星座卫星通信系统应用蜂窝IP技术的研究

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        移动通信与Internet技术的融合催生了移动IP技术的产生。移动IP技术主要解决通信终端或节点移动接入因特网的问题。

        自其出现以来,就得到了迅速发展,并且引起了人们的普遍关注,目前已经成为下一代基于全IP的移动通信网的主要技术。卫星通信系统作为下一代移动通信网络的一部分,其采用IP技术与地面网络的互连互通是大势所趋,同时由于卫星系统天然的用户移动性特点,应用移动IP技术也将是未来系统的重要选项。然而,在卫星通信系统中,由于卫星一直处于高速运动状态,其服务覆盖区也一直处于变化当中,因此,即使用户处于静止状态也面临着频繁的与卫星的切换。基于上述原因,如果在系统中直接使用移动IP协议则必然存在由于切换而带来的频繁的路由更新,从而导致路由信息占用大量系统带宽资源,同时也加大了对卫星星上处理能力的要求。此外,移动IP的三角路由缺陷还可能导致系统时延的进一步增加和信令开销的进一步加大。因此,对移动IP协议进行适当修改,增加对用户微观移动性的考虑,如在系统中引入微移动IP技术,可以更好地适应卫星系统特点。本文将讨论把移动IP的扩展技术——蜂窝IP应用到无星际链路星座卫星通信系统的可行性以及相关性能分析。

  1 蜂窝IP技术简介

  蜂窝IP(Cellular IP)是微移动IP协议的一种,他支持寻呼、被动连接和快速切换等业务。该协议将整个网络划分成若干个蜂窝,每个蜂窝含有数个基站但只存在一个网关。当用户在一个蜂窝内移动时,尽管他有可能在多个基站间切换,但只要他不移动到另一个蜂窝中,就不需要向家代理(HA)发送注册信息。在Cellular网络中,基站周期性的发射信标信号,移动主机利用这些信标信号来确定最近的基站。移动用户发出的所有分组,不根据目的IP地址进行选路,而是从基站向网关以逐跳方式沿最短路径转发。移动主机的上行分组触发和更新着的多个映射构成一个链,该链实际上构成了用于转发下行分组的反向路径。当移动主机发生移动时,映射构成的链路通过更新映射关系来指向新的位置。

  Cellular IP支持寻呼业务。当移动主机处于活动状态时,网络必须逐个基站跟踪其位置,以保证分组可以传送到移动主机。因此,移动主机必须在每次切换后马上通知网络其新的位置,网络必须保证其对移动主机的精确位置跟踪。然而在现实中,相当多的用户在相当长的时间内是处于不工作状态的,如果采用对活动用户的跟踪方式,将势必占用大量网络资源,为此,蜂窝IP引入了寻呼功能。其核心构造是在蜂窝节点引入两套缓存机制即路由缓存和寻呼缓存,对活动主机使用路由缓存,对空闲主机使用寻呼缓存。系统将网络划分成不同的寻呼区域,每个寻呼区域由相当数量的相邻的小区组成(认为每个小区有一个基站),并且有惟一的标识。基站在周期性的发送的信标信号中加入寻呼区域的标识,以使移动主机能够确定自己移动到哪个寻呼区域。Cellular IP网络允许空闲主机在一个寻呼区域内移动时,并不需要在每个小区的边界发送位置更新包。移动用户只需要在移动到不同寻呼区时或者是在寻呼更新时刻到达时发送更新包。

  处于空闲状态的移动用户发送分组数据的过程与处于活动状态的用户基本相同,分组沿最短路径以逐跳方式路由到网关,以此触发或更新映射链,同时该链也作为转发下行分组的反向路径。

  移动主机接收突发分组数据的过程稍显复杂。当IP包到达一个蜂窝网络节点,首先查寻该节点的路由缓存是否可用,如可用则向下转发,一旦发现该节点不存在移动用户的路由信息或者路由信息已经过时不可用,则使用寻呼缓存来路由该包。由于寻呼缓存并不在每一个网络节点上都存在,如果该节点无寻呼缓存,则将该数据包转发给所有的下行邻居。如果数据包到达的节点的寻呼缓存中没有到达目地节点的映射,则将该包丢弃。

  2 应用蜂窝IP技术的卫星通信系统网络结构

  蜂窝IP技术在星座卫星通信系统中有天然的适应性。星座系统由数个卫星对地面进行不间断覆盖,每颗卫星的覆盖区即可以理解为一个蜂窝区域,整个地球即被分成数个蜂窝域。然而,若以一个卫星覆盖区作为一个蜂窝,由于卫星的运动,其地面覆盖区也一直处于运动之中,此时必然引起频繁的切换和较大的路由信令开销。又由于在不存在星际链路的卫星系统中,任何用户间(包括网内网外)的通信都需要地面信关站的转发,因此,设定以一个地面信关站的实时覆盖区作为一个蜂窝。地面信关站的实时覆盖区即为在满足最小仰角的情况下,该区域的任何点在任何时刻都与该信关站至少共视一颗卫星。图1仿真了最小仰角30°时北京信关站(经度116.5°,纬度39.9°,图中黑色五角星处)的实时覆盖区,图2在图1的基础上增加了乌鲁木齐信关站(经度87.5°,纬度43.9°)的实时覆盖区。仿真使用的空间段为类Globalstar星座,共有48颗星分成8个轨道,每轨道6颗星呈Walker星座分布。为便于地面站观测,将轨道高度设为1 414 km(周期为113 min,此时为回归轨道)。同时为简化卫星星体结构,卫星无星际链路,只是单纯的转发信号,为弯管式转发器。

  由图2可知,在不同仰角的情况下,只要适当设置关口站并通过地面网使各个关口站互连,就可实现全球的无缝覆盖。在该系统中,以信关站实时覆盖区作为一个蜂窝,同时将信关站作为该蜂窝域的网关,他负责为整个域内的移动用户提供登记、注册、位置管理和资费管理等服务。信关站也作为该区域内的家代理(HA)或者外地代理(FA),用户在本区域内移动时,即使在多颗卫星间切换,也不需要向家代理(HA)登记,而一旦漫游到另一个信关站覆盖区,则用户通过卫星将注册信息发送到外区信关站(此时作为FA),外区信关站然后通过地面网络向该用户的家代理(HA)登记。根据Cellular IP分布式数据库原理,系统各信关站分别存储该域内的用户位置信息,并且要求其存在路由和寻呼两套缓存机制。

 

  在该系统中,卫星只是发挥类似地面网基站的功能,他负责为覆盖区内的用户提供无线接入服务。为了减少系统信令开销,卫星虽然不具备星上处理能力,但仍然要求其带有一定的缓存机制,即要求其存在路由缓存而不需要存在寻呼缓存。

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自其出现以来,就得到了迅速发展,并且引起了人们的普遍关注,目前已经成为下一代基于全IP的移动通信网的主要技术。卫星通信系统作为下一代移动通信网络的一部分,其采用IP技术与地面网络的互连互通是大势所趋,同时由于卫星系统天然的用户移动性特点,应用移动IP技术也将是未来系统的重要选项。然而,在卫星通信系统中,由于卫星一直处于高速运动状态,其服务覆盖区也一直处于变化当中,因此,即使用户处于静止状态也面临着频繁的与卫星的切换。基于上述原因,如果在系统中直接使用移动IP协议则必然存在由于切换而带来的频繁的路由更新,从