiàn)[98]考慮到函數(shù)依賴、計(jì)算資源和帶寬需求的約束,針對(duì)如何有效地映射用戶的SFC請(qǐng)求,提出了一種基于依賴排序、獨(dú)立分組和自適應(yīng)映射技術(shù)的高效啟發(fā)式算法,旨在優(yōu)化SFC的設(shè)計(jì)和映射過(guò)程。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化與SFC類似,然而它不像SFC那樣關(guān)注所需網(wǎng)絡(luò)功能的順序和關(guān)聯(lián)。事實(shí)上,如果給定所請(qǐng)求的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)的順序, 虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入(Virtual Network embedded, VNE)可以看作是一種SFC映射,近年來(lái)在這方面也做了很多研究。特別地,文獻(xiàn)[99]提出了一個(gè)能量成本模型,并將能量感知VNE表示為一個(gè)整數(shù)線性規(guī)劃問(wèn)題。為了解決這個(gè)問(wèn)題,他們?cè)诠雀璧腜agerank算法和粒子群優(yōu)化方法的基礎(chǔ)上,提出了兩種相應(yīng)的VNE算法,以更好地降低能源成本。文獻(xiàn)[100]將虛擬網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求集分配到一組簡(jiǎn)化的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中,并將感知能量的VNE表示為MIP。文獻(xiàn)[101]將VNE問(wèn)題表示為一個(gè)MIP,并放寬整數(shù)約束,得到一個(gè)線性規(guī)劃。然后,他們提出了兩種相關(guān)的在線VNE算法,在節(jié)點(diǎn)和鏈接映射階段之間引入了更好的相關(guān)性。[102]提出了一種同時(shí)考慮服務(wù)功能復(fù)用和SFC合并的相關(guān)方法,旨在提高底層網(wǎng)絡(luò)的資源利用效率。

5.2 基于SFC部署完成的網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議

此研究點(diǎn)是在SFC已經(jīng)部署完成的情況下,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)中的流量分布進(jìn)行動(dòng)態(tài)網(wǎng)關(guān)路由選擇。研究者們提出了很多基于SFC部署完成的網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議。

文獻(xiàn)[89]、[90]給出了將SDN/NFV 部署在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)地面部分的很多優(yōu)點(diǎn),從兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合,到兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行路由,都提高了整個(gè)天地一體化網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。文獻(xiàn)[91] 提出了一種靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)HetNet,以有效地整合異構(gòu)的星地網(wǎng)絡(luò)。具體來(lái)說(shuō),HetNet綜合了Loc/ID分割和以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)來(lái)建立一個(gè)通用的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。通過(guò)這種方式,能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的融合、提高可擴(kuò)展性、移動(dòng)支持、流量工程和高效的內(nèi)容交付。此外,通過(guò)軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)彈性。

文獻(xiàn)[92]擴(kuò)展了Loc/ID分割概念,提出了一種增量部署的Loc/ID分離網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)——SAT-GRD,實(shí)現(xiàn)了星地網(wǎng)絡(luò)的有效集成。SAT-GRD將主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)識(shí)從位置中分離出來(lái),從而將主機(jī)與網(wǎng)絡(luò)隔離,進(jìn)一步將整個(gè)網(wǎng)絡(luò)劃分為核心網(wǎng)和邊緣網(wǎng)。這樣使得SAT-GRD更加靈活,提高可擴(kuò)展性,可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的收斂,避免IP地址語(yǔ)義重載帶來(lái)的問(wèn)題。

文獻(xiàn)[93]闡述了由于IP地址語(yǔ)義過(guò)載而導(dǎo)致的互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題,同時(shí)根據(jù)現(xiàn)有的Loc/ID分離網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的性質(zhì)對(duì)其進(jìn)行分類,抽象出總體原理和框架,以SDN和NFV為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了異構(gòu)的星地間的靈活域間路由。

5.3 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)虛擬化總結(jié)與比較

不論是SFC部署優(yōu)化還是基于SFC部署完成的網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議,都是為了將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)更好地融合,形成可靠穩(wěn)定的天地一體化網(wǎng)絡(luò)。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)虛擬化將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合,表5對(duì)SFC部署和基于SFC部署完成的網(wǎng)關(guān)路由協(xié)議進(jìn)行總結(jié)對(duì)比。

5.4 存在的問(wèn)題

總體來(lái)說(shuō),上述研究存在以下問(wèn)題:

1)在SFC進(jìn)行部署時(shí),未能考慮影響SFC合并性能的其他因素,如遷移延遲和QoS,需要綜合考慮其他因素才能對(duì)SFC合并的性能做出有效而客觀的評(píng)估。

2)未能考慮到算法的復(fù)雜度,需要重新綜合其他因素,在提高資源利用率的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)低復(fù)雜度的在線映射算法。

表5 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)虛擬化方法比較

6 后續(xù)趨勢(shì)

目前,天地一體化混合組網(wǎng)已經(jīng)引起了來(lái)自學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注,成為當(dāng)前6G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究的一大熱點(diǎn)。

針對(duì)現(xiàn)有理論研究趨勢(shì)和存在問(wèn)題,未來(lái)可以考慮從以下幾個(gè)方面針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究:

1)空、天、地一體化信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與發(fā)展,支撐著實(shí)現(xiàn)全球覆蓋和提供移動(dòng)性的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的不斷前行。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)憑借其時(shí)延小、終端功率低等優(yōu)勢(shì)嶄露頭角,然而,低軌衛(wèi)星星座通信中,地面終端通信時(shí)間較短,需要不斷進(jìn)行衛(wèi)星切換,為了減少切換次數(shù),保證通信質(zhì)量,使衛(wèi)星負(fù)載盡量均衡,可以研究在軟件定義衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(SDSN)架構(gòu)的基礎(chǔ)上,將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法引入切換算法,即通過(guò)對(duì)流量數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練,優(yōu)化切換算法,使得切換更加智能高效,同時(shí)考慮用戶接入與離開(kāi)的情況,兼顧平均信噪比與整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡。

2)在現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上,針對(duì)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)或者混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究輕量級(jí)的智能衛(wèi)星路由算法,尋找最優(yōu)路徑,同時(shí),根據(jù)不同地理位置的流量的不同動(dòng)態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)表,選取啟發(fā)式方法進(jìn)行路由。在進(jìn)行路由選擇時(shí),將啟發(fā)式算法引入，從而進(jìn)行路由決策。

3)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化,利用博弈論方法，綜合考慮所有影響SFC合并性能的因素,設(shè)計(jì)相應(yīng)的效益函數(shù)并證明納什均衡的存在性,使得資源利用效率獲得最大化。在部署相關(guān)網(wǎng)絡(luò)功能時(shí),采用機(jī)器學(xué)習(xí)方法進(jìn)行部署,減少算法的復(fù)雜度,提高資源利用率。

7 結(jié)束語(yǔ)

天地一體化網(wǎng)絡(luò)在未來(lái)的空、天、地一體化網(wǎng)絡(luò)中將扮演著越來(lái)越重要的角色。為了實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián),相比于地面網(wǎng)絡(luò),衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋,為偏遠(yuǎn)地區(qū)以及海洋地區(qū)提供通信。地面網(wǎng)絡(luò)與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的融合是6G通信技術(shù)的基礎(chǔ),也是天地一體化網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢(shì)。

本文主要對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行探討,介紹了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)與劣勢(shì),給出了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的特點(diǎn),之后從三個(gè)方面進(jìn)行介紹,包括衛(wèi)星切換、路由、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化,分別介紹了三個(gè)研究點(diǎn)的研究現(xiàn)狀與問(wèn)題,并針對(duì)后續(xù)研究趨勢(shì)做出了簡(jiǎn)要的分析。