淺析LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的QoS路由問題

王曉梅，冉崇森


解放軍信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450002


　　摘 要：LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠提供全球覆蓋，為任何地點的用戶提供適時應(yīng)用服務(wù)。然而由于LEO的高速運(yùn)動，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟恢碧幱趧討B(tài)變化的過程中。文中首先分析了在這種動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中QoS路由面臨的新問題，接著提出了解決這些問題的幾點考慮。


　　關(guān)鍵詞：低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò);服務(wù)質(zhì)量；切換；路由；分析��


　　一、 引言


　　隨著IP業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展以及支持適時業(yè)務(wù)需求的日益增長，人們對低軌(LEO)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了濃厚的興趣。LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不僅可以為地理上非常分散的用戶提供全球覆蓋，而且由于軌道高度（500～2　000 km）低，傳輸時延很小，甚至可以與陸地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)相比。LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠為任何地點的用戶提供實時應(yīng)用服務(wù)。


　　為了達(dá)到全球覆蓋，一個LEO星座中至少包括幾十顆LEO衛(wèi)星，比如，Iridium星座由66顆衛(wèi)星組成，具有6個軌道平面，每個軌道平面11衛(wèi)星；Teledesic由288顆LEO衛(wèi)星組成，分為12個軌道，每個軌道面24顆衛(wèi)星。為了達(dá)到較好的無縫覆蓋，同一地面區(qū)域可能同時存在多顆服務(wù)衛(wèi)星，尤其是在緯度比較低的區(qū)域［1］。衛(wèi)星上具有OBP（Onboard Processing），完成路由轉(zhuǎn)發(fā)等功能，衛(wèi)星間存在ISL（Intersatellite Link），一個端到端的連接可能經(jīng)過多個ISL。我們知道，LEO衛(wèi)星不同于GEO(同步軌道)衛(wèi)星，它處在高速的運(yùn)動中，LEO衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域（Footprint）也在地球表面運(yùn)動著，同時LEO衛(wèi)星的運(yùn)動也導(dǎo)致整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化。那么，在這種特殊的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下QoS路由將面臨哪些新的問題？又如何解決呢？本文將就這兩個方面進(jìn)行討論。��


　　二、LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中QoS路由面臨的問題


　　與傳統(tǒng)的陸地網(wǎng)絡(luò)不同，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中每個路由節(jié)點（LEO衛(wèi)星）在高速運(yùn)動，整個網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓陬l繁變化，這為QoS路由帶來了新的問題，具體表現(xiàn)如下：


　　(1)LEO衛(wèi)星的高速運(yùn)動以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膭討B(tài)變化導(dǎo)致頻繁切換。一方面，由于通信信號的衰耗以及地形的遮蔽效應(yīng)，只有在較大仰角的情況下，衛(wèi)星和用戶之間才能進(jìn)行可靠的傳輸。LEO衛(wèi)星較低的軌道高度及較大的仰角決定了衛(wèi)星在地面的覆蓋區(qū)域較小。同時，LEO衛(wèi)星處于高速運(yùn)動中，其覆蓋區(qū)域在地球表面也在快速地移動，這就導(dǎo)致在一個連接過程中，用戶終端可能不斷地從一顆LEO衛(wèi)星切換到另外一顆LEO衛(wèi)星，即所謂的use-to-sat切換。另一方面，一個多跳連接可能經(jīng)過多條ISL，衛(wèi)星的運(yùn)動可能導(dǎo)致其中某一或某幾條ISL不可用（比如，衛(wèi)星移動到高緯度地區(qū)），從而導(dǎo)致衛(wèi)星到衛(wèi)星的切換，即所謂的sat-to-sat 切換。不管是user-to-sat切換還是sat-to-sat切換，都使得已經(jīng)建立的QoS路由不可用，必須重新選擇一整條（或部分）路徑。重新選路需要較長的過渡時延，可能不能滿足某些QoS的時延需求，導(dǎo)致通信終止。同時重建路由需要的信令開銷和處理負(fù)載也浪費(fèi)資源。


　　(2)地面上用戶的流量是非均勻分布的（時間、位置）。衛(wèi)星在沿著軌道運(yùn)行時，用戶數(shù)目及流量在變化著，這種用戶流量的變化可能會阻塞一些切換呼叫（由于用戶衛(wèi)星間UDL的剩余資源不足）。同時，ISL上的流量隨著用戶終端與衛(wèi)星間鏈路（Up Down Link，簡記為UDL）上的流量的變化而變化［2］，因此，即便在建立連接時有足夠資源的ISL，可能隨時間的變化而出現(xiàn)擁塞，進(jìn)而阻塞切換呼叫。另外，即便用戶流量是保持不變的，也會引起每個LEO衛(wèi)星的負(fù)載變化及ISL上流量變化［3］，使得一些切換無法成功。這些被阻塞的切換使得無法進(jìn)一步完成QoS路由。


　�。�3）LEO衛(wèi)星屬于小衛(wèi)星，星上存儲空間、處理能力以及能源都是有限的。在星上維護(hù)、存貯整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)是不現(xiàn)實的。一般這部分工作在地面完成。同時，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化是非常頻繁的。為此，地面維護(hù)的整個網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)信息也不是非常精確的（可能過時），因此，基于這些鏈路狀態(tài)信息確定的QoS路由在實際網(wǎng)絡(luò)中不一定是最優(yōu)的。


　�。�4)衛(wèi)星星座所處的宇宙空間背景噪聲對星際鏈路存在一定的干擾。比如宇宙空間輻射干擾源（主要指太陽，如果是激光星際鏈路，月球的反光也要考慮）對星際鏈路造成的背景干擾［４］。這些干擾可能使得一些鏈路突發(fā)性地失效，也必須進(jìn)行切換。 ��


　　三、保證QoS路由的幾點考慮


　　從上面的分析可見，在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中保證QoS路由的難點主要在于：其一，多種因素（衛(wèi)星高速運(yùn)動、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化、宇宙空間背景噪聲等）造成的頻繁切換；其二，整個鏈路狀態(tài)的適時性不夠?qū)е碌腝oS路由非最優(yōu)。針對這些問題，我們總的思想是：首先，盡量避免切換；其次，對于無法避免的必須進(jìn)行的切換，盡量保證切換的成功性；再次，采用分布式或分布式與集中式相結(jié)合的方式近似得到最佳QoS路由；最后，采用備份路徑的方式進(jìn)行進(jìn)一步保證。具體如下：


　　第一，盡量減少切換。切換主要是由于端到端QoS路徑上某一或某幾條鏈路（UDL或ISL）不可用。鏈路不可用可以分為鏈路關(guān)掉（比如高緯度地區(qū)）和鏈路擁塞2種情況。為了減少鏈路切換，我們一方面要盡量提高一個連接上每一跳鏈路的服務(wù)時間，服務(wù)時間越長，切換的概率越小；另一方面，要充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，均衡流量，盡量減少鏈路擁塞。下面針對user-to-sat切換和sat-to-sat切換分別進(jìn)行討論。��


　　1�睖p少user-to-sat切換


　　在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，多星覆蓋率較高，用戶（源、目的）接入哪顆覆蓋衛(wèi)星直接影響著user-to-sat切換請求率的大小。有3種比較常用的接入策略［1］：一種是距離優(yōu)先策略。這種策略根據(jù)信號的平均功率強(qiáng)度來判斷，選擇存在空閑信道的平均功率強(qiáng)度最大的衛(wèi)星接入。這種策略實現(xiàn)簡單，但沒有考慮衛(wèi)星星座運(yùn)行規(guī)律的先驗知識；第二種是覆蓋時間優(yōu)先策略。這種策略選擇有空閑信道的服務(wù)時間最長的衛(wèi)星接入。這種策略利用系統(tǒng)星座運(yùn)行的先驗知識，延長了呼叫的單星覆蓋時間，與前一種策略相比，有效地降低了切換請求率，但是實現(xiàn)起來比距離優(yōu)先策略復(fù)雜；第三種是仰角加權(quán)的覆蓋時間優(yōu)先策略。這種策略考慮了仰角對信道的影響。仰角越低，信道越惡劣，進(jìn)而可能產(chǎn)生切換。它既考慮了覆蓋時間，又避免了低仰角帶來的惡化。顯然，后面兩種策略更有利于減少user-to-sat切換次數(shù)，是值得參考的策略。��


　�。玻疁p少sat-to-sat切換


　　sat-to-sat切換是由于２個端衛(wèi)星間QoS路徑上某ISL（或某些ISL）不可用造成的。２個端衛(wèi)星是指分別為源用戶和目的用戶服務(wù)的２顆LEO衛(wèi)星。在選路的過程中，對ISL不可用的因素加以考慮，將會降低sat-to-sat切換。設(shè)計QoS路由算法應(yīng)該考慮以下幾點：


　�。ǎ保㎜EO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然是動態(tài)變化的，但并不是沒有規(guī)律可循。事實上，LEO衛(wèi)星星座的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂兄芷谛�、�?guī)律性和可預(yù)見性等特點，網(wǎng)絡(luò)中LEO衛(wèi)星節(jié)點個數(shù)也是確定的。網(wǎng)絡(luò)中每個LEO衛(wèi)星節(jié)點服務(wù)的用戶信息也可以移動性管理獲知。我們使用確定的衛(wèi)星拓?fù)湟约翱色@知的一些用戶信息來預(yù)測每個ISL上的流量負(fù)載，進(jìn)而可以預(yù)測后續(xù)將會出現(xiàn)的鏈路擁塞［3］。在計算QoS路由的過程中，將這些預(yù)測的擁塞考慮進(jìn)去，減少使用擁塞的ISL的概率，進(jìn)而可以減少切換的次數(shù)。


　�。�2)在衛(wèi)星星座運(yùn)行的過程中，ISLs的處于活動狀態(tài)的時間也有一定的規(guī)律性。比如Iridium系統(tǒng)，每顆LEO衛(wèi)星有４條ISL，分別連接同一軌道平面內(nèi)２顆相鄰衛(wèi)星（Intraplane ISL）和２個鄰軌道平面內(nèi)２個相鄰衛(wèi)星（Interplane ISL）。Intraplane ISL是一直保持連接的。Interplane ISL在較高緯度時由于天線的跟蹤能力的限制，需要關(guān)掉；回到低緯度時，又可以恢復(fù)連接�？梢哉fInterplane ISL的開、關(guān)是周期性的。為此，我們可以給每個ISL分配一個生命期。Intraplane ISL的生命期為無窮大，而各Interplane ISL的生命期在某一時刻為某個確定的數(shù)值（當(dāng)前時刻到鏈路關(guān)掉的時間間隔）。在路由算法的設(shè)計中，我們將每條ISL的生命期作為一個考慮的因素。比如在滿足QoS需求時，盡量選擇生命期長的鏈路［5］�？梢远�義一條QoS路徑的生命期等于該路徑上生命期最短的鏈路的生命期。顯然，QoS路徑的生命期越長，發(fā)生切換的概率越小。


　　第二，呼叫失敗分為一個新連接的呼叫失敗和已經(jīng)存在的連接的切換呼叫失敗兩類。新連接呼叫失敗表現(xiàn)為呼叫不能接入，切換呼叫失敗表現(xiàn)為已存在的連接由于切換不成功而被強(qiáng)制中斷。后者讓用戶更加難以忍受。為了提高切換的成功率，一種策略是提高切換呼叫的優(yōu)先級。當(dāng)切換呼叫和新連接的呼叫存在競爭時，使得切換呼叫的成功率大于新連接的呼叫。另一種策略是在每個ISL上預(yù)留一部分帶寬專門用于切換呼叫，但缺點是這部分預(yù)留帶寬不能被充分地利用起來。第三種策略在接受一個新連接的呼叫前，要考慮其對整個網(wǎng)絡(luò)的影響。接入一個新連接不應(yīng)該影響已存在的連接的QoS。前面已經(jīng)講過，使用確定的衛(wèi)星星座拓?fù)浼坝脩粜畔⒛軌蝾A(yù)測每個ISL上的流量負(fù)載及每個節(jié)點的負(fù)載，進(jìn)而能夠預(yù)測接入一個新連接后是否會影響其他的已經(jīng)存在的連接［3］。完成這種策略的接入控制要相對復(fù)雜一些，可以考慮在地面網(wǎng)關(guān)（Gateway Station）實現(xiàn)。


　　第三，對于無法避免的切換，我們要盡量保證切換的成功性。這里主要考慮user-to-sat切換。當(dāng)用戶即將移出當(dāng)前服務(wù)衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域時，需要選擇新的服務(wù)衛(wèi)星進(jìn)行切換。如果只是簡單地將原來的連接斷掉后，重新建立一條新的連接，所需要的時延可能對于一些適時應(yīng)用（比如語音）是無法忍受的。為此，我們可以采用軟切換的策略，即在切換的過程中仍然維持原來的連接，等新連接建立成功后再斷開原來的連接。這樣就保證了適時應(yīng)用的可靠性。當(dāng)然，采用軟切換同時也給用戶終端和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來一定的復(fù)雜性。另一種策略是使用多普勒效應(yīng)來預(yù)測用戶終端發(fā)生切換的時間，在適當(dāng)時機(jī)預(yù)約下一服務(wù)衛(wèi)星（即切換后使用的LEO衛(wèi)星）的信道，保證切換的成功率和平滑性。


　　第四，如果我們完全采用集中的方式生成QoS路徑，即在地面維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)的數(shù)據(jù)庫，在接收到用戶的連接請求后，根據(jù)一定的QoS路由算法計算QoS路徑，計算好后通過信令或控制信息建立該路經(jīng)。如果路徑上每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點都能夠滿足需求，則建立成功；否則，拒絕該請求。這種方式在建立的QoS路徑的過程中，只涉及到確定的QoS路徑上的LEO衛(wèi)星節(jié)點，為此需要的信令信息和控制信息量比較少。但是由于LEO衛(wèi)星運(yùn)行速度快，收集到的全網(wǎng)信息的有效性不能夠得到保證，可能計算出來的QoS路徑不是最優(yōu)的，而且不能夠有效地利用網(wǎng)絡(luò)資源。為了克服這一點，我們可以采用分布式方式生成QoS路徑。分布式是由每個LEO衛(wèi)星節(jié)點維護(hù)自己的鄰接鏈路狀態(tài)信息。當(dāng)源端衛(wèi)星（為源用戶服務(wù)的衛(wèi)星）收到一個連接請求后，將該請求信息通過自己的各符合該QoS需求的ISL傳遞給相鄰節(jié)點，相鄰節(jié)點收到后，也如此傳遞下去，直到到達(dá)目的端衛(wèi)星（為目的用戶服務(wù)的衛(wèi)星）。這樣，目的端衛(wèi)星可能得到多條可行的QoS路徑，它從中選擇一條最合適的作為QoS路徑（比如生命期最長、剩余鏈路帶寬最大等），通過該路經(jīng)逆向返回到源節(jié)點，并要求中間節(jié)點預(yù)留相應(yīng)資源。與集中式相比，分布式通過實際探測整個網(wǎng)絡(luò)的可用資源來建立QoS路徑，最后建立的QoS路徑可以達(dá)到最優(yōu)，而且能夠有效地均衡網(wǎng)絡(luò)資源，但是參與的節(jié)點個數(shù)多，建立連接的信令或控制信息增加的帶寬開銷比較大。進(jìn)一步，我們可以綜合考慮這兩種方式，采用集中和分布相結(jié)合的方式，即在地面計算QoS路徑時，同時計算出多條路徑，然后通過信令或控制信息在這多條路徑上實際探測，最后，目的端衛(wèi)星在探測成功的路徑中決定確定一條最適合的路徑。這種方式的一個好處是，QoS路徑的探測不再是盲目地進(jìn)行的，減少了信令或控制信息流量；而且，避免了集中式導(dǎo)致的不能很好利用網(wǎng)絡(luò)資源的弊端。


　　第五，為了進(jìn)一步保證適時應(yīng)用的QoS，我們可以考慮為一個連接建立備份的QoS路徑。當(dāng)主路徑出現(xiàn)問題時，使用備份路徑傳遞信息。顯然，這是通過犧牲網(wǎng)絡(luò)資源來換取的。對于一些特殊的應(yīng)用，比如戰(zhàn)時傳遞軍用信息，可以考慮這種策略。


　　四、結(jié)束語


　　新一代的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)將必須保證用戶通信的服務(wù)質(zhì)量。但衛(wèi)星的高速運(yùn)動使得這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的QoS路由問題變得復(fù)雜、困難。本文探討了在這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下QoS路由面臨的新問題，同時針對這些問題提出了相應(yīng)的解決策略。�お�


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摘自《電訊技術(shù)》