星座卫星通信系统应用蜂窝IP技术的研究

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。

整个系统网络结构框图如图3所示，信关站与卫星通过星地链路相连，而信关站之间则通过地面网络互连。为了进一步减小系统信令开销，根据Cellular IP的基本原理，对活动主机要求逐个卫星连续跟踪，即一旦与卫星切换，则立即通知该信关站，因此将一个信关站实时覆盖区作为对活动主机的一个路由服务域，如图3实线所示，所有信关站间都进行路由缓存信息的交流。而对于空闲的移动用户，跟踪粒度相对较松，根据卫星通信系统特点，可以适当扩大寻呼区域，即将几个相邻信关站实时覆盖区当作一个寻呼区域，在实际操作中，可根据国界或地理区域的限制将数个信关站实时覆盖区作为一个寻呼区，并把其中一个信关站寻呼缓存当作总寻呼路由缓存，而只把其他信关站的缓存作为分寻呼缓存，如图3虚线所示，将三个信关站作为一个寻呼区域，寻呼缓存信息只在本寻呼区域内的信关站问交流，具体工作过程将在下面说明。

3 星座通信系统切换、位置管理和路由方案

3.1 切换管理

在该卫星通信系统中有三种切换发生，分别是卫星与地面信关站的切换、用户与覆盖卫星的切换、用户到不同信关站覆盖区的切换。由图1、图2可知，在最小仰角为30°时，信关站实时覆盖区区域已相当缩小，在考虑高速宽带业务时，可能需要更高的仰角，因此其覆盖区将进一步变小，进而导致移动用户(特别是对飞机等在大范围移动的用户)在不同信关站间的切换将经常发生。根据蜂窝IP的概念，这种切换实际上是在相邻蜂窝小区间进行，其切换准则只需采用与地面移动通信系统相类似的协议。对于卫星与地面站的切换，由于地面信关站往往具有很强的实时处理和运算能力，并且由于卫星星历在相当精度内具有可预测性，因此这种切换可以由地面站单向控制，具体采用何种切换准则需要和用户与卫星间的切换准则进行综合考虑。一旦切换发生后，信关站应立即让所属卫星停止发送含有以前的蜂窝区域标识及寻呼区域标识的信标信号，转而发送带有新的标识的信标信号。

任一时刻用户可能接收到属于不同信关站的多个卫星转发的信标信号，由于蜂窝IP被动连接和快速切换的要求，用户首先要甄别自己在哪个信关站的实时覆盖区内，此时用户可根据最强最多的标识信号自主判决。当知道自己所属位置区后，用户根据信标信号中的标识信息，只对含有自己所属信关站标识信号的信标信号进行比较处理。考虑到移动用户机的体积、重量要求，其计算能力将受到限制，因此对于他采用简单的信号最强准则进行切换，即用户一旦检测到比当前信号强的信标信号则马上切换到该卫星，上行分组从而通过该卫星转发到信关站，卫星及信关站在转发过程中记录或更新新的路由，同时将老路由删除，并以此反向路径转发下行分组。

3.2 位置管理与路由方案

使用蜂窝IP技术的星座卫星通信系统，其位置管理与路由方案与在地面系统中类似，也分为活动和空闲两种控制管理机制。在用户活动状态时，当有数据发送时，用户发出的上行分组数据先通过卫星路由到覆盖区地面站，然后根据IP地址转发至目的地，卫星及地面信关站也据此分组保存用户位置信息及路由信息，同时将其反向链路作为下行分组的转发路径；当需要接收数据时，数据包先发送到信关站，然后查询本地路由缓存，若存在用户路由信息，则向指定卫星转发，然后路由到用户，若不存在，则丢弃该包。在用户空闲状态时，当有数据要发送时，其上行分组通过信标信号最强的卫星转发至覆盖区信关站，此时，用户路由及位置信息已经更新(或者建立)，用户由空闲转为活动；当有分组转发至该用户时，IP数据包先转发至含有主寻呼缓存的信关站，查询主寻呼缓存，根据查询结果转发分组，若属于本信关站覆盖区，则通过所属卫星广播，用户接收到分组后被激活，若不属于本信关站覆盖区，则向与其同属一个寻呼域的含有分寻呼缓存的信关站转发，用户收到分组后也被激活。

用户处于活动状态时，每切换到一新的卫星覆盖区，则发送路由更新包；处于空闲状态时，则只到寻呼超期时刻或漫游到另一寻呼区域时才发送寻呼更新包。卫星及地面信关站的缓存均设定超期更新时间，一旦过时，则缓存就设定为不可用状态。同时，为了贯彻寻呼区域的概念，属于同一寻呼域的含有分寻呼缓存的信关站应当向含有主寻呼缓存的信关站交流信息。为了移动用户机的正常工作，卫星周期性发送的信标信号中除了应包括信关站实时覆盖区位置信息，还应该包含寻呼域信息。

移动用户机路由或寻呼流程图如图4所示。

4 性能分析

相对于普通的星座通信系统，引入IP概念后可以极大程度上满足未来宽带业务高速数据业务的发展要求，也便于与下一代地面网的兼容，同时根据IP特点，通过适当设置IP报头，可以将系统控制与数据传输综合考虑，简化现有网络。

卫星通信系统采用蜂窝IP技术相对于直接使用移动IP技术主要有以下优点：

(1)以信关站实时覆盖区来划分和区别蜂窝，其蜂窝要比普通地面系统或者单颗卫星覆盖区大的多，因此可以减少用户在不同蜂窝间切换的概率；

(2)Cellular IP支持寻呼业务，无论是从业务需求或是减少信令方面考虑，都是非常必要并且实用的；

(3)Cellular IP将大量的路由、查询功能放到了地面信关站，在卫星只是加上了简单的路由缓存机制，极大地简化了并且降低了对卫星的要求，增加了系统的可靠性；

(4)信关站覆盖区和寻呼区域的概念，一定程度上可以以一国国土范围为界，充分考虑到了各国的信息安全和主权，便于世界各国间的合作。

5 结 语

微移动IP协议在卫星通信网络中有相当大的应用空间，本文只是从下一代网络全IP的方向考虑，探讨了将Cellular IP技术运用到星座卫星通信系统的可能性，并根据蜂窝IP的相关原理，对无星际链路的卫星系统网络结构进行了改造，并且对网络的切换、路由和位置管理进行了分析。蜂窝IP技术相对于纯移动IP技术，应运到卫星通信系统中能极大的提高移动性管理的效率、缩短时延，降低丢包率，但由于该技术是为地面网设计，对基站移动的情况未作考虑，因此下一步还需要在系统的切换问题上进行相应改进，同时对其他方面作一些定量分析，以确实该技术在卫星网络中的实用性，这是下一步的工作。