吳琦/WU Qi，郭孟澤/GUO Mengze，朱立東/ZHU Lidong

（電子科技大學(xué)通信抗干擾技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó) 成都 611731）

(National Key Laboratory of Science and Technology on Communications,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China)

低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)[1]主要包括空間段、地面段和用戶(hù)段，其中空間段主要由低軌衛(wèi)星組成。目前，以銥星系統(tǒng)與LeoSat星座為代表的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，在星座設(shè)計(jì)中均采用了星間鏈路和星上處理技術(shù)。這使得衛(wèi)星星座擁有獨(dú)立組網(wǎng)和路由能力。未來(lái)低軌衛(wèi)星星座也將繼續(xù)采用這些技術(shù)，以使得衛(wèi)星星座不僅具備為地面終端之間、終端與地面站之間提供通信鏈路的能力，還擁有完成地面用戶(hù)接入、業(yè)務(wù)傳送等功能。地面段主要包括地面控制中心、指令站（跟蹤、遙測(cè)），以及網(wǎng)絡(luò)控制中心3個(gè)部分，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)維。用戶(hù)段主要包括各類(lèi)地面終端用戶(hù)，如車(chē)載終端、艦載終端和衛(wèi)星電話(huà)等。本文中，我們主要將地面用戶(hù)段劃分為高速移動(dòng)終端和非高速移動(dòng)終端。其中，高速移動(dòng)終端在位置區(qū)覆蓋衛(wèi)星進(jìn)行切換的同時(shí)，也可能產(chǎn)生越區(qū)切換。

文獻(xiàn)[2]指出低軌衛(wèi)星具有時(shí)延短、路徑損耗小和對(duì)功率要求低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以采用簡(jiǎn)單、低功率的地面終端和設(shè)備。然而，相比于中軌衛(wèi)星和高軌衛(wèi)星，單顆低軌衛(wèi)星的覆蓋范圍比較有限，需要大規(guī)模星座才能實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。OneWeb通信系統(tǒng)就是這類(lèi)星座的代表。它是由720顆運(yùn)行在軌道高度為1 200 km的衛(wèi)星構(gòu)成的低軌衛(wèi)星星座，星間通信依靠地面信關(guān)站完成。本文中的大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理方法主要應(yīng)用于720顆存在星間鏈路的低軌衛(wèi)星星座。

1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)虛擬化分布式移動(dòng)性管理

1.1 低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理研究現(xiàn)狀

地面網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理方式主要為集中式管理[3]，即采用本地代理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)終端的管理，同時(shí)終端每次發(fā)起位置更新時(shí)都要向本地代理傳輸消息。如果直接將這種地面網(wǎng)絡(luò)的集中式移動(dòng)性管理方法應(yīng)用在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，就會(huì)出現(xiàn)以下兩個(gè)問(wèn)題：

（1）終端頻繁切換接入衛(wèi)星[4-5]而產(chǎn)生的大量報(bào)文消息，會(huì)經(jīng)過(guò)星間鏈路和本地網(wǎng)絡(luò)傳遞給本地代理。這將使得衛(wèi)星星間鏈路和本地網(wǎng)絡(luò)負(fù)載過(guò)高。這種負(fù)載會(huì)隨著終端數(shù)量的增加而繼續(xù)增大，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

（2）當(dāng)終端距離本地代理較遠(yuǎn)時(shí)，信令的傳輸時(shí)延會(huì)增大。這種時(shí)延會(huì)影響終端的切換，進(jìn)而影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

因此，有必要針對(duì)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，將低軌衛(wèi)星移動(dòng)速度快、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斓纫蛩剡M(jìn)行結(jié)合考慮[6]，尋找一種不同于傳統(tǒng)地面網(wǎng)絡(luò)集中式管理的移動(dòng)性管理方法。文獻(xiàn)[7]提出的動(dòng)態(tài)虛擬化分布式移動(dòng)性管理（DV-DMM）是一種適用于大規(guī)模低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分布式移動(dòng)性管理架構(gòu)。對(duì)于分布式地面站建站困難的區(qū)域，如海洋、沙漠等，文獻(xiàn)[7]提出利用低軌衛(wèi)星群組成動(dòng)態(tài)虛擬網(wǎng)關(guān)，即存在星間鏈路的相鄰幾顆衛(wèi)星共同組成虛擬網(wǎng)關(guān)，對(duì)地面終端發(fā)送的位置更新信息進(jìn)行網(wǎng)關(guān)內(nèi)信息同步。虛擬網(wǎng)關(guān)將在無(wú)法布設(shè)地面網(wǎng)關(guān)的地區(qū)發(fā)揮與地面網(wǎng)關(guān)相同的作用，例如存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)、路由等。通過(guò)和傳統(tǒng)的基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）的移動(dòng)IP第6版（MIPv6）移動(dòng)性管理方法進(jìn)行開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比，DV-DMM模型的移動(dòng)性管理開(kāi)銷(xiāo)優(yōu)于MIPv6方案。

1.2 動(dòng)態(tài)虛擬化分布式移動(dòng)性管理方案

本文中我們使用和DV-DMM相似的移動(dòng)性管理架構(gòu)，并按照經(jīng)緯度來(lái)劃分位置區(qū)。每個(gè)位置區(qū)所占經(jīng)度范圍為12°，緯度范圍為15°，這樣全球一共被劃分為360個(gè)位置區(qū)。以此為最小單元，若有由于地理或政治因素?zé)o法建設(shè)地面站的位置區(qū)，則由覆蓋該位置區(qū)的衛(wèi)星群來(lái)構(gòu)成虛擬網(wǎng)關(guān)[7]以協(xié)助組網(wǎng)。

低軌衛(wèi)星分布式移動(dòng)性管理系統(tǒng)模型如圖1所示。在該模型中，我們從360個(gè)位置區(qū)中選取6個(gè)位置區(qū)。其中，LA3（LA指位置區(qū)）區(qū)域由于受到地理因素等限制無(wú)法建立地面網(wǎng)關(guān)。此時(shí)位于該位置區(qū)的衛(wèi)星S5、S6、S7、S8會(huì)組成虛擬網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星群，同時(shí)S7將成為位于該位置區(qū)內(nèi)MN2（MN指終端）的接入衛(wèi)星。

▲圖1 低軌衛(wèi)星分布式移動(dòng)性管理系統(tǒng)模型

在本模型中，假設(shè)地面站與地面站之間、終端與地面站之間均不通過(guò)地面鏈路進(jìn)行通信，所有的通信都由低軌衛(wèi)星來(lái)完成。

終端向位置區(qū)所在的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息注冊(cè)時(shí)存在兩種情況：

（1）如果終端位置區(qū)所在的網(wǎng)關(guān)為地面站，那么在終端進(jìn)行位置信息注冊(cè)時(shí)，終端的接入衛(wèi)星會(huì)通過(guò)星間鏈路將終端的位置信息發(fā)送給終端所在位置區(qū)的網(wǎng)關(guān)，以完成信息的注冊(cè)。隨后網(wǎng)關(guān)再通過(guò)星間鏈路將終端的位置信息并發(fā)送給其他網(wǎng)關(guān)，以完成信息的全局同步。

（2）如果終端所在位置區(qū)網(wǎng)關(guān)為虛擬網(wǎng)關(guān)，則終端的接入衛(wèi)星與相鄰的幾顆衛(wèi)星共同組成當(dāng)前位置區(qū)的虛擬網(wǎng)關(guān)。接入衛(wèi)星在收到終端的位置信息時(shí)，會(huì)首先在虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)向其他衛(wèi)星同步終端位置信息，再通過(guò)星間鏈路發(fā)送到全局其他網(wǎng)關(guān)。

發(fā)送給其他網(wǎng)關(guān)的全局同步信息僅包含終端當(dāng)前所屬的位置區(qū)網(wǎng)關(guān)，而不包含終端當(dāng)前的接入衛(wèi)星。這是因?yàn)榈蛙壭l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中終端切換十分頻繁。如果每次切換時(shí)接入衛(wèi)星都進(jìn)行全局更新，信令傳輸開(kāi)銷(xiāo)就會(huì)變得很大。因此，為了降低開(kāi)銷(xiāo)，每次終端切換接入衛(wèi)星時(shí)，僅需要通知本地網(wǎng)關(guān)，并在本地網(wǎng)關(guān)內(nèi)更新接入的衛(wèi)星信息。

當(dāng)終端MN1向終端MN2發(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)，發(fā)送的請(qǐng)求報(bào)文中只包含源終端和目的終端的標(biāo)識(shí)信息。報(bào)文首先由MN1發(fā)送給MN1的接入衛(wèi)星S2。S2收到報(bào)文后會(huì)在本地緩存中尋找MN2的標(biāo)識(shí)信息。如果S2本地有MN2的標(biāo)識(shí)信息，就說(shuō)明MN2的接入衛(wèi)星也是S2。這時(shí)MN1與MN2可以經(jīng)由S2直接建立通信連接。如果S2本地查詢(xún)不到MN2的標(biāo)識(shí)信息，S2就會(huì)將位置查詢(xún)報(bào)文發(fā)給當(dāng)前位置區(qū)LA4的地面站。隨后，LA4的地面站將查詢(xún)本地緩存有無(wú)MN2的標(biāo)識(shí)信息。如果有，則說(shuō)明MN2也位于LA4中。這時(shí)MN1與MN2可通過(guò)LA4的地面站建立通信連接。由于終端在注冊(cè)時(shí)已經(jīng)將其所屬位置區(qū)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行全局同步，因此任何一個(gè)網(wǎng)關(guān)處都存儲(chǔ)有MN2的所屬位置區(qū)網(wǎng)關(guān)信息。如果MN2不在LA4中，則LA4的網(wǎng)關(guān)就會(huì)將位置查詢(xún)報(bào)文發(fā)給MN2所在位置區(qū)的網(wǎng)關(guān)，以完成通信連接。通信對(duì)端位置查詢(xún)流程圖如圖2所示。

▲圖2 位置查詢(xún)流程圖

2 DV-DMM及其改進(jìn)模型位置管理開(kāi)銷(xiāo)分析

文獻(xiàn)[7]在動(dòng)態(tài)虛擬化方案中提出了虛擬網(wǎng)關(guān)的概念。當(dāng)用戶(hù)所在地區(qū)可以建立地面網(wǎng)關(guān)時(shí)，地面網(wǎng)關(guān)將承擔(dān)終端位置區(qū)信息的存儲(chǔ)工作。當(dāng)?shù)孛娼K端需要向另一個(gè)終端發(fā)起通信時(shí)，該終端將首先查詢(xún)自身的接入衛(wèi)星中是否存在另一終端的轉(zhuǎn)交地址，如有則直接通過(guò)接入衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)信息，如無(wú)則通過(guò)接入衛(wèi)星向自身位置區(qū)地面站尋求另一終端轉(zhuǎn)交地址實(shí)現(xiàn)通信過(guò)程。當(dāng)用戶(hù)所在位置區(qū)因地理位置或地緣政治因素不能修建地面站時(shí)，覆蓋位置區(qū)的衛(wèi)星將組合為虛擬網(wǎng)關(guān)，以代替地面網(wǎng)關(guān)的相關(guān)功能。

當(dāng)?shù)孛娼K端由于覆蓋區(qū)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而發(fā)生位置更新時(shí)，該方案只需要將位置更新信息在虛擬網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行局部更新即可。當(dāng)?shù)孛嬗脩?hù)發(fā)生越區(qū)切換時(shí)，位置更新信息需要通過(guò)接入衛(wèi)星廣播到全球網(wǎng)關(guān)（包括所有地面網(wǎng)關(guān)和虛擬網(wǎng)關(guān)），而這將帶來(lái)極大的位置更新開(kāi)銷(xiāo)。

本節(jié)在文獻(xiàn)[7]提出的動(dòng)態(tài)虛擬化分布式移動(dòng)性管理方案基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步推導(dǎo)了該方案中全球虛擬網(wǎng)關(guān)服從均勻分布（即所有虛擬網(wǎng)關(guān)均由相同數(shù)目的衛(wèi)星通過(guò)星間鏈路組成）時(shí)系統(tǒng)的位置更新開(kāi)銷(xiāo)表達(dá)式，并結(jié)合地面終端密度進(jìn)一步改進(jìn)虛擬網(wǎng)關(guān)的分配策略，并給出了虛擬網(wǎng)關(guān)服從非均勻分布時(shí)系統(tǒng)的位置更新開(kāi)銷(xiāo)表達(dá)式。

2.1 均勻虛擬網(wǎng)關(guān)DV-DMM系統(tǒng)位置管理開(kāi)銷(xiāo)分析

我們將位置管理信令開(kāi)銷(xiāo)定義為報(bào)文大小和報(bào)文跳數(shù)的乘積，并假設(shè)報(bào)文大小為固定值B。

位置管理信令開(kāi)銷(xiāo)Ctotal包括終端切換接入衛(wèi)星時(shí)通知本地網(wǎng)關(guān)的開(kāi)銷(xiāo)Csat和切換位置區(qū)時(shí)由本地網(wǎng)關(guān)發(fā)起的向其他網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息全局同步的開(kāi)銷(xiāo)Cla。當(dāng)?shù)孛娼K端所在位置區(qū)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)關(guān)為地面網(wǎng)關(guān)或者虛擬網(wǎng)關(guān)時(shí)，開(kāi)銷(xiāo)分析均可按以下方式展開(kāi)。

單位時(shí)間內(nèi)由于低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而造成的終端切換接入衛(wèi)星的次數(shù)Nacc可由式（1）計(jì)算：

其中，R表示衛(wèi)星圓形覆蓋區(qū)的半徑，Vsat表示衛(wèi)星移動(dòng)速度，ρ表示地面用戶(hù)密度，相關(guān)示意如圖3所示。因此，由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的終端切換接入衛(wèi)星的開(kāi)銷(xiāo)Csat可由式（2）表示：

▲圖3 按照地面用戶(hù)密度對(duì)地球重新分區(qū)結(jié)果圖

其中，H(Sl,LAk)表示當(dāng)終端所在位置區(qū)網(wǎng)關(guān)為地面網(wǎng)關(guān)時(shí)，從MN的接入衛(wèi)星Sl到終端所在位置區(qū)網(wǎng)關(guān)LAk的跳數(shù)，通常取值為1。該跳數(shù)加1表示將從MN到Sl的1跳也考慮在內(nèi)。Pvir表示MN所在網(wǎng)關(guān)是虛擬網(wǎng)關(guān)的概率。如果MN所在網(wǎng)關(guān)是虛擬網(wǎng)關(guān)，則還需要考慮虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部信息同步的開(kāi)銷(xiāo)。Hvir表示該虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部信息同步所需要的跳數(shù)，該值與組成虛擬網(wǎng)關(guān)的衛(wèi)星數(shù)量有關(guān)。Pvir可由式（3）計(jì)算：

其中，Nvir為系統(tǒng)中虛擬網(wǎng)關(guān)數(shù)量。NLA為系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)總數(shù)量，包含虛擬網(wǎng)關(guān)數(shù)量和地面網(wǎng)關(guān)數(shù)量。

當(dāng)MN切換位置區(qū)時(shí)，除了式（2）中的開(kāi)銷(xiāo)之外，系統(tǒng)還需要向其他網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息同步。此時(shí)額外開(kāi)銷(xiāo)Cla可由式（4）計(jì)算：

其中，H(LAk,LAj)表示從位置區(qū)k的網(wǎng)關(guān)LAk到位置區(qū)j的網(wǎng)關(guān)LAj的跳數(shù)，Hvir_n表示第n個(gè)虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部信息同步需要的跳數(shù)，Pla表示終端切換位置區(qū)的概率。式（4）中中括號(hào)的第1項(xiàng)是由MN所在網(wǎng)關(guān)LAk向全局其他網(wǎng)關(guān)發(fā)送位置更新消息的信令開(kāi)銷(xiāo)，第2項(xiàng)是系統(tǒng)內(nèi)的虛擬網(wǎng)關(guān)在接收到LAk發(fā)送的位置更新消息后，再進(jìn)行虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部信息同步的開(kāi)銷(xiāo)。

本系統(tǒng)總的位置管理開(kāi)銷(xiāo)可由式（5）表示：

2.2 自適應(yīng)調(diào)整位置區(qū)虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模算法

當(dāng)全球虛擬網(wǎng)關(guān)服從均勻分布時(shí)，地面終端密度分布不同將導(dǎo)致不同地區(qū)對(duì)應(yīng)的虛擬網(wǎng)關(guān)所承載的業(yè)務(wù)量不同。2.1節(jié)并未考慮到這一點(diǎn)。為使得系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，所有虛擬網(wǎng)關(guān)中的衛(wèi)星數(shù)目都應(yīng)相同，而且數(shù)值不能過(guò)大，否則高終端密度地區(qū)的虛擬網(wǎng)關(guān)將無(wú)法及時(shí)進(jìn)行全部業(yè)務(wù)的接入和內(nèi)部廣播操作。這種均勻劃分方式只能將全球大部分衛(wèi)星劃分為多個(gè)小規(guī)模的虛擬網(wǎng)關(guān)，對(duì)于降低虛擬網(wǎng)關(guān)間的位置更新廣播跳數(shù)是不利的。

參考文獻(xiàn)[8]將地球表面按照國(guó)家地理位置、用戶(hù)分布密度、是否熱點(diǎn)地區(qū)等條件合理劃分成不同的管理區(qū)，并對(duì)不同的管理區(qū)進(jìn)行分簇管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同用戶(hù)密度位置區(qū)進(jìn)行差異化、細(xì)粒度的管理。

基于以上分析，本節(jié)提出了一種基于地面用戶(hù)密度劃分位置區(qū)的方法。為不同位置區(qū)分配不同大小的虛擬網(wǎng)關(guān)，可進(jìn)一步降低全球虛擬網(wǎng)關(guān)數(shù)目，進(jìn)而減少由地面終端發(fā)生越區(qū)切換引起的位置更新開(kāi)銷(xiāo)。

1.2節(jié)中提到，全球一共被劃分為360個(gè)位置區(qū)。在這些位置區(qū)的基礎(chǔ)上，本文參照地球人口密度對(duì)位置區(qū)進(jìn)行著色并用符號(hào)進(jìn)行標(biāo)記。其中，顏色越深的地方表示相應(yīng)的位置區(qū)終端密度越大（符號(hào)數(shù)越大）。360個(gè)位置區(qū)的著色結(jié)果分布如圖4所示。

▲圖4 按照地面用戶(hù)密度對(duì)地球重新分區(qū)結(jié)果圖

圖4中，我們采用4種顏色，每種顏色對(duì)應(yīng)①、②、③、④中的一個(gè)數(shù)字符號(hào)。顏色由淺至深（數(shù)字符號(hào)由小到大）代表了地面終端密度由低到高。假設(shè)這4種顏色代表的終端密度為ρ1、ρ2、ρ3、ρ4，并滿(mǎn)足ρ1＜ρ2＜ρ3＜ρ4。圖4中中間白色方格區(qū)域近似為中國(guó)，按照現(xiàn)有方式可在中國(guó)境內(nèi)布設(shè)地面站，暫時(shí)不需要構(gòu)建虛擬網(wǎng)關(guān)。終端密度ρ4對(duì)應(yīng)的區(qū)域近似為西亞、南歐和北非，ρ3對(duì)應(yīng)的區(qū)域近似為南美、北美和北歐等地區(qū)，ρ2對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)槠渌懙氐貐^(qū)，ρ1對(duì)應(yīng)的區(qū)域?yàn)楹Ｑ蟆?/p>

對(duì)于終端密度高的地區(qū)，如果覆蓋區(qū)的虛擬網(wǎng)關(guān)中的衛(wèi)星數(shù)量較多，虛擬網(wǎng)關(guān)覆蓋的面積將增多。這是因?yàn)樾l(wèi)星在單位時(shí)間內(nèi)需要接收更多終端的位置更新。一次位置更新將對(duì)應(yīng)一次虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的信息廣播過(guò)程。對(duì)于較大規(guī)模的虛擬網(wǎng)關(guān)而言，這種開(kāi)銷(xiāo)是巨大的。此時(shí)應(yīng)該選擇較小規(guī)模的虛擬網(wǎng)關(guān)。同理，對(duì)于終端密度低的地區(qū)，可以在網(wǎng)關(guān)承載能力之內(nèi)選擇更大的虛擬網(wǎng)關(guān)。此時(shí)虛擬網(wǎng)關(guān)所覆蓋的范圍更大。當(dāng)將此范圍作為當(dāng)前終端所在位置區(qū)時(shí)，地面位置區(qū)相較于起初以經(jīng)緯度劃分的位置區(qū)而言有所增大。這降低了該地區(qū)用戶(hù)發(fā)生越區(qū)切換的概率。雖然這些地區(qū)用戶(hù)密度較小，但是每一次越區(qū)切換所對(duì)應(yīng)的全局廣播開(kāi)銷(xiāo)十分龐大。因此，減少越區(qū)切換發(fā)生的次數(shù)對(duì)于系統(tǒng)整體優(yōu)化有重要作用。

本文中我們將虛擬網(wǎng)關(guān)的最小單元設(shè)置為由4顆衛(wèi)星連接而成的衛(wèi)星群。終端密度高的地區(qū)將采用這樣的虛擬網(wǎng)關(guān)單元。對(duì)于用戶(hù)密度較低的區(qū)域，每顆衛(wèi)星均向外部延伸1顆衛(wèi)星，可以分別形成由8顆衛(wèi)星和16顆衛(wèi)星連接而成的衛(wèi)星群。更進(jìn)一步地，在16顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群外部選擇8顆衛(wèi)星各自向外延伸1顆衛(wèi)星，可以形成24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星群。因此，對(duì)于目前劃分的4種地面終端密度ρ4、ρ3、ρ2、ρ1，虛擬網(wǎng)關(guān)可以依次擴(kuò)充為每組4、8、16、24顆衛(wèi)星。不同終端密度地面區(qū)將采用不同規(guī)模的虛擬網(wǎng)關(guān)，即地面終端密度為ρ4、ρ3、ρ2、ρ1的位置區(qū)分別采用規(guī)模為4、8、16、24顆衛(wèi)星的虛擬網(wǎng)關(guān)加以管理。需要說(shuō)明的是，某一密度的地面區(qū)可能需要采取多組虛擬網(wǎng)關(guān)才能實(shí)現(xiàn)這一地面區(qū)的全部覆蓋。

2.3 非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)DV-DMM系統(tǒng)位置更新開(kāi)銷(xiāo)分析

本節(jié)提出了根據(jù)地面終端密度自適應(yīng)調(diào)整覆蓋區(qū)虛擬網(wǎng)關(guān)大小的思路。終端密度較大的地區(qū)，由于虛擬網(wǎng)關(guān)承載能力有限，可選擇較小的虛擬網(wǎng)關(guān)，反之選擇較大的虛擬網(wǎng)關(guān)。下面我們對(duì)這種算法中位置管理產(chǎn)生的開(kāi)銷(xiāo)加以分析。

當(dāng)終端所在位置區(qū)網(wǎng)關(guān)為地面網(wǎng)關(guān)時(shí)，具體分析過(guò)程可參考2.1節(jié)。這里我們僅分析終端所在位置區(qū)網(wǎng)關(guān)為虛擬網(wǎng)關(guān)的情況。

由低軌衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而造成的終端切換接入衛(wèi)星的次數(shù)Nacc,i表達(dá)式為：

其中，R表示衛(wèi)星圓形覆蓋區(qū)的半徑，Vsat表示衛(wèi)星移動(dòng)速度，ρi,i=1,2,3,4表示地面用戶(hù)密度。

其中，Ngro為原地面網(wǎng)關(guān)的數(shù)目。隨著虛擬網(wǎng)關(guān)數(shù)目的減少，虛擬網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)的概率將會(huì)降低。具體而言，如果全球所有不能布設(shè)地面站的地理區(qū)域都采取均勻布設(shè)虛擬網(wǎng)關(guān)的方式，則考慮到虛擬網(wǎng)關(guān)的承載能力有限，全球的虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模均為最小單元（即4顆衛(wèi)星）。當(dāng)全球地區(qū)均按照用戶(hù)終端密度自適應(yīng)地改變虛擬網(wǎng)關(guān)的大小時(shí)，終端密度高的地方依舊維持由4顆衛(wèi)星組成的最小虛擬網(wǎng)關(guān)單元，終端密度低的地方會(huì)擴(kuò)大虛擬網(wǎng)關(guān)的規(guī)模，同時(shí)會(huì)相應(yīng)地減少虛擬網(wǎng)關(guān)的數(shù)目。在整體星座中衛(wèi)星數(shù)量一定的情況下，這種方式可以降低虛擬網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)的概率P'vir。

因此，由衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的終端切換接入衛(wèi)星的開(kāi)銷(xiāo)Csat可由式（8）表示：

其中，等號(hào)右邊的第1項(xiàng)和第2項(xiàng)分別表示終端處于虛擬網(wǎng)關(guān)下和中國(guó)境內(nèi)的開(kāi)銷(xiāo)，為所有虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部廣播跳數(shù)的加權(quán)平均值。當(dāng)MN切換位置區(qū)時(shí)，除了式（8）中的局部開(kāi)銷(xiāo)之外，還需要向其他網(wǎng)關(guān)進(jìn)行信息同步。此時(shí)開(kāi)銷(xiāo)Cla可由式（9）計(jì)算：

其中，Pi為中國(guó)境外終端在密度為ρi位置區(qū)的概率。當(dāng)Nacc,i與Nacc相等時(shí)，式（9）與式（4）本質(zhì)上是一樣的。

根據(jù)地面終端密度確定虛擬網(wǎng)關(guān)大小將會(huì)引起衛(wèi)星星座中虛擬網(wǎng)關(guān)占比P'vir發(fā)生變化。式（8）和式（9）中系統(tǒng)總網(wǎng)關(guān)數(shù)目N'LA和虛擬網(wǎng)關(guān)數(shù)目N'vir均會(huì)減小，H(LAk,LAj)'因?yàn)槿志W(wǎng)關(guān)數(shù)目的減少也會(huì)減小，但每個(gè)虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的局部更新開(kāi)銷(xiāo)H'vir_n會(huì)相應(yīng)增大。

綜上所述，系統(tǒng)總體開(kāi)銷(xiāo)為：

2.4 虛擬網(wǎng)關(guān)開(kāi)銷(xiāo)

由于地球的自轉(zhuǎn)和低軌衛(wèi)星的高速移動(dòng)性，覆蓋同一位置區(qū)的衛(wèi)星是不斷變化的。虛擬網(wǎng)關(guān)本身可以被視為與地面位置區(qū)一一映射關(guān)系。虛擬網(wǎng)關(guān)的規(guī)模和位置僅與地面終端分布密度有關(guān)，同時(shí)虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部存在衛(wèi)星的接入與接出。

按照現(xiàn)有方式，在虛擬網(wǎng)關(guān)中，當(dāng)有新的衛(wèi)星進(jìn)入時(shí)，舊的衛(wèi)星將從當(dāng)前網(wǎng)關(guān)中被移除。對(duì)于舊衛(wèi)星的移出，系統(tǒng)需要在向虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部其他衛(wèi)星廣播移出信息。新接入的衛(wèi)星需要向當(dāng)前虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)的全部衛(wèi)星廣播自身進(jìn)入虛擬網(wǎng)關(guān)的消息，以便于新的用戶(hù)位置更新信息不用傳遞給已經(jīng)移出網(wǎng)關(guān)的衛(wèi)星，就可以正常傳遞給有新接入的衛(wèi)星。因此，這樣的一次移入移出對(duì)應(yīng)的全球系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)可以表示為：

3 系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真基本參數(shù)設(shè)置

本文中的仿真工具為MAT?LAB2021a推出的衛(wèi)星通信工具箱。我們采用極軌星座（每軌24顆衛(wèi)星，共30條軌道）?；痉抡鎱?shù)如表1所示。

▼表1 星座仿真基本參數(shù)表

每個(gè)單元格為經(jīng)度12°、緯度15°的方格區(qū)域。衛(wèi)星軌道分為30軌，右旋升交點(diǎn)赤經(jīng)以6°為間隔在0～180°內(nèi)均勻取值，真近點(diǎn)角以15°為間隔在0～360°內(nèi)均勻取值。為了體現(xiàn)相位差異，軌道編號(hào)為奇數(shù)的真近點(diǎn)角從[7.5,22.5,37.5,…,352.5]中取值，軌道編號(hào)為偶數(shù)的衛(wèi)星真近點(diǎn)角從[0,15,30,…,345]中取值。星座仿真如圖5所示。

▲圖5 衛(wèi)星星座仿真圖

圖5中外部紅色點(diǎn)為720顆衛(wèi)星，地球表面圓圈為每顆衛(wèi)星覆蓋面。每顆衛(wèi)星可以與同軌道相鄰兩顆衛(wèi)星以及相鄰軌道上的兩顆衛(wèi)星建立星間鏈路。紫色線(xiàn)表示異軌之間的星間鏈路建立情況，分布不均勻的藍(lán)色點(diǎn)表示地球表面添加的移動(dòng)終端。

利用仿真工具并結(jié)合圖4中地面終端密度所獲得的地面終端分布如圖6所示。

▲圖6 地面終端分布

3.2 開(kāi)銷(xiāo)公式所需參數(shù)求解

本仿真規(guī)定，所有地面終端接入衛(wèi)星的規(guī)則為按時(shí)序排隊(duì)。地面終端將與第1個(gè)接入的衛(wèi)星保持連接，直至衛(wèi)星離開(kāi)地面終端位置區(qū)，此時(shí)再接入下一顆衛(wèi)星。通過(guò)統(tǒng)計(jì)不同經(jīng)緯度地區(qū)地面終端在24 h內(nèi)接入衛(wèi)星的次數(shù)，可以計(jì)算出圖4中不同密度地區(qū)的用戶(hù)接入次數(shù)平均值Nacc,i。根據(jù)圖4，我們可以將全局680顆低軌衛(wèi)星分成規(guī)模分別為4、8、16、24的4種虛擬網(wǎng)關(guān)。其余40顆衛(wèi)星處于中國(guó)國(guó)境上方，不需要構(gòu)成虛擬網(wǎng)關(guān)。虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模、數(shù)目、Nacc,i等參數(shù)值如表2所示。其中，虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部廣播跳數(shù)H'vir_n可根據(jù)虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模以及衛(wèi)星之間的連接情況建立鄰接矩陣。利用Dijkstra[9]算法可計(jì)算出從虛擬網(wǎng)關(guān)邊界上任意一點(diǎn)到整個(gè)虛擬網(wǎng)關(guān)進(jìn)行廣播所需的平均跳數(shù)。

▼表2 全球虛擬網(wǎng)關(guān)參數(shù)

非均勻分布時(shí)，虛擬網(wǎng)關(guān)總數(shù)目為51個(gè)，共包含680顆衛(wèi)星；均勻分布時(shí)，680顆衛(wèi)星以4顆衛(wèi)星為一組來(lái)劃分虛擬網(wǎng)關(guān)，此時(shí)虛擬網(wǎng)關(guān)總數(shù)為170個(gè)。假設(shè)中國(guó)境內(nèi)的地面網(wǎng)關(guān)數(shù)目為10個(gè)，則非均勻分布時(shí)虛擬網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)概率為P'vir=0.83，均勻分布時(shí)虛擬網(wǎng)關(guān)出現(xiàn)概率Pvir=0.94。均勻分布時(shí)，Nacc取表2中Nacc,i的加權(quán)平均值。

根據(jù)圖4可建立非均勻規(guī)模的虛擬網(wǎng)關(guān)（虛擬網(wǎng)關(guān)總數(shù)為51）和均勻規(guī)模的虛擬網(wǎng)關(guān)（虛擬網(wǎng)關(guān)總數(shù)為170）之間的鄰接矩陣。此時(shí)，非均勻規(guī)模時(shí)網(wǎng)關(guān)到網(wǎng)關(guān)之間的平均跳數(shù)為，均勻規(guī)模時(shí)的平均跳數(shù)為?？梢钥闯?，非均勻規(guī)模虛擬網(wǎng)關(guān)的全局更新跳數(shù)遠(yuǎn)小于均勻規(guī)模虛擬網(wǎng)關(guān)的跳數(shù)。由表2可知，虛擬網(wǎng)關(guān)非均勻時(shí)規(guī)模較大的虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部更新跳數(shù)也將增大。

3.3 位置更新開(kāi)銷(xiāo)仿真

根據(jù)前述參數(shù)仿真兩種情況下的位置更新開(kāi)銷(xiāo)，分別為虛擬網(wǎng)關(guān)為均勻分布時(shí)的位置更新開(kāi)銷(xiāo)和根據(jù)地面終端密度自適應(yīng)調(diào)整虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模方案的位置更新開(kāi)銷(xiāo)。

均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)因衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而發(fā)生的位置管理開(kāi)銷(xiāo)如圖7所示。均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)因地面終端發(fā)生越區(qū)切換而產(chǎn)生的位置更新開(kāi)銷(xiāo)如圖8所示。

▲圖7 衛(wèi)星移動(dòng)造成的位置更新開(kāi)銷(xiāo)

▲圖8 用戶(hù)越區(qū)切換造成的位置更新開(kāi)銷(xiāo)

圖7中，對(duì)于非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，由于引入了更大的虛擬網(wǎng)關(guān)，此時(shí)每次因衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的虛擬網(wǎng)關(guān)內(nèi)部更新開(kāi)銷(xiāo)占主要部分。因此，非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在衛(wèi)星移動(dòng)時(shí)將產(chǎn)生更大的信令開(kāi)銷(xiāo)，性能表現(xiàn)不如均勻分布虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。圖8中，當(dāng)非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)引入更大的虛擬網(wǎng)關(guān)之后，系統(tǒng)中整體網(wǎng)關(guān)的數(shù)量變少。相比于均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)中的170個(gè)虛擬網(wǎng)關(guān)，非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)中僅有51個(gè)虛擬網(wǎng)關(guān)。這大幅降低了全局更新的開(kāi)銷(xiāo)。因此，用戶(hù)越區(qū)切換造成的位置更新開(kāi)銷(xiāo)更小。將兩種位置更新開(kāi)銷(xiāo)相加可計(jì)算系統(tǒng)總開(kāi)銷(xiāo)，如圖9所示。采取本文提出的依據(jù)地面用戶(hù)密度自適應(yīng)調(diào)整虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模的方法將產(chǎn)生更小的位置更新開(kāi)銷(xiāo)。

▲圖9 均勻分布虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)與非均勻分布虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)DV-DMM系統(tǒng)在移動(dòng)性管理方面的位置管理開(kāi)銷(xiāo)進(jìn)行了進(jìn)一步探索，提出了一種根據(jù)地面終端密度自適應(yīng)調(diào)整虛擬網(wǎng)關(guān)規(guī)模的算法，并比較了均勻分布虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)和非均勻分布虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)在用戶(hù)因衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)和越區(qū)切換而發(fā)生位置更新的性能開(kāi)銷(xiāo)。仿真結(jié)果表明，非均勻分布虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)位置管理中的位置更新信令開(kāi)銷(xiāo)要小于非均勻虛擬網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。