協同控制下的空間信息網絡簡單虛擬局域網構想

程禹，胡維多

北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191

協同控制下的空間信息網絡簡單虛擬局域網構想

程禹，胡維多*

北京航空航天大學 宇航學院，北京 100191

針對空間信息網的組網實現問題，考慮衛星通信網絡的長時延、動態性、資源受限等網絡特性，提出了一種協同控制下的虛擬局域網組網構想：首先，通過將空間信息網絡劃分成多個虛擬局域網的方法分割空間廣域網，減輕星載計算機的信息處理負擔和帶寬資源的無謂損耗。其次，基于一致性算法，在協同控制律中加入路由算法實現虛擬局域網內節點衛星信息的兩兩聯通，提高空間信息網絡的可靠性和協同處理性能，將這種時變時滯協同控制律應用在空間信息網結構中能夠實現空間強連通組網，應用于單個衛星上則可以實現關鍵節點衛星的冗余備份和負載均衡。最后，模擬仿真空間信息網框架結構和冗余節點虛擬局域網，在50 s內迅速實現預定軌跡收斂，且收斂后具有較為穩定的星間時延，從而驗證了方案的可行性。

虛擬局域網；空間信息網；協同控制；一致性算法；路由算法；組網

作為中國“十三五”規劃(2016-2020年)的重要項目之一，天地一體化信息網絡以其較高的實用價值和重大的戰略性意義，正越來越成為領域內的研究重點與研究熱點。相比于成熟的地面通信網絡，空間信息網存在長星間鏈路引起的高傳播時延，大空間跨度等導致的高誤碼率，衛星在軌運行帶來的拓撲結構動態性，以及由平臺能力、頻譜資源制約的星上功率和帶寬等技術難題1]，其實現技術仍然處于探索的初級階段。

目前的空間信息網實現技術主要分為主從控制下的多層星座組網和協同控制下的點對點(ad-hoc)自組網。傳統主從控制的多層星座組網是當下主流的空間信息網實現方式，這種方法通過先單獨設計通信衛星星座再加以星座間、層間疊加的方式實現星間網絡的互聯互通，擁有合理的構型和通信時延；但它沒有考慮有限的衛星網絡數據處理能力，傳統主從控制方法協同性能的不足也使系統缺乏穩定性，控制成本提高2-5]。特別地，文獻6]在多層星座組網的基礎上提出將天基網絡作為傳輸節點，將數據處理中心分布式地布置在地面的實現方法，有效地緩解了星載計算機處理能力不足的缺點，但是數據在天地網絡間往返帶來的通信時延卻難以忽視。Ad-hoc自組網采用分布式組網和控制的實現方法，具有較強的抗毀自愈能力，同時兼備一定的安全性，可以很好地適應空間網絡的高動態性；但其覆蓋范圍有限，空間數據傳輸需要經過多跳路由轉發，極大增大了傳播時延，影響信息的時效性7-9]。

因此，本文借鑒地基網絡虛擬局域網的組網和實現技術10-11]，提出一種將空間信息網劃分為多個簡單虛擬局域網的空間組網構想，并在基于一致性算法的協同控制律中加入路由算法，實現并加強了對空間虛擬局域網的協同控制效果，能夠應用于天基網絡的強連通組網、衛星燃料的節約優化、星載計算機的協同運算等方面，在一定程度上為中國空間信息網的實現技術提供了一種較新的思路。

1 空間虛擬局域網的構型構想

在天地一體化信息網絡中，一種常見的設計方案是采用地球靜止軌道(Geostationary Orbit，GEO)通信衛星星座(包括3顆地球靜止衛星)和低軌道(Low Earth Orbit，LEO)通信衛星星座(包括數十顆衛星)作為天基網絡的骨干傳輸網，同時以GEO星座兼作與地基網絡通信的終端接入網3]。本文擬采用此構型作為空間虛擬局域網(Virtual Local Area Network，VLAN)的骨干接入網絡。

1.1 GEO層空間虛擬局域網的結構構型

GEO層骨干網絡作為連接天地通信網絡的網關層，通信負載較重，一般不再接入空間VLAN。但是單顆GEO衛星的可靠性十分有限，一旦某一顆衛星出現故障，往往會導致天基網內部、天地網絡之間等多方通信中斷，出現網絡癱瘓的情況。為了防止這種意外的出現，提高通信的可靠性，需要在GEO星座的每顆衛星周圍構建相對穩定的衛星編隊組成冗余備份VLAN，作為冗余網絡節點的同時，也可以實現信息的協同處理，如圖1中VLAN 1～3所示。

骨干網絡是天基網絡的主要交換和傳輸通道，如果所有骨干網衛星存在于一個廣播域內，那么數量龐大的廣播幀必將影響網絡的傳輸性能。為了減輕骨干網絡不必要的廣播負載和星載計算機運算能力的無謂消耗，考慮到骨干網絡的穩定拓撲，擬將LEO層通信衛星星座劃分為一個個單獨的骨干網VLAN，再分別接入GEO層通信衛星星座VLAN 8，相鄰星座間的相鄰衛星屬于同一VLAN以減少域內信息交換時延，如圖1中VLAN 4～7所示，骨干網VLAN間通過匯聚鏈接組成穩定的互聯互通的雙層網絡拓撲結構。

圖1 GEO虛擬局域網結構Fig.1 Structure of GEO virtual LAN

1.2 LEO層空間虛擬局域網的結構構型

LEO層骨干網絡承載著空間絕大多數VLAN連接，需要穩定規律的接入鏈接和信道帶寬。理想情況下，節點衛星直接連接信號范圍內的骨干網訪問接入點(AP)驗證身份、接入相應的VLAN網絡，如圖2的VLAN 1所示。對于拓撲變化較快，或者臨時性較強的衛星群，可以考慮通過組建Ad-hoc網絡的模式組成VLAN進行通信，如圖2的VLAN 2所示。對于某些負載較重的LEO層骨干網節點衛星，也可以配置冗余備份VLAN實現節點備份和負載均衡，如圖2的VLAN 3所示。

圖2 LEO虛擬局域網結構Fig.2 Structure of LEO virtual LAN

但是考慮到目前衛星處理能力有限，為了減輕骨干網衛星的數據傳輸壓力，采用層次化網絡的方法為拓撲較為穩定的VLAN設計三層模型結構實現結構構型。選舉負載能力較強的節點衛星作為核心層交換機接入VLAN范圍內的骨干網衛星，VLAN內一部分關鍵節點衛星接入核心層衛星，作為匯聚層交換機；VLAN內的其余節點衛星屬于接入層，通過關聯匯聚層交換機接入網絡。在這種設計中，骨干網衛星和核心層節點衛星僅提供高速連接和最優傳輸路徑，安全、路由、流量負載等策略由匯聚層衛星實施，有效地減小了骨干網衛星的負載壓力，如圖2的VLAN 4所示。

2 含路由算法的時滯時延協同控制算法

為了實現上述空間信息網的VLAN組網構型，考慮VLAN對域內衛星相對位置的要求，衛星的控制算法需要同時具備一定的協同性。本文擬采用一致性算法實現對VLAN域內節點衛星的協同控制。

(1)

由于在信息交互的過程中存在路由算法等協議，在VLAN組網的過程中，星載計算機需要實時計算信息的路由選擇，加上信息在星間鏈路上的傳播時延，必定會對計算帶來較大的時變時延，所以需要設計存在時變時滯的一致性算法。對于簡單的衛星VLAN結構，可以使用簡潔高效的Floyd路由算法12]。

假設局域網成員的路由表都能夠及時更新，每個成員實時廣播自己的位置信息，則將本節點到其他節點的相對距離作為網絡消費權值，寫入鄰接矩陣A中得到加權鄰接矩陣B；將得出的加權鄰接矩陣B帶入Floyd路由算法中，計算出本節點數據傳輸到其他節點的最短距離和路徑選擇，MAC地址指向下一跳衛星路由；此時其他成員的路由表已經更新，僅需查詢路由表得到之后的路徑選擇即可。綜合Floyd算法的計算時間和信息在最優鏈路上的傳播時間，得到最終時變時滯時延。時延表達式為

(2)

式中：τij為衛星i和衛星j之間的時變時滯時延；tr為路由器建立路由表帶來的時延；dij(t-ta)表示上一時刻t-ta時對應路由表中衛星i和衛星j之間的最優鏈路距離，c=2.997 9×105km/s表示電磁波在空間的傳播速度；ns為該條路徑上的衛星數目；ts表示星上交換和星上處理所需的時間，假定為1ms。

同時，由于利用路由算法得出了每對節點衛星間的路由選擇，相當于所有節點之間都可以相互通信，則可以認為編隊虛擬局域網的信息拓撲圖是強連通的，即鄰接矩陣A=aij]變為對角線元素為0，其余元素都為1的強連通鄰接矩陣B=bij]。

將式(2)帶入式(1)中，得到空間VLAN含路由算法的時滯時延一致性算法公式為:

(3)

在空間VLAN組網系統中，協同控制算法的應用需求廣泛。總結下來主要可以分為如下3種情況：

1)構建和維護空間信息網骨干網絡。空間信息網骨干網絡采用激光通信技術，其高度聚集的激光光束對于節點衛星的相對位置等有較為嚴格的要求，需要使用一致性算法對骨干網涉及的衛星星座加以協同控制。一般按照VLAN劃分實現域內協同控制，如圖1的VLAN4～7；衡量骨干網衛星星載計算機的計算能力，最多可實現整個骨干網絡的協同控制。

2)為關鍵衛星置備冗余節點。這種情況下衛星節點間的距離一般比較小，可以使用相對運動(Clohessy-Wilshire)方程描述冗余節點衛星相對于關鍵衛星的運動，并在控制力中加入一致性算法實現協同控制，如圖1的VLAN1～3所示。

3)組建信息拓撲結構穩定的空間VLAN子網。類似于第二種情況，將參考節點換為提供接入點的骨干網衛星即可。如果此VLAN采用三層模型結構，則需要分別以核心層衛星和匯聚層衛星為參考節點進行兩次編隊協同控制，如圖2的VLAN1和VLAN4。

3 協同控制任務的仿真與分析

本文以仿真天基骨干網和備置GEO衛星冗余節點的任務為例，實現空間信息網骨架VLAN結構的構建，以衛星節點間的位置信息驗證VLAN的協同處理功能，以衛星節點間的通信時延衡量VLAN系統的網絡性能。

3.1 空間虛擬局域網的參數和構型

對于冗余備份VLAN，選取與參考GEO衛星距離較近的5顆閑置衛星為繞飛衛星，為了顯現協同控制算法的控制效果，需要變軌實現環繞參考GEO衛星的編隊構型。擬定構型構成半徑為5km的圓軌道，5顆繞飛衛星均勻分布在此編隊軌道上。假設已知5顆繞飛衛星和參考GEO衛星初始時刻的軌道六要素如表1的編號1～6行所示。

由于變動前后的衛星軌道都是圓軌道或者近圓軌道，信息拓撲結構比較穩定，則選取固定無向拓撲圖表征衛星編隊局域網的信息拓撲。為了方便協助參考GEO衛星處理數據和信息交互，假設繞飛衛星與參考衛星之間都存在星間鏈路，則參考衛星對于繞飛衛星信息傳輸的路徑選擇有較大影響。將參考GEO衛星列入拓撲結構，假定衛星編隊飛行過程中，局域網內衛星之間的信息拓撲如圖3所示，1～5表示繞飛衛星，6表示參考GEO衛星。

表1 節點衛星的軌道六要素

圖3 衛星編隊信息拓撲結構Fig.3 Communication topology of the satellites

則此GEO衛星編隊的鄰接矩陣為

式中：第i行、第j列元素aij表征衛星i和衛星j之間的通信關系：aij=1表示衛星i和衛星j之間存在星間鏈路；aij=0表示衛星i和衛星j之間不存在星間鏈路。

對于骨干網VLAN簇，擬使用3個長半軸為8 000km、由8顆衛星均布而成的LEO衛星星座和1個3顆衛星均布的GEO衛星星座。24顆LEO星座群以鄰近關系劃分為4個VLAN，記為VLAN1～VLAN4；GEO星座記為VLAN5。簡單起見，LEO星座VLAN的拓撲結構與冗余備份VLAN相同；GEO星座VLAN拓撲結構強連通；LEO星座4個VLAN域內的所有衛星分別擁有相同的初始位置，對應4個初始位置的軌道6要素如表1中編號7～10行所示。

3.2 軌道動力學模型

對于冗余備份VLAN，定義參考質心軌道坐標系Oxyz，原點固連在GEO衛星質心，Ox軸取為參考星的地心矢徑方向，Oz軸沿參考星軌道面法線正向，Oy軸與Ox軸、Oz軸組成右手直角坐標系。由于GEO衛星運行軌道為圓軌道，則選用C-W方程描述衛星間的相對運動13]。在Oxyz坐標系中，忽略除地球中心引力外的攝動力，為了方便表示，建立相對運動動力學方程的矩陣形式：

(4)

(5)

3.3 協同控制器設計

冗余備份VLAN和骨干網VLAN群都需要設計基于一致性算法的協同控制器來減輕VLAN域內衛星的數據處理壓力，提高星間信息的協調管理。文獻14]中提出了基于一致性算法的多智能體線性協同控制律：

局域網內編隊飛行結構的二階線性一致性算法控制律為:

(6)

式中:K為控制增益矩陣。將式(6)分別帶入式(4)和式(5)，即得到完整的軌道動力學方程。

3.4 仿真結果與分析

假設所有虛擬局域網編隊的成員都可以獲得所有成員的期望狀態信息，那么根據編隊軌道動力學模型，取正定增益矩陣G=diag(2,2,2)，控制增益矩陣K=diag(10,10,10)，所有衛星質量設為500kg,得到GEO冗余備份VLAN的協同控制結果如圖4所示；骨干網協同控制結果如圖5所示，這里只截取了LEO層的VLAN1～VLAN4，圖5中左上角6顆衛星屬于VLAN1，右上、左下、右下角6顆衛星分屬VLAN2～4。以GEO冗余備份VLAN為例，取時間為橫坐標，繞飛衛星i相對于繞飛衛星j的總路徑時延為縱坐標，可以得到繞飛衛星i、j之間的時變時滯時延的變化曲線，這里給出繞飛衛星1相對于繞飛衛星2到5的時變時滯時延變化曲線，如圖6所示。

圖4 GEO冗余備份VLAN衛星運動軌跡Fig.4 GEO redundant satellites′ trajectories

圖5 LEO骨干網VLAN衛星運動軌跡Fig.5 LEO backbone VLAN satellites′ trajectories

圖6 繞飛衛星1相對于其他繞飛衛星的時延Fig.6 Satellite 1′s delay relative to other satellites

從空間信息網VLAN結構的仿真結果(如圖4和圖5)可知，本文設計的含路由功能的時變時滯一致性算法具有較好的協同控制性能，節點衛星擁有良好的收斂軌跡，能夠快速地進入預定軌道。從節點衛星間的時延圖像(見圖6)可以看出，域內衛星具有較快的收斂速度，收斂時間約為50s；衛星間的時延比較小，介于1.015ms與2.035ms之間，拓撲結構穩定后系統的時延抖動小于0.003ms。對比文獻16]仿真結果可得，本文提出的虛擬局域網組網方案具有一定的合理性和可行性。

4 結束語

本文提出了一種加入路由功能的時變時滯協同控制律下的空間虛擬局域網組網方法。針對衛星通信網絡的長時延、動態性、資源受限等缺陷，將虛擬局域網技術應用于空間信息網絡，設計了基于GEO/LEO雙層星座的空間虛擬局域網組網構型。考慮實際通信情況，將路由算法等通信協議帶來的時延和信息的傳播時延引入到虛擬局域網系統的協同控制律中，使控制算法更具真實性、更有工程實踐效果；同時，路由算法等協議的引入，也讓協同控制算法不僅僅局限于鄰接矩陣提供的信息耦合，使所有成員的狀態都參與到對彼此的協同控制中，增強了虛擬局域網系統的協同性，提高了控制算法的控制精度。模擬仿真天基骨干網VLAN簇和GEO冗余備份VLAN的實例表明，使用含路由算法的協同控制律能夠實現空間虛擬局域網組網，具有較小的時延和時延抖動，表現出良好的協同性，論證了組網方案的可行性。

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(編輯：車曉玲)

A conception of VLAN spatial networking under cooperative control

CHENG Yu，HU Weiduo*

SchoolofAstronautics，BeihangUniversity，Beijing100191，China

Based on long time delay，high dynamic nature，and limited resources of the satellite network,a space virtual local area network(VLAN)division method under cooperative control was proposed to implement spatial information network.Firstly，to improve the utilization rate of satellite bandwidth and computing resources，satellite network was divided into several VLAN. Secondly，the routing algorithm was combined with consistency algorithm to achieve higher reliability in satellites′ mutual connection and communication. When applied to spatial satellite network，the algorithm can achieve strong connectivity between each node；when applied to a single satellite，it can help in intra-area load balance and redundant backup. Finally, examples were given to demonstrate the effectiveness of the proposed algorithm for both space network and a single satellite.The results show that all satellites can convergence to their planned orbit in 50 seconds and the network can achieve a stable space structure.

virtual local area network；spatial information network；cooperative control；consistency algorithm； routing algorithm；networking

10.16708/j.cnki.1000-758X.2017.0003

2016-05-18；

2016-08-26；錄用日期：2016-11-24；

時間：2016-12-27 11:18:09

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/11.1859.V.20161227.1118.001.html

程禹(1992-)，男，碩士研究生，chengyua3798@163.com，研究方向為導航制導與控制

*通訊作者：胡維多(1965-)，男，教授，weiduo.hu@buaa.edu.cn，研究方向為小行星運動和衛星控制系統故障仿真

程禹，胡維多. 協同控制下的空間信息網絡簡單虛擬局域網構想J].中國空間科學技術，2017，37(1)：11-18.CHENGY，HUWD.AconceptionofVLANspatialnetworkingundercooperativecontrolJ].ChineseSpaceScienceandTechnology，2017，37(1)：11-18(inChinese).

V57;TP393

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http:∥zgkj.cast.cn