低轨卫星组网设计

一种面向低轨遥感星座的路由任务规划算法研究
齐星;柳震;梁家辉;肇启明;刘畅
【期刊名称】《电信科学》
【年(卷),期】2022(38)4
【摘要】为了解决遥感星座数据传输时效性差的问题,利用星间链组网,提出了一种适应于断续猝发特征星间网络的路由任务规划算法。

该算法以遥感卫星成像任务规划结果为驱动,结合卫星网络拓扑结构的时变性特点,改进基于快照序列的拓扑划分
方法,降低路由切换频率,减少链路切换代价损失。

并将卫星与地面站之间的路由看
作低轨遥感星座路由的一部分,在选择星地最短路由路径的同时实现星地建链总时
长最大化。

仿真结果表明,该算法能够显著提升低轨遥感卫星星座的数据传输能力。

【总页数】9页(P30-38)
【作者】齐星;柳震;梁家辉;肇启明;刘畅
【作者单位】航天科工集团第三研究院航天科工海鹰卫星运营事业部
【正文语种】中文
【中图分类】TP393
【相关文献】
1.一种低轨卫星星座系统中的路由算法设计
2.一种基于反向探测的低轨星座路由算法
3.低轨星座卫星通信系统的路由算法研究
4.一种低轨卫星星座系统中的路由算
法设计5.低轨航空安全监视星座路由规划算法设计与仿真
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doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2021.04.004引用格式:熊韬,廖世文.一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术[J].电讯技术,2021,61(4):409-413.[XIONG Tao,LIAO Shiwen.A broadband transmission technology for LEO satellite communications[J].Telecommunication Engineering,2021,61(4):409-413.]一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术∗熊㊀韬∗∗,廖世文(广州海格通信集团股份有限公司,广州510663)摘㊀要:针对低轨卫星通信过程中功率受限的约束以及宽带业务需求的不断增长,研究了一种宽带传输技术㊂首先,分析了离散傅里叶变换扩频正交频分复用技术的宽带传输能力以及低峰均比特性;其次,进行了低轨卫星运动场景下的多普勒频移及采样偏差的分析,并在此基础上提出了一种低轨宽带通信的帧结构㊂仿真结果表明,该技术可有效抗低轨场景下的多普勒残留频偏且能完成高速率的传输任务㊂关键词:低轨卫星通信;宽带传输;离散傅里叶变换扩频正交频分复用开放科学(资源服务)标识码(OSID):微信扫描二维码听独家语音释文与作者在线交流享本刊专属服务中图分类号:TN927㊀㊀文献标志码:A㊀㊀文章编号:1001-893X(2021)04-0409-05A Broadband Transmission Technology forLEO Satellite CommunicationsXIONG Tao,LIAO Shiwen(Guangzhou Haige Communication Industry Group Co.,Ltd.,Guangzhou510663,China) Abstract:To deal with power constraint and increasing broadband service requirement,this paper proposes a broadband transmission technology for low Earth orbit(LEO)satellite communications.Firstly,the ability for broadband transmission and low peak-to-average power ratio(PAPR)of discrete Fourier transform spread spectrum orthogonal frequency division multiplexing technology(DFT-s-OFDM)are analyzed.Sec-ondly,Doppler shift and sampling bias are deduced in the LEO scenario,then a physical frame is designed. Simulation results show that the technology can complete high speed transmission task when most Doppler frequency shift has been removed.Key words:LEO satellite communication;broadband transmission;DFT-s-OFDM0㊀引㊀言低轨卫星通信系统凭借其运行轨道低㊁传输时延短㊁覆盖范围广及组网灵活等优势,可以在任意时间㊁任意地点和用户对接,让全球的用户享受全方位的通信服务[1]㊂正是由于上述优点,20世纪90年代末,以铱星系统为代表的低轨卫星通信迎来了发展热潮㊂但是限于当时卫星的制造㊁发射和运营成本高昂,同时地面基站的快速㊁低成本建设使得绝大多数场景对低轨通信的需求并不是十分迫切,因此在21世纪初低轨卫星通信遇到了发展瓶颈㊂近年来,随着低轨卫星通信成本的显著下降,以及地面高带宽㊁低时延的第五代移动通信(5G)技术的逐步商㊃904㊃第61卷第4期2021年4月电讯技术Telecommunication Engineering Vol.61,No.4 April,2021∗∗∗收稿日期:2020-05-20;修回日期:2020-09-01通信作者:beartao08@业化,一个以地面5G 为基础㊁低轨宽带通信为重要支撑的空地一体化通信的研究正在成为行业热点㊂正交频分复用(Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,OFDM)技术由于其宽带传输性能卓越而被5G 所采纳,但是由于卫星通信场景中发射功率受限的问题很突出,直接使用OFDM 体制会造成发射信号的峰均比过高,使得功率受限的低轨宽带通信系统很容易进入功放非线性区域,从而导致严重的带内非线性失真㊂而与OFDM 体制具有良好兼容的离散傅里叶变换扩频正交频分复用(Discrete Fourier Transform Spread Spectrum Orthogonal Fre-quency Division Multiplexing,DFT -s -OFDM)体制在能传输高速率数据的同时具有低峰均比特性,因此可作为较为理想的低轨宽带的传输体制㊂1㊀DFT -s -OFDM 体制OFDM 的调制过程可以使用快速傅里叶逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)方法来实现:x (k )=1NðN -1i =0X i e j2πik /N =N IFFT(X i )㊂(1)式中:X i 为OFDM 调制之前的符号,N 为IFFT 的个数㊂DFT -s -OFDM 技术是在OFDM 的IFFT 调制之前对信号使用DFT 获得频域信号,然后插入零符号进行扩频,扩频信号再通过IFFT 转换为时域信息,因此DFT -s -OFDM 本质上也是一种宽带技术㊂图1所示为DFT -s-OFDM 发送流程㊂图1㊀DFT -s -OFDM 发送流程由于DFT -s -OFDM 通过一个傅里叶和反傅里叶变换对,IFFT 变换后的输出为输入符号的加权叠加,使得DFT -s -OFDM 传输体制具有单载波独有的低峰均比(Peak -to -Average Power Ratio,PAPR)特性,此特性正好可以应对卫星通信过程中发射功率受限的场景约束㊂DFT -s -OFDM 体制的低PAPR 性决定了其在卫星通信的宽带业务上有着很好的应用前景㊂图2是16正交幅度调制方式(16QuadratureAmplitude Modulation,16QAM)下DFT -s -OFDM 与OFDM 的信号能量概率密度函数(Probability Density Function,PDF)分布图及累积分布函数(CumulativeDistribution Function,CDF)分布图的仿真结果,可以看出DFT -s -OFDM 的峰均比值明显小于OFDM 的峰均比值㊂在CDF 图中,若以信号能量分布小于10-6为标准比较DFT -s -OFDM 和OFDM 的峰均比,可以看出信号能量分布为10-6时,DFT -s -OFDM 对应的峰均比值为2.73dB,而OFDMA 对应的峰均比值为3.73dB㊂因此,OFDM 的PAPR 比DFT -s -OFDM 的PAPR 高2.7dB,这说明DFT -s -OFDM 相比OFDM 具有更低的PAPR㊂(a)PDF 分布图(b)CDF 分布图图2㊀16QAM 信号能量PDF 及CDF 分布图仿真2㊀低轨卫星与接收机相对运动对宽带波形产生的影响㊀㊀宽带信号的波形结构会随着低轨卫星和接收机之间距离的变化出现两个维度的影响:一个是相对㊃014㊃ 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年运动产生的多普勒频移,另一个是DFT 块的采样偏差㊂如图3所示,假设卫星所在轨道与地球质心的距离为R e ,接收机与通信卫星之间的距离为R p ,地球的半径为R 0,卫星速度是v s ,载波频率为f s ,信号带宽为f d㊂图3㊀多普勒偏移示意图接收机位于P 点,通信卫星位于S 点,两点相对于地心的夹角为α,α=v s t R e㊂(2)因此,接收机与通信卫星之间的距离为R p =R 20+R 2e -2R 0R e cos α㊂(3)由R psin α=R 0sin β(4)得到β=arcsin(sin αR 0/R p )㊂(5)因而,电磁波到达方向与卫星移动速度方向之间的夹角为θ=π2-β㊂(6)可知,多普勒频偏为Δf =v s cf s cos θ㊂(7)式中:f s 为载波频率,卫星速度是v s ,c 为光速㊂所以多普勒频移的变化率为αd =Δf t +Δt -Δf tΔt㊂(8)接收机与卫星之间的距离为ρt =(R e cos α-R 0)2+(R e sin α)2㊂(9)接收机和通信卫星之间的距离变化率为Δρt =ρt +Δt -ρtΔt㊂(10)同时,在接收机收到DFT -s -OFDM 信号时,接收机与发射机之间的距离变化会产生一定的采样偏差,所以每个DFT 块的最大采样偏差为τ=Δρtc ϕγ㊂(11)式中:ϕ=1/f d 为每个码片所占用的时间,γ=f d /n 0为一个DFT 信号所占用的码片长度㊂对上述推导进行数值仿真㊂仿真过程中,假定低轨卫星的运行速度为7.28km /s,仿真中用时间代替卫星的实际位置,讨论频偏㊁频偏变化率㊁每个DFT 块的最大采样偏差与卫星位置之间的相关变化曲线㊂如图4所示,低轨卫星在运行过程中产生的频偏最高接近400kHz,这么大的多普勒频偏通过频偏估计算法来补偿是不现实的,即信号在接收前需要进行预补偿㊂目前成熟的预补偿方式是通过卫星星历推算卫星的位置及接收机的位置信息推算大致的多普勒偏㊂这其中运算最复杂的是星历解算,一般的做法是通过卫星广播或者是网络定时(通常一天更新一次)传递参数给低轨终端或者低轨信关站并由其自行解算㊂目前国内 北斗 导航终端模块普遍采用这种方式且实时性都很好,并不十分耗资源㊂这种方式可以把多普勒频偏残差降至10kHz以下㊂图4㊀多普勒频偏随卫星位置变化的曲线图5的仿真结果表明,在设定足够长的时间(如图中7.5min)下一个OFDM 块会偏差0.02个码片,因此在循环前缀(Cyclic Prefix,CP)的长度设计上必须大于该值㊂㊃114㊃第61卷熊韬,廖世文:一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术第4期图5㊀每个DFT 块最大采样偏差变化曲线3㊀低轨宽带传输波形设计根据卫星信道的快速时变特性,低轨宽带信号可由同步信道和数据信道组成㊂同步信道用于卫星信号的快速捕获和失步后的快速同步;数据信道不仅用于数传,同时维护信道的同步和快速跟踪㊂这里数据信道代表一个数据时隙,每个时隙由4个DFT -s -OFDM 块组成㊂每个同步信道后跟随3个数据时隙,如图6所示㊂图6㊀低轨物理帧结构图由于接收到的信号存在多普勒频偏残差,数据信道的数据子载波映射的过程中需要插入导频㊂图7给出了在发送端插入导频的示意图㊂图7㊀导频插入示意图为应对不同传输速率的需求,本文设计了多档速率波形,具体参数见表1㊂表1㊀各档速率参数波形子载波带宽/kHz 总带宽/MHz 调制方式编码方式CP 长度/μs符号长度/μs 用户速率/(Mb㊃s -1)波形1200234QPSK Turbo 码0.156255.0265波形220023416APSK Turbo 码0.156255.0397波形320023416APSK Turbo 码0.156255.0596㊀㊀各档波形的仿真性能如图8所示,表明各档波形在多普勒频偏小于等于10kHz 的情况下均有较好的表现性能,低速率档下波形的抗频偏能力更强㊂由上一节的分析可知,低轨卫星在实际的运行过程中可以产生近400kHz 的频偏,但是通过星历补偿大部分频偏后,残留频偏值是小于10kHz 的,而上述仿真表明本文所设计的各档波形在频偏10kHz 时的解调性能下降1dB 左右,对实际使用影响不大㊂(a )波形1(b)波形2(c)波形3图8㊀各档波形的误比特率图4㊀结㊀论本文研究了低轨场景下的宽带传输方法㊂该方法利用DFT -s -OFDM 体制所设计的传输波形可以使得传输带宽优于200MHz,并且通过不同的调制编码组合实现265Mb /s㊁400Mb /s 和600Mb /s 的㊃214㊃ 电讯技术㊀㊀㊀㊀2021年多档传输速率,仿真结果表明在利用星历及接收机位置信息去除大部分多普勒频偏后,本文所提方法具有良好的实用性能㊂参考文献:[1]㊀关庆阳.低轨宽带卫星移动通信系统OFDM传输技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.[2]㊀张力.通信之美[M].北京:电子工业出版社,2016.[3]㊀张洪太,王敏,崔万照.卫星通信技术[M].北京:北京理工大学出版社,2018.[4]㊀田由甲,张冠杰.基于多普勒频率变换率的固定单位算法研究[J].无线电通信技术,2016,42(4):61-64.[5]㊀李耀晨,赵渊,裴文端.5G低轨卫星移动通信系统多普勒频偏估计算法[J].计算机测量与控制,2018,26(10):226-234.[6]㊀王娜娜.基于5G的低轨宽带卫星移动通信系统同步技术研究[D].南京:东南大学,2018.[7]㊀潘申富.宽带卫星通信技术[M].北京:国防工业出版社,2015.[8]㊀朱峰.宽带卫星移动通信系统无线链路传输技术研究[D].南京:东南大学,2017.[9]㊀张树娟.卫星移动通信系统OFDM同步技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2011.[10]㊀蒋雁翔.无线OFDM系统训练序列设计与频偏估计技术研究[D].南京:东南大学,2006. [11]㊀武楠,匡镜明,王华.卫星通信接收机同步技术[M].北京:北京理工大学出版社,2018.[12]㊀刘晓峰,孙韶辉,杜忠达.5G无线系统设计与国际标准[M].北京:人民邮电出版社,2019. [13]㊀陈豪.卫星通信与数字信号处理[M].上海:上海交通大学出版社,2011.[14]㊀丁睿,刘召,甄立.低轨LTE卫星随机接入前导设计及检测算法研究[J].电讯技术,2018,58(10):1133-1138. [15]㊀张乃通,张中兆,李英涛.卫星移动通信系统[M].北京:电子工业出版社,2000.作者简介:熊㊀韬㊀男,1984年生于江西九江,2011年于湖南大学获硕士学位,现为工程师,主要研究方向为卫星通信㊂廖世文㊀男,1985年生于广西柳州,2010年于中山大学获硕士学位,现为高级工程师,主要研究方向为卫星通信㊂㊃314㊃第61卷熊韬,廖世文:一种适合低轨卫星通信的宽带传输技术第4期。

基于区块链的低轨卫星互联网跨域数据调度设计
单长胜;吕丽红;叶思雨
【期刊名称】《网络安全与数据治理》
【年(卷),期】2024(43)2
【摘要】针对地面业务的需求和分布非均匀导致系统资源利用率低的问题,提出一种基于区块链的跨低轨卫星互联网域数据共享方案。

通过卫星节点构建区块链,实现数据的跨域调度;通过非均匀分布的接入设备数量改变矿工节点的出块难度,使得近期出块节点暂停参与矿工节点的选举过程,以降低重复的资源消耗。

仿真结果表明,所提方案能够有效降低系统资源消耗和任务的平均卸载时延,在低轨卫星互联网中实现高效的跨域数据调度。

【总页数】5页(P37-41)
【作者】单长胜;吕丽红;叶思雨
【作者单位】32039部队
【正文语种】中文
【中图分类】TN927
【相关文献】
1.基于全球网和区域网SLR数据的低轨卫星定轨精度分析
2.基于单频星载GPS数据的低轨卫星精密定轨
3.基于DCSOP的低轨卫星测控数传资源动态调度模型研究
4.基于星载GNSS数据的低轨卫星精密定轨
5.基于数据和知识驱动的低轨卫星资源智能调度研究综述
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低轨卫星通信系统网络设计徐超男;张勇;郭达;李海昊【摘要】Considering the communication demand of"the Belt and Road Initiatives","the 13th Five-Year Plan", the LEO satellite communication system network structure based on"Fuxing Communication System"is proposed, and this structure, via the research of existing mature DVB, CCSDS, 3GPP communication standards, could be easily achieved. And meanwhile the network elements and corresponding functions of the network architecture, including their designs, are described. The system is of both the superiority of high data transmission rate for LTE communication network, and the advantage of seamless coverage for LEO satellite communication system. Moreover, LEO satellite communication system has lower time delay than traditional medium and high orbit satellite communication system. As a basic system, Fuxing communication system can meet the basic operation requirements and provide more efficient data transmission service for users in an even wider area.%在"一带一路"、"十三五"对天空地一体化的通信需求下,通过对现有较成熟的DVB、CCSDS、3GPP通信标准的研究,提出了一种基于"福星通信系统"的简单可实现的低轨卫星通信系统网络结构,且设计介绍了该网络架构中的网元及相应功能.该系统既具有LTE通信网数据传输速率高的优势,也具有LEO卫星通信系统无缝覆盖的优点,且低轨卫星通信系统较传统中高轨卫星通信系统有较低时延.福星通信系统作为一种可达到基本运营要求的基本型系统,能够在更为广阔的区域为用户提供更有效的数据传输服务.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2017(050)009【总页数】6页(P1942-1947)【关键词】低轨卫星;LTE;网络结构;网元【作者】徐超男;张勇;郭达;李海昊【作者单位】北京邮电大学天地互联与融合北京市重点实验室,北京 100876;北京邮电大学天地互联与融合北京市重点实验室,北京 100876;北京邮电大学天地互联与融合北京市重点实验室,北京 100876;北京遥感设备研究所,北京 100039【正文语种】中文【中图分类】TN927Abstract:Considering the communication demand of “the Belt and Road Initiatives”, “the 13th Five-Year Plan”, the LEO satellite communication system network structure based on “Fuxing Communication System”is proposed, and this structure, via the research of existing mature DVB, CCSDS, 3GPP communication standards, could be easily achieved. And meanwhile the network elements and corresponding functions of the network architecture, including their designs, are described. The system is of both the superiority of high data transmission rate for LTE communication network, and the advantage of seamless coverage for LEO satellite communication system. Moreover, LEO satellite communication system has lower time delay than traditional medium and high orbitsatellite communication system. As a basic system,Fuxing communication system can meet the basic operation requirements and provide more efficient data transmission service for users in an even wider area.Key words:LEO satellite; LTE; network structure; network element天地一体化信息网络在经济社会运行和百姓生产生活中的作用越来越大。

CATALOGUE 目录•低轨巨型星座构型设计•星座覆盖分析方法•数值模拟与仿真•未来发展趋势与挑战•应用场景与案例分析低轨巨型星座的概念构型设计的目标构型设计概述卫星平台的选择根据任务需求和系统要求，选择适合的卫星平台，考虑其性能、可靠性、成本等因素。

卫星有效载荷根据任务需求，配置合理的有效载荷，如通信天线、功率放大器、低噪声放大器、频率源等。

卫星平台设计通信频段和带宽通信协议和调制方式有效载荷设计轨道与部署策略轨道高度的选择部署策略的制定覆盖需求分析030201星间通信与网络拓扑覆盖性能评估覆盖效率评估星座的网络性能，包括网络吞吐量、延迟、丢包率等。

网络性能安全性与隐私保护模拟工具与环境Python卫星通信仿真器MATLAB/Simulink星座构型参数优化卫星轨道高度和倾角优化低地球轨道的高度和倾角，以实现更好的覆盖效果。

卫星布局优化卫星在轨道上的布局，以提高覆盖的连续性和均匀性。

卫星通信链路设计优化卫星之间的通信链路，以确保信息传输的可靠性和实时性。

覆盖性能仿真与验证先进通信技术应用随着5G、物联网等先进通信技术的发展，低轨巨型星座的通信能力将得到极大提升，满足更高要求的应用场景。

卫星平台的升级随着科技的不断进步，卫星平台的性能将得到进一步提升，包括更高的数据处理能力、更强的通信能力等。

新型传感器与设备新型传感器和设备的研发和应用，将增强低轨巨型星座的感知能力，提升其数据处理和分析的准确性。

技术创新与升级频谱管理与干扰协调频谱共享与优化随着低轨巨型星座的发展，频谱资源将越来越紧张，因此需要研究更高效的频谱共享和优化策略，提高频谱利用率。

干扰抑制与协调由于低轨巨型星座的卫星数量众多，相互之间的干扰问题将日益突出，需要研究有效的干扰抑制和协调策略，保证星座的正常运行。

1安全性与防护策略23随着低轨巨型星座的发展，其面临的安全漏洞和威胁也不断增加，需要加强安全防护措施，确保星座的安全稳定运行。

毕业设计主题：低轨卫星通信系统设计一、引言随着科技的飞速发展，卫星通信已成为现代通信的重要组成部分，尤其在国家安全、紧急救援、互联网、远程教学、卫星电视广播以及个人移动通信等方面发挥着不可或缺的作用。

新一代的宽带卫星通信系统，特别是低轨道卫星移动通信系统，以其独特的优势受到了人们的广泛关注。

低轨道卫星通信系统因其覆盖范围广、传输时延短、系统容量大、功耗低等优点，成为当前卫星通信领域的研究热点。

二、研究内容本毕业设计将主要研究低轨卫星通信系统的关键技术，包括无线资源管理、多普勒频移补偿、卫星轨道设计和星座设计等。

1.无线资源管理：低轨卫星通信系统中的无线资源管理涉及到频率分配、功率控制、信道分配等多个方面。

如何有效管理和利用这些资源，以提高系统的整体性能和效率，是本设计的重点研究内容。

2.多普勒频移补偿：低轨卫星由于其高速移动特性，会导致信号的多普勒频移效应。

为了确保信号的可靠传输，必须对多普勒频移进行有效的补偿。

本设计将研究多普勒频移的原理，并提出有效的补偿算法。

3.卫星轨道设计和星座设计：低轨卫星通信系统的性能与其轨道设计和星座设计密切相关。

本设计将研究如何优化轨道设计和星座设计，以提高系统的覆盖范围和传输效率。

三、预期成果通过本次毕业设计，预期能够提出一套完整的低轨卫星通信系统设计方案，包括无线资源管理方案、多普勒频移补偿算法、卫星轨道和星座设计方案等。

这套方案将为低轨卫星通信系统的实际应用提供理论支持和技术指导。

四、总结随着科技的不断进步，低轨卫星通信系统在未来的发展中将发挥越来越重要的作用。

本次毕业设计将为这一领域的研究提供有益的探索和尝试，为低轨卫星通信系统的实际应用奠定基础。

中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３㊀８９Ｇ９６C h i n e s eS p a c eS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yI S S N １０００Ｇ７５８X ㊀C N １１Ｇ１８５９/V h t t p :ʊz g k jc a s t c n D O I :１０ １６７０８/jc n k i １０００Ｇ７５８X ２０２１ ００４２基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用侯筠仪１,赵黎晔２,∗,申景诗１,冯飞２,王韶波２１ 山东航天电子技术研究所,烟台２６４６７０２ 航天东方红卫星有限公司,北京１０００９４摘㊀要:针对当前卫星网络通信业务需求复杂㊁星上设备对多业务兼容性差的问题,提出了一种面向低轨卫星网络的软件定义网络(S D N )架构.该架构设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面,具有高度灵活和可编程的特性.通过网络功能虚拟化(N F V )技术实现了数据平面虚拟化和集群化控制器的功能分割,给出了架构实现的关键技术方案,使其能够实现数据传递的高效动态分配.最后仿真验证了在快速路由重构方面,该S D N 卫星网络架构相较于传统卫星网络,在反向缝场景下全网平均网络查询时延更为稳定,且平均时延缩短了８２ ４％,进一步验证了其控制器数量选择的科学性,体现了该S D N 卫星网络架构的先进性.关键词:低轨卫星网络;卫星通信;软件定义网络;网络功能虚拟化;控制器集群中图分类号:V １９㊀㊀㊀㊀文献标识码:A收稿日期:２０２０Ｇ０９Ｇ０５;修回日期:２０２０Ｇ１１Ｇ２７;录用日期:２０２０Ｇ１２Ｇ１４;网络出版时间:２０２０Ｇ１２Ｇ２１㊀１０:３９基金项目:高分辨率对地观测系统重大项目基金(G F Z X ０４０６１２０２０３)∗通信作者．E Ｇm a i l :m i e t y＠s o h u ．c o m 引用格式:侯筠仪,赵黎晔,申景诗,等．基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用[J ]．中国空间科学技术,２０２１,４１(３):８９Ｇ９６．HO UJY ,Z H A OLY ,S H E NJS ,e ta l ．T h ea p pl i c a t i o no fN F V b a s e do nS D Na r c h i t e c t u r e i nL E Os a t e l l i t en e t w o r k [J ]．C h i n e s eS p a c eS c i e n c e a n dT e c h n o l o g y,２０２１,４１(３):８９Ｇ９６(i nC h i n e s e )．T h e a p pl i c a t i o no fN F Vb a s e d o nS D Na r c h i t e c t u r e i nL E O s a t e l l i t e n e t w o r kH O UJ u n y i １,Z H A OL i y e ２,∗,S H E NJ i n gs h i １,F E N GF e i ２,W A N GS h a o b o ２１ S h a n d o n g I n s t i t u t e o f S p a c eE l e c t r o n i cT e c h n o l o g y ,Y a n t a i ２６４６７０,C h i n a ２ D F H S a t e l l i t eC o ．,L t d ．,B e i j i n g １０００９４,C h i n a A b s t r a c t :I nt h ec o n t e x to fs a t e l l i t en e t w o r kc o mm u n i c a t i o ns e r v i c e s w i t hc o m p l e xr e q u i r e m e n t sa n d p o o rs e r v i c e c o m p a t i b i l i t y o fo n Ｇb o a r de q u i p m e n t ,as o f t w a r e Ｇd e f i n e dn e t w o r k (S D N )a r c h i t e c t u r e f o r l o w Ｇo r b i t s a t e l l i t en e t w o r k w a s p r o p o s e d ．A v i r t u a l i z e dd a t a p l a n eb a s e do ni n t e r Ｇs a t e l l i t el i n k sa n dad i s t r i b u t e dc o n t r o l p l a n e w i t h m u l t i pl e c o n t r o l l e r sw e r ed e s i g n e di nt h i sa r c h i t e c t u r e ,w h i c h w a sh i g h l y f l e x i b l ea n d p r o g r a mm a b l e ．T h r o u ght h en e t w o r k f u n c t i o nv i r t u a l i z a t i o n (N F V )t e c h n o l o g y ,t h ed a t a p l a n ev i r t u a l i z a t i o na n dt h ef u n c t i o n a ld i v i s i o no ft h ec l u s t e r e d c o n t r o l l e rw e r e r e a l i z e d ,a n d t h ek e y t e c h n i c a l s o l u t i o n s f o r t h e r e a l i z a t i o no f t h e a r c h i t e c t u r ew e r e g i v e n t oe n a b l e t h e e f f i c i e n ta n d d yn a m i c a l l o c a t i o n o f d a t a t r a n s m i s s i o n ．T h e s i m u l a t i o n v e r i f i e s t h a tt h e S D N s a t e l l i t e n e t w o r k a r c h i t e c t u r e i sm o r es t a b l et h a nt h et r a d i t i o n a l s a t e l l i t en e t w o r ki nt h er e v e r s es e a m s c e n a r i oi nt e r m so f f a s tr o u t er e c o n f i g u r a t i o n ．I n t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s ,t h ea v e r a g e r e c o n s t r u c t i o nd e l a y i ss h o r t e n e db y ８２．４％,a n dt h es c i e n t i f i c c h o i c eo f t h en u m b e r o f c o n t r o l l e r s i sv e r i f i e d ．T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s r e f l e c t t h e a d v a n c e dn a t u r eo f t h eS D Ns a t e l l i t e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e ．K e yw o r d s :L E O ;s a t e l l i t e c o mm u n i c a t i o n ;S D N ;N F V ;c o n t r o l l e r i n t e g r a t i o n９０㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３在５G生态系统的大背景下,地面用户数量和服务类型呈现爆发增长的趋势,星地网络的集成一体化被视为增强网络功能㊁完善网络部署的一种解决方案.目前,全球已有超过２０个卫星通信系统在轨运行,以新一代的O n e w e b系统㊁S p a c e X系统等为代表的巨型星座网络[１]作为通信网络广域建设的一种补充,有效克服了地面网络基站的布设限制,旨在缓解全球剩余２/３人口的宽带上网问题.在卫星网络领域,传统卫星通常将控制和数据转发功能集中于同一网络设备,卫星节点在进行数据传递前需先完成链路维持㊁状态监控㊁路由计算等多种网络控制功能,占用了大量星上载荷资源.面对未来网络不断增长的用户需求和异构化的应用程序,学术界提出了引入 软件定义网络 的概念进行卫星网络应用方案的研究.软件定义网络(s o f t w a r e d e f i n e d n e t w o r k, S D N)是网络虚拟化的一种实现方式,其核心是分离网络设备的数据平面与控制平面以实现网络流量的灵活控制.F e r rús等[２]在５G背景下在卫星地面段中引入S D N/N F V技术,实现星地间网络资源管理能力和业务敏捷性的提升. T a n g等[３]将路由计算和网络配置任务放在地面站,设计了一种基于O p e n F l o w的软件定义卫星网络架构.X u等[４]设计了S o f t S p a c e架构并讨论了S D N的故障发现机制和移动性管理能力. K a k等[５]研究了低小卫星在S D N网络体系下配置不同载波频率和轨道参数对时延和吞吐量的影响.X u等[６]设计了一种３层分层控制器架构,并进一步提出了一种从控制器选择策略以促进成本降低和稳定性增强.传统S D N方案的共同点是利用全局统一的S D N控制平面实现路由计算,控制策略需要在全网进行刷新.然而卫星自身拓扑动态异构的特征会导致控制器的计算及同步负担很大.可见,低轨卫星空间段的软件定义网络架构设计依然有较大的研究潜力和应用价值.针对上述问题,本文主要关注将S D N设计思想在卫星网络架构中进行扩展,简化卫星节点的工作负担㊁实现大量流量的高效传输,并融合网络功能虚拟化(N F V)技术以使该架构能够面对未来空间信息网络发展中可能遇到的挑战性问题.本文首先从低轨星座设计入手,从物理层面进行优化,使其通信水平的性价比最大化.基于该低轨卫星星座,进一步提出了软件定义卫星网络架构设计方案,设计了以星间链路为基础的虚拟化数据平面和多控制器的分布式控制平面,并给出了架构实现的关键技术方案,使其能够实现数据传递的高效动态分配.１㊀低轨卫星星座设计低轨星座设计是构建卫星通信系统的基础,星座构型的合理优化有助于低轨星座功能的最大化实现.卫星星座设计优化过程首先应根据目标场景选取基础星座构型.本文的设计背景为设计一种有效补充地面网络局限性㊁实现广域补充覆盖且能够搭建S D N架构的卫星星座.极轨道星座属于对称星座,轨道面分布均匀,每个轨道面上卫星数目相同,轨道面经过两极且与赤道面垂直,能够实现对全球的覆盖.极轨道星座中的卫星在运动过程中保持相对静止,可以通过固定的星间链路实现卫星间的切换与通信,且星间链路建设简单,易于维护,能够为S D N架构提供合理的物理基础.因而,本文采用极轨道作为星座基础构型.铱星系统是一种典型的极轨道通信卫星星座.但考虑未来通信系统所面临的高速率传输下,文献[７]基于轨道高度与边缘通信仰角的约束关系指出,低通信仰角的铱星系统无法满足宽带L E O星座卫星通信系统要求,需要通过提高轨道高度来解决这一问题.然而,在地面用户边缘通信相同的情况下,卫星的轨道高度越高则会导致单星所需要的点波束数量越多.考虑到软件定义卫星星座未来发展定位于卫星通信㊁导航㊁遥感等多方面星上功能的实现,本文参考由法国国家空间研究院和美国宇航局合作的第一个全球定位和数据采集系统A r g o s系统的星座设计理念,将星座轨道高度提升至８５０k m,以贴合多功能的星上实现需求.卫星通信仰角的设计需保证星座实现对全球的覆盖,但单颗卫星不应覆盖面积过大而造成功率指标的浪费,故本星座单颗卫星的边缘通信仰角设计为３０ʎ.根据全球覆盖星座原理[８],在已知轨道高度和边远通侯筠仪,等:基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９１㊀信仰角的前提下能够计算出最优的卫星总数㊁轨道面数及每个轨道上的卫星数量,最终构建卫星星座.该星座共有９个轨道平面,每个轨道面上分布１１颗低轨卫星,轨道高度８５０k m ,轨道倾角为８６ ４ʎ.通过S T K 软件对星座的对地覆盖性能进行仿真,结果证明该星座对地覆盖率在全时段达到１００％,满足任务所需的通信要求.极轨道卫星星座网络的联通依赖于星间链路的构建.参考铱星星间链路的设计模式,该星座中的每一颗卫星都与其同一轨道的相邻卫星建立２条星间链路,并与相邻轨道上实时临近的卫星建立２条星间链路.第１轨道和第９轨道之间的反向旋转关系是一种例外情况,这两条轨道间的卫星不存在相邻轨道的星间链路.拓扑结构如图１所示.图１㊀数据平面拓扑结构示意F i g １㊀S c h e m a t i c i l l u s t r a t i o no f d a t a p l a n e t o p o l o g y卫星通信网络地面段网络拓扑采用 多点落地 的设计思想.仅依靠单一地面站接收全网卫星的下传数据这一模式在面对海量数据时易发生网络拥塞,而将多地面站引入卫星网络的路由规划能够充分利用地面网路资源.地面设备具有可维护㊁鲁棒性高的特点,通过光纤传输数据更为高效,分担了卫星网络的传输压力,体现了卫星网络与地面网络的互补性,实现了星地传输负载均衡.如图２所示,本文选取三亚㊁佳木斯㊁喀什３处地面站为示例,图中标注了３处地面站的地理位置及当前时刻向对应地面站下传数据的卫星(圆标注).图２给出了一条路由示例:当前时刻喀什地面站上空西侧的卫星(三角标注)作为源点进行数据传输,数据流在喀什地面站上空完成数据下传,经地面光纤网络传递至目的地三亚地面站.这样的传输路径有效减少了数据流在星间的传递跳数,降低了传输延迟与传输损耗.此外,多点落地 结构能够有效解决极轨道星座反向缝两侧卫星无法建立星间链路导致路径规划复杂的问题.图２中佳木斯地面站上空,存在两个间隔反向缝的数据下传卫星(矩形标注).虽然两颗卫星间无法完成东西向数据传输,但是能够通过将数据下传至佳木斯地面站,最终借由地面网络完成服务,避免了星上传输路径过长的问题.图２㊀ 多点落地 结构示例F i g ２㊀ M u l t i p o i n t l a n d i n g s t r u c t u r e e x a m pl e ２㊀基于低轨星座的软件定义网络架构设计与实现S D N 的核心在于控制平面和数据平面的分离,其基本架构如图３所示.图３㊀S D N 基本架构F i g３㊀S D Na r c h i t e c t u r e９２㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３２ １㊀数据平面在低轨卫星网络中,卫星作为S D N交换机的载体可被视为数据平面的节点.低轨星座中所有卫星以节点形式构成完整的数据平面,依靠星间链路实现数据流的交换传输.数据平面的主要功能是通过一系列的链路操作对到来的数据分组进行处理,这些操作通常包括数据分组的收集和完整性检查.卫星网络这一场景的特点是底层物理资源有限,发射入轨后很难对交换机进行硬件设备的二次更新或功能变更维护,因而缺乏应对多种服务需求的灵活性.本文提出引入N F V技术,在数据平面上搭建虚拟的 环境抽象层 ,用以解决数据平面的灵活性问题,并进一步阐明虚拟化转发功能的实现方式.环境抽象层将设备的物理功能分割为更轻量级的网络虚拟功能,通过映射机制将用户需求的虚拟资源与物理资源相对应,能够有效地节省底层的物理资源,实现卫星平台的长期可用性.如图４所示,I n t e l公司开发的一种数据平面开发套件(d a t a p l a n ed e v e l o p m e n tk i t,D P D K)能够很好地实现网络功能的虚拟化.该套件提供了数据平面库和轮询模式的L i n u x用户空间网卡驱动,通过间接的A P I提供队列管理㊁缓存管理和流量分组功能,使得上层应用和控制平面可以直接调用这些环境抽象层的功能来完成相关计算和转发.通过虚拟化交换机(即环境抽象层),端口在传递流表时不再需要硬件设计提前预留专用的缓存队列存储空间,其缓存空间由C P U管理的内存动态化临时分配.在数据转发图４㊀数据平面I/O结构F i g ４㊀D a t a p l a n e I/Oa r c h i t e c t u r e 过程中,仅通过表头的地址匹配字段送入C P U 进行地址匹配,待完成匹配后才会在需要转发时将完整数据包输出网络端口.卫星网络数据平面的虚拟化计算类功能的实现方式与普通星载计算机运行应用程序的方式完全相同,而虚拟化的转发类功能则有比较大的变化.在S D N网络设备中,网络层功能虚拟化的本质是通过流表抽象数据平面,通过流表可以精确地匹配和识别业务类型,完成对流的操作.数据转发形成的流表由多个基础流表构成,基础流表包含了地址匹配字段㊁计数字段㊁操作字段３项功能,如图５所示.考虑到卫星网络是一种无线网络,其转发和资源分配均基于终端,传统的S D N可能造成１个卫星终端的不同流会使用相同的信道和窗口.本方案在传统S D N协议基础上扩展性地引入I E E E８０２ １１e协议,该协议通过对流量的窗口和帧间间隔区别对待,能够赋予流不同的优先级.图５㊀S D N流表项F i g ５㊀S D Nf l o wt a b l e随着星载载荷处理能力的提高,在支持基础数据包的转发之外,数据平面还需支持流量优先级的分类功能,以便针对不同类型数据实现S L A(服务级别协议).通过采用D P I(深度包检测)[９],应用能够确定转发决策的优先级,进而满足Q o S(服务质量)要求.数据平面的虚拟化处理缓解了C P U的压力,使得这些服务有了实现的可能.２ ２㊀控制平面卫星网络的控制功能由S D N控制器实现,侯筠仪,等:基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９３㊀其任务是更新数据平面设备(即星上S D N 交换机)的转发规则.目前,大量的研究成果集中于将控制器放置于地面站或静止轨道卫星上,且数量较少.然而,随着网络流量需求的提升和数据平面的扩大,控制器数量不足将难以满足星地无线网络高动态㊁大跨度的路径配置计算需求,进而使得配置转发规则所需的流建立时间增长,用于改善网络延迟的相关规则下发失效,因而需要增加控制器布设数量来减少流建立时间[１０].此外,控制器放置于地面站或静止轨道卫星上意味着控制平面与数据平面之前存在巨大的数据传输损耗,并需要建立更为庞大的拓扑分析库来处理网络拓扑的动态化问题[１１].基于上述背景问题,本文提出将多控制器直接部署于低轨卫星上构成分布式控制平面.这样的控制器部署方式,一方面保证了控制器数量能够满足功能实现的需求,另一方面控制平面与数据平面的拓扑一致化减少了控制平面的数据处理压力.根据改进的N S G A ＧⅡ的多控制器初始化部署算法[１２]可知,控制器与卫星节点数量比例为０ ３~０ ４时,网络端到端时延将至最低.因此本文的控制器静态放置方案将控制器数量选取为３６,每条轨道可有４个控制器,分别位于该轨道的１号㊁４号㊁７号㊁１０号卫星.如图６所示,被放置S D N 控制器的卫星同时具备数据交换和网络控制的功能,控制器与控制器之间由东西向接口相互连通,形成一个物理上分散㊁逻辑上集中的控制平面.每个控制域内约有２~３颗卫星.这样的部署方式不仅减少了星地间的数据传输损耗,还降低了控制器与交换机之间的数据传播时延.此外,集群式控制器通过虚拟化设计能进一步实现多功能平台的分割,提升卫星平台图６㊀控制平面组网示例F i g ６㊀C o n t r o l p l a n en e t w o r k i n g对载荷的支撑能力,更好地把握全网资源视图,改善通信资源的交付质量.多控制器的部署意味着同时还需解决控制器动态放置问题[１３].控制器动态放置问题即控制域界定问题,该问题可被公式化为I L P 算法,其优化目标是使得配置转发规则所需的平均流建立时间最小化,并通过G u r o b i 优化器进行求解.与控制器放置问题相关的约束表述如下.约束１:用于确保要放置在网络中的控制器总数为K .ðc ɪCyc＝K(１)式中:C 为控制器集合(该集合中元素c 为控制器集合中各控制器的编号);K 为控制器放置数量;y c 为一个二进制变量,指示是否将控制器放置在c ɪC 上,yc 为１表示控制器在控制器集合C 中,yc 为０表示控制器不在控制器集合C 中.约束２:用于确保只有c 号控制器处于活动状态时,s 号卫星才会被c 号控制器控制.x s ,c ɤy c ,∀s ɪS ,∀c ɪC (２)式中:S 为卫星集合(该集合中元素s 为卫星集合中各卫星的编号);x s ,c 为一个二进制变量,指示是否将卫星节点s 分配给c ɪC 上,x s ,c 为１表示将卫星节点s 分配给c ɪC ,x s ,c 为０表示不将节点s 分配给c ɪC .约束３:用于确保每个卫星s 被有且只有一个控制器c 控制.ðc ɪCxs ,c＝１,∀s ɪS (３)约束４:如果两个卫星属于不同的控制器集群,则需要给他们分配给不同的控制器.约束４给出一种辅助的二进制变量z c ,s ,k 用于量化这种情况,将卫星划分为不同的控制域.z c ,s ,k ＝x s ,c x k ,c ,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC (４)约束５:为使该约束能被线性优化器运算解决,由约束５的３个公式进行替代.z c ,s ,k ɤx s ,c ,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC z c ,s ,k ɤx k ,c ,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC z c ,s ,k ＝x s ,c ＋x k ,c －１,∀s ɪS ,∀k ɪS ,∀c ɪC üþýïïïï(５)本文所设计的由多控制器共同构成的控制９４㊀中国空间科学技术J u n ２５㊀２０２１㊀V o l ４１㊀N o ３平面经东西向接口相互连通形成,物理上分离但逻辑上集中.在此基础上,结合N F V 技术进一步提出了对控制平面的软件层面功能切割.经虚拟化处理,控制平面基于卫星通信需求设计为３个平台和２个数据库:请求指令平台㊁负载均衡平台㊁控制器系统平台㊁全网视图库㊁路由算法库.其中,全网视图库包含了拓扑分析库㊁链路分析库㊁网络状态库.为适应卫星拓扑的动态性,引入拓扑快照的方法,每分钟检查一次网络状态变化并形成快照集,每小时计算一次由于卫星移动而产生的所有网络拓扑.通过南向接口,控制平面必须处理３类流量控制信息:流量配置信息㊁流量重新配置信息和迁移信息.如图７所示,数据平面收到新业务请求后向控制平面发送流量配置信息,控制平面的请求指令平台接收该信息,并将任务分发至相关的全部控制器.流量配置信息仅提供源地址及目的地址信息,不包含业务的转发相关内容.当网络中某卫星节点或多卫星节点因数据传输任图７㊀控制平面实现流程F i g ７㊀C o n t r o l p l a n e i m pl e m e n t a t i o n p r o c e s s 务过量而出现拥塞状态时,发生拥塞的卫星节点向控制平面发送流量重新配置信息,请求指令平台收到此类信息后将其转发至负载均衡平台,触发卫星路由重构.该过程中,控制平面将更新全网视图库,负载均衡算法库调用更新后的链路状态和数据平面上传的数据传输任务需求重新计算路由,新的路由规则由控制器下发至数据平面.此外,每一次流量传输过程完成后,起点交换机和目的交换机分别向所属控制器发送第一流量配置信息时间和传输结束时间,由起止时间的差值除以路由传输跳数计算出平均流建立时间.若平均流建立时间超过系统规定阈值,同样视为发生网络拥塞,由目的交换器向控制平面发出流量重新配置信息,降低该路由途径的分配权重.考虑到控制器系统平台内包含数量较多的控制器,本文采用Z o o k e e pe r 系统框架[１４]实现该平台内部的管理.每台搭载控制器的卫星对应于不同的控制域(多颗交换机卫星),同时在多颗控制器的卫星中选举出一个L e a d e r (图中为控制器１,实际通过选举规则设定为地面站过顶卫星所搭载的控制器,以实现更好的星地交互),负责与收集全网的信息并发送给全网视图库进行更新,确保流量传输资源不被复用.其余搭载控制器的卫星作为M e m b e r 负责控制其所属控制域内卫星上的交换机进行数据传递,并通过迁移信息将各控制域内的网络状态信息发送给L e a d e r.由于卫星拓扑的动态性,各控制器卫星所属控制域内所需控制的卫星节点动态变化,需采用一种基于度的均衡控制节点部署算法[１５]实现对控制卫星控制域的自适应动态划分.该算法调用全网视图库,生成星座交换机节点链表并设置链表的遍历方向参数,最终获得每个控制器对应控制域的卫星交换机节点集合.卫星控制器系统平台上的控制器通过调用全网视图库和路由算法库进行路由规划,并负责向其控制域内的交换机下发路由表.２ ３㊀初步验证该验证基于本文第２节设计的低轨星座,对所设计的多控制器架构与传统地面站控制架构,在反向缝区域发生路由重构情况的路由重构查侯筠仪,等:基于S D N 架构的N F V 技术在低轨卫星网络中的应用９５㊀询时延进行仿真验证对比.本文随机选取某时刻卫星拓扑快照对卫星节点查询时延进行计算.假设反向缝位于北京地面站上空,因而地面站选取为北京地面站.在该时刻下,传统地面站控制架构所对应的地面站过顶卫星为第９轨道３号卫星(卫星编号９１,卫星Ｇ地面站跳数记为０).通过S T K 软件仿真可以获得该时刻下卫星网络中各节点位置及其间距,并假设每颗卫星节点数据转发处理时间为１m s .而本文所设计的多控制器架构在该场景下,每颗卫星发送路由重构查询请求仅需１跳或０跳即可将请求发送至控制器.假设数据传输速度为光速,计算得到各节点重构路由所需的查询时延,并以卫星Ｇ过顶卫星间隔跳数作为分组依据计算均值进行对比.如图８所示,传统意义上地面控制器的部署架构受反向缝影响大,间隔跳数越大的卫星所需的路由重构查询时延越大,而低轨部署多控制器的S D N 架构则具有较低且稳定的路由重构查询时延.在传统地面站控制架构,该时刻全网卫星节点通过地面站控制器实现路由重构的查询时延均值为８２ ９７m s .而在本文设计的低轨道多控制器部署架构下,路由重构的单跳查询时延稳定在１４ ５８m s .该仿真结果说明该架构可以较好实现路由的动态调整,快速实现路由收敛重构.图８㊀各节点不同架构下所需路由重构查询时延F i g ８㊀R o u t i n g r e c o n f i g u r a t i o n q u e r y d e l a y fo r d i f f e r e n t a r c h i t e c u t r e s本文进一步对控制器数量对网络端到端时延的影响做出仿真.网络端到端时延为星上交换机Ｇ控制器平均时延及控制器Ｇ控制器平均时延的总和.交换机Ｇ控制器平均时延为所有交换机与其控制器间最短星间链路数据传输时延的平均值.控制器Ｇ控制器平均时延为所有控制器与控制器之间最短控制链路传输时延的平均值.最短路径通过S T K 软件仿真可以得到.如图９所示,可以看出随着控制器数量的增加,网络端到端时延不断降低,在控制器数量为４时达到最低值,继续部署控制器会导致时延呈现上升趋势.这主要是因为当控制器数量较少时,星上交换机与控制器之间所需的最短传输路径较长,导致路由重构请求发送时延较长.随着控制器数量的增加,星上交换机与控制器间所需最短路径减少,网络端到端时延不断下降直至达到最佳的控制器部署比例.随着控制器数量的继续增加,网络端到端时延出现上升趋势的原因是控制器部署数量冗余,此时交换机Ｇ控制器间已达到最短路径,过多的控制器反而增加了网络负担,网络端到端时延主要由控制器间控制链路的传输时延组成.图９㊀控制器数量对网络端到端时延的影响F i g ９㊀I n f l u e n c e o f c o n t r o l l e r n u m b e r o n e n d Ｇt o Ｇe n dd e l a y３㊀结束语从体系结构的角度出发,可以预见S D N 作为一种解决方案能够为未来卫星网络带来可编程的灵活性和控制部署的自适应功能.本文提出了一种基于低轨卫星网络的S D N 架构设计.在低轨卫星网络合理优化设计的背景下,该架构充分结合N F V 技术,实现了在控制平面与数据平面相分离的基础上对各平面功能的二次切分.数据平面基于N F V 技术构建环境抽象层,将计算和转发功能虚拟化,实现了缓存的实时分配,有效提高数据传输效率.控制平面由多控制器共同构成集群,物理上分离但逻辑上集中,经虚拟化处理设计为３个平台和两个数据库用以高效生成流量配置规则并下发,同时进一步实现了控制器系统平台内的自适应动态重构.该S D N 架构设计对未来软件定义卫星网络架构建设具有重要的参考意义.在后续研究中,作者团队将。