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衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分軌分簇管理策略論文
1相關(guān)工作
該算法中依照MEO衛(wèi)星的每個(gè)快照周期的衛(wèi)星覆蓋區(qū)域?qū)EO按組劃分，處在相同MEO衛(wèi)星覆蓋域內(nèi)的LEO衛(wèi)星為同一組，對(duì)于處在重疊覆蓋域內(nèi)的LEO會(huì)選擇最近的一顆MEO，每個(gè)LEO衛(wèi)星組都由相應(yīng)的MEO衛(wèi)星監(jiān)控管理，MEO衛(wèi)星依據(jù)下屬LEO衛(wèi)星發(fā)送來(lái)的鏈路狀態(tài)信息為其計(jì)算最小延遲路徑。提出了更為復(fù)雜的MLSN算法，在該算法中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由GEO星座、MEO星座和LEO星座構(gòu)成，其中GEO衛(wèi)星是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的決策中樞，GEO通過(guò)層間鏈路管理自己覆蓋域內(nèi)的MEO和LEO，MEO管理自己覆蓋域內(nèi)的LEO，每個(gè)LEO同時(shí)接入一個(gè)MEO和一個(gè)GEO，一個(gè)覆蓋域內(nèi)的衛(wèi)星被劃分為一組。文獻(xiàn)[11]提出了一種算法，對(duì)SGRP中的管理架構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。在該算法中盡量擴(kuò)大管理衛(wèi)星的覆蓋域，這樣使得LEO衛(wèi)星處在多個(gè)MEO衛(wèi)星的管理覆蓋域下，LEO與可視內(nèi)的MEO都有層間鏈路，處在同一個(gè)MEO衛(wèi)星下的覆蓋域內(nèi)的LEO衛(wèi)星為一組，這會(huì)導(dǎo)致某些LEO被多個(gè)MEO管理。從上面可以看出傳統(tǒng)的都是采用覆蓋分域的管理方式，即將管理衛(wèi)星可視范圍內(nèi)的低層LEO衛(wèi)星劃為一個(gè)域，由該管理衛(wèi)星負(fù)責(zé)管理。首先這種方式要求衛(wèi)星裝備較多的鏈路收發(fā)設(shè)備，造成衛(wèi)星有效載荷和整體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)難度增加。另外，這種管理方式要求必須有足夠數(shù)量的管理衛(wèi)星去實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，使得管理層星座設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，增加了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的成本。最后，在這種管理方式下，一旦某個(gè)LEO衛(wèi)星移出或者移入某個(gè)管理衛(wèi)星的范圍就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)管理關(guān)系的變化，管理關(guān)系頻繁的變化，使得整個(gè)系統(tǒng)周期產(chǎn)生了很多時(shí)間碎片，大大增加了后面的時(shí)間片的劃分難度。
2分軌分簇的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在三種鏈路，層間鏈路、軌間鏈路和軌內(nèi)鏈路。軌內(nèi)鏈路就是一個(gè)軌道內(nèi)的衛(wèi)星之間的鏈路，在任意的時(shí)間內(nèi)，任意一個(gè)軌道內(nèi)的衛(wèi)星之間的連接關(guān)系不變，相對(duì)位置不變，不存在多普勒頻移等現(xiàn)象，發(fā)生傳輸錯(cuò)誤概率很小。而層間鏈路和軌間鏈路的連接關(guān)系隨著時(shí)間的變化而變化�？紤]到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)特點(diǎn)，我們將低層衛(wèi)星的一個(gè)軌道作為一個(gè)簇，每個(gè)軌道設(shè)置一個(gè)簇頭衛(wèi)星，簇頭負(fù)責(zé)管理本軌道內(nèi)的衛(wèi)星，然后一個(gè)或幾個(gè)簇構(gòu)成一個(gè)域，每個(gè)域又由一個(gè)高層衛(wèi)星管理，也就是說(shuō)高層管理衛(wèi)星通過(guò)與域內(nèi)的簇頭通信來(lái)管理域內(nèi)的所有低層衛(wèi)星。這樣設(shè)計(jì)帶來(lái)了很明顯的好處就是，管理衛(wèi)星不需要直接覆蓋域內(nèi)所有的LEO衛(wèi)星，使得其數(shù)目大大降低，另外由于簇頭選擇具有很強(qiáng)的靈活性使得對(duì)于管理衛(wèi)星的位置要求不高。這使得我們可以將所有的管理衛(wèi)星放在一個(gè)軌道上就能滿足管理需求，管理衛(wèi)星之間只存在軌內(nèi)鏈路，他們之間的連接關(guān)系始終保持不變，這樣就大大降低了管理層衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。簇頭選擇的依據(jù)是在該時(shí)間片內(nèi)在該軌道上離管理衛(wèi)星最近的一顆低層衛(wèi)星�？梢钥闯龃仡^隨著時(shí)間在變，但是這不會(huì)影響到管理衛(wèi)星和低層衛(wèi)星之間的管理關(guān)系。
3具體的管理策略
由于衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)一直處在持續(xù)高速移動(dòng)之中，導(dǎo)致衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，但是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星與移動(dòng)自組網(wǎng)中節(jié)點(diǎn)完全隨機(jī)運(yùn)動(dòng)不同，網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星總是沿著固定的軌道以一定的速度運(yùn)行，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涫侵芷谛宰兓�，具有可預(yù)測(cè)性。我們將整個(gè)周期劃分成一定數(shù)量的等長(zhǎng)時(shí)間片。在每個(gè)時(shí)間片內(nèi)，衛(wèi)星系統(tǒng)的拓?fù)浠旧鲜遣蛔兊�。在衛(wèi)星系統(tǒng)部署之前要在地面離線做好以下工作：1）選擇簇頭和備份簇頭：在地面上首先要?jiǎng)澐趾脮r(shí)間片，選擇合適的時(shí)間片長(zhǎng)。然后選出每個(gè)時(shí)間片內(nèi)每個(gè)軌道的簇頭和備份簇頭。選擇的依據(jù)是該簇頭離管理層的某顆衛(wèi)星的距離最短。2）給衛(wèi)星預(yù)存數(shù)據(jù)信息庫(kù)：每個(gè)衛(wèi)星維護(hù)一個(gè)數(shù)據(jù)信息庫(kù)，對(duì)于低層衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，內(nèi)容包括自己所在軌道內(nèi)的衛(wèi)星相對(duì)位置關(guān)系以及每個(gè)時(shí)間片的開(kāi)始時(shí)間，每個(gè)時(shí)間片內(nèi)自己所在軌道的簇頭信息。對(duì)于簇頭衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，還得維護(hù)一份該時(shí)間片內(nèi)它的管理者衛(wèi)星的位置信息。對(duì)于管理層衛(wèi)星來(lái)說(shuō)，內(nèi)容包括每個(gè)時(shí)間片內(nèi)它要管理的軌道信息以及該軌道上的簇頭信息和備份簇頭信息。在衛(wèi)星系統(tǒng)部署完畢之后，它的管理工作包括兩個(gè)部分。首先是周期性的管理工作，在每個(gè)時(shí)間片的開(kāi)始，管理衛(wèi)星為自己域內(nèi)的低層衛(wèi)星計(jì)算路由。其次是觸發(fā)事件的管理工作，當(dāng)?shù)蛯有l(wèi)星發(fā)生一些意外事件，比如擁塞、衛(wèi)星故障等等，就會(huì)觸發(fā)管理衛(wèi)星進(jìn)行一些臨時(shí)的額外的管理工作。
3.1周期性管理
周期性的管理工作主要是在每個(gè)時(shí)間開(kāi)始的時(shí)候管理衛(wèi)星為自己管理域內(nèi)的低層衛(wèi)星計(jì)算路由，用于該時(shí)間片內(nèi)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，具體的流程如下：步驟1：當(dāng)一個(gè)時(shí)間片開(kāi)始的時(shí)候，低層衛(wèi)星收集自身的鏈路狀態(tài)信息，比如延遲、帶寬等等，然后通過(guò)軌道內(nèi)衛(wèi)星的相對(duì)位置關(guān)系，將自己的狀態(tài)信息以最小跳數(shù)發(fā)送給簇頭。步驟2：簇頭收集自己軌道內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息，并進(jìn)行判斷是否收集完畢，如果是，就將鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行匯總并發(fā)送給管理衛(wèi)星。步驟3：管理衛(wèi)星收集自己管理域內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息，并進(jìn)行判斷是否收集完畢，如果是，就將自已域內(nèi)的鏈路狀態(tài)信息在管理軌道內(nèi)泛洪。步驟4：管理衛(wèi)星判斷是否擁有了全網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息，如果有，就為自己管理域內(nèi)的低層衛(wèi)星計(jì)算路由表。步驟5：路由表計(jì)算完畢之后，管理衛(wèi)星將其下發(fā)到自己域內(nèi)的簇頭衛(wèi)星。步驟6：簇頭衛(wèi)星將路由表依次下發(fā)到該軌道內(nèi)的每一個(gè)衛(wèi)星。步驟7：低層衛(wèi)星收到路由表并保存，在該時(shí)間片內(nèi)利用這些路由表轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。
3.2觸發(fā)性管理
一個(gè)低層衛(wèi)星可能發(fā)生故障，或者發(fā)生擁塞，以及因?yàn)榫S護(hù)、測(cè)試等原因而暫時(shí)關(guān)閉，這些都會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能，甚至造成大量的丟包現(xiàn)象。在我們的管理策略中，一旦這種情況發(fā)生，將會(huì)采取如下方式處理：步驟1：故障衛(wèi)星的鄰居衛(wèi)星檢測(cè)到故障信息，首先在自己軌道內(nèi)泛洪，該軌道內(nèi)的其他衛(wèi)星鎖定故障衛(wèi)星狀態(tài)，然后簇頭將這個(gè)信息發(fā)送給管理衛(wèi)星。步驟2：管理衛(wèi)星首先將這個(gè)故障信息在管理軌道內(nèi)泛洪，然后所有管理衛(wèi)星鎖定故障衛(wèi)星的狀態(tài)，并生成一個(gè)故障報(bào)告給地面站或者控制中心。步驟3：管理衛(wèi)星對(duì)其管理域內(nèi)的低層衛(wèi)星受到故障信息影響的那部分路由表進(jìn)行更新，然后發(fā)送給管理域內(nèi)的簇頭。步驟4：簇頭依次將這些更新的路由表通過(guò)軌內(nèi)鏈路依次發(fā)送給對(duì)應(yīng)的低層衛(wèi)星。步驟5：低層衛(wèi)星將收到的更新路由表替換掉受到故障信息影響那部分路由表。一旦故障衛(wèi)星得到恢復(fù)就會(huì)觸發(fā)另一次更新。
4仿真實(shí)驗(yàn)
我們仿真實(shí)驗(yàn)包括三個(gè)部分。首先，我們仿真計(jì)算了當(dāng)管理衛(wèi)星處于不同高度時(shí)，分軌分簇的管理策略所需要管理衛(wèi)星的數(shù)目，并將其與傳統(tǒng)的覆蓋分域方式作了對(duì)比。然后我們仿真了在GEO/LEO雙層網(wǎng)絡(luò)下，兩種管理策略的管理域隨時(shí)間變化的情況。最后，我們仿真了在GEO/LEO雙層網(wǎng)絡(luò)下，兩種管理策略在每個(gè)時(shí)間片的路由收斂時(shí)間。
4.1管理衛(wèi)星數(shù)目隨高度的變化情況
在仿真中，我們選擇了一個(gè)類銥星系統(tǒng)的LEO星座作為低層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，管理衛(wèi)星的高度變化范圍為2000km~35786km，無(wú)論哪種策略，隨著高度的增加，需要的管理衛(wèi)星的數(shù)目不斷減少。這主要是因?yàn)楣芾硇l(wèi)星越高，在LEO層上的覆蓋范圍越廣，對(duì)覆蓋分域策略來(lái)說(shuō)能夠管理的低層衛(wèi)星也就越多，對(duì)分軌分簇管理策略來(lái)說(shuō)能夠管理的軌道數(shù)目也就越多。同樣我們也可以看出分軌分簇的管理策略所需要的管理衛(wèi)星數(shù)目在不同的高度下都比覆蓋分域方式的要小得多，這主要是因?yàn)楦采w分域的方式必須要對(duì)整個(gè)LEO層實(shí)現(xiàn)全覆蓋，而分軌分簇策略只需要覆蓋軌道上的簇頭即可。
4.2管理域隨時(shí)間的變化情況
在仿真中，我們用衛(wèi)星工具包STK模擬了一個(gè)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并將生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MATLAB中進(jìn)行處理。每當(dāng)管理域發(fā)生變化，即LEO衛(wèi)星退出舊的管理衛(wèi)星的管理域加入到新的管理衛(wèi)星的管理域中，就會(huì)引起一次狀態(tài)變化，在圖3中我們用高度為1的脈沖表示在覆蓋分域的策略下管理域的狀態(tài)改變，用高度為2的脈沖表示分軌分簇的策略下管理域的狀態(tài)改變。圖中黑色區(qū)域表示狀態(tài)改變很頻繁。顯然我們可以看到覆蓋分域策略下管理域狀態(tài)的改變要比分軌分簇策略下管理域狀態(tài)改變要頻繁的多，這大大增加了時(shí)間片劃分的難度，而且狀態(tài)改變一次就要在管理衛(wèi)星之間通告一次，增大了整個(gè)系統(tǒng)的管理開(kāi)銷。
5.結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種分軌分簇的管理策略，每個(gè)軌道由一個(gè)簇頭負(fù)責(zé)管理本軌道上的衛(wèi)星，管理層的衛(wèi)星只需要直接管理這些簇頭即可。我們通過(guò)分析和仿真可以看出這種管理策略比傳統(tǒng)的覆蓋分域管理策略所需的衛(wèi)星數(shù)目要小的多，并且降低管理層的星座設(shè)計(jì)復(fù)雜度。在對(duì)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分別采用不同的管理策略時(shí)，可以看到傳統(tǒng)的覆蓋分域策略下管理域變化的要頻繁的多，而兩者的路由收斂時(shí)間相差不大。
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