基于星間網絡拓撲技術的星間鏈路優(yōu)化設計

(榆林學院 數學與統(tǒng)計學院，陜西 榆林 719000)

0 引言

星間鏈路是用于實現(xiàn)衛(wèi)星間傳輸通信的鏈路組織，與普通上、下行鏈路不同的是，這種結構的兩端傳輸組織全部為衛(wèi)星。因此，也被認為是一種特殊的衛(wèi)星鏈路連接形式。星間鏈路也叫交叉鏈路或星際鏈路，可用于實現(xiàn)不相鄰衛(wèi)星之間通信鏈路的構建，進而促進拓撲信息的交流的互換。在特定情況下，星間鏈路可連接不處于同一軌道的多顆衛(wèi)星結構體，形成一個以衛(wèi)星組織作為圓心節(jié)點的空間通信網絡主體[1-2]。根據所承擔傳輸任務的不同，可將星間鏈路分為同種軌道、不同軌道和復合軌道三種類型。其中，同種軌道星間鏈路的網絡位置相對固定，但節(jié)點所覆蓋的星間區(qū)域面積較小，拓撲傳輸受到較強的限制作用；不同軌道星間鏈路的網絡位置極難固定，節(jié)點所覆蓋的星間區(qū)域面積分布廣泛，拓撲傳輸能夠保持自由應用狀態(tài)；復合軌道星間鏈路的網絡位置呈現(xiàn)嵌套狀態(tài)，節(jié)點所覆蓋的星間區(qū)域面積出現(xiàn)部分重疊，拓撲傳輸很難一次達到目的位置。

近年來隨著星間拓撲信息總量的增加，全鏈路組織面臨的傳輸壓力逐漸增大，造成滯留于衛(wèi)星組織中的交流數據持續(xù)累積，對星間網絡拓撲環(huán)境的構建造成極大壓力。為解決上述問題，普通星間鏈路結構通過調節(jié)節(jié)點位置的方式，提升全生命周期的承載能力，并以此達到支持衛(wèi)星單跳通信、雙跳通信同時存在的目的，為保持拓撲信道的傳輸特性能力提供保障。但根據過往應用經驗來看，這種方法的處理效果始終不能達到預期標準程度。為解決此問題，提出一種基于星間網絡拓撲技術的星間鏈路優(yōu)化方法，首先在傳感器節(jié)點的支持下，建立完善的拓撲演化機制，再以此為基礎，判斷鏈路優(yōu)化設計條件與流程的合理性。最后設計獨立性的對比實驗，突出說明優(yōu)化后處理方法的實用性能力。

1 星間網絡拓撲體系結構

星間網絡拓撲體系結構搭建是星間鏈路優(yōu)化設計的基礎環(huán)節(jié)，在網絡框架、拓撲演化機制等結構的支持下，其搭建操作可按如下流程進行。

1.1 網絡拓撲框架

星間網絡拓撲架構采取樹形連接形式，每個鏈路交換機可匹配到1或2層體系網絡(如圖1所示)，且所有交換機都可以在保持傳輸特性的基礎上，與傳感器節(jié)點保持互連關系。對于星間鏈路的子網體來說，網絡拓撲結構是具有穩(wěn)定性能的真實體系組織。滿足星間傳輸關系的網絡拓撲框架具有核心交換層、服務器層、數據鏈路層三級組織實體。其中，核心交換層中包含一定數量的傳感器節(jié)點，可實現(xiàn)星間網絡數據的定向交換，在拓撲設備保持全連接的情況下，該層組織可形成一個相對完善的小型星間鏈路體系[3-4]。服務器層由一臺星間鏈路信息中心組成，可最大限度調節(jié)網絡環(huán)境中的傳感器節(jié)點，使其逐漸趨于一種完全覆蓋的分布趨勢。數據鏈路層是網絡結構的集合平臺，作為拓撲框架的末級執(zhí)行結構，具備整合衛(wèi)星交換信息的能力，可按照星間網絡的拓撲要求，將信息數據傳輸至各級鏈路結構中。

1.2 星間傳感器節(jié)點結構

星間傳感器節(jié)點包含鏈路傳感模塊、拓撲處理模塊、連接通信模塊、能量傳輸模塊共4個物理組成部分，具體結構如圖2所示。鏈路傳感模塊負責監(jiān)測網絡拓撲區(qū)域內衛(wèi)星之間信息的采集及數據轉換情況，是數/模轉換傳感器單元的重要表現(xiàn)形式。拓撲處理模塊主要負責協(xié)調或控制各級星間結構組織間的信息傳輸工作，在存儲常規(guī)鏈路組織數據的同時，妥善分配其它節(jié)點結構發(fā)來的衛(wèi)星數據信息。連接通信模塊只負責與其它節(jié)點建立傳輸信道，用以實現(xiàn)星間網絡中的信息收發(fā)與交換轉存。能量供應模塊利用微型電池作為電能輸出裝置，可在規(guī)定傳輸時間內，提供星間傳感器節(jié)點所需的一切物理能量。由于節(jié)點組織始終應用電池供電的輸出方式，一旦總儲能量枯竭，節(jié)點也就失去了最初的拓撲傳輸能力。為節(jié)約鏈路優(yōu)化過程中的電能消耗量，所有星間網絡拓撲體系的硬件設備都保持低限度的耗能水平，例如CC2431芯片、A/D結構等。

1.3 拓撲演化機制

在真實的星間網絡環(huán)境中，拓撲演化機制采用BA無標度的搭建方式，是全局擇優(yōu)算法的縮略表達形式，可通過安排星間鏈路結構體隨機行走的方式，確定相鄰傳感器節(jié)點的位置信息。所謂BA無標度是指一個全新的星間傳感器節(jié)點可能以任意一個隨機位置作為起始點，通過面狀鋪開的方式，使鏈路結構體對不同衛(wèi)星交流信息進行瀏覽，進而將所有性能相似節(jié)點歸結到相同的鏈路組織中，以建立能夠滿足所有星間傳感器節(jié)點的超級鏈接[5]。根據作用效應原理不同，可將星間鏈路的拓撲演化機制分為發(fā)散狀、圓環(huán)狀、線狀、樹狀4大類(如圖3所示)。

圖3 拓撲演化機制分類

其中，發(fā)散狀拓撲演化機制具備一個獨立的星間鏈路指揮結構，即星間網絡中心；圓環(huán)狀與線狀拓撲演化機制都只包含星間結構體，但二者的基本分布排列方式不同；樹狀拓撲演化機制以一個網絡中心為主要結構，向下施行分級遞增的體結構排列方式，且下一級結構中星間結構體的無理數量通常為上一級的整數倍。

2 星間鏈路優(yōu)化設計的條件和流程

在星間網絡拓撲體系結構的支持下，利用基本鏈路結構，建立應用性優(yōu)化條件，實現(xiàn)星間鏈路優(yōu)化設計的條件與流程完善。

2.1 最基本的星間鏈路結構

(1)

表1 不同星間軌道鏈路衛(wèi)星間的距離 km

由表1可知，GPS鏈路衛(wèi)星之間的可見距離變化范圍最大，從最小值幾千公里到最大值幾萬公里，始終保持相對靈活的拓撲變化狀態(tài)。為在這樣的星間網絡拓撲結構中實現(xiàn)衛(wèi)星鏈路信息的準確傳輸，必須要對能進行拓撲轉變的鏈路結構體進行詳細分析，進而滿足所有鏈路環(huán)節(jié)的基本傳輸性能要求。

2.2 星間鏈路的優(yōu)化判斷流程

構建星間衛(wèi)星系統(tǒng)的拓撲鏈路大多是在滿足網絡動態(tài)搜索條件的前提下，能夠特性化符合空間凡何條件的最好衛(wèi)星結構體。通常情況下，選擇一顆狀態(tài)良好的星間網絡衛(wèi)星需要綜合考慮多方面因素，但因拓撲結構體的空間分布條件相對不受限，故整個星間網絡中鏈路及衛(wèi)星的選擇可以是多樣性的，即任意一顆鏈路衛(wèi)星結構體都可能作為整個星間網絡環(huán)境中的目標連接對象[6-7]。事實上星間鏈路結構的優(yōu)化設計受到多方條件的限制和影響，在一條隨機拓撲軌道運行周期內，與任意一顆鏈路衛(wèi)星保持可見關系的衛(wèi)星集合并不一定包含在相鄰星間組織體系中，同時由于鏈路影響因素的存在，在與星間網絡中心相鄰的拓撲空間內，星間鏈路衛(wèi)星的凡何特性能夠在短時間內得到滿足。

其次，即使星間網絡拓撲體系中，所有衛(wèi)星結構體的存在條件都能得到滿足，也不能使鏈路組織的凡何特性約束條件時刻保持不變，但隨著衛(wèi)星運行時間的延長，遵照此法建立的星間鏈路優(yōu)化結構可抑制其它閉合網絡拓撲環(huán)的出現(xiàn)，而這些拓撲環(huán)之間卻并不存在明顯的交集節(jié)點位置，不能在空間網絡環(huán)境中形成交互性環(huán)節(jié)，這也是導致星間鏈路體不會出現(xiàn)全連通傳輸狀態(tài)的主要原因。此外，星間鏈路中所有衛(wèi)星結構的傳輸性能都不能一直維持，為促進網絡結構的快速成型，鏈路體需要不斷的重復動態(tài)連接與動態(tài)斷開操作，直至網絡鏈路中心能夠準確掌握星間鏈路衛(wèi)星的裝備性傳輸需求。

為清晰反應星間鏈路的優(yōu)化判斷流程，可將其總結為如下幾個關鍵步驟：

1)利用網絡鏈路中心計算星間網絡環(huán)境下的衛(wèi)星體的傳輸軌道周期；

2)通過節(jié)點分布條件判斷星間網絡中的鏈路結構是否滿足衛(wèi)星連接需求；

3)在已成型的衛(wèi)星傳輸軌道周期性集合內，搜索滿足星間網絡拓撲連接標準的數據信息結構體；

4)判斷并檢查集合中是否有滿足多項星間鏈路傳輸需求的物理結構項；

5)統(tǒng)一星間網絡中鏈路結構體的軌道拓撲周期，并根據衛(wèi)星體的相對傳輸條件，確定連接角速度、線速度等具體指標的數值結果；

6)最后整合上述所有數值計算結果，完成星間鏈路的優(yōu)化判斷。

2.3 優(yōu)化設計的建立條件

星間鏈路優(yōu)化設計的建立條件主要圍繞消除對流層與電離層間的延遲影響進行。對于軌道高度基本持平的衛(wèi)星結構體來說，星間鏈路組織的構建必須考慮地球的物理遮擋作用。常規(guī)情況下，地球對星間鏈路結構體的遮擋原理如圖4所示。

圖4 星間鏈路結構體遮擋原理示意圖

如圖4所示，K、K′是星間網絡中存在的兩顆任意鏈路衛(wèi)星，o為地球的球心所在，r為地球的體半徑|KK′|代表兩顆衛(wèi)星之間的物理距離，過球心o作連接|KK′|的垂線，垂足所在位置為E。為滿足星間鏈路組織中數據傳輸通信的順利進行，應消除對流層、電離層間遮擋影響在衛(wèi)星軌道高度的基本關系可表示為：

(2)

2.4 星間鏈路的優(yōu)化設計

2.4.1 靜態(tài)鏈路優(yōu)化設計

假設星間網絡拓撲結構中所有衛(wèi)星體都保持不動，而相對于地球而存在的空間結構始終保持運動狀態(tài)，在此條件下，對星間鏈路結構起到傳輸影響的固態(tài)組織即為靜態(tài)鏈路。從功能性角度來看，靜態(tài)鏈路必須具備匹配調節(jié)的能力，可根據空間結構的運動情況，調節(jié)網絡軌道中衛(wèi)星數據的傳輸速度，以保證整個星間鏈路體系中不出現(xiàn)明顯的信息或條件堆積行為，進而保證衛(wèi)星體能夠長時間維持相對穩(wěn)定的航行狀態(tài)。

2.4.2 動態(tài)鏈路優(yōu)化設計

假設星間網絡拓撲結構中所有衛(wèi)星體都保持連續(xù)運動，而相對于地球而存在的空間結構始終保持不動，在此條件下，對星間鏈路結構起到傳輸影響的固態(tài)組織即為動態(tài)鏈路[8]。相較于靜態(tài)鏈路結構，動態(tài)鏈路則不對節(jié)點的匹配調節(jié)能力設限，反而需要結構體自身能夠適應衛(wèi)星的旋轉運行狀態(tài)。在軌道夾角、線速度、角速度等物理條件均發(fā)生改變的情況下，處于動態(tài)鏈路中的衛(wèi)星體會隨空間結構繼續(xù)保持原有傳輸狀態(tài)，進而保證通信數據的穩(wěn)定傳輸。

3 星間信道的LDPC編碼

星間信道LDPC編碼是實現(xiàn)星間鏈路優(yōu)化的關鍵操作，在LDPC碼表示、矩陣構造、譯碼處理三個流程的支持下，其具體處理方法可按如下步驟進行。

3.1 LDPC碼表示

LDPC碼是一種具備線性拓撲功能的鏈路分組碼，可用于獲取與星間校驗矩陣構造相關物理數值條件。簡單來說，在星間網絡環(huán)境中，每一個鏈路結構體都相當于一個拓撲頭結點，隨著衛(wèi)星傳輸時間的增加，每個頭結點的傳輸趨勢都可由“一對一”逐漸轉變成“一對多”，即一個頭結點具備面向多個次級衛(wèi)星節(jié)點的疏導性傳輸能力，而這種單級面向多級的星間鏈路傳輸形式就是LDPC編碼[9]。當拓撲頭結點(鏈路結構體)進入星間網絡拓撲結構時，網絡鏈路中心會為其分配一個唯一的記錄方式，即LDPC頭結點，從該組織衍生出的編碼體會按照相互匹配要求，尋找次級節(jié)點(衛(wèi)星結構體)所在位置。多次重復上述操作，直至星間網絡拓撲環(huán)境中再也不存在獨立的節(jié)點條件為止，完成一次LDPC的編碼表示處理。

圖5 LDPC編碼表示原理

3.2 星間校驗矩陣構造

(3)

3.3 信道編碼的譯碼處理

4 優(yōu)化鏈路的仿真與應用

在Linux環(huán)境中，利用模擬主機建立星間網絡環(huán)境設計對比實驗，分別記錄應用星間網絡拓撲技術支持下的星間鏈路優(yōu)化方法前、后，相關數據指標參量的變化情況。

4.1 星間網絡環(huán)境構建

在兩臺相同的物理計算機中裝載相同的Linux 虛擬系統(tǒng)，控制接入時間，使兩臺主機保持相同的工作狀態(tài)，如圖6所示。

圖6 星間網絡環(huán)境檢測目標

當操作人員執(zhí)行變動指令時，計算機顯示器中的星間鏈路圖像發(fā)生改變，多次調節(jié)直至圖像完全信息后，打開makeagif軟件，將各項指標數據導入，生成與測試結果相關的數值曲線圖。

圖7 鏈路衛(wèi)星運行圖

4.2 全鏈路生命周期值

圖8反應了規(guī)定時間內，應用星間網絡拓撲技術支持下的星間鏈路優(yōu)化方法前、后，衛(wèi)星體全鏈路生命周期數值的變化情況。

圖8 全鏈路生命周期對比

分析圖8可知，隨實驗時間的增加，應用優(yōu)化方法前、后，衛(wèi)星全鏈路生命周期呈現(xiàn)完全不同的變化趨勢。應用優(yōu)化方法前，衛(wèi)星全鏈路生命周期在實驗前期出現(xiàn)小幅度上升，實驗中后期達到最大值，且能夠基本維持穩(wěn)定，穩(wěn)定最大值達到64 ms；應用優(yōu)化方法后，衛(wèi)星全鏈路生命周期呈現(xiàn)下降、上升交替出現(xiàn)的變化趨勢，最大值達到135 ms，其出現(xiàn)時間遠早于應用優(yōu)化方法前。由此可證，應用優(yōu)化方法提升星間鏈路衛(wèi)星全鏈路生命周期的假設成立。

4.3 WIT指標數值

提取makeagif軟件中有關衛(wèi)星WIT數值的具體參數，將其輸入至SpreadJS軟件繪制全新的參數表格(如圖9所示。)。已知WIT指標是反應星間網絡拓撲信道傳輸特性的重要物理量，常規(guī)情況下二者保持相同的變化趨勢。

圖9 WIT指標數值對比

分析圖9可知，隨著實驗時間的增加，應用優(yōu)化方法后衛(wèi)星WIT指標始終一直相對穩(wěn)定的波動狀態(tài)，且始終以70%作為變化中心值；應用優(yōu)化方法后衛(wèi)星WIT指標不具備明顯的變化趨勢，整個實驗過程中數值結果的極端差較大，缺乏良性規(guī)劃的能力。由此可證，應用優(yōu)化方法穩(wěn)定WIT指標，滿足星間鏈路信道傳輸特性的假設成立。

5 結束語

在不發(fā)生明顯外力作用的情況下，星間網絡始終維持相對穩(wěn)定的拓撲狀態(tài)，但隨著地球引力作用程度的增加，鏈路衛(wèi)星體開始出現(xiàn)明顯的波動行為，進而導致星間信道傳輸特性難以得到滿足。針對此問題，設計星間網絡拓撲技術支持下的星間鏈路優(yōu)化方法，從體系結構、信道編碼等多個角度達到提升衛(wèi)星全鏈路生命周期的目的，進而促進WIT指標快速區(qū)域穩(wěn)定，滿足星間鏈路信道組織的傳輸特性。