LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理

賀達健，游鵬，雍少為

國防科學技術大學 電子科學與工程學院，長沙 410073

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理

賀達健，游鵬*，雍少為

國防科學技術大學 電子科學與工程學院，長沙 410073

近年來，低軌道(Low Earth Orbit, LEO)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡以全球覆蓋、低傳輸時延、低功耗鏈路、較強的抗毀性等特點而受到廣泛關注，是未來全球移動通信系統(tǒng)的重要組成部分。移動性管理是構建LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的關鍵技術，為推動移動性管理問題的研究，文章從LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的結構和特點入手，闡述了LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中移動性管理的分類，并分析了其相比地面移動無線網(wǎng)絡的特殊性。從鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層三個協(xié)議層次綜述了近年來LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡移動性管理研究的國內外現(xiàn)狀，重點介紹了移動IPv6(Mobile IPv6, MIPv6)和無縫IP分集通用移動性結構(Seamless IP-diversity based Generalized Mobility Architecture，SIGMA)在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的應用。最后，指出了移動性管理的發(fā)展趨勢。

衛(wèi)星網(wǎng)絡；低軌道衛(wèi)星；移動性管理；移動IP；無縫IP分集通用移動性結構

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具有全球覆蓋、低傳輸時延、低功耗鏈路、較強的抗毀性等特點，擁有廣闊的發(fā)展前景，是未來移動通信系統(tǒng)的重要組成部分。另外，隨著通信技術的發(fā)展，以星間鏈路(Inter Satellite Link, ISL)和星上處理技術(On-Board Processing，OBP)為特征的下一代衛(wèi)星通信網(wǎng)絡可以獨立于地面網(wǎng)絡，支持星上路由和數(shù)據(jù)處理，提供覆蓋海陸空的移動網(wǎng)絡服務；IP技術的成熟和可靠也使得未來衛(wèi)星網(wǎng)絡應用IP技術成為趨勢。2007年，Iridium公司宣布發(fā)展Iridium NEXT計劃，為跨洋、極地、空中交通提供全球性高質量的語音和數(shù)據(jù)覆蓋業(yè)務，該計劃仍將采用第一代Iridium系統(tǒng)的66顆LEO衛(wèi)星星座。2014年，谷歌公司宣布將建設180顆LEO衛(wèi)星提供衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。2014年11月，SpaceX公司宣布計劃發(fā)射700顆LEO小衛(wèi)星，為地面用戶提供互聯(lián)網(wǎng)接入服務，2015年9月又進一步增加至4 000顆。2015年1月，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)公司OneWeb計劃將648顆LEO衛(wèi)星送入太空，下一步還將發(fā)射2400顆衛(wèi)星[1]。在國內，2014年9月，清華大學聯(lián)合北京信威通信技術股份公司研制的靈巧通信試驗衛(wèi)星(Smart Communication Satellite, SCS)發(fā)射成功，并在同年10月完成了所有的在軌試驗[2]。中國航天科工集團的“福星計劃”將發(fā)射156顆LEO小衛(wèi)星，第一期實現(xiàn)天星地網(wǎng)，透明轉發(fā)；第二期實現(xiàn)天地融合組網(wǎng)。

由于LEO衛(wèi)星繞地球運動，終端與衛(wèi)星之間會產生切換，為了保證終端在切換過程中保持正常通信，需要對網(wǎng)絡進行移動性管理。移動性管理需要對終端的位置進行登記和管理，以方便網(wǎng)絡對終端發(fā)起呼叫和傳輸數(shù)據(jù)，還要維持終端與網(wǎng)絡的鏈路在兩個衛(wèi)星之間進行切換時不中斷。但是，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、服務終端多，衛(wèi)星相對地面終端高速運動，終端與衛(wèi)星之間的切換十分頻繁，網(wǎng)絡結構也會動態(tài)變化。此外，LEO衛(wèi)星因為體積、功率等硬件條件限制，處理性能有限。這些特點都為LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。

針對衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理問題，國內外學者分別在鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層提出了許多解決辦法。在鏈路層，主要有非優(yōu)先切換、排隊優(yōu)先切換、預留信道等策略。在網(wǎng)絡層，互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(Internet Engineering Task Force, IETF)提出了移動IPv4(Mobile IPv4, MIPv4)和MIPv6[3]對網(wǎng)絡的移動性進行管理，但移動IP(Mobile IP，MIP)存在一些問題，例如較高的切換時延、丟包率等，于是對MIP進行了擴展，又提出了快速移動IPv6(Fast Mobile IPv6, FMIPv6)[4]、分層移動IPv6(Hierarchical Mobile IPv6, HMIPv6)[5]、多轉交地址協(xié)議(Multiple Care of Address, MCoA)[6]、代理移動IPv6(Proxy Mobile IPv6, PMIPv6)[7]和快速代理移動IPv6(Fast Proxy Mobile IPv6, FPMIPv6)[8]等協(xié)議。其中，MIPv6、FMIPv6、HMIPv6是基于主機的IPv6移動性管理協(xié)議，PMIPv6、FPMIPv6是基于網(wǎng)絡的IPv6移動性管理協(xié)議。在傳輸層，提出了體系較完善的SIGMA[9]以及移動流控制傳輸協(xié)議(Mobile Stream Control Transmission Protocol, mSCTP)[10]、移動防火墻安全會話轉換協(xié)議(Mobile SOCKS, MSOCKS)[11]、TCP連接遷移(TCP-Migrate)[12]等移動性管理協(xié)議。

1 移動性管理問題

移動性管理主要包括切換管理和位置管理[13],目的是為網(wǎng)絡提供移動性支持并滿足相關的服務質量(Quality of Service，QoS)指標，例如切換時延、丟包率、阻塞率、信令開銷等。無線網(wǎng)絡為了給終端提供連續(xù)的通信服務，必須在不同網(wǎng)絡接入點之間實現(xiàn)切換來保證服務的不中斷，這是移動性管理問題中的切換管理。另外，為了使網(wǎng)絡隨時向終端提供通信服務，網(wǎng)絡還必須對終端的位置進行管理，即支持位置管理。

作為無線網(wǎng)絡的一種，衛(wèi)星網(wǎng)絡也存在移動性管理問題。衛(wèi)星網(wǎng)絡的移動性管理問題可分為主機移動性管理和網(wǎng)絡移動性管理，具體的分類和特點如表1所示。

表1 移動性管理問題分類及特點

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡是一個獨立的網(wǎng)絡，只通過少量的地面站與地面互聯(lián)網(wǎng)、網(wǎng)絡控制中心等進行通信和管理，LEO衛(wèi)星作為網(wǎng)絡接入點，類似于地面無線網(wǎng)絡的基站，為覆蓋范圍內的終端提供通信服務，終端可能位于地面、海洋以及空天的任何位置，衛(wèi)星之間通過ISL進行通信并構成網(wǎng)絡。在終端通信過程中，正在與終端進行通信的衛(wèi)星由于移動(包括衛(wèi)星和終端的移動，主要包括飛機、船舶等終端的移動，手持終端的移動性可忽略)，其覆蓋區(qū)域可能離開終端所在位置，另外一個衛(wèi)星覆蓋區(qū)域進入終端所在的位置，通信鏈路要在兩顆衛(wèi)星間切換，保證通信的連續(xù)性，同時對終端的位置進行更新。LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理將衛(wèi)星看作具有星上處理功能的移動路由器，為終端提供網(wǎng)絡服務，屬于主機移動性管理。但隨著空天一體化信息網(wǎng)絡的發(fā)展，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的用戶還將包括遙感衛(wèi)星、導航衛(wèi)星等空天網(wǎng)絡用戶，因此未來的移動性管理技術還將支持網(wǎng)絡的移動性管理，而且網(wǎng)絡移動性管理將是以后重要的發(fā)展方向。當然，網(wǎng)絡移動性管理可以參照主機移動性管理的相關研究，如網(wǎng)絡移動(Network Mobility，NEMO)協(xié)議參照了MIP技術，無縫IP分集網(wǎng)絡移動(Seamless IP-diversity based Network Mobility, SINEMO)協(xié)議參照了SIGMA。

與地面無線網(wǎng)絡不同，由于LEO衛(wèi)星軌道高度低，相對地面作高速運動，終端對其可視時間(通信時間)通常只有幾分鐘，造成了終端與衛(wèi)星之間產生頻繁的切換以及網(wǎng)絡結構動態(tài)的變化，所以LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具有與生俱來的移動特性。表2總結了LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與地面無線網(wǎng)絡之間的主要差異，LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的覆蓋面積要遠遠大于地面無線網(wǎng)絡，其單顆衛(wèi)星的覆蓋范圍也比地面基站大得多，覆蓋區(qū)域內的終端數(shù)量龐大，衛(wèi)星網(wǎng)絡需要對大量的終端進行移動性管理。地面網(wǎng)絡接入點的位置是固定不變的，而LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡由于衛(wèi)星的運動，導致接入點快速移動，即使終端的位置固定不變，其與衛(wèi)星之間也會經(jīng)常發(fā)生切換，因此，衛(wèi)星網(wǎng)絡中的切換十分頻繁。

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的拓撲結構是分布式的，每顆衛(wèi)星通過ISL與周圍的衛(wèi)星進行通信，且其結構不是固定的，會隨衛(wèi)星的運動而發(fā)生變化，即LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡結構具有動態(tài)特性，這會對移動性管理造成一定影響。不過衛(wèi)星運行具有周期性，所以拓撲結構的變化也具有周期性，利用周期性變化的特點可以降低網(wǎng)絡結構變化給移動性管理造成的影響。

表2 LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡與地面無線網(wǎng)絡對比

另外，由于體積、功率等硬件條件限制，LEO衛(wèi)星的處理性能有限，難以滿足計算量大的移動性管理技術。同時，考慮到衛(wèi)星的軌道高度，終端與衛(wèi)星之間信令傳輸?shù)耐禃r延較大。

以上這些特點，使LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理問題更突出，對移動性管理有更高的要求，針對地面無線網(wǎng)絡提出來的移動性管理協(xié)議不能直接應用到LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中。

2 LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理

網(wǎng)絡協(xié)議層自下而上可分為物理層、鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層和應用層，除物理層以外，其他協(xié)議層均有移動性管理技術。在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，移動性管理的研究主要集中在鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層，在不同的協(xié)議層次有不同的特點和技術，如表3所示。

針對LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的移動性管理問題，國內外學者做了大量研究。在國內，鏈路層移動性管理技術得到了廣泛研究，特別是切換管理，國內學者對排隊優(yōu)先、預留信道等切換策略進行改進和優(yōu)化，對網(wǎng)絡性能有一定的改善，但是對網(wǎng)絡層和傳輸層移動性管理技術的研究相對較少。國外學者早在20世紀70年代便開始利用衛(wèi)星系統(tǒng)承載IP業(yè)務，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展和空間信息網(wǎng)絡的提出，衛(wèi)星網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)之間的聯(lián)系將越來越緊密。高協(xié)議層移動性管理技術屏蔽了底層接入技術和物理傳輸介質的差異，對上層協(xié)議和應用透明，對地面互聯(lián)網(wǎng)具有良好的兼容性。因此，網(wǎng)絡層、傳輸層等高協(xié)議層的移動性管理技術越來越受到關注。

表3 不同協(xié)議層次的移動性管理的特點及典型技術

2.1 鏈路層移動性管理技術

鏈路層移動性管理技術最早在蜂窩網(wǎng)中被提出和應用，發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)相對成熟且得到了驗證。鏈路層移動性管理技術中的切換管理與位置管理一般獨立進行研究，位置管理主要采用位置歸屬寄存器和訪問位置寄存器兩層位置數(shù)據(jù)庫結構，實現(xiàn)移動節(jié)點(Mobile Node, MN)的位置管理，切換管理又分為波束切換和星間切換。

(1)波束切換

波束切換又稱為蜂窩切換或者星內切換，是指同一顆衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內，鏈路在相鄰波束間的切換。波束切換技術主要有非優(yōu)先切換策略、排隊優(yōu)先切換策略和預留信道策略。

非優(yōu)先切換策略采用固定信道分配的方法，給每個小區(qū)、每類業(yè)務分配固定的信道數(shù)量。該策略雖然簡單，但不能適應網(wǎng)絡業(yè)務量的動態(tài)變化，使系統(tǒng)的資源利用率降低，一般結合其他策略來使用[14]。

排隊優(yōu)先切換策略[15-19]基于排隊技術，以區(qū)分各種類型的呼叫或者請求的優(yōu)先級，使網(wǎng)絡資源分配更加合理。當衛(wèi)星收到一個新呼叫或者切換請求時，如果下一波束沒有可用的信道，請求會放在一個特定的隊列中排隊等待，在規(guī)定時間內有信道空閑則被網(wǎng)絡接受，否則就強制中斷。同一個隊列中的呼叫或者請求按照先進先出的原則進行資源分配，不同隊列之間也可以設定不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的隊列得到更多的網(wǎng)絡資源。

預留信道策略利用了保護信道的概念，在每個小區(qū)中設立保護信道專門為切換服務[20]。預留信道策略關鍵問題是設定合理的閾值，使預留的信道資源符合網(wǎng)絡的實際情況，不至于造成網(wǎng)絡資源浪費或策略效果下降。預留信道的閾值可以是一個固定值，也可以根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)動態(tài)調整，動態(tài)調整閾值能夠提高網(wǎng)絡資源的利用率[21-23]?，F(xiàn)有的動態(tài)調整閾值的方法主要有：

1)基于預測的調整策略。利用概率模型或狀態(tài)量，對不同類型的請求進行預測，根據(jù)預測結果動態(tài)調整預留信道的閾值[22,24-26]；

2)基于時間的調整策略?？梢愿鶕?jù)MN在當前波束內逗留的時間或者預期的信道使用時間對下一個波束的預留信道進行調整[21,27]。

3)基于QoS的調整策略。文獻[23]定義了一個“系統(tǒng)用戶滿意度”，用其度量系統(tǒng)QoS，以最大化“系統(tǒng)用戶滿意度”為準則，動態(tài)調整預留信道，克服了預留信道機制中帶寬利用率低的問題。文獻[28]中提出了一種呼叫接入控制策略和一種星內切換方案，引入一個“移動預約狀態(tài)”量，用于表示在每個小區(qū)內所有激活呼叫所請求的帶寬信息，同時用它預測來自相鄰小區(qū)的呼叫可能發(fā)出的帶寬請求。

在實際應用中，可以根據(jù)實際情況選擇非優(yōu)先切換策略、排隊優(yōu)先策略和預留信道策略，也可以同時選擇多種策略。如果以阻塞率和掉線率作為選擇依據(jù)，則在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中支持切換優(yōu)先的排隊優(yōu)先策略具有更好的性能[29]。不過，這些策略其他QoS指標以及系統(tǒng)容量的對比分析還有待深入的研究。

(2)星間切換

星間切換又稱為衛(wèi)星切換，是指一個鏈路在相鄰衛(wèi)星間的切換。星間切換的關鍵技術除了信道分配以外，還有衛(wèi)星選擇策略。前者可以參考波束切換技術，而后者對于具有分集特征(即多重覆蓋特征，MN有多顆可見的衛(wèi)星可以選擇)的LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的性能具有重要的影響。選擇衛(wèi)星的準則主要有最小負荷準則、最小距離準則、最長可視時間準則、最強信號準則和最短傳播路徑準則等[30-31]。

最小負荷準則使MN在所有可見衛(wèi)星中選擇負荷最小的衛(wèi)星，可以減少掉線率和阻塞率，以及提高系統(tǒng)資源利用率，但是傳輸時延較長，QoS較差[24]。最小距離準則根據(jù)MN與衛(wèi)星的距離，選擇距MN最近的衛(wèi)星，而MN與距離最近的衛(wèi)星的通信仰角最大，切換的時間間隔很短，不符合長時間通信服務(例如多媒體業(yè)務)的需求[32]；最長可視時間準則使MN選擇的衛(wèi)星可以為其提供較長服務時間，在一定程度上降低了MN切換的頻率；最短傳播路徑準則按照MN通信鏈路總長度最短的原則對衛(wèi)星進行選擇，可以減少MN的通信時延[31,33]。

此外，星間切換還可以與路由優(yōu)化一起綜合考慮，在保證切換性能的同時，對路由進行優(yōu)化，使網(wǎng)絡資源的利用更合理[34]。

在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中，鏈路層移動性管理技術與衛(wèi)星網(wǎng)絡底層技術相關，其性能的好壞不僅受到所采用策略的影響，還受到衛(wèi)星結構、底層技術和物理傳輸介質等因素的影響。

2.2 網(wǎng)絡層移動性管理技術

網(wǎng)絡中的IP地址有兩種含義，一種是身份標識，一種是位置標識。一般來說，終端在網(wǎng)絡中具有惟一的IP地址，網(wǎng)絡將IP地址作為身份標識對終端進行識別和認證，又將IP地址作為位置標識對終端進行定位和發(fā)起路由。當終端在網(wǎng)絡中移動，若接入點發(fā)生變化而IP地址保持不變，網(wǎng)絡就不能對終端進行定位和路由；如果IP地址發(fā)生變化，網(wǎng)絡層以上的通信服務會中斷，網(wǎng)絡也無法對終端進行識別和認證。MIP的提出就是為了使終端以固定的IP地址在網(wǎng)絡中移動，同時保證網(wǎng)絡層以上的鏈接不中斷，實現(xiàn)跨越不同網(wǎng)段和網(wǎng)絡接入點的漫游功能。

國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務組(IETF)于2004年6月發(fā)布第一個框架性的基于IPv6的MIPv6標準，得到了學術界和工業(yè)界的認可。MIPv6在MIPv4的基礎上進行了改進，解決了MIPv4中的“三角路由”問題，有望取代現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)中的各種移動性管理協(xié)議，解決未來移動通信系統(tǒng)中的移動性管理問題。

目前為止，基于IPv6的移動性管理協(xié)議共分為兩大類，一類是基于主機(Host-Based)的移動性管理協(xié)議，包括MIPv6、HMIPv6、FMIPv6等；另一類是基于網(wǎng)絡(Network-Based)的移動性管理協(xié)議，包括PMIPv6、FPMIPv6等。

(1)基于主機的移動性管理協(xié)議

MIPv6是標準IPv6移動性管理協(xié)議，可以將其應用在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡中解決移動性管理問題[35]。MIPv6規(guī)定MN位于家鄉(xiāng)網(wǎng)絡時，跟普通節(jié)點一樣，使用家鄉(xiāng)地址(Home Address, HoA)進行通信，通過路由規(guī)則轉發(fā)數(shù)據(jù)包。當MN在網(wǎng)絡中移動時，如圖1所示，MN根據(jù)接入網(wǎng)絡的路由器通告(Router Advertisement, RA)配置一個轉交地址(Care of Address， CoA)，然后向家鄉(xiāng)代理(Home Agent, HA)發(fā)送綁定更新(Binding Update, BU)，注冊當前的CoA。HA在綁定緩存(Binding Cache, BC)中記錄HoA和CoA的對應關系，同時向MN發(fā)送綁定確認(Binding Acknowledgement, BA)作為對BU的響應。隨后，MN和HA之間就建立了一條隧道(兩端的地址分別是HoA的地址和MN的CoA)進行通信。每個MN的HoA都是固定的，與MN的網(wǎng)絡位置無關。

圖1 MIPv6發(fā)起會話過程Fig.1 Process of launching a communication in MIPv6

假如通信對端(Correspondent Node, CN)向MN發(fā)起會話，則MN總是通過HoA被尋址，CN直接把數(shù)據(jù)發(fā)送到HA，由HA轉發(fā)給MN，不用考慮MN當前的接入位置。此時，HA轉發(fā)來自CN的數(shù)據(jù)，而MN向CN發(fā)送數(shù)據(jù)時通過路由規(guī)則直接轉發(fā)。假設CN支持MIPv6的路由優(yōu)化模式，則MN會向CN發(fā)送當前CoA，之后CN以MN的CoA為目的地址與MN進行直接路由。MN的CoA地址無需向上層協(xié)議傳遞，只需通知HA和CN，HA收到CoA后對MN進行位置管理，CN收到CoA后與MN直接路由，而上層協(xié)議依然以固定不變的HoA作為IP地址進行通信。MIPv6在不影響其他協(xié)議層的基礎上，滿足了MN在網(wǎng)絡中的移動性需求。

MIPv6的切換過程如圖2所示，MN從舊衛(wèi)星(Previous Satellite, pSAT)切換到新衛(wèi)星(New Satellite, nSAT)，MN首先從nSAT中獲得新的CoA，并向HA和CN發(fā)送BU，隨后HA在綁定緩存BC中記錄HoA和CoA的綁定信息，對MN進行位置管理，CN更新路由的目的地址，繼續(xù)與MN進行通信。

圖2 MIPv6切換過程Fig.2 Handover process in MIPv6

MIP可以屏蔽MN底層技術的差異，使LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡支持不同類型的MN，而且MIP簡化了網(wǎng)絡配置操作[36]。然而，由于標準MIPv6的切換過程與位置更新過程之間具有耦合關系[37]，即每次切換都需要更新CoA，進行綁定更新，增加了切換時延[5](增加的時延大約是MN與CN之間通信時延的1.5倍)。而且綁定更新過程中MN與CN之間不能通信，導致標準MIPv6產生了較高的切換時延和丟包，其性能與未來LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的要求相比還有差距。因此提出了FMIPv6、HMIPv6、MCoA等擴展協(xié)議。

FMIPv6采用了快速切換技術，利用了底層的功能，提前檢測到MN下一個要接入的網(wǎng)絡接入點，并向網(wǎng)絡接入點預先注冊以降低切換過程的時延和丟包。

HMIPv6引入了代理分層機制，在網(wǎng)絡中加入移動錨節(jié)點(Mobility Anchor Point, MAP)，MAP將網(wǎng)絡分成了若干區(qū)域，在其管理的區(qū)域內，MN的綁定更新由其負責處理，功能類似于HA，從而減少了綁定更新的時間，降低了切換過程中的丟包。

MCoA規(guī)定MN在切換過程中獲得新CoA的同時舊CoA依然可用，實現(xiàn)MN的無縫切換，降低了切換時延、丟包等，但犧牲了網(wǎng)絡資源的利用率。

FMIPv6、HMIPv6等擴展協(xié)議應用于LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡移動性管理可以有效地降低切換時延和丟包[38]，表明分層機制和快速切換技術可以提高移動性管理協(xié)議的性能。但是，MIPv6、FMIPv6、HMIPv6等基于主機的移動性管理協(xié)議要求MN必須支持相關協(xié)議，切換過程中MN與接入路由器(Access Router, AR)之間要進行信令交互，這對于星地往返時延較大的LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡來說，網(wǎng)絡性能會受到嚴重影響，比如切換時延較長、丟包率高等。

(2)基于網(wǎng)絡的移動性管理協(xié)議

IETF在2008年提出了基于網(wǎng)絡的PMIPv6，允許MN在移動性管理過程中不進行任何信令交換和處理，通過本地移動錨點(Local Mobility Anchor, LMA)和移動接入網(wǎng)關(Mobile Access Gateway, MAG)的代理功能，代替MN完成相關操作和信令傳輸。若應用于衛(wèi)星網(wǎng)絡中，可以避免星地鏈路較長的往返時延，減少MN的切換時延和丟包，提高移動性管理性能。FPMIPv6是PMIPv6的擴展協(xié)議，在PMIPv6的基礎上加入了快速切換技術。文獻[39]對比分析了基于主機的MIPv6、HMIPv6、FMIPv6與基于網(wǎng)絡的PMIPv6、FPMIPv6的切換時延、丟包和切換阻塞率3個性能指標，結果如圖3所示，圖中：Dwl為無線鏈路固有的傳輸時延；v為MN的移動速度；R為小區(qū)的覆蓋半徑；λs為平均會話到達速度；E(S)為平均會話長度；ρf為幀錯誤率?？梢钥闯觯诰W(wǎng)絡的PMIPv6和FPMIPv6的性能要優(yōu)于基于主機的MIPv6、FPMIPv6和HPMIPv6的性能。

圖3 移動性管理協(xié)議性能仿真結果[39]Fig.3 Simulation results of performance of mobility management protocols[39]

目前已有文獻對PMIPv6在衛(wèi)星網(wǎng)絡中性能進行了研究。文獻[40]將PMIPv6應用到了衛(wèi)星廣播中，為廣播終端提供移動性支持，針對有隧道和無隧道兩種情形下的移動性處理過程和信令時序進行了詳細分析，并通過仿真與現(xiàn)有的兩種支持IP的廣播協(xié)議進行比較，結果表明基于PMIPv6的衛(wèi)星廣播協(xié)議在切換時延和信令開銷上要優(yōu)于其他兩種協(xié)議，說明基于網(wǎng)絡設計的PMIPv6應用在衛(wèi)星網(wǎng)絡中可以提高衛(wèi)星網(wǎng)絡的性能。但是文中并沒有考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡的動態(tài)性和ISL，LMA也由地面網(wǎng)關實現(xiàn)，沒有充分利用下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡具有ISL和星上處理的特點。另外，在GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡中，如果把PMIPv6的LMA由地面網(wǎng)絡控制中心充當，將檢測MN移動的功能從MAG中移到了LMA中，則基于PMIPv6的移動性管理協(xié)議在信令開銷、切換時延和丟包率等方面的性能要優(yōu)于基于主機的MIPv6[41]。但是，基于網(wǎng)絡的移動性管理協(xié)議在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的性能還有待進一步的研究。

無論是基于主機的移動性管理協(xié)議還是基于網(wǎng)絡的移動性管理協(xié)議，都是采用集中式管理方法，需要HA、MAP、LMA等錨點集中處理和轉發(fā)其覆蓋范圍內的控制信令和用戶數(shù)據(jù)，由于單顆衛(wèi)星處理能力的限制，在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡中只能由地面站充當HA或MAP，這會嚴重限制LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡在全球范圍的部署和網(wǎng)絡的傳輸效率。此外，錨點也容易成為整個系統(tǒng)的單故障節(jié)點，一旦發(fā)生故障，會對整個網(wǎng)絡造成影響。這些缺點限制了IPv6移動性管理協(xié)議在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的應用。

2.3傳輸層移動性管理技術

與網(wǎng)絡層的移動性管理技術不同，傳輸層的移動性管理技術是對基于端到端的鏈路進行管理，不用考慮IP地址的變化問題，移動性管理只需確保在MN移動過程中端到端的鏈路不中斷。傳輸層主要有mSCTP、MSOCKS、TCP-Migrate、SIGMA等協(xié)議，SIGMA是比較完整的結構之一，支持MN與CN直接路由。

SIGMA也叫TraSH(Transport layer Seamless Handover scheme)協(xié)議[42]，利用了流控制傳輸協(xié)議(Stream Control Transmission Protocol, SCTP)的多家鄉(xiāng)(Multi-Homing)特點，終端可以使用多個IP地址同時通信，實現(xiàn)軟切換。切換過程中，CN從IP地址列表中刪掉MN的舊IP地址之前，CN與MN之間仍可以使用舊IP進行數(shù)據(jù)傳輸與信令交換，其切換過程如圖4所示，當MN進入兩顆衛(wèi)星的重疊覆蓋區(qū)域時，MN從nSAT中創(chuàng)建新IP地址，并通知CN新IP地址，此時MN與CN之間依然通過舊IP地址進行通信。當MN深入nSAT覆蓋區(qū)域后，通知CN將新IP地址作為主地址并進行通信，同時向位置管理器(Location Management, LM)發(fā)送位置更新，對MN進行位置管理。當MN離開pSAT的覆蓋區(qū)后，通知CN刪除MN的舊IP地址。

SIGMA在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中具有較低的切換時延和很低的切換丟包率[43-44]，表明SIGMA的軟切換特性可以有效地提高移動性管理的性能。另外，引入預測機制，利用衛(wèi)星軌道信息和MN位置信息提前檢測下一個新接入衛(wèi)星，可以進一步降低SIGMA的切換時延和丟包率[45]。

但是，SIGMA具有較高的管理開銷，其安全性和魯棒性沒有得到解決[46]。而且，SIGMA的切換時延和丟包率會隨著MN移動速度增加而下降，另外地面與衛(wèi)星之間通信的長時延也會影響其性能。

圖4 SIGMA切換過程Fig.4 Handover process in SIGMA

除了上述協(xié)議外，文獻[47]提出了LEO衛(wèi)星無縫切換管理協(xié)議(Seamless Handover management scheme for LEO satellites,SeaHO-LEO)，利用衛(wèi)星緩存器和ISL，優(yōu)化了系統(tǒng)吞吐量、切換時延、阻塞率等性能，信令時序如圖5所示。但是SeaHO-LEO在切換過程中占用了兩個IP地址和兩顆衛(wèi)星的無線資源，還要求衛(wèi)星具有緩存功能，增加了系統(tǒng)成本。另外，MN參與了切換過程，星地鏈路的往返時延增加了切換時延。此外，文獻[47]還提出了一種基于MN和衛(wèi)星移動軌跡的切換策略，該策略假設MN和衛(wèi)星運動軌跡全是已知的，根據(jù)軌跡信息計算出切換時刻與對應的衛(wèi)星，MN與衛(wèi)星利用計算結果在切換時刻進行切換。該策略不產生位置更新操作(軌跡已知)和切換時延(根據(jù)切換時刻自發(fā)進行切換)，但需要整個網(wǎng)絡具有嚴格的時鐘同步和MN精確的運動軌跡，否則會造成較高丟包率，具有明顯的局限性，也增加了系統(tǒng)的復雜性。

傳輸層的移動性管理技術是對基于端到端的鏈路進行管理，隨著用戶數(shù)增多，端到端鏈路數(shù)量也會增加，系統(tǒng)的移動性管理開銷必然也會增大。傳輸層基于SCTP協(xié)議的SIGMA是比較完善的協(xié)議，利用多IP地址、多家鄉(xiāng)的特點，實現(xiàn)移動性支持。雖然SIGMA在切換時延、丟包率等性能指標上表現(xiàn)良好，但其需要MN支持多IP地址、多鏈路同時通信，犧牲了無線資源利用率，增加了網(wǎng)絡的阻塞率，降低了整個網(wǎng)絡的傳輸效率。因此，SIGMA在網(wǎng)絡資源有限的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡中的應用還待進一步的研究。

2.4位置管理技術

由于LEO衛(wèi)星高速運動，MN與衛(wèi)星之間頻繁地切換，使MN產生大量的位置更新，導致位置管理將占用大量的網(wǎng)絡資源。

通過引入分層位置管理機制，降低MN全局位置更新的頻率，可以減少位置更新占用的網(wǎng)絡資源。IETF組織提出的HMIPv6利用分層機制，通過MAP代理HA對MN的局部位置變化進行更新，降低了位置管理開銷。在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡中加入分層位置管理機制后，位置管理開銷明顯小于MIPv6和SIGMA[48]，說明分層位置管理機制降低了位置管理開銷。分層位置管理機制在一定程度上降低了全局位置更新的頻率，但位置管理開銷依然很大，而且LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡沒有明顯的分層結構，不利于分層位置管理機制發(fā)揮自身優(yōu)勢。

在MIP中加入尋呼機制也可以降低位置管理的開銷。尋呼擴展移動IP(Paging extension for Mobile IP, P-MIP)協(xié)議[49]在基本MIP中引入尋呼機制，為MN設定了兩種狀態(tài)，即活動狀態(tài)和空閑狀態(tài)。如果MN處于活動狀態(tài)，則MN按照MIP的方法進行位置管理，當MN為空閑狀態(tài)時，用P-MIP進行位置管理。P-MIP將網(wǎng)絡劃分為若干個尋呼區(qū)，在尋呼區(qū)內移動時，MN不需要向網(wǎng)絡更新位置，只有跨越不同的尋呼區(qū)時才會進行位置更新，有效地降低了位置管理開銷。另外，根據(jù)P-MIP，當MN有新呼叫時，網(wǎng)絡發(fā)起尋呼操作，向MN所在的尋呼區(qū)內廣播尋呼信令，MN收到尋呼信令后向網(wǎng)絡發(fā)起連接請求并接受新的呼叫。

在具有尋呼機制的位置管理技術中，尋呼區(qū)的劃分對網(wǎng)絡的位置管理開銷和尋呼信令開銷至關重要。傳統(tǒng)劃分方法主要有[13,50-51]：1)基于衛(wèi)星覆蓋范圍劃分；2)基于地面控制站覆蓋范圍劃分；3)綜合考慮衛(wèi)星和地面控制站覆蓋范圍劃分。其中，如果綜合考慮衛(wèi)星和地面控制站的覆蓋范圍，只有當MN同時離開當前網(wǎng)關和衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域時，才進行位置更新，可以降低高速用戶和在尋呼區(qū)邊界往復運動用戶的位置更新次數(shù)，從而降低位置管理開銷[48]。

傳統(tǒng)方法通過對尋呼區(qū)進行合理的劃分，一定程度上降低了位置管理的開銷，但仍然沒有根本解決LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中MN與衛(wèi)星之間因頻繁切換而導致的大量的位置更新問題。文獻[52]提出了一種切換獨立的位置管理策略，該策略按照地理位置區(qū)域劃分尋呼區(qū)，與衛(wèi)星和地面控制站的覆蓋區(qū)域無關，取代了傳統(tǒng)的按照網(wǎng)絡邏輯區(qū)域進行尋呼區(qū)設計的方法，解決了由頻繁切換帶來的大量位置更新的問題。不過，切換獨立的位置管理策略如何對MN發(fā)起尋呼操作仍需要更多的研究。

分層位置管理機制的管理開銷依然很大，MAP在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中如何部署的問題也沒有得到解決。尋呼機制在降低了位置管理開銷的同時，增加了尋呼操作，減緩了MN響應新呼叫的速度。另外，如何對尋呼區(qū)進行合理的規(guī)劃以及各種劃分方法的有效性如何還有待進一步研究。

3 發(fā)展趨勢

移動性管理技術作為LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的關鍵技術，還存在以下幾個方面值得深入研究。

3.1 拓撲結構高動態(tài)變化網(wǎng)絡的移動性管理

現(xiàn)有移動性管理技術主要關注MN與網(wǎng)絡接入點、錨點之間的交互，忽略了移動性管理與網(wǎng)絡結構之間的相互關系及影響，少有考慮LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡拓撲結構動態(tài)變化的特點。LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡各節(jié)點通過ISLs相互連接，形成網(wǎng)絡。值得注意的是ISLs通常存在較大數(shù)量的非固定鏈路，它的通斷受到諸多因素的影響，如星座類型、星間鏈路接入策略、衛(wèi)星之間的相對位置等。LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡拓撲結構隨著ISLs變化而變化，具有動態(tài)性，但變化過程存在可預見性和周期性[53-54]。

LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的拓撲結構的動態(tài)性及其對移動性管理性能的影響都不可避免，所以LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡移動性管理的研究必須考慮網(wǎng)絡拓撲結構的動態(tài)性，并且應該著力解決如下兩個問題：

1)對比分析目前已有的移動性管理協(xié)議在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的性能，了解動態(tài)變化的網(wǎng)絡結構如何影響移動性管理性能。

2)如何利用動態(tài)拓撲結構的可預見性和周期性降低其對移動性管理性能的影響，提高LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡移動性管理的性能。

3.2 基于網(wǎng)絡的移動性管理

與基于主機的移動性管理相比，基于網(wǎng)絡的移動性管理主要有以下特點[13,39,55]：

1)減少了終端與網(wǎng)絡接入點之間的信令交互，降低了無線鏈路對移動性管理性能的影響；

2)利用基于網(wǎng)絡的思想，優(yōu)化移動性管理協(xié)議的工作流程，降低鏈路的通信開銷；

3)不需要對現(xiàn)有終端進行升級，降低了部署成本；

4)通過LMA和MAG的代理功能，所有的移動性管理的信令由網(wǎng)絡側負責控制，增強了網(wǎng)絡管理的靈活性以及運營商對網(wǎng)絡的控制和管理。

但是，基于網(wǎng)絡的移動性管理協(xié)議需要一個錨點(即LMA)同時完成控制信令的處理和用戶數(shù)據(jù)的轉發(fā)，由于網(wǎng)絡結構和衛(wèi)星處理性能的限制，在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中如何合理地部署LMA仍需要進一步的研究。

3.3 分布式移動性管理

目前LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理都是集中式的，存在單點失效、性能瓶頸、次優(yōu)路由、可擴展性差、長時延、多信令負載等問題。

IETF于2013年提出的分布式移動性管理(Distributed Mobility Management, DMM)，以分布式轉發(fā)的方式分散數(shù)據(jù)流量，減輕移動錨點的負擔，提高系統(tǒng)的傳輸效率[56-57]。對于具有分布式網(wǎng)絡結構的LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡來說，若能采用DMM進行移動性管理，不僅可以降低對單顆衛(wèi)星性能的要求，還可以提高移動性管理的效率。

但是，將DMM直接應用在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中會面臨一些問題，如動態(tài)變化的網(wǎng)絡拓撲結構、分布不均勻的流量、用戶移動模型的變化以及管理開銷的增多等，DMM必須針對這些問題進行優(yōu)化。

3.4 跨層優(yōu)化的移動性管理

在傳統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧中，各協(xié)議層之間獨立設計和運行，影響了移動性管理協(xié)議的性能和自適應能力?？鐚觾?yōu)化為移動性管理的發(fā)展提供了一種新模式。

跨層優(yōu)化通過對5個主要協(xié)議層(應用層、傳輸層、網(wǎng)絡層、鏈路層和物理層)之間采用新型的交互機制，實現(xiàn)對各網(wǎng)絡層次的聯(lián)合優(yōu)化，提高移動性管理協(xié)議的性能。例如利用主機標識協(xié)議(Host Identity Protocol, HIP)對會話初始協(xié)議(Session Initiation Protocol, SIP)進行跨層優(yōu)化，使IP地址的身份標識功能與位置標識功能分離，降低了切換時延、丟包、阻塞率等[58]。

但隨著優(yōu)化參數(shù)和涉及協(xié)議層數(shù)的增加，跨層優(yōu)化方法將變得相當復雜，對網(wǎng)絡和終端性能的要求也會更高。而且，跨層優(yōu)化需要對網(wǎng)絡的協(xié)議棧進行修改，增加了部署成本。因此，跨層優(yōu)化的移動性管理在LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中的應用還需更多的研究。

4 結束語

本文分析了LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡移動性管理問題的特殊性，從鏈路層、網(wǎng)絡層和傳輸層3個協(xié)議層次對現(xiàn)有的移動性管理技術進行了綜述。鏈路層移動性管理技術在電信網(wǎng)中比較成熟，功能強大，但是與底層技術、物理傳輸介質等因素相關，不具備統(tǒng)一的技術標準。網(wǎng)絡層和傳輸層的移動性管理技術均具有與底層技術無關以及對上層協(xié)議和應用透明的特點，可以建立統(tǒng)一的技術標準，解決各種網(wǎng)絡結構中的移動性管理問題，但是現(xiàn)有的移動性管理協(xié)議還存在一些問題。通過研究LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡中基于網(wǎng)絡的移動性管理、分布式移動性管理等技術，結合LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡結構的動態(tài)特性，可以提高系統(tǒng)的移動性管理性能。

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(編輯：車曉玲、范真真)

Mobility management in LEO satellite communication networks

HE Dajian, YOU Peng*, YONG Shaowei

InstituteofElectronicScienceandEngineering,NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China

In recent years, low Earth orbit (LEO) satellite communication networks attract a lot of researchers' attention for its global coverage, short propagation delay, low-power links and great invulnerability performance，etc. It will be an important part of the future global mobile communication systems. Mobility management is a key technology for enabling service in LEO satellite communication networks.The characteristics, research status and problems of mobility management were analyzed. Firstly, a brief classification of mobility management of LEO satellite communications networks was provided and characteristics distinguished from terrestrial mobility wireless networks were analyzed based on the architecture and features of LEO satellite communication networks. Then the state-of-the-art mobility management schemes in LEO satellite communication networks were summarized from link layer, network layer and transport layer. A detailed description of the application of MIPv6 and SIGMA in LEO satellite environment was given. Finally,some trends of mobility management of LEO satellite communications networks was pointed out.

satellite network; low earth orbit (LEO) satellite; mobility management; mobile IP (MIP); Seamless IP-diversity based Generalized Mobility Architecture(SIGMA)

10.16708/j.cnki.1000-758X.2016.0034

2015-12-10；

2016-01-14；錄用日期：2016-05-11；

時間：2016-06-20 13:41:35

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20160620.1341.002.html

國家安全重大基礎研究(973)

賀達健(1992-)，男，碩士研究生，dajian.he@gmail.com

*通訊作者：游鵬(1983-)，男，講師，ysw_nudt@vip.126.com，主要研究方向為衛(wèi)星網(wǎng)絡和雷達探測

賀達健, 游鵬, 雍少為.LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡的移動性管理[J]. 中國空間科學技術, 2016, 36(3)：1-14.HEDJ,YOUP,YONGSW.MobilitymanagementinLEOsatellitecommunicationnetworks[J].ChineseSpaceScienceandTechnology, 2016, 36(3)： 1-14(inChinese).

V1；TN927

A

http:∥zgkj.cast.cn