基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

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(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100083)

基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

房皓，孫劍偉，田露

(華北計(jì)算技術(shù)研究所，北京100083)

TDMA(時(shí)分多址)體制的導(dǎo)航星間網(wǎng)絡(luò)既可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航測(cè)距，也具備較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，具有較為廣泛的業(yè)務(wù)適應(yīng)能力；然而，TDMA體制的星間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也存在著星上處理復(fù)雜與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處理能力低的矛盾;借鑒SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制層面與數(shù)據(jù)層面相分離的思想，在TDMA體制的星間網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將控制功能從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)抽離出來，使其可以專注于星間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，控制管理信息主要由衛(wèi)星地面站(后續(xù)為高軌道衛(wèi)星)扮演的SDN控制節(jié)點(diǎn)制定并分發(fā)，從而簡(jiǎn)化了衛(wèi)星的業(yè)務(wù)負(fù)擔(dān)，同時(shí)可以借鑒成熟的地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)制定高效的控管策略;對(duì)所設(shè)計(jì)架構(gòu)的主要的控管流程進(jìn)行了仿真模擬，仿真結(jié)果表明，該架構(gòu)具有一定的可行性。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)；時(shí)分多址；星間網(wǎng)絡(luò)

0 引言

近年來，隨著應(yīng)用需求的逐步加深，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為各個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)資源，尤其是在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用催生了“導(dǎo)航戰(zhàn)”的概念，對(duì)系統(tǒng)的可靠性、頑存性提出了新的要求[1-2]。星間鏈路具有信息交互便捷、作用范圍廣等特點(diǎn)，利用星間鏈路技術(shù)，可以改善導(dǎo)航系統(tǒng)的定位測(cè)距精度，可以提高導(dǎo)航衛(wèi)星星歷更新頻度。依拖星間鏈路技術(shù)，在空間建立衛(wèi)星測(cè)控網(wǎng)絡(luò)是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)[3]。

然而，由于衛(wèi)星在空間的高速運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷更新，傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)路由規(guī)劃技術(shù)無法適用[4-6]；同時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)相比其他衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)除了要提供衛(wèi)星間通信的功能外，還要承擔(dān)導(dǎo)航測(cè)距的任務(wù)，增加了導(dǎo)航系統(tǒng)建鏈方案的復(fù)雜性；另外，由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)內(nèi)存較小，單顆衛(wèi)星業(yè)務(wù)處理能力偏低，往往需要多顆衛(wèi)星聯(lián)合處理某個(gè)星上業(yè)務(wù)[7]，但目前尚缺乏高效的規(guī)劃調(diào)度策略使得多顆衛(wèi)星靈活地協(xié)同作業(yè)。這些都為導(dǎo)航系統(tǒng)在空間組網(wǎng)提出了更高的要求。

在導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中引入TDMA信道接入機(jī)制可以較好地適應(yīng)其在組網(wǎng)及運(yùn)行過程中面臨的挑戰(zhàn)[8]。每個(gè)TDMA時(shí)間幀里認(rèn)為導(dǎo)航星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定不變，衛(wèi)星在TDMA時(shí)間幀的每個(gè)時(shí)隙可以與不同的其他衛(wèi)星建鏈，根據(jù)鏈路狀態(tài)及衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的可預(yù)測(cè)性，對(duì)每個(gè)時(shí)隙衛(wèi)星的建鏈狀況進(jìn)行合理的規(guī)劃，可以使導(dǎo)航衛(wèi)星在一個(gè)TDMA時(shí)間幀的時(shí)間段內(nèi)建立較多的星間鏈路，滿足導(dǎo)航測(cè)量的需求。美國(guó)的GPS(全球定位系統(tǒng))就是采用了TDMA體制的組網(wǎng)模式，其作為典型的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為其他系統(tǒng)提供了借鑒[9-12]。

TDMA機(jī)制為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)組網(wǎng)過程中面臨的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化、兼顧通信和測(cè)距兩方面需求等挑戰(zhàn)提出了解決方案，但其仍存在著需要頻繁計(jì)算時(shí)隙表、路由表與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處理能力低的矛盾[13-14]，SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))技術(shù)則為克服這種缺陷提供了方向。SDN的主要思想是將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的控制層面和數(shù)據(jù)層面進(jìn)行分離，控制層面負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中化的控制與部署，數(shù)據(jù)層面僅完成簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和硬件配置功能[15-16]。將SDN技術(shù)引進(jìn)到TDMA體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，可以將控制功能從底層設(shè)備中抽離出來，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，大大降低導(dǎo)航衛(wèi)星的任務(wù)負(fù)擔(dān)。例如一個(gè)具有n顆衛(wèi)星的星型網(wǎng)絡(luò)，在路由規(guī)劃過程中，由衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)各自收集網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)信息，所需要收發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量為O(n2)級(jí)別；依照SDN的思想，由控制層面收集網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行信息，制定全網(wǎng)時(shí)隙規(guī)劃、路由策略，然后分發(fā)給底層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，通信的數(shù)據(jù)量為O(n)級(jí)別。

本文利用SDN技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制層面與數(shù)據(jù)層面相分離的特性，針對(duì)當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)面臨的問題，設(shè)計(jì)了基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。同時(shí)，對(duì)該架構(gòu)下控制層面控制數(shù)據(jù)層面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備流表整網(wǎng)更新的過程進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的可行性。

1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

SDN是一種新型的控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[17]。其采用分層的思想，將控制功能從底層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中抽離出來并遷移到可控的計(jì)算機(jī)設(shè)備中，使得網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)備可被上層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)所抽象。網(wǎng)絡(luò)管理者可以通過僅僅操作上層的SDN應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)底層資源的部署和調(diào)度，從而以靈活可控的模式達(dá)到軟件定義網(wǎng)絡(luò)的目的。

典型的SDN架構(gòu)分為3個(gè)層面，如圖1所示。最底層是基礎(chǔ)設(shè)施層，主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，負(fù)責(zé)在控制層的控制下建立數(shù)據(jù)通路，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。中間是控制層，是SDN架構(gòu)的核心部分，一方面，控制層通過其與基礎(chǔ)設(shè)施層的接口(南向接口)收集底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的信息，掌控全網(wǎng)的狀態(tài)，并對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施層下發(fā)控制策略；另一方面，控制層為上層應(yīng)用層提供可擴(kuò)展、可編程的接口(北向接口)。最上層是應(yīng)用層，包括各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用，根據(jù)不同的需求，調(diào)用北向接口實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。

圖1 SDN架構(gòu)

SDN這種三層的架構(gòu)模式，使得網(wǎng)絡(luò)維護(hù)僅需要通過對(duì)軟件更新來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的升級(jí)，降低了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的成本和難度[18]。同時(shí)，由于將控制功能完全從底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中抽離，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以只專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的功能，簡(jiǎn)化了其設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，降低了構(gòu)網(wǎng)的成本。從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)方面來看，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只能收集局部區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)信息，生成的路由策略勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的局限性，而SDN架構(gòu)中控制層面可以掌握整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況，進(jìn)而可以在全網(wǎng)的層面上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)路由，使得全網(wǎng)設(shè)備利用率以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率得以提高。

OpenFlow協(xié)議是首個(gè)將SDN南向接口標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議。其具體實(shí)現(xiàn)了SDN控制與轉(zhuǎn)發(fā)相分離的思想，將控制功能從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中分離出來，并規(guī)定了控制層與基礎(chǔ)設(shè)施層之間交互所用的信息格式、類型以及接口運(yùn)行等所需遵循的規(guī)則，包括基礎(chǔ)設(shè)施層所需遵循的接入?yún)f(xié)議和路由協(xié)議等。OpenFlow交換機(jī)的處理單元由流表構(gòu)成，其借助流表機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)包在底層設(shè)備間的轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則[19]。本文設(shè)計(jì)的基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就是采用OpenFlow協(xié)議作為控制層面與數(shù)據(jù)層面的接口。

2 基于SDN的TDMA體制衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.1 基于SDN的TDMA體制衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對(duì)前述TDMA體制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在組網(wǎng)及運(yùn)行過程中面臨的星上處理復(fù)雜而衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處理能力較低的問題，本文引入基于OpenFlow協(xié)議的SDN技術(shù)，依據(jù)其將控制層面與數(shù)據(jù)層面相分離的思想，設(shè)計(jì)了基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，將控制功能從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)抽離出來以降低其任務(wù)處理負(fù)擔(dān)。該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2所示,對(duì)照典型的SDN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也采用3層的架構(gòu)模型，包含應(yīng)用層面、控制層面和數(shù)據(jù)層面3個(gè)層面，下面對(duì)該架構(gòu)的每個(gè)層面的組成和功能進(jìn)行介紹。

圖2 基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1)位于左側(cè)的是該星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的應(yīng)用層面，可以選擇部署在地面上或者某個(gè)空間站，由星間網(wǎng)絡(luò)的各種空間應(yīng)用組成。應(yīng)用層面通過調(diào)用與控制層面的北向接口靈活地實(shí)現(xiàn)各種空間應(yīng)用需求。

2)本文所設(shè)計(jì)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制層面由若干個(gè)部署在地面上的地面站聯(lián)合組成，負(fù)責(zé)以全局視圖對(duì)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)數(shù)據(jù)層面進(jìn)行控制和管理。控制層面對(duì)多個(gè)地面站控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行扁平式的部署，每個(gè)控制節(jié)點(diǎn)具有相同的功能定位?？刂茖用嫱ㄟ^南向接口按照OpenFlow協(xié)議規(guī)定的格式與數(shù)據(jù)層面進(jìn)行控管信息的交互，達(dá)到控制與轉(zhuǎn)發(fā)相分離的目的。選擇由地面站組成該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制層面，主要有以下幾個(gè)原因：

1)控制層面由地面站組成，借助于成熟的地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，一方面可以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)數(shù)據(jù)層面多控制器協(xié)調(diào)的業(yè)務(wù)處理能力，制定高效的控制層面控管策略，提高該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)數(shù)據(jù)層面衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率；另一方面，可以靈活地設(shè)計(jì)控制層面與應(yīng)用層面的北向接口，簡(jiǎn)化應(yīng)用層面軟件的復(fù)雜度，同時(shí)在突發(fā)情況發(fā)生時(shí)，可以將控制層面的控制管理權(quán)限交由同在地面站的應(yīng)用層面負(fù)責(zé)，由應(yīng)用層面對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行人為的控管。

2)有的學(xué)者也提出用高軌道的GEO/IGSO衛(wèi)星扮演控制層面控制器的角色，因?yàn)閺母采w面積來講，位于高軌道的GEO/IGSO衛(wèi)星要優(yōu)于地面站。但是受制于當(dāng)前星上處理能力有限，將空間的高軌道衛(wèi)星選定為控制器在實(shí)現(xiàn)上具有較大的難度，同時(shí)，由于衛(wèi)星在空間的高速運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星間鏈路的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)傳輸速率都有待提高，不利于控制層面多控制器節(jié)點(diǎn)之間的信息交換。而地面的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和地面站的硬件設(shè)施則較為成熟，具備組建控制層面的條件，所以，選擇在地面構(gòu)建該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控制層面。隨著空間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的逐漸發(fā)展，未來可以將高軌道衛(wèi)星逐步加入到控制層面中來，實(shí)現(xiàn)地基、天基聯(lián)合控管。以體系工程研究的思想來看，本文提出的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是最終基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)的起步架構(gòu)，該架構(gòu)會(huì)以一個(gè)科學(xué)的、迭代的、不斷演化進(jìn)步的過程逐漸完善。

3)該架構(gòu)的數(shù)據(jù)層面則由空間眾多的中低軌道衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)組成，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)。中低軌道的MEO/LEO衛(wèi)星距離地球較近且數(shù)量較多，衛(wèi)星軌道較為穩(wěn)定，適合做轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)層面的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過南向接口向控制層面報(bào)告設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息，同時(shí)接收控制層面下發(fā)的控管信息，按照一定的規(guī)則對(duì)本地流表進(jìn)行更新。導(dǎo)航衛(wèi)星業(yè)務(wù)處理較為復(fù)雜，要兼顧通信和測(cè)距兩個(gè)方面的需求，基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將邏輯功能從衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)中分離出來，大大減輕了星上的任務(wù)處理負(fù)擔(dān)，降低衛(wèi)星設(shè)計(jì)的復(fù)雜度；同時(shí)控制層面收集全網(wǎng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行信息，可以使其以全局視圖對(duì)數(shù)據(jù)層面進(jìn)行一體化的管控，提高底層數(shù)據(jù)傳輸效率。

2.2 控制管理流程

在本文設(shè)計(jì)的基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案中，應(yīng)用層面調(diào)用與控制層面的北向接口，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航系統(tǒng)的各種需求；控制層面作為系統(tǒng)的控制管理中心，向上為應(yīng)用層提供可編程、可擴(kuò)展的北向接口，收集各種應(yīng)用需求，向下通過南向接口對(duì)數(shù)據(jù)層的網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行監(jiān)視，同時(shí)按照一定的策略生成網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃信息和路由策略，以既定的格式下發(fā)至數(shù)據(jù)層面對(duì)其進(jìn)行控管和監(jiān)視；數(shù)據(jù)層面則通過南向接口接收控制層面下發(fā)的控制指令更新本地流表并按照其進(jìn)行衛(wèi)星之間的建鏈和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)上報(bào)底層基礎(chǔ)設(shè)施信息。

TDMA體制的衛(wèi)星導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和路由策略分別以時(shí)隙表和路由表的形式體現(xiàn)。時(shí)隙表對(duì)應(yīng)一個(gè)TDMA時(shí)間幀，由固定數(shù)量的時(shí)隙組成。在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，導(dǎo)航衛(wèi)星可以與另一顆衛(wèi)星建鏈進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和測(cè)距，在一個(gè)時(shí)隙表內(nèi)，衛(wèi)星可以與多顆衛(wèi)星輪詢進(jìn)行建鏈。時(shí)隙表每隔一段時(shí)間會(huì)更新一次，以反映導(dǎo)航星座拓?fù)涞膭?dòng)態(tài)變化。在時(shí)隙表的基礎(chǔ)上，靈活的運(yùn)用各種路由算法，如Dijkstra算法等，生成路由表。在本文設(shè)計(jì)的基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，時(shí)隙表和路由表相互配合使用構(gòu)成了控制層面的控管信息。

控制層面可以包含多個(gè)地面站控制器，位于不同的地理位置以擴(kuò)大控制層面對(duì)空間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍，每個(gè)控制器通過南向接口對(duì)所負(fù)責(zé)的數(shù)據(jù)層面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行狀況和鏈路狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和統(tǒng)計(jì)，在收集到數(shù)據(jù)層面報(bào)告的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息后，各個(gè)控制器之間通過東西向接口進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的通信，形成網(wǎng)絡(luò)的全局視圖?？刂茖用婊谑占降木W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，利用衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性和可預(yù)測(cè)性并結(jié)合應(yīng)用層面下發(fā)的需求，制定適用于全網(wǎng)的時(shí)隙表和路由表，并與本地舊的時(shí)隙表、路由表進(jìn)行比較，選擇發(fā)生改變的表項(xiàng)下發(fā)到數(shù)據(jù)層面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中，同時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)層的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控?？刂茖用嫔蓵r(shí)隙表和路由表之后，將其按照OpenFlow協(xié)議流表的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，將衛(wèi)星號(hào)和建鏈時(shí)間、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間等信息填寫在流表項(xiàng)的匹配字段，建鏈規(guī)劃和路由策略則包含在操作集中，使控管信息以O(shè)penFlow流表的形式下發(fā)到數(shù)據(jù)層面的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不涉及控制功能而只專注于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，具有較好的兼容性，控制層面可以使用各種時(shí)隙編排算法和路由算法生成時(shí)隙表和路由表，靈活應(yīng)對(duì)各種突發(fā)情況。

數(shù)據(jù)層面的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包含若干個(gè)流表，映射著控制層面下發(fā)的時(shí)隙表和路由表。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包后，首先在本地流表中查詢與之匹配的流表項(xiàng)，若匹配成功，則按照流表項(xiàng)中時(shí)隙表和路由表規(guī)定的時(shí)間與目標(biāo)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)建鏈并將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，或執(zhí)行流表項(xiàng)中相應(yīng)的操作集；否則，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將丟棄該數(shù)據(jù)包，或者將該數(shù)據(jù)包的信息上報(bào)控制層面，由控制層面制定處理策略。

3 控管流程模擬

3.1 控管流程模擬

本文在VS2010的平臺(tái)下，以上行注入作為應(yīng)用層面的導(dǎo)航應(yīng)用需求，對(duì)所設(shè)計(jì)的基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的主要管理流程進(jìn)行了仿真。選取構(gòu)型碼為24/3/1，軌道傾角為55°，軌道高度為27 000千米的Walker星座作為試驗(yàn)導(dǎo)航星座?？刂茖用娌捎梦墨I(xiàn)[11]所提出的時(shí)隙編排算法對(duì)導(dǎo)航星座時(shí)隙表進(jìn)行編排，其主要思想是對(duì)衛(wèi)星間的鏈路進(jìn)行分類，按照境內(nèi)星鏈路、境外星鏈路、非時(shí)變鏈路、時(shí)變鏈路的順序?qū)⑿情g鏈路排進(jìn)時(shí)隙表，充分利用衛(wèi)星導(dǎo)航星座拓?fù)渥兓囊?guī)律，降低衛(wèi)星間建鏈等待時(shí)延的同時(shí)兼顧導(dǎo)航衛(wèi)星的測(cè)量需求。路由表則選取基于最小跳數(shù)的Dijkstra算法生成，降低數(shù)據(jù)包在衛(wèi)星間的中轉(zhuǎn)次數(shù)。同時(shí)，控制層面控制器節(jié)點(diǎn)要求數(shù)據(jù)層面的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到控制指令后立即更新本地流表并發(fā)送反饋信息，對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的建鏈狀況和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。在控管信息分發(fā)時(shí)，根據(jù)地面站控制器數(shù)量不同采取了兩種策略，策略一僅選擇北京站扮演控制層面唯一的控制器；策略二則將三亞站和哈爾濱站加入到控制層面中，3個(gè)地面站可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息的交互通信，保證全局視圖。在不考慮鏈路傳輸速率的情況下，控制層面控制器按照既定的時(shí)隙編排算法和路由算法生成控管信息分發(fā)到整個(gè)數(shù)據(jù)層面，并如期收集到底層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的反饋信息所需要的時(shí)間如圖3和圖4所示，圖3是對(duì)策略一模擬的結(jié)果，圖4對(duì)應(yīng)策略二的模擬。

圖3 策略一模擬結(jié)果

圖4 策略二模擬結(jié)果

3.2 模擬結(jié)果分析

從模擬的結(jié)果來看，策略一和策略二中控制層面的地面站控制節(jié)點(diǎn)均能在一定的時(shí)間內(nèi)將控管策略分發(fā)到整個(gè)數(shù)據(jù)層面并收到反饋，表明了本文設(shè)計(jì)的基于SDN的TDMA體制星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一定的可行性。同時(shí)，由圖3和圖4的比對(duì)可見策略二模擬的結(jié)果在時(shí)間上整體優(yōu)于策略一，且最長(zhǎng)反饋時(shí)間下降較為明顯。這是因?yàn)榭臻g中的衛(wèi)星一直在繞地球做高速運(yùn)動(dòng)，在某時(shí)刻并不是所有的衛(wèi)星都對(duì)某個(gè)地面站可見，所以地面站需要等待衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可見才能對(duì)其下發(fā)流表。等待衛(wèi)星的時(shí)間與系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)衛(wèi)星所處的位置以及衛(wèi)星的運(yùn)行軌道有關(guān)，對(duì)于一開始就可見的衛(wèi)星，其上注反饋時(shí)間接近于0。第二種策略增加了地面站數(shù)量、擴(kuò)大了對(duì)衛(wèi)星的覆蓋范圍所以縮短了地面站分發(fā)流表等待的時(shí)間，提高了整網(wǎng)控管信息分發(fā)的效率。

策略一和策略二模擬的均是系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)時(shí)控制層面控制器分發(fā)控管信息的情況，控管信息只能由控制器直接上注到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)備；在后續(xù)過程中，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在本地存儲(chǔ)有包含時(shí)隙表和路由表等控管信息的流表，具備一定空間范圍的覆蓋能力，控管信息可以通過星間鏈路進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，反饋時(shí)間將將不會(huì)超過一個(gè)時(shí)隙表的時(shí)長(zhǎng)，文獻(xiàn)[11]所提出的時(shí)隙編排算法中，時(shí)隙表時(shí)長(zhǎng)為72秒。

4 結(jié)束語

本文在當(dāng)前TDMA體制導(dǎo)航衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中引入SDN技術(shù)，按照控制和數(shù)據(jù)相分離的思想，設(shè)計(jì)了基于SDN的TDMA體制衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并對(duì)該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的控管流程進(jìn)行了模擬，仿真模擬的結(jié)果表明，該星間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有一定的可行性，同時(shí)，增加控制層面控制節(jié)點(diǎn)(衛(wèi)星地面站)的數(shù)量擴(kuò)大其地理覆蓋范圍可以提高該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)控管信息分發(fā)的效率。

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DesignofTDMAInter-satelliteNetworkArchitectureBasedonSDN

Fang Hao, Sun Jianwei, Tian Lu

(North China Institute of Computing Technology,Beijing 100083, China)

Navigation Inter-satellite networks based on TDMA(time division multiple access) have extensive service range, they can both achieve navigation distance measurement and provide high transmission speeds. However, there are contradictions of complex tasks in satellites and satellites have low processing capacity in Inter-satellite networks based on TDMA. The theme of SDN(software defined network) is separate network layer and data layer of network systems. This paper designed an architecture of Inter-satellite network based on TDMA based on SDN by introducing the technologies of SDN to Inter-satellite network. By separating control function from satellites,this architecture makes satellites concentrate on transmitting data to each other.Satellite ground stations(maybe high orbit satellites in future) which are the SDN controller will make control instructions and distribute them to satellites.This architecture can simplify the burden of satellites and make control instructures efficiently by using the technologies of ground network. Meanwhile, this paper made a simulation of main controlling processes of the architecture, and the result of simulation showed that this architecture had certain feasibility.

software defined network; TDMA(time division multiple access); Inter-satellite network

2017-03-30；

2017-04-25。

房 皓(1992-)，男，河北霸州人，在讀碩士研究生，主要從事星間鏈路方向的研究。

孫劍偉(1974-)，男，遼寧鐵嶺人，碩士，碩士生導(dǎo)師，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事衛(wèi)星應(yīng)用方向的研究。

1671-4598(2017)10-0209-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.053

TP393

A