CC BY
196
Исследование протоколов маршрутизации в негеостационарных спутниковых системах
Рассмотрены негеостационарные спутниковые системы связи, проведен анализ современных публикаций, проведена классификация протоколов маршуртизации и выведены ключевые вопросы, определяющие эффективность протоколов маршрутизации, рассмотрено влияние рельефа и подвижности абонентов на передачу данных в спутниковой системе.
Таблица 1
Основные негеостационарные системы
Система Организация Тип созвездия Число спутников Высота (км) Минимальный угол подъема Покрытие (%) Межспутни-ковые связи
Iridium Motorola LEO 66 780 8.2 100 ла
Teledesic Teledesic Co. LEO 288 1375 40 100 да
Globalstar Global Star Co. LEO 48 1406 I0 83 да
Skybridge Alcatel LEO 80 1469 I0 86 нет
Celestri Motorola LEO 63 1400 16 73 ла
Spaceway Hughes GEO I6 35786 20 86 да
MEO 20 10352
Ключевые слова: негеостационарные спутниковые системы, маршрутизация, динамическая топология, маска углов подъема, хендовер.
Иванов В.И.,
аспирант МТУСИ, кафедра РТС,
Введение
Спутниковая связь началась с использования одиночных спутников на геостационарных орбитах. Более трех десятилетий геостационарные (ГЕО) системы предоставляли услуги телевизионного вещания и телефонии на дальние расстояния [1]. Несмотря на широкое использование, ГЕО системы не могут обеспечить низкую задержку распространения сигнала и покрытие полярных областей. В связи с этим большой исследовательский интерес привлекли негеостационарные (НГЕО) спутниковые системы, состоящие из среднеорбитальных (СО) и низкоорбитальных (НО) спутников. В табл. 1 перечислены некоторые существующие и предложенные системы [2].
Спутниковые системы разделяются на два класса: широковещательные (неинтерактивные, однонаправленные) и интерактивные (двунаправленные) спутниковые системы. В широковещательных системах наземный терминал только принимает данные. Из-за низкой энергетики линии от наземного терминала, обратный канал может быть организован через наземные линии.
Большинство предложенных НГЕО систем являются двунаправленными, так как затухание при распространении сигнала значительно ниже, чем в геостационарных системах. В отличие от систем с прямой ретрансляцией большинство современных систем включает в себя обработку сигнала на борту и межспутниковые линии.
НГЕО системы не только предоставляют доступ в !п1ете1. Они могут соединяться с наземными сетями и выполнять функции магистральной сети. Рис. 1 показывает пример гибридной сети, состоящей из наземной и спутниковой систем.
Терминалы в пределах доступности наземной сетевой инфраструктуры (например, наземная сеть А или В) подключаются к спутниковой системе через шлюзовые станции. Пользователи вне доступности наземных сетей подключаются напрямую (например, пользователь
Т-Сотт #6-2012
А и В). В дополнение к сетям с одной низкоорбитальной группировкой исследователи [8-11] предлагают спутниковые системы, состоящие из нескольких группировок, например, НО/СО или НО/СО/ГЕО, или НО/ГЕО. Совмещая несколько типов орбит, можно использовать лучшие свойства каждой из них.
Маршрутизация в НГЕО спутниковых системах.
Классические протоколы маршрутизации, такие как ОБРР и Щ работают на основе обмена информации во время изменения топологии сети [3]. Применение подобных схем в НГЕО системах, где топология меняется быстро и регулярно, создает огромные потоки служебных данных Поэтому был предложен ряд алгоритмов маршрутизации, учитывающих динамическую топологию спутниковых систем. Услов-
но они разделяются на две категории: централизованные алгоритмы, основанные на периодичности движения спутниковой группировки, и распределенные.
Основная идея алгоритмов первой категории — использование периодичности и предсказуемости орбитального движения спутников. Несколько схем подпадает под эту категорию. Самые используемые - это схема маршрутизации с динамической виртуальной топологией и протоколы с использованием виртуальных узлов [4]. В распределенных алгоритмах спутники самостоятельно рассчитывают таблицы маршрутизации, основываясь на информации реального времени о состоянии сети. Большинство распределенных протоколов очень адаптивны. Несмотря на адаптивность, алгоритмы требуют высоких вычислительных ресурсов и ставят под вопрос масштабируемость таблиц маршрутизации.
Негеостационарная спутниковая система Межспутниковые линии
Прямой пользователь А
рямой пользователь В
Наземная сеть А
Наземная сеть В
Рис. 1. Пример двунаправленной НГЕО спутниковой системы с межспутниковыми линиями
19
В дополнение, алгоритмы рассчитаны только на нахождение путей с минимальной задержкой, поэтому они не могут обеспечивать маршрутизацию с качеством обслуживания.
В свете важности качества обслуживания были проведены обширные исследования в области QoS маршрутизации. Ранние исследования проводились в области интеграции ATM со спутниковыми системами [5]. В ATM изначально заложены уровни качества обслуживания и идея вирту-альныхканалов. С бурным развитием Нете1при-ложений акцент сместился в сторону IP потоков данных. Поэтому современные исследования предлагают большое количество протоколов QoS маршрутизации для IP спутниковых сетей.
Джианг и Зонг [6] предложили алгоритм, разделяющий потоки данных на три класса: чувствительный к задержкам, к полосе пропускания, без гарантий качества обслуживания. В зависимости от класса алгоритм предоставляет пути с разным качеством обслуживания.
Алгоритм использует централизованную загрузку графа сети на спутники, расчет путей производится распределенным способом на каждом спутнике с помощью алгоритма кратчайшего пути. Пытаясь обеспечить заданное качество обслуживания, алгоритм может направить огромный поток данных по одному пути и вызвать серьезную перегрузку линий. Таким образом, алгоритм может нарушать балансировку нагрузки во всем спутниковом созвездии.
Карапантазис и др. [7] предложили распределенный алгоритм QoS маршрутизации. Потоки данных также разбиваются на три класса. Каждому классу соответствует единственный параметр при расчете маршрута: задержка линии, остаточная пропускная способность линии и количество скачков маршрута. При необходимости доставки пакета спутник-отправитель рассылает пакеты запроса маршрута по всей группировке. После получения ответного пакета, в котором содержатся маршруты для каждого класса, спутник определяет класс пакета и выбирает соответствующий маршрут.
Жанг и др. [8] предложили генетический алгоритм QoS маршрутизации. Для обеспечения качества обслуживания используется две метрики линий: задержка и остаточная полоса пропускания. Граф сети собирается на основе иерархического протокола состояния линий. Для описания протокола необходимо ввести определение плоскости спутниковой системы. Низкоорбитальная спутниковая сеть состоит из спутников вращающихся на разных орбитах одной высоты. Совокупность спутников одной орбиты называется плоскостью спутниковой системы. Связи спутников внутри одной плоскости никогда не отключаются. Сначала спутники плоскости рассылают состояния своих линий
20
одному из спутников плоскостей, который называется управляющим спутником плоскости. Затем управляющий спутник обменивается состояниями линий своих спутников с другими управляющими спутниками. После обновления графа сети используется генетический алгоритм для нахождения путей. Таким образом, авторы предложили иерархический метод сбора информации о состоянии сети. Применение генетического алгоритма в данном случае было не оправданным, так как путь с ограничением по задержке и полосе пропускания можно найти, исключив линии графа с недопустимо низкой полосой пропускания, а затем, применив алгоритм кратчайшего пути.
Жоу и др. [9] рассматривают QoS маршрутизацию в двухуровневой спутниковой сети, состоящей из низко- и среднеорбитальных группировок спутников. Граф сети представляется с помощью модели дискретного времени, т.е. движение спутников разбито на временные отрезки, на протяжении которых топология сети остается неизменной. В течении каждого отрезка времени среднеорбитальный спутник соединен с несколькими низкоорбитальными спутниками в области видимости. Среднеорбитальный спутник называется управляющим, а совокупность низкоорбитальных спутников - доменом управляющего спутника. Низкоорбитальные спутники отправляют информацию о состоянии своих линий (задержка и остаточная пропускная способность) своемууп-равляющему спутнику. С помощью модифицированного алгоритма кратчайшего пути управляющий спутник рассчитывает таблицу маршрутизации домена и передает обратно. Среднеорбитальные спутники с помощью протокола состояния линий рассчитывают таблицы маршрутизации своей группировки. Затем они обмениваются таблицами маршрутизации своих доменов и собирают все таблицы вместе, получая полную таблицу маршрутизации всей спутниковой системы.
Нишияма и др. [10] предложили алгоритм QoS маршрутизации с балансировкой нагрузки в двухуровневой спутниковой сети, состоящей из созвездия низкоорбитальных и геостационарных спутников. Перегрузки спутниковой сети неизбежны из-за неравномерного распределения абонентов на планете. Объединение нескольких спутниковых созвездий на разных высотах в одну сеть располагает огромным потенциалом решения проблемы перегрузок. Авторы предлагают подход, основанный на предсказании перегрузок. Спутники заранее сообщают, какие области перегружены. Область перегрузки задается окружностью с центром в координатах и радиусом в километрах. Обмениваясь подобной информацией спутники могут перенаправлять потоки данных от себя до области перегрузки.
В многоуровневой сети возникает существенная разница в задержке между связями внутри созвездия и между созвездиями. Непозволительно перенаправлять чувствительные к задержкам потоки данных наподобие VoIP на геостационарные спутники. Поэтому авторы предложили разделение трафика на три класса. Класс A —высочайший приоритет для потоков чувствительным к задержкам. Потоки класса A никогда не перенаправляются. Класс B — потоки чувствительные к полосе пропускания, в меньшей степени к задержкам, например, потоковое видео. Потоки класса B перенаправляются только в низкоорбитальном уровне. Класс С — отсутствие гарантий обслуживания. Потоки класса С можно направлять и на уровень геостационарных спутников.
Таким образом, авторы создали протокол балансировки нагрузки с учетом QoS требований. Ву и др. [11] предложили алгоритм QoS маршрутизации для двухуровневой спутниковой сети, состоящей из низкоорбитальных и среднеорбитальных спутников. Как и в алгоритме Жоу и др. используется концепция виртуальной топологии с объединением низкоорбитальных спутников в группы. Среднеорбитальные спутники вычисляют и распространяют таблицы маршрутизации. Авторы рассматривают QoS маршрутизациию с точки зрения ограничения задержки, полосы пропускания и вероятности потерь, но предложенный алгоритм может использовать и другие метрики. Задача нахождения пути по графу решается с помощью трех эвристических методов: оптимизация с помощью метода муравьиной колонии, оптимизация с помощью табу поиска, оптимизация с использованием генетического алгоритма. Топология и состояние сети предполагаются заранее известными. Авторы допускают периодическую централизованную загрузку графа сети с наземной станции на каждый спутник.
Авторы доказали что приведенные ими эвристические алгоритмы эффективнее алгоритмов поиска кратчайшего пути в плане перегрузок и вероятности потерь пакетов. Но алгоритмы требуют определенного времени схождения, которое иногда может превышать допустимые пределы.
Влияние подвижности абонента и рельефа на передачу данных в негеостационарной спутниковой системе
Управление подвижностью заключается в определении местоположения абонента и гарантированной непрерывной доставки данных. Состоит из двух элементов: обновление привязки абонента и доставка данных Привязка абонента заключается в привязке идентификатора
T-Comm #6-2012
Рис. 2. Рельеф местности ограничивает видимость спутников
маршрута к уникальному имени абонента. Идентификатор маршрута означает положение узла в системе и меняется, когда узел перемещается. Изменение положения узла делает предыдущую привязку устаревшей. Чтобы обновить привязку, подвижный узел должен отправить новый идентификатор маршрута в базу данных местоположений абонентов.
Существующие протоколы управления подвижностью, например, Mobile IP, обновляют местоположение узла при каждом переключении спутника или незначительном движении узла. Учитывая высокую подвижность НГЕО спутниковых систем, в особенности низкоорбитальных, применение существующих протоколов повлечет за собой отправку большого количества пакетов обновления местоположения. Чтобы обработать такое количество пакетов понадобится огромная пропускная способность и вычислительные ресурсы спутника. В конечном итоге система перестанет работать из-за проблемы масштабируемости. Так как переключений спутников не избежать, требуется разработка эффективных масштабируемых протоколов управления подвижностью.
В [12] авторы предложили схему управления мобильностью в независимости от переключения спутников. В предложенной схеме поверхность земли разделена на ячейки. Идентификатор маршрута связан с ячейкой, где находится абонент. Каждый абонентский терминал оснащен приемником GPS, чтобы определить свое местоположение. Обновление привязки идентификатора маршрута происходит только в случае, если узел покидает ячейку. Описанный способ уменьшает количество обновлений и соответственно увеличивает масштабируемость системы.
В предложенной схеме определяется только местоположение абонента. Спутники, с которыми связан абонент в определенные моменты времени, вычисляются с помощью законов орбитального движения. Также предполагается, что поверхность земли сферическая. Тем не менее, особенности рельефа влияют на линии видимости между спутниками и абонентом (рис. 2). В НГЕО системах предполагается, что абонент может видеть от одного до нескольких спутников.
В результате абонентский терминал может часто переключаться между разными спутниками. А если доступны сразу несколько спутников, то возникает вопрос, какой из них выберет абонентский терминал. Таким образом, необходимо учитывать топографию местности, в которой находится абонентский терминал, чтобы определить, через какой спутник абонент может получить данные.
Выводы
Рассмотрены протоколы маршрутизации в низкоорбитальных спутниковых системах. Рассмотрено влияние динамической топологии спутниковой системы, подвижности абонентов и рельефа местности на эффективность протоколов маршрутизации. Дальнейшим направлением исследований является разработка распределенного протокола маршрутизации с качеством обслуживания, использующего знание рельефа местности для определения спутника, обслуживающего абонента.
Литература
1. Волков Л.Н., Немировский Н.С., Шина-
ков Ю.С Системы цифровой радиосвязи. — М.: Экотрендз, 2005. — С. 374-376.
2. http://satellitemarkets.com.
3. Танненбаум Э. Компьютерные сети. — Питер, 2003. — С. 520-523.
4. Alagoz F. et d. Exploring The Routing Strategies In Next-Generation Satellite Networks — IEEE Wireless Communications, June 2007.
5. Sun J., Modiano E. Routing Strategies for Maximizing Throughput in LEO Satellite Networks — IEEE Journal On Selected Areas In Communications,
Vol. 22, No. 2, February 2004.
6. Jiang W., Zong P. QoS Routing Algorithm Based on Traffic Classification in LEO Satellite Networks — IEEE Wireless Communications, June 2011.
7. Karapantazis S., Papapetrou E, Pavlidou F. Multiservice On-Demand Routing in LEO Satellite Networks — IEEE transactionas on w'reless communications, vol.8, no.1, January 2009.
8. Zhang X, Ding L, Rao Y. QoS Routing by Genetic Algorithm for LEO Satellite Networks — 2009 Second International Symposium on Computational Intelligence and Design.
9. Zhou Y., Sun F. Zhang B. A Hierarchical and Distributed QoS Routing Protocol for Two-layered Satellite Networks — IMACS Multiconference on "Computational Engineering in Systems Applications"(CESA), October 4-6, 2006, Beijing, China.
10. Nshiyama H, Kudoh D., Kao N, Kadcwdki N Load Balancing and QoS Prov'sioning Based on Congestion Prediction for GEO/LEO Hybrid Satellite Networks — Proceedings of the IEEE | Vol.99, No.11, November 2011.
11. Long F., Sun F., Wu F. A QoS Routing Based on Heuristic Algorithm for Double-Layered Satellite Networks — 2008 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC 2008).
12. Tsunoda H. et al. Supporting IP/LEO Satellite Networks by Handover-Independent IP Mobility Management — IEEE JSAC, Vol. 22, no. 2, Feb. 2004.
RESEARCH OF ROUTING PROTOCOLS IN NONGEOSTATIONARY SATELLITE SYSTEMS
Ivanov Valeriy, Postgraduate student, Radiotechnical Systems Department, Moscow Technical University of Communications and Informatics,[email protected]
Abstract
Article presents analysis of routing protocols and key technical issues in nongeostationary satellite systems. Routing protocols were systematized. The issue of QoS routing, dynamic topology, subscriber mobility, terrain influence on elevation mask and handover strategies were studied.
Keywords: NGEO satellite systems, routing, dynamic topology, elevation mask, handover.
21
T-Comm #6-2012
