基于SCPS協議的快速自組織可重構天基信息網組網*

(空軍工程大學 電訊工程學院 網絡工程系，西安 710077)

1 引 言

天基信息是提高戰場感知能力、奪取制信息權的重要因素,以其覆蓋面廣、信息量大、視角寬闊，在對敵作戰中得到了越來越廣泛的應用[1]。天基信息主要是通過衛星獲得的，衛星可以按照一定的拓撲組成天基信息網。但是衛星容易受到環境的影響和敵方的干擾破壞，導致天基信息網絡通信的中斷，影響數據通信的效率[2]。因此，為了保障通信質量，增強天基信息網絡的重構能力和抗毀性，研究自組織天基戰場感知信息網具有重要的軍事戰略意義。

相比單層衛星網絡，雙層或多層衛星網絡具有更強的抗毀性能[3]。Kimura提出了一種雙層(LEO/MEO)衛星星座，比較了極軌道和傾斜軌道星座的差別，通過多覆蓋和增加仰角的方法保證通信的可靠性要求，但所需衛星數量巨大[4]。Lee、胡劍浩、Akyildiz等人分別設計了不同空間拓撲結構的帶有星間鏈路(ISL)的多層衛星網絡，主要研究多層衛星網絡的路由算法問題，得到了一些有意義的結果[5-7]。李暉提出了基于Walker delta型多層衛星通信網絡自適應路由策略[8]，但其考慮的是衛星正常運行時可能造成的網絡拓撲變化情況下路由的自適應策略。易先清等設計了基于GEO/MEO星座的衛星網絡抗毀結構[9]，但只對雙層天基網絡進行了抗毀設計研究。

本文提出了一種基于改進型TCP協議的三層(GEO/MEO/LEO)自組織可重構天基信息網的組網模型，比較了其協議與地面網絡的不同，給出了自組織天基網的協議特點，最后分析了自組織可重構天基信息網的網絡架構及其抗毀性能。

2 組網模型

天基信息網的核心是衛星通信網，因多層衛星網絡路徑選擇性大、可替換鏈路多、抗毀性強，故選擇將地球同步衛星(GEO)、中軌道衛星(MEO)、低軌道衛星(LEO)組成復合立體衛星網絡，可實現對全球的持續性覆蓋。GEO星座、MEO星座、LEO星座與地面關口站在距離地球表面不同高度上通過互連鏈路分層組成立體的通信網絡。

由于受到衛星平臺載荷能力的限制，天基信息網絡系統的管理適合使用分布式結構對網絡進行分組管理。在這個分布式等級結構中，衛星被劃分成組，而且接受上層軌道衛星的管理。假設有LEO、MEO、GEO三層衛星，把它們分為衛星組，如圖1所示。

(1)LEO組

Lij是某一中軌道衛星Mij波束覆蓋的低軌道層衛星的集合，Lij={Lij︳k=0,1,2,…,N(Lij)-1}，其中，N()是一個計算衛星組大小的函數，i表示軌道序號，j代表某條軌道內的第j個衛星。在Lij衛星組中的所有LEO衛星都和MEO衛星Mij鏈接，Mij是這個LEO衛星組的管理者。LEO衛星組可有多個，每組為一個邏輯群，每組中有一個組首，圖1中每個組中黑色的那顆衛星即為組首。組首負責收集該群的狀態信息，并把這些信息定時上報給其上層MEO衛星，由MEO負責給此組計算路由信息，并傳遞給組首，再由組首轉發給每顆LEO衛星。

(2)MEO組

Mij是GEO中衛星Gij覆蓋的MEO層衛星的全部集合，Mij={Mij︳j=0,1,2,…,N(Mij)-1}，其中，i表示軌道序號，j代表某條軌道內的第j個衛星。在Mij衛星組中的所有MEO衛星都通過星際鏈路和GEO衛星Gij鏈接，Gij是這個MEO衛星組的管理者。

圖1 自組織戰場感知天基信息網組網模型

GEO衛星是路由算法決策中樞，MEO衛星完成對地球表面完全覆蓋，而LEO衛星主要實現對地面移動終端的接入。其中，MEO衛星和GEO衛星通過ISL連接，構成拓撲穩定的衛星骨干網，成為分層衛星網的交換節點，負責空間數據的傳輸與轉發，并且負責與關口站和大型終端通信；LEO衛星作為具有交換功能的用戶接入點，組成衛星接入網絡，通過ISL與衛星骨干網相連。

將分布在不同高度空間的GEO、MEO、LEO星座互連,可以提高基于GEO/MEO/LEO星座衛星網絡的通信性能和容量,特別是其系統抗毀性能。兼顧多層星座組網結構和分組管理思想,在作為組管理者的GEO衛星和分組組首的MEO衛星、LEO衛星之間建立星際通信鏈路IOLGEO-〉MEO、IOLMEO-〉LEO,通過這些星際通信鏈路將星座聯系起來,即使在因某種原因斷開這種鏈路連接時,星座還可獨立運行。

3 網絡協議

由于衛星信道具有長時延、高誤碼率、大延時帶寬積等特性，在衛星網絡中使用的傳輸控制協議是改進的TCP協議，常用的是空間通信協議規范(Space Communication Protocol Specification,SCPS)。SCPS 以Internet協議為基礎,進行適當的修改和擴充，在空間和地面環境之間架設橋梁。

SCPS的4部分協議分別位于網絡層(SCPS-NP)、傳輸層與網絡層之間(SCPS-SP)、傳輸層(SCPS-TP) 和應用層(SCPS-FP),它們在底層協議(數據鏈路層、物理層)的支持下，構成完整的網絡模型，實現包括空-地、空-空的端到端連接(如圖2所示)，主要解決了傳統TCP協議用在衛星網絡中產生的擁塞控制、流量控制機制不適用問題。

圖2 SCPS協議棧示意圖

數據鏈路層功能包括協議和信道編碼，用于節點之間數據可靠的傳遞，主要任務是組織數據流，完成幀的劃分和界定，發現并糾正物理層的傳輸錯誤，保證信息正確，彌補丟失幀，保證信息包內容的完整，同時進行流量控制，控制多信息對共享的訪問。

SCPS-NP相當于傳統的網絡層協議，用于控制數據包的路由。主要任務是對不同類型的總線之間信息，由網關進行協議轉換；對數據進行優先級劃分；數據包擁塞后的恢復機制。由于衛星移動的規律性，衛星之間的路由切換頻繁，多層衛星間信息路由宜采用動態方式，可增強其網絡健壯性。

由于衛星通信是無線通信系統，容易受天電、星體顫動和其它無線通信系統干擾，通信質量會發生變化，從而導致天基信息網絡通信的中斷，影響數據通信的效率。衛星星群之間通過借用Ad Hoc技術，構成自組織網絡。在此借鑒改進了Ad Hoc網絡的動態路由算法，使之更符合天基衛星網絡的情況。

但星座網絡的運行特點和無線移動自組織網絡(Mobile Ad Hoc Network,MANET)有所不同,區別主要體現在鏈路全部為無線、規律性頻繁變化的網絡拓撲、中繼帶寬受到星間鏈路能力限制、交換節點處理能力受到航天可用器件的限制、節點和用戶接入的移動性、星際鏈路之間的長傳輸延時(這是影響衛星網絡中路由策略的主要因素)等幾個方面。

SCPS-SP協議位于傳輸層與網絡層之間，主要功能是負責數據安全及緩沖策略。

SCPS-FP是網絡的最頂層，負責傳輸文件的生成、封裝、壓縮、存儲等。

4 自組織戰場感知天基信息網絡路由抗毀設計

天基信息網絡必須具有自主運行技術，以增強網絡的自主運行能力，減少對地面系統的依賴，實現天基信息網絡的日常自主運行、管理，從而有效降低運行成本，優化天基信息網絡運行，提高其生存能力，以便當地面系統遭到破壞或受到敵方干擾情況下，天基信息網絡仍能保持其日常運行，為此設計了自組織戰場感知天基信息網絡路由策略。

(1)天基分層網絡管理體系結構中，網絡管理中心根據網絡拓撲的變化決定網絡管理組組首的變更,即由哪個節點為管理組首，或者采用Ad Hoc中簇頭選舉方法來選舉某個管理組的組首。傳輸層使用SCPS傳輸協議，網絡層使用SCPS網絡協議的自組織路由算法，為保證信息傳輸的安全性，需使用SCPS安全協議。

可在天基信息網絡的某個衛星組中設置某顆離上層衛星最近的那顆星為該星座的組首，圖1中黑色的衛星即為本組組首。組首負責收集本組所有衛星的鏈路狀態信息并與其上層衛星管理者交換信息，由上層管理星為本組所有衛星計算路由表。同時，每個組也都有不同于組首的另一顆衛星被指定或按照一定策略被選舉作為該衛星組的備份組首。當第一個組首出現故障時，備份組首執行組首的功能。當上層管理星出現故障時，由組首代替上層管理星為組內用戶計算路由，從而在多層星座組網系統的管理過程中不會因為某個衛星節點的失效導致整個分層管理模式的崩潰。

(2)為保證系統的可靠性和可擴展性，增強天基信息網的抗毀性，可利用Ad Hoc技術實現天基信息網的骨干節點互連互通。采用分布式安全拓撲控制和維護算法，能夠在節點和鏈路失效發生時，網絡具有快速自組織、自重構機制，同時具有在節點受到攻擊和發生故障失效后網絡的自恢復機制和抗毀機制。

由于衛星無線通信容易受到電磁干擾，造成其通信的不確定性和自組網節點的移動性，已經建立的網絡拓撲結構會隨著節點的移動而發生改變；加上無線通信的固有特性，鏈路的連通性也動態發生變化，因此在自組網中對鏈路進行監測和修復，進行路由維護一直是其路由協議的關鍵技術之一。

組中的組首負責收集本組內的鏈路狀態信息并與其它組衛星之間交換，進而形成能夠反映全局的鏈路狀態數據庫，由組首為本組內的所有其它衛星計算路由表。采用分布式分層鏈路狀態信息收集不僅能夠有效降低星間通信開銷，而且把路由計算和數據轉發任務在多顆衛星之間分擔，有利于轉發任務較重的衛星全力進行數據轉發，而使負載較輕的衛星負責路由計算和鏈路狀態信息的收集。目前一些文獻提出的分級路由協議(HSRP)算法、基于分層分群的多層衛星網路由(MLSR)算法具有一定的參考意義。

星座網絡擬采用具備流量適應能力的靜態路由策略，稱為自適應流量的拓撲快照靜態路由(TSSR)。星座系統周期離散化為K個時間間隔，每個時間間隔Δt，鏈路代價變化足夠小，可以認為是靜態拓撲，所以動態拓撲可以轉化為一個靜態拓撲的序列，稱為拓撲快照。根據每個靜態的拓撲快照可以事先離線為每對源、目的衛星節點按照改進的Dijkstra算法計算出若干個具有最小路徑耗費的路徑(也就是按照一定的準則最好的路徑)，從而計算出一系列空間路由表和轉發表，然后將空間路由表和轉發表注入到每個衛星交換節點上。星座網絡拓撲改變時可重新在線更新星上路由表。

通過這種方式星座衛星只在每個時間間隔開始時通過軟件控制，進行路由表和轉發表的更新；當衛星需要計算ISL子網上的可用路徑時，不再進行復雜計算，而是能夠直接查表求得，從而減小了衛星節點的處理時延和處理負荷，進一步提高了尋路的效率。

另外一種安全機制是設置備份衛星，平時不啟動備份星，只有在衛星組中某顆衛星遭到干擾或出現故障時才通過衛星運行中心使之機動到合適位置，并啟動它，使信息網的自組織、抗摧毀性能得到加強，保證天基信息網絡的通信質量(QoS)。

5 結束語

把各類天基系統組成信息網發揮它們的最大作用已成為發展航天系統的共識。在一些不可預知的情況下，各空間節點的位置可能臨時發生變化或受到敵方攻擊，故如何增強信息節點鏈路之間的抗毀性，使天基信息網絡具有快速自組織能力，重新組網恢復通信，是保證戰場信息感知能力、保障作戰效能過程中必須要解決的一個問題。

本文從組網模型、網絡協議及路由抗毀設計幾個方面研究了多層分布式衛星網絡的快速自組織可重構性。在軍事衛星網絡信息越來越重要的空天一體化戰爭中，抗毀性及重構性是衡量一個衛星網絡的重要性能，故本文的研究具有軍事上的實用意義。本文的下一步工作是對提出的網絡模型和可重構路由方式進行仿真并得出具體的結果和性能參數，以檢驗所提方法的可行性。

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