浅析LEO卫星网络中的QoS路由问题

2019-11-03 18:38:03

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供稿：网友

王晓梅，冉崇森

解放军信息工程大学，河南郑州 450002

　　摘要：LEO卫星网络能够提供全球覆盖，为任何地点的用户提供适时应用服务。然而由于LEO的高速运动，LEO卫星网络的网络拓扑一直处于动态变化的过程中。文中首先分析了在这种动态变化的网络环境中QoS路由面临的新问题，接着提出了解决这些问题的几点考虑。

　　关键词：低轨卫星网络;服务质量；切换；路由；分析

　　一、引言

　　随着ip业务的迅速发展以及支持适时业务需求的日益增长，人们对低轨(LEO)卫星网络产生了浓厚的兴趣。LEO卫星网络不仅可以为地理上非常分散的用户提供全球覆盖，而且由于轨道高度（500～2　000 km）低，传输时延很小，甚至可以与陆地无线网络相比。LEO卫星网络能够为任何地点的用户提供实时应用服务。

　　为了达到全球覆盖，一个LEO星座中至少包括几十颗LEO卫星，比如，Iridium星座由66颗卫星组成，具有6个轨道平面，每个轨道平面11卫星；Teledesic由288颗LEO卫星组成，分为12个轨道，每个轨道面24颗卫星。为了达到较好的无缝覆盖，同一地面区域可能同时存在多颗服务卫星，尤其是在纬度比较低的区域［1］。卫星上具有OBP（Onboard PRocessing），完成路由转发等功能，卫星间存在ISL（Intersatellite Link），一个端到端的连接可能经过多个ISL。我们知道，LEO卫星不同于GEO(同步轨道)卫星，它处在高速的运动中，LEO卫星的覆盖区域（Footprint）也在地球表面运动着，同时LEO卫星的运动也导致整个卫星网络的网络拓扑频繁变化。那么，在这种特殊的网络环境下QoS路由将面临哪些新的问题？又如何解决呢？本文将就这两个方面进行讨论。

　　二、LEO卫星网络中QoS路由面临的问题

　　与传统的陆地网络不同，LEO卫星网络中每个路由节点（LEO卫星）在高速运动，整个网络拓扑在频繁变化，这为QoS路由带来了新的问题，具体表现如下：

　　(1)LEO卫星的高速运动以及卫星网络拓扑的动态变化导致频繁切换。一方面，由于通信信号的衰耗以及地形的遮蔽效应，只有在较大仰角的情况下，卫星和用户之间才能进行可靠的传输。LEO卫星较低的轨道高度及较大的仰角决定了卫星在地面的覆盖区域较小。同时，LEO卫星处于高速运动中，其覆盖区域在地球表面也在快速地移动，这就导致在一个连接过程中，用户终端可能不断地从一颗LEO卫星切换到另外一颗LEO卫星，即所谓的use-to-sat切换。另一方面，一个多跳连接可能经过多条ISL，卫星的运动可能导致其中某一或某几条ISL不可用（比如，卫星移动到高纬度地区），从而导致卫星到卫星的切换，即所谓的sat-to-sat 切换。不管是user-to-sat切换还是sat-to-sat切换，都使得已经建立的QoS路由不可用，必须重新选择一整条（或部分）路径。重新选路需要较长的过渡时延，可能不能满足某些QoS的时延需求，导致通信终止。同时重建路由需要的信令开销和处理负载也浪费资源。

　　(2)地面上用户的流量是非均匀分布的（时间、位置）。卫星在沿着轨道运行时，用户数目及流量在变化着，这种用户流量的变化可能会阻塞一些切换呼叫（由于用户卫星间UDL的剩余资源不足）。同时，ISL上的流量随着用户终端与卫星间链路（Up Down Link，简记为UDL）上的流量的变化而变化［2］，因此，即便在建立连接时有足够资源的ISL，可能随时间的变化而出现拥塞，进而阻塞切换呼叫。另外，即便用户流量是保持不变的，也会引起每个LEO卫星的负载变化及ISL上流量变化［3］，使得一些切换无法成功。这些被阻塞的切换使得无法进一步完成QoS路由。

　　（3）LEO卫星属于小卫星，星上存储空间、处理能力以及能源都是有限的。在星上维护、存贮整个网络的链路状态是不现实的。一般这部分工作在地面完成。同时，LEO卫星网络状态的变化是非常频繁的。为此，地面维护的整个网络的链路状态信息也不是非常精确的（可能过时），因此，基于这些链路状态信息确定的QoS路由在实际网络中不一定是最优的。

　　（4)卫星星座所处的宇宙空间背景噪声对星际链路存在一定的干扰。比如宇宙空间辐射干扰源（主要指太阳，如果是激光星际链路，月球的反光也要考虑）对星际链路造成的背景干扰［４］。这些干扰可能使得一些链路突发性地失效，也必须进行切换。 

　　三、保证QoS路由的几点考虑

　　从上面的分析可见，在LEO卫星网络中保证QoS路由的难点主要在于：其一，多种因素（卫星高速运动、网络拓扑频繁变化、宇宙空间背景噪声等）造成的频繁切换；其二，整个链路状态的适时性不够导致的QoS路由非最优。针对这些问题，我们总的思想是：首先，尽量避免切换；其次，对于无法避免的必须进行的切换，尽量保证切换的成功性；再次，采用分布式或分布式与集中式相结合的方式近似得到最佳QoS路由；最后，采用备份路径的方式进行进一步保证。具体如下：

　　第一，尽量减少切换。切换主要是由于端到端QoS路径上某一或某几条链路（UDL或ISL）不可用。链路不可用可以分为链路关掉（比如高纬度地区）和链路拥塞2种情况。为了减少链路切换，我们一方面要尽量提高一个连接上每一跳链路的服务时间，服务时间越长，切换的概率越小；另一方面，要充分利用网络资源，均衡流量，尽量减少链路拥塞。下面针对user-to-sat切换和sat-to-sat切换分别进行讨论。

　　1减少user-to-sat切换

　　在LEO卫星网络中，多星覆盖率较高，用户（源、目的）接入哪颗覆盖卫星直接影响着user-to-sat切换请求率的大小。有3种比较常用的接入策略［1］：一种是距离优先策略。这种策略根据信号的平均功率强度来判断，选择存在空闲信道的平均功率强度最大的卫星接入。这种策略实现简单，但没有考虑卫星星座运行规律的先验知识；第二种是覆盖时间优先策略。这种策略选择有空闲信道的服务时间最长的卫星接入。这种策略利用系统星座运行的先验知识，延长了呼叫的单星覆盖时间，与前一种策略相比，有效地降低了切换请求率，但是实现起来比距离优先策略复杂；第三种是仰角加权的覆盖时间优先策略。这种策略考虑了仰角对信道的影响。仰角越低，信道越恶劣，进而可能产生切换。它既考虑了覆盖时间，又避免了低仰角带来的恶化。显然，后面两种策略更有利于减少user-to-sat切换次数，是值得参考的策略。

　　２．减少sat-to-sat切换

　　sat-to-sat切换是由于２个端卫星间QoS路径上某ISL（或某些ISL）不可用造成的。２个端卫星是指分别为源用户和目的用户服务的２颗LEO卫星。在选路的过程中，对ISL不可用的因素加以考虑，将会降低sat-to-sat切换。设计QoS路由算法应该考虑以下几点：

　　（１）LEO卫星网络的网络拓扑结构虽然是动态变化的，但并不是没有规律可循。事实上，LEO卫星星座的网络拓扑具有周期性、规律性和可预见性等特点，网络中LEO卫星节点个数也是确定的。网络中每个LEO卫星节点服务的用户信息也可以移动性管理获知。我们使用确定的卫星拓扑以及可获知的一些用户信息来预测每个ISL上的流量负载，进而可以预测后续将会出现的链路拥塞［3］。在计算QoS路由的过程中，将这些预测的拥塞考虑进去，减少使用拥塞的ISL的概率，进而可以减少切换的次数。

　　（2)在卫星星座运行的过程中，ISLs的处于活动状态的时间也有一定的规律性。比如Iridium系统，每颗LEO卫星有４条ISL，分别连接同一轨道平面内２颗相邻卫星（Intraplane ISL）和２个邻轨道平面内２个相邻卫星（Interplane ISL）。Intraplane ISL是一直保持连接的。Interplane ISL在较高纬度时由于天线的跟踪能力的限制，需要关掉；回到低纬度时，又可以恢复连接。可以说Interplane ISL的开、关是周期性的。为此，我们可以给每个ISL分配一个生命期。Intraplane ISL的生命期为无穷大，而各Interplane ISL的生命期在某一时刻为某个确定的数值（当前时刻到链路关掉的时间间隔）。在路由算法的设计中，我们将每条ISL的生命期作为一个考虑的因素。比如在满足QoS需求时，尽量选择生命期长的链路［5］。可以定义一条QoS路径的生命期等于该路径上生命期最短的链路的生命期。显然，QoS路径的生命期越长，发生切换的概率越小。

　　第二，呼叫失败分为一个新连接的呼叫失败和已经存在的连接的切换呼叫失败两类。新连接呼叫失败表现为呼叫不能接入，切换呼叫失败表现为已存在的连接由于切换不成功而被强制中断。后者让用户更加难以忍受。为了提高切换的成功率，一种策略是提高切换呼叫的优先级。当切换呼叫和新连接的呼叫存在竞争时，使得切换呼叫的成功率大于新连接的呼叫。另一种策略是在每个ISL上预留一部分带宽专门用于切换呼叫，但缺点是这部分预留带宽不能被充分地利用起来。第三种策略在接受一个新连接的呼叫前，要考虑其对整个网络的影响。接入一个新连接不应该影响已存在的连接的QoS。前面已经讲过，使用确定的卫星星座拓扑及用户信息能够预测每个ISL上的流量负载及每个节点的负载，进而能够预测接入一个新连接后是否会影响其他的已经存在的连接［3］。完成这种策略的接入控制要相对复杂一些，可以考虑在地面网关（Gateway Station）实现。

　　第三，对于无法避免的切换，我们要尽量保证切换的成功性。这里主要考虑user-to-sat切换。当用户即将移出当前服务卫星的覆盖区域时，需要选择新的服务卫星进行切换。如果只是简单地将原来的连接断掉后，重新建立一条新的连接，所需要的时延可能对于一些适时应用（比如语音）是无法忍受的。为此，我们可以采用软切换的策略，即在切换的过程中仍然维持原来的连接，等新连接建立成功后再断开原来的连接。这样就保证了适时应用的可靠性。当然，采用软切换同时也给用户终端和网络系统带来一定的复杂性。另一种策略是使用多普勒效应来预测用户终端发生切换的时间，在适当时机预约下一服务卫星（即切换后使用的LEO卫星）的信道，保证切换的成功率和平滑性。

　　第四，如果我们完全采用集中的方式生成QoS路径，即在地面维护整个网络链路状态的数据库，在接收到用户的连接请求后，根据一定的QoS路由算法计算QoS路径，计算好后通过信令或控制信息建立该路经。如果路径上每个转发节点都能够满足需求，则建立成功；否则，拒绝该请求。这种方式在建立的QoS路径的过程中，只涉及到确定的QoS路径上的LEO卫星节点，为此需要的信令信息和控制信息量比较少。但是由于LEO卫星运行速度快，收集到的全网信息的有效性不能够得到保证，可能计算出来的QoS路径不是最优的，而且不能够有效地利用网络资源。为了克服这一点，我们可以采用分布式方式生成QoS路径。分布式是由每个LEO卫星节点维护自己的邻接链路状态信息。当源端卫星（为源用户服务的卫星）收到一个连接请求后，将该请求信息通过自己的各符合该QoS需求的ISL传递给相邻节点，相邻节点收到后，也如此传递下去，直到到达目的端卫星（为目的用户服务的卫星）。这样，目的端卫星可能得到多条可行的QoS路径，它从中选择一条最合适的作为QoS路径（比如生命期最长、剩余链路带宽最大等），通过该路经逆向返回到源节点，并要求中间节点预留相应资源。与集中式相比，分布式通过实际探测整个网络的可用资源来建立QoS路径，最后建立的QoS路径可以达到最优，而且能够有效地均衡网络资源，但是参与的节点个数多，建立连接的信令或控制信息增加的带宽开销比较大。进一步，我们可以综合考虑这两种方式，采用集中和分布相结合的方式，即在地面计算QoS路径时，同时计算出多条路径，然后通过信令或控制信息在这多条路径上实际探测，最后，目的端卫星在探测成功的路径中决定确定一条最适合的路径。这种方式的一个好处是，QoS路径的探测不再是盲目地进行的，减少了信令或控制信息流量；而且，避免了集中式导致的不能很好利用网络资源的弊端。

　　第五，为了进一步保证适时应用的QoS，我们可以考虑为一个连接建立备份的QoS路径。当主路径出现问题时，使用备份路径传递信息。显然，这是通过牺牲网络资源来换取的。对于一些特殊的应用，比如战时传递军用信息，可以考虑这种策略。

　　四、结束语

　　新一代的LEO卫星网络将必须保证用户通信的服务质量。但卫星的高速运动使得这种网络环境下的QoS路由问题变得复杂、困难。本文探讨了在这种网络环境下QoS路由面临的新问题，同时针对这些问题提出了相应的解决策略。

　　参考文献

　　［1］凌翔，胡剑浩，胡诗其. 低轨卫星移动通信系统接入方案［Ｊ］.电子学报，2000，28（7）：55～58．

　　［2］胡剑浩，吴诗其，李乐民.部分全连接星际链路网络动态路由策略研究［Ｊ］.通信学报，2000，21（6）：12～18．

　　［3］Ozgur Ercetin, Krishnamurthy, Son Dao,et al A Predictive QoS Routing Scheme for Broadband Low Earth Orbit Satellite Networks［Ａ］．Proceedings of PIMRC 2000［Ｃ］．2000

　　［4］Christopher Ward，etc. LEO Satellite Constellation Performance Analysis［Ａ］．IEEE GLOGECOM［Ｃ］．1993．

　　［5］ Admela Jukan, Hoang Nam Nguyen, Gerald Franzl. QoS-based routing methods for multi-hop LEO Satellite Networks［Ａ］．IEEE International Conference on［Ｃ］．2000．399～405．

　　［6］胡诗其，胡剑浩，吴晓文，等.卫星移动通信新技术［Ｍ］.北京：国防工业出版社，2001.

　　［7］张更新，张杭，等.卫星移动通信系统［Ｍ］.北京：人民邮电出版社，2001.

　　［8］祁玉生，邵世祥.现代移动通信系统［Ｍ］.北京：人民邮电出版社，2001.

　　
摘自《电讯技术》　　

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