衛星網絡移動性管理技術研究現狀及展望*

王熹微，吳 琦，郭孟澤，李 妍，朱立東

(1.中國空間技術研究院，北京 100094；2.電子科技大學 通信抗干擾技術國家級重點實驗室，成都 611731；3.中國衛通集團股份有限公司，北京 100094)

0 引 言

隨著無線通信技術的發展，遍布陸、海、空的通信節點對通信的質量提出了更高的要求，通信范圍由傳統的地面蜂窩網擴展到了天地一體化的信息網絡。下一代空間信息網絡將實現與地面網絡的無縫融合，形成對各種節點具有服務能力的天地一體化信息網絡。

上一代衛星網絡的服務僅限于低比特率的應用，因此往往用戶面較窄。在未來的天地一體化信息網絡中，將實現向全球用戶提供隨時隨地的靈活多媒體服務，而衛星網絡作為天地一體化信息網絡中天基信息傳輸系統的重要組成部分，寬帶衛星鏈路也將被用作天基信息傳輸系統的骨干網絡，提供無處不在的多媒體和高速數據應用。

出于對傳播延遲、功耗、通信速率和覆蓋性等多方面考慮，未來的寬帶衛星網絡將部署大量非靜止地球軌道(Non-geostationary Earth Orbit,NGEO)、中地球軌道(Medium Earth Orbit,MEO)和低地球軌道(Low Earth Orbit,LEO))衛星，形成大規模衛星星座。由于該類型衛星具有高速移動性和相對較短的覆蓋周期，將導致地面節點和衛星之間的頻繁切換。為了避免這種切換影響通信的建立或通信鏈路的穩定性，保證用戶體驗，需要對衛星網絡進行有效的移動性管理。

傳統衛星網絡的移動性管理技術，如標準移動IP(Mobile IP,MIP)[1]，在每次突發事件(衛星發生切換或通信節點發生輕微移動時)都需要對通信節點位置進行更新，將當前節點的位置信息發送給地面信關站、衛星、本地代理等設備，便于尋呼的正常進行。當前的管理機制應用于NGEO衛星網絡將在每次突發事件中產生大量綁定更新請求，每一次綁定更新信息在大規模衛星星座中進行全局廣播也會造成巨大的信令開銷和信息傳輸時延。由于衛星的大小、重量等限制使得衛星無法達到和地面基站相同的數據存儲和處理能力，而目前IP/NGEO衛星網絡的大部分處理功能還需要在地面站中實現，這種網絡路由器和處理功能的分工使得該網絡移動性管理受到嚴重限制。

針對現有技術的不足和衛星網絡的特點，目前的主要思想是以MIP協議為藍本，根據IP/NGEO衛星網絡的特點對其進行優化和改進。本文將對當前衛星網絡移動性管理技術進行綜述，并進一步指出該項技術未來的發展方向。

1 衛星通信網絡移動性管理概述

衛星通信系統主要包括空間段、地面段和用戶段，網絡結構如圖1所示。

空間段主要由通信衛星構成，地面段主要包括關口站、網絡管理中心、互聯網接入等功能實體。用戶段包括各類用戶終端，如手持、車載、艦載、機載終端等。為保證通信網絡能定位漫游節點并對其進行呼叫，同時在節點進入其他服務區時能保持連接，從而使得各種類型終端都能通過衛星網絡隨時隨地通信，需要對網絡進行有效的移動性管理。

移動性管理的目的是定位移動節點，保證數據的無縫傳輸[1]。文獻[2]將衛星通信系統中的移動性管理技術分為位置管理和切換管理，分別如圖2和圖3所示。

圖2 位置管理

圖3 切換管理

位置管理和切換管理構成了現如今衛星網絡移動性管理技術的兩大研究方向。

2 衛星網絡移動性管理關鍵技術研究進展

由于地球靜止軌道(Geostationary Earth Orbit,GEO) 衛星在通信過程中延遲較高，為了適應未來天地一體化網絡的低延遲高速率的通信需求，NGEO衛星星座成為未來發展的理想選擇。不同于GEO衛星在通信過程中能夠與地面節點保持相對靜止，NGEO衛星相對于地面節點具有高速移動性，現有衛星通信網絡的移動性管理協議和技術也都主要針對這種星座特性而設計。本節將重點綜述衛星網絡相關的網絡層管理協議、位置管理和切換管理技術發展現狀。

2.1 典型網絡層管理協議

隨著全IP技術的發展，支持IP移動性管理將成為未來天地一體化網絡的共同特點。早在2004年互聯網工程任務組(The Internet Engineering Task Force,IETF)就提出了基于主機的移動IPv6[3](Mobile IPv6,MIPv6)協議。該協議是一種基于主機的移動性管理方案，協議中每個節點都由歸屬地址(Home Address,HoA)唯一標識，該地址被存儲在節點的歸屬代理(Home Agent,HA)中。當移動節點檢測到自身離開其歸屬網絡并到達另一外地網絡時，會獲得外地網絡為其配置的轉交地址(Care-of-Address,CoA)，同時需要將該地址轉發給其HA，完成綁定更新。將該協議應用于IP/NGEO衛星網絡中，因為衛星的高速運動地面節點在不同接入衛星之間產生頻繁切換，當節點遠離其本地網絡時將引起長距離的綁定更新開銷和通信延遲。

在MIPv6協議的基礎上，分層移動IPv6[4](Hierarchical Mobile IPv6,HMIPv6)移動性管理協議中引入了移動錨點(Mobility Anchor Point,MAP)的概念。該功能實體在網絡中起到了類似于MIPv6的中HA的作用，為在其管理域內的移動節點分配CoA，同時該功能實體還可以向移動節點提供數據轉發和路由服務等。HMIPv6將網絡分成多個域，每個域內至少有一個MAP，并為域內的移動節點分配鏈路轉交地址(Link Care-of Address,LCoA)和區域轉交地址(Regional Care-of Address,RCoA)，前者標識了其接入路由器，后者標識了其MAP，因此當節點在同一MAP下的不同接入路由器之間移動時，僅需要改變LCoA，該變化無需向HA進行更新，僅需要在MAP處將新LCoA與RCoA進行綁定操作即可。當移動節點移出MAP管理域時，則需要由新MAP對其分配新的LCoA和RCoA，此時需要向移動節點HA處進行新地址的綁定更新。通過這種劃分方式，相比MIPv6協議，HMIPv6協議體現了分層管理的思想，降低了節點向HA進行位置更新綁定的開銷和長距離傳輸信令的時延，這種優勢在大規模衛星星座下將更加明顯。

快切換IPv6[5](Fast Handovers for Mobile IPv6,FMIPv6)采用了快速切換技術，在移動節點發生切換之前，通過底層技術檢測其即將切換的網絡接入點，在切換發生之前為其在新網絡進行信息預備制與隧道建立，可以顯著縮短移動節點的切換時延，同時也可以降低丟包率。MIPv6為未來無線網絡的一種基礎協議，應用于IP/NGEO衛星網絡中依然存在開銷大延遲高的問題，HMIPv6協議和FMIPv6協議從不同的角度對其進行了優化。文獻[6]中，作者以MIPv6為參照，詳細對比了HMIPv6、FMIPv6以及兩者的組合(H+F MIPv6)的性能表現，研究了移動節點數量對于不同協議的切換延遲、丟包率、切換成功概率等多方面關鍵性能之間的影響。

除了上述幾種移動性管理協議之外，還有學者提出了基于網絡的代理移動IPv6[7](Proxy Mobile IPv6,PMIPv6)協議。該協議將網絡劃分為多個PMIPv6域，并且引入移動接入網關和本地移動錨點兩個網絡功能實體，利用該功能實體代替移動節點完成與其他網絡功能實體之間的信令交互功能。具體而言，移動接入網關負責檢測移動節點處于本地網絡或外地網絡，代替節點進行位置綁定更新和綁定更新應答報文的發送和接收，建立起移動接入網關和本地移動錨點之間的隧道。而本地移動錨點則在本地域中充當了節點的HA功能，節點在本地域中移動時只需要向本地移動錨點進行位置更新。文獻[8]對比了MIPv6和PMIPv6在低軌衛星網絡中的切換性能，仿真結果表明移動接入網關和本地移動錨點提供的基于網絡的移動性服務減少了信令傳輸和切換時延，PMIPv6協議在切換延遲、切換阻塞概率和丟包率等方面均優于MIPv6。

HMIPv6、FMIPv6、PMIPv6以及它們的組合協議作為對MIPv6協議的基本改進，均從不同的角度降低了網絡位置更新開銷和切換時延，同時在切換阻塞概率和丟包率方面也有不同程度提升，同時這些提升也與信道狀態和系統服務用戶數量等因素息息相關[6,8]，不同場景下不同協議的表現各有優劣，最終采用哪種協議應當綜合考慮應用場景所需指標要求。

2.2 位置管理

位置管理的目的是當終端在網絡內部移動時，確保網絡能夠隨時了解終端的新接入點，從而保證通信對端能夠將分組準確傳送到終端新的網絡接入點。為了降低位置管理的開銷，現有的研究分別從以下三個方面進行展開。

2.2.1 位置區設計與管理

在傳統蜂窩移動通信網中，通常采用位置區域(Location Area,LA)進行位置管理。LA使得系統得以追蹤在網絡中漫游的用戶：當系統知道某用戶所在的LA時，只需要在該LA內的蜂窩區中發送尋呼信號即可。文獻[2]中提到，因為低軌衛星的高速移動性，LA不能與衛星的覆蓋區域相關聯，因此目前的研究關注的是如何定義衛星網絡中的位置區。

在文獻[9]和[10]中，使用<網關，點波束>對方法定義位置區域，在低軌衛星星座中，高速移動的點波束將使得網關和點波束之間頻繁發生切換，從而產生大量的位置更新信令開銷。針對這種切換相關的位置區定義方法的不足，文獻[11]中提出了一種與切換無關的IP/LEO衛星網絡位置管理方案，該方案的目的是利用地理位置信息，使位置管理過程與衛星運動解耦。具體而言，該方案將地球表面劃分為若干個單元，移動節點的ID與當前其所在地理單元相關聯，其IP地址可以由公式(1)表示：

IP_address=Prefix+Node_ID 。

(1)

式中：Prefix表示節點的位置，包含經緯度等地理信息；Node_ID用于唯一地標識單元中的節點。因此要求每一個移動節點安裝全球定位系統接收器來定位，只有當移動節點移動到鄰近的單元格時才會發生ID更改和相應的綁定更新。這減少了更新請求的數量，最終大大提高了系統的可伸縮性。

采用地理位置的編址方法可以有效降低移動性管理開銷，然而忽略了衛星網絡本身組網路由問題，對于高速運動的衛星而言，如果也采取相同的編址方法將會造成衛星的IP地址不斷發生變化，會增加星上處理負擔和路由復雜度，因此需要考慮對衛星進行位置管理。

文獻[12]引用了基于地理位置的地面站管理，使得節點IP地址與地面站相關聯，只有當節點移動到鄰近的地面站時才會產生相應的綁定更新開銷。其中，對于移動節點和衛星分別按照公式(2)和公式(3)進行編址:

Node_IP_Address=Ground_Station_Prefix+Node_ID,

(2)

Satellite_IP_Address=Ground_Station_Prefix+Satellite_ID。

(3)

式中：Ground_Station_Prefix為地面站節點;Node_ID用于標識單元中的用戶節點；Satellite_ID用于標識衛星節點。這種編址策略考慮了地面站對衛星和節點的管控因素，可以有效降低終端位置更新開銷。此外，引入地面站管理可以實現對位置目錄的分布式管理[13]，能夠縮短IP地址綁定更新的傳輸路徑，減輕衛星通信和存儲能力的壓力，同時也降低了尋呼開銷。但衛星地址前綴如果按照公式(3)變化，則每經過一個地面站都需要變化其前綴信息，也會產生大量的地址更新開銷。

單從地面站[12]地理信息進行位置區編址的方案仍然存在衛星地址前綴更新快，位置更新開銷大的問題，因此文獻[14]提出了利用地面站和衛星覆蓋雙位置區對節點位置加以編址，只有當節點同時移出衛星覆蓋區以及地面站管理區時才會進行位置更新。節點離開衛星管理區的概率較高，但離開地面站管理區概率較低，整體上節點位置更新頻率得以降低，同時文中考慮將GPS信息應用于尋呼策略中，提高尋呼成功概率的同時降低了尋呼代價。

以上成果從利用地理和地面站信息角度進行位置管理優化，還可以從移動節點的角度出發進行位置管理優化。文獻[13]提出了一種混合動態位置管理方案，其將移動節點按照移動速度分為準靜態節點、高速節點和其他三類，引入了呼叫移動比(Ratio of Call to Movement,CMR)來決定節點發生位置更新的區域：對于高速運動節點采用大的位置區進行管理，對于低速運動的節點提供小的位置區管理，從而整體上降低所有節點因為越區切換而引發的位置更新開銷。從節點當前是否有通信需求也可以對節點進行分類處理，最具代表性是尋呼移動IP(Paging Extensions for Mobile IP,P-MIP)[15]和蜂窩IP(Cellular IP,C-IP)[16]協議，通過引入空閑節點的松散位置管理和應用尋呼來定位空閑節點，可以降低綁定更新頻率。類似地，文獻[17]提出了基于節點行為的位置區劃分方法，將地面節點劃分為活躍與空閑狀態，對活躍的節點采用精確位置管理，空閑節點采用粗粒度位置管理并配置較大的位置管理區，從而降低位置管理開銷。

除了從節點的狀態進行劃分進行細粒度的位置區管理與劃分之外，文獻[18]提出了IP地址同時起到了節點定位器和標識符的作用，這使得目前的IP移動性方案存在固有不足，具體表現為非最優路由、過度依賴錨點、復雜的信令開銷等。為此，提出了基于網關的衛星網絡區域移動管理體系結構，在解耦定位器和標識符的基礎上，采用區域移動管理，大大降低了位置管理開銷。類似地，Liu等人[19]在天地一體化網絡中提出了一種基于身份映射系統的移動性管理機制，其核心思想也是實現了節點定位器和標識符的分離，以及移動切換的低時延、高可靠性。

表1從位置區設計準則分類、劃分位置區依據及其考慮的關鍵性能指標方面對本節內容進行了歸納，其中定位器與標識符分離方法[18-19]是唯一揭示了IP移動性管理方案不足且尋求突破的方案，在降低位置管理開銷的同時兼顧了切換時延和可靠性等性能指標的優化，但也面臨著與當前基于IP的移動性管理方案的兼容性問題，值得進一步探索其工程實現可行性。

表1 部分位置區設計策略分類及其考慮指標

2.2.2 分層位置管理方案

傳統MIPv6協議應用在NGEO衛星網絡移動性管理技術中時，節點因為衛星運動或自身切換都需要將自身位置更新信息傳遞給本地代理，當該節點遠離本地代理時將產生較大的位置更新開銷和通信延遲。為了克服這些問題，文獻[20]提出了一種分布式移動性管理方案，通過部署移動錨點，將多個位置區合并為更大的位置區單元，錨點在該位置區單元中起到本地代理的作用，當節點在錨點覆蓋區域內移動時只需要向錨點進行位置更新操作。相比MIPv6方案，該方案發生越區切換的概率更低，降低了位置更新開銷和向本地代理更新產生的通信延遲。不同于文獻[20]將移動錨點部署在地面信關站中實現分布式移動性管理的操作。文獻[21]選擇將移動錨點部署在衛星上，移動用戶將初始接入衛星作為其接入時的移動錨點，在特定的切換次數內無需向本地代理發送位置更新消息，僅僅向距離自己較近的移動錨點(衛星)進行位置更新操作，當切換次數超過某一閾值時才需要更換錨點并重新向本地代理進行位置更新綁定。該方法可以一定程度上降低綁定更新開銷，但當衛星距離移動節點較遠時，綁定更新需要更多的步驟，也將引入更高的切換延遲。針對這種不足，文獻[22]提出了柔性代理的概念，以緩解用某一刻固定衛星做移動錨點的不足，一旦完成對應節點的綁定更新過程，當前錨點的功能將自動中繼到節點當前的接入衛星，避免了長距離綁定更新。

文獻[23]提出了一種基于虛擬代理域(Virtual Agent Domain,VAD)的移動性管理機制，設計了虛擬代理集群(Virtual Agent Cluster,VAC)來共同管理相應VAD中的網絡用戶結構，節點在VAD內的切換只需要更新其域內關系，減少了移動性管理開銷和切換延遲。類似地，文獻[24]提出了一種面向動態外地代理的衛星網絡移動性管理機制，把歸屬于同一位置區的低軌衛星所覆蓋區域設置為一個移動代理域，支持域內衛星節點間的周期性信息交互，僅在移動節點在歸屬外地代理衛星變更的情況下才會觸發用戶到本地代理的綁定更新，因此降低了節點的位置管理開銷。

移動錨點本質上是與MIPv6中家鄉代理相同的功能實體，將該錨點布設在星上時會提升對單星的業務負載，影響系統穩定性。VAD中的VAC則是由一個衛星集實現部分家鄉代理的功能，實現了分布式管理，相比MIPv6在位置管理開銷和交換延遲方面均有提升[23]，降低了對單星的性能要求。針對未來包含大規模衛星星座且境外地面站布設受限的天地一體化網絡體系，這種由衛星承載部分家鄉代理功能的策略具有較高的應用價值。

2.2.3 基于指針的位置管理方案

除了分層位置管理方案之外，文獻[25]提出了一步指針轉發策略，其主要思想是移動節點的位置更新信息不告知歸屬位置寄存器(Home Location Register,HLR)，而在舊訪問位置寄存器(Visitor Location Register,VLR)中建立一條指針指向新的VLR，從而降低移動節點的位置更新代價。同一步指針轉發策略類似，K步指針轉發策略[26]包含K+1個VLR，每次節點更換VLR都需要向舊VLR中寫入指向新VLR的指針，指針指向鏈可以表示為HLR-VLR_1-VLR_2-…VLR_K+1，進一步避免了頻繁地向本地代理進行位置更新。

2.3 切換管理

在優化位置管理方案的同時，節點必須同時準備好在不同通信節點之間的傳輸鏈路，使得發生切換時可以從當前通信節點及時切換到另一個通信節點。因此移動性管理技術必須包括切換管理，保證通信過程中的服務質量，并使獨立的子網能夠維持對其用戶的服務。

針對于切換過程中的優化問題，現有工作側重于從鏈路層和傳輸層進行相關優化研究。

2.3.1 鏈路層切換優化

對于多波束衛星通信系統，同一衛星的不同波束之間發生切換，稱為波束切換；如果切換發生在兩顆衛星之間，則稱為星間切換。

在呼叫接入控制中，系統會計算切換呼叫阻塞概率來進一步決定是否允許新到達的呼叫進入網絡。文獻[30]提出了連接允許控制(Connection Admission Control,CAC)算法，當一個新的呼叫請求到達一個點波束時，它與用戶未來以一定概率訪問的可能鄰近點波束列表相關聯，為鄰居列表中的每個點波束更新一個遷移預留度量。該算法將帶寬保留在鄰近波束中，以降低切換阻塞率，但對于切換概率較大的低軌衛星網絡，該方法的適用性存在問題。文獻[31]引入了地理連接允許控制(Geographical Connection Admission Control,GCAC)算法來降低低軌衛星網絡中點波束切換的切換呼叫阻塞概率，相比于前一種算法，可以達到有界切換阻塞概率，且能更好地處理非均勻的流量分布。

在星間切換開銷優化方面，Miao等人[32]分析得出影響衛星切換的因素主要包括接收信號強度、剩余服務時間和空閑信道數，提出了多屬性決策(Multi-attribute Decision,MD)算法，綜合考慮三個因素判斷當前衛星是否應發生切換。相較于由單一因素決定的星間切換策略，這種決策算法更加科學。文獻[33]提出了一種基于潛在博弈(Potential Game,PD)的低軌衛星通信網絡移動節點切換策略，并通過仿真驗證了提出的方法可以大大減少平均切換開銷，提高呼叫質量，但這種方法所需的增益和損失函數還處在假設階段，尚未結合工程實際。文獻[22]發現對于接入衛星的移動節點而言，大部分切換將發生在同一軌道的相鄰衛星之間，利用這樣的切換特點，可以對同一衛星下的用戶進行聚合切換(Aggregated Handover,AH)，仿真表明對于聚合用戶進行預切換可以降低用戶在星間切換的信令開銷。這些方法均減少了系統中平均星間切換開銷。

2021年，Liu等人在文獻[34]中系統概括了LEO衛星的波束間切換、星間切換等問題，指出了波束切換的核心在于信道切換策略的設計；介紹了基于圖論和博弈論的星間切換策略及其優缺點。文章較為系統地概括了LEO衛星網絡中的鏈路層切換策略研究現狀，同時也為未來的研究提供了有益參考。

星地之間的鏈路切換方式，除了影響系統的切換開銷之外，還有可能對通信過程中的路由算法產生影響。當用戶正處在通信中時，如果發生星地切換，為保證通信的穩定性，需要及時將通信鏈路的起點衛星及時更新為新的接入衛星。為解決這種問題，在文獻[35]和[36]中，作者提出了一種稱為覆蓋區切換重路由協議(Foot Handover Rerouting Protocol,FHRP)，該協議分為增強和足跡重路由兩個階段。在增強階段，網絡將找到從新的接入衛星連接到現有路由的直接鏈路，這樣可以以最小的信令延遲和位置更新開銷更新路由。當不存在滿足當前通信容量的通信鏈路時，將利用最優路由算法找到一條新的路由。在足跡重路由階段，將現有路由遷移到與原路由具有相同最優特性的路由上，這個步驟的最終目的是實現多次切換后無需應用最優路由算法計算出最優路由，可以降低系統路由開銷。

還有一種鏈路切換發生在星間鏈路之間，如極地附近的衛星會切斷與鄰近軌道上與其他衛星的星間鏈路、衛星星座個別衛星發生故障從而失去與相鄰衛星的星間鏈路等。這種切換將改變網絡拓撲的連接模式，通過這些鏈路正在進行的通信需要重新路由，因此這種鏈路切換主要影響網絡層的路由算法實現。

在保證通信鏈路穩定性方面，文獻[37]提出的基于異步傳輸模式(Asynchronous Transfer Mode,ATM)的路由方法通過優化兩顆衛星之間的路由，使得每個衛星對在一個系統周期內具有最小鏈路切換數的唯一路徑。該算法降低了鏈路切換發生的概率，但另一方面也會阻塞一些鏈路，導致系統的星間鏈路無法充分利用。當鏈路切換已經發生時，在如何降低切換過程中發生的重路由次數方面，有學者提出了概率路由協議(Probabilistic Routing Protocol,PRP)[38-39]，在路由路徑中剔除所有在會話中可能發生鏈路切換的星間鏈路，從而降低了通信期間重路由次數。

除了關注通信過程中鏈路是否發生切換的穩定性問題之外，對于路由算法而言通信開銷和時延也非常重要。Yuan等人[40]提出的雙層衛星網絡路由算法(Double-Layered Satellite Network Routing Algorithm,DLRA)是一種適用于MEO/LEO雙層衛星網絡結構的分布式路由算法。作者創造性地將星間鏈路剩余壽命引入到路徑權值的計算中，該算法在端到端時延、路由開銷和鏈路穩定性方面都有較好的性能。DLRA算法作為一種鏈路狀態路由算法，能夠對網絡拓撲的變化做出及時響應，在更新路由信息的同時也增大了系統開銷。Pan等人[41]提出的面向LEO衛星網絡的基于軌道預測的最短路徑優先路由(Orbit Prediction Shortest Path First Routing,OPSPF)算法能夠利用星座的規律性，進行周期性的路由計算，很好地處理了規則的拓撲變化。此外，對于非規則的拓撲變化，作者提出的按需處理動態路由機制可以有效降低通信開銷和路由收斂時間。

未來的天地一體化網絡架構中，衛星網絡需要與地面的不同網絡無縫運行在一起。此時的切換管理往往不能僅限于衛星網絡，需要在整個系統層面聯合考慮。針對這種場景，文獻[42]將模糊邏輯概念應用于異構環境中，提出了一種基于IP的面向分組的多段系統的移動性管理方案，演示了如何使用模糊邏輯概念來組合每個網絡相關的參數以便于網絡、無線電等可以采取合理的方法進行切換管理。從整個系統層面聯合考慮切換管理的特點決定了文獻[42]的工作與前文中提出的各種鏈路層切換優化方法之間具有良好的兼容性，對于衛星網與地面5G/6G網絡的融合具有重要意義。

表2歸納了鏈路層切換優化方法的主要分類和這些方法在優化中所考慮的主要指標，不難看出，對于波束間切換而言，更加關注的是信道切換過程中發生的切換呼叫阻塞率和對于新生呼叫阻塞率；而星間切換則更為關注信令開銷的降低，當星間切換發生時如果用戶正處在通信中，則需要確保當前通信對于用戶而言沒有明顯間斷時間，此時也需要關注通信鏈路的穩定性問題。星間鏈路發生切換時，主要影響的是路由算法的設計，根據當前的應用場景需求，需要從鏈路穩定性、時延、信令開銷等多方面決定當前系統需要選用哪種路由算法。

防治方法：一是選用無病種薯，播種前用40%福爾馬林120倍液浸種4分鐘。二是多施有機肥或綠肥，可抑制發病。三是與葫蘆科、豆科、百合科蔬菜進行5年以上輪作。四是選擇保水好的菜地種植，結薯期遇干旱應及時澆水。

表2 鏈路層切換優化方法分類及其考慮指標

2.3.2 傳輸層切換優化

MIP是由因特網工程任務小組提出的處理移動通信中互聯網主機移動性的標準，該標準在移動環境中使用時存在高延遲和高丟包率的問題，在NGEO衛星高速移動的場景下表現得尤為明顯。為了改進系統移動性管理的性能，MIPv6[3]、HMIPv6[4]、FMIPv6[5]、FHMIPv6[6]等網絡層移動性管理協議被相繼提出，但仍然無法解決MIP固有的高延遲和丟包率問題。

文獻[43]針對這些問題提出了一種無縫切換方法(Seamless IP diversity based Generalized Mobility Architecture,SIGMA)。該方法主要基于流控制傳輸協議(Stream Control Transmission Protocol,SCTP)[44]，該協議允許網絡中的通信節點同時擁有多個IP地址。文獻[39]表明，SIGMA相比于MIPv6具有更低的切換延遲和丟包率，從而使得網絡具備更高的吞吐量。Wang等人[21]在文獻[43]的基礎上，考慮到低軌衛星網絡的高拓撲動態性，通過設置切換次數閾值來決定進行全局位置更新還是局部位置更新，在進行分層位置管理的同時通過靈活調整閾值降低了傳統SIGMA方案在頻繁切換場景下的丟包率和端到端時延。Zhang等人[45]提出了一種基于預測的IP/NGEO衛星網絡切換增強SIGMA方案，相比于傳統SIGMA方案也做到了時延和丟包率的優化。

然而，隨著NGEO衛星網絡中切換速度的加快，SIGMA的性能仍然會下降，因此其在IP/NGEO衛星網絡中的應用也存在一定的改進空間。

3 衛星網絡移動性管理技術研究展望

衛星網絡中的移動性管理技術主要借鑒了地面移動性管理技術，但衛星的功率、星上處理能力等客觀因素限制了衛星無法達到地面站的信息承載能力，因此移動性管理中涉及的本地代理等集中式處理單元往往只能布置在地面站上，所有到達移動節點的流量都需要通過集中式處理單元，往往會造成次優路由問題，同時地面站的布設往往受地理、政治等因素影響，基本無法做到全球覆蓋；另一方面，衛星與地面站之間的頻繁切換將產生大量的綁定更新信令，這些對網絡的吞吐量和覆蓋性產生了很大限制。因此，衛星網絡移動性管理技術還可以從以下幾個角度展開相關研究。

3.1 基于服務功能鏈的移動性管理

衛星通信網絡因為其高可靠性和大容量的特點，具備提供高質量通信服務的能力，因此將在空天地一體化網絡中扮演重要角色。未來的衛星通信網絡中NGEO衛星數目將持續增長，因此需要開發出更為高效的移動性管理技術以降低系統的管理開銷。軟件定義網絡(Software Defined Networking,SDN)等新型網絡技術的出現為解決該類多源異構網絡的移動性管理問題帶來了新的解決方案。文獻[46-48]在SDN的基礎上探索了軟件定義衛星網絡(Software Defined Satellite Network,SDSN)架構，在減少地面站數量的情況下實現了實時、快速的網絡配置部署，極大地促進了無縫移動性管理的實現。周佳琦等人[49]在無人機自組網方向上提出了基于SDN的高效自適應路由維護機制，利用SDN實現了基于距離估計的自適應轉發策略，根據無人機節點的歷史流表項信息估算并選擇時延最低的方案轉發流表項缺失數據包，同時在路由維護過程中采用了基于周期回復的消息聚合策略，減少了控制包的發包次數，同時降低了數據包傳輸時延和網絡控制開銷。其工作表明SDN應用于網絡路由策略制定時具有重要意義，也具有應用于衛星網絡的潛力。時永鵬在文獻[50]中提出了一種基于SDN空天地一體化網絡架構，該架構由衛星網絡域、空中網絡域和地面網絡域組成，不同的網絡域需要不同的SDN控制器負責管理和分配網絡資源。要實現這樣的目標，需要將SDN與網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)技術相結合。

服務功能鏈(Service Function Chains,SFC)是SDN/NFV架構下的一種組合多種虛擬網絡功能(Virtualization Network Function,VNF)以管理網絡的新興技術，其中VNF的組合方式需要參考業務邏輯的需求，可以隨著業務邏輯的改變而進行動態重構。如當地面網絡發生擁塞時，兩個地面終端之間的通信鏈路可以自動由地面網絡切換至衛星網絡實現通信，從而顯著提升網絡性能?，F有的諸多研究主要針對網絡端到端時延、資源分配等優化問題，圍繞SFC在特定場景和需求下的動態編排求解問題而展開，尚未有人對天地一體化網絡架構中的移動性管理問題展開研究。如何在這種在SFC的動態編排中考慮實現高效的移動性管理，是未來值得研究的方向。

3.2 面向5G/6G的移動性管理

5G包含了增強移動寬帶、海量機器類通信和超高可靠低時延通信三大應用場景，對于無法發展地面網絡的偏遠地區，要實現這些應用場景離不開NGEO衛星的支持，同時天地融合發展也被公認為未來6G網絡的重要特征，因此衛星網與地面5G/6G網絡的互聯互通是必然要求。但同時，將衛星與5G/6G集成也面臨著高傳播延遲和損耗、頻譜稀缺、大多普勒效應等挑戰?，F有的移動性管理技術更多的是從節省管理信令開銷的角度進行優化，隨著未來衛星網絡的進一步發展，星座中衛星數量的進一步增多，這樣的優化不可或缺。但同時也需要從這些挑戰入手，通過有效的移動性管理技術減弱這些挑戰對系統性能的影響，如在考慮衛星傳播延遲的情況下調整衛星位置更新的時間周期，實現更為精確的位置管理等。面向5G/6G更高的通信速率和更低的延遲需求，也需要設計更為合理的、可以與其他衛星星座聯合工作的衛星星座構型，并針對特殊的星座構型設計有效的移動性管理方法也是未來值得研究的方向之一。

3.3 跨層移動性管理

傳統的移動性管理技術往往是針對于開放式系統互聯(Open System Interconnection,OSI)模型中的某一個協議層加以優化，鮮有針對網絡、鏈路、傳輸層的聯合性能優化，跨層的移動性管理可能成為未來IP/NEGO衛星網絡新的研究方向；同時，跨層優化也需要考慮與當前的底層頂層協議的兼容性問題，在未來可以考慮結合博弈論、深度學習等理論或技術實現在不同層之間的聯合優化。

3.4 大規模衛星網絡移動性管理

由于低軌衛星相對于中、高軌衛星具有低時延、低功耗等優點，因此成為了未來發展衛星網絡的重要陣地。但由于低軌衛星覆蓋范圍較小，因此需要發射大量的低軌衛星形成大規模衛星星座才能保證衛星網絡的全球覆蓋性。美國SpaceX的“星鏈”(Starlink)是一個計劃擁有12 000顆(有可能擴展到42 000顆)衛星的星座，該星座目前已經發射了大約1 000顆Ku/Ka頻段衛星。與SpaceX一樣，美國亞馬遜、加拿大的Telesat、英國的OneWeb等都在計劃部署自己的大規模衛星星座。如何根據大規模衛星網絡特性設計新的移動性管理協議，以減少系統的位置管理和切換管理開銷也值得進一步研究。

4 結束語

衛星通信網絡作為未來天地一體化網絡中的重要組成部分，是未來各國信息網絡建設的重要陣地。低軌衛星網絡具有低延遲、低功耗等優點，對于未來發展寬帶通信具有重要意義，但低軌衛星網絡又有其固有的高動態性，網絡拓撲高速變化，為了保證通信過程中的通信雙方能夠通過衛星網絡準確建立起會話，需要對衛星網絡進行有效的移動性管理。另一方面，隨著不同軌道高度衛星數量的增多，地面終端將與衛星之間產生更為頻繁的切換和位置更新開銷，且這些信令通過大規模星間鏈路進行全局廣播時會進一步造成更多的廣播開銷，這些開銷將對星上負載能力產生挑戰。因此，移動性管理的開銷優化問題將成為未來重要的研究方向。