Метод распределенного управления информацией о местоположении абонентов низкоорбитальной спутниковой системы

Метод распределенного управления информацией о местоположении абонентов низкоорбитальной спутниковой системы

Предложен метод распределенного управления информацией о местоположении абонентов (УИоМА) в низкоорбитальной спутниковой системе (НСС) с межспутниковыми линиями. Цель УИоМА — отслеживание местоположения абонента. По местоположению абонента определяется точка доступа, к которой подключен абонент. В спутниковой системе точкой доступа является луч спутника. К точке доступа прокладывается маршрут, и абоненту доставляется сообщение. В существующих методах УИоМА в НСС информация о местоположении абонентов спутниковой системы хранится на одной или нескольких земных станциях (ЗС). Для связи двух абонентов спутниковой системы требуется отправить запрос местоположения ЗС. В предложенном методе информация о местоположении абонентов хранится распределенно на спутниках. Обновление местоположения и запрос местоположения производится внутри спутниковой группировки без использования ЗС. Если спутники рассчитывают маршруты самостоятельно без использования ЗС, то предложенный метод УИоМА делает спутниковую группировку независимой от наземного сегмента в плане передаче данных: определение луча спутника, к которому подключен абонент, и маршрутизация проводятся полностью в пределах спутниковой группировки. В этом случае в плане передачи данных ЗС выполняет только функцию шлюзовой станции для доступа к

внешним сетям. Подробно описан принцип действия метода и приведены результаты

Ключевые слова: спутниковые системы, имитационного моделирования. Сравнение на основе имитационного моделирования

ншкая земная орбита, жсгт^ж^^, показало, что предложенный распределенный метод не уступает современным методам с

маршрутизация, жшчя о-шцуія. использованием ЗС, а при большой интенсивности запросов местоположения превосходит их.

Иванов В.И.,

ivanovvi89@gmail.com

Введение

Спутниковые системы связи (ССС) могут обеспечивать глобальное покрытие, используются в основном в труднодоступных местах на планете, где нет наземной инфраструктуры связи, либо используются как резервный канал в случае отказа наземных линий связи.

Один из видов ССС - низкоорбитальные спутниковые системы (НСС). У НСС наименьшая задержка распространения сигнала и наименьшая требуемая мощность для передачи сигнала по сравнению с остальными спутниковыми системами. У низкоорбитального спутника наименьшая площадь области покрытия, поэтому для обеспечения глобального покрытия необходимо использовать спутниковую группировку из большого числа спутников. Спутники НСС обычно связаны между собой межспутниковыми линиями и являются маршрутизаторами. В результате спутниковая группировка представляет собой сеть связанных спутников.

Для передачи данных требуется знать спутник, к которому подключен абонентский терминал. Сложность определения спутника определяется двумя причинами:

1. Абонентские терминалы находятся в области покрытия одного спутника незначительное время, порядка нескольких минут.

2. В НСС терминал часто находится в области покрытия нескольких спутников, между которыми терминал может непредсказуемо переключаться. Переключение происходит из-за перекрытия линий видимости спутников рельефом и/или постройками.

За определение спутника терминала, т.е. его местоположения, отвечает управление информацией о местоположении абонентов (УИоМА). Все существующие методы УИоМА используют ЗС для хранения базы данных местоположений абонентских терминалов. На текущий момент не предложено ни одного метода без использования ЗС, где местоположения абонентов хранятся распределенно на спутниках.

В данной работе предлагается распределенный метод, где УИоМА производится полностью спутниковой группировкой без использования ЗС. Моделирование показало, что предложенный метод не уступает в плане количества служебных сообщений и времени поиска местоположений современным методам с использованием ЗС. Предложенный метод УИоМА вместе с любым из распределенных алгоритмов маршрутизации для НСС позволя-

ет реализовать весь процесс маршрутизации, т.е. определение спутника абонента и расчет маршрута к спутнику, полностью в пределах спутниковой группировки без обращения к наземному сегменту.

Рассмотрим подробно принцип действия метода и результаты моделирования.

Принцип действия метода

Метод УИоМА состоит из метода обновления (рассылки) местоположений и метода запроса местоположений.

Рассмотрим метод обновления местоположений. Зададимся определениями. Местоположение абонентского терминала - это спутник, в области покрытия которого зарегистрирован терминал. Информация о местоположении терминала - это следующая совокупность данных

1. Идентификатор терминала.

2. Идентификатор спутника, в области покрытия которого зарегистрирован терминал.

3. Географические координаты терминала.

4. Время определения местоположения.

Дальше по тексту под словом местоположение будем понимать информацию о местоположении.

Обновление местоположения — это рассылка нового местоположения терминала определенному набору спутников. Обновление

местоположения происходит после того, как терминал переключился на новый спутник. Соответственно новое местоположение терминала рассылает новый спутник. Спутники, которым новый спутник рассылает новое местоположение, назовем группой рассылки.

Определим группу рассылки. В группу рассылки должен обязательно входить предыдущий спутник, с которого переключился терминал. Это необходимо для того, чтобы предыдущий спутник мог перенаправить пакеты для терминала на новый спутник. Добавим еще спутники в группу рассылки. Выберем все спутники в пределах N скачков от нового спутника. В пределах N скачков означает, что длина кратчайшего маршрута до спутника по количеству линий меньше или равна N.

Спутник может однажды получить местоположение терминала и сохранить его в своей базе данных. После этого местоположение может долго не обновляться, тогда оно, скорее всего, будет недействительным. Поэтому, когда происходит запрос местоположения терминала у спутника, необходимо проверить его правильность. Если мы используем только новый и предыдущий спутники, то правильность местоположения новый спутник определяет по тому, подключен ли к нему терминал. Спутник знает, что терминал у него зарегистрирован и может запросить терминал, чтобы проверить, не отключился ли он, но, если запросы местоположения будут происходить часто, то лучше обойтись без запросов терминала. В этом случае ограничимся тем, что если терминал подключился раньше и не было сообщения о том, что терминал отключился, то местоположение правильное. Если терминал переключился на другой спутник и не отправил сообщение об отключении, то новый спутник сообщит предыдущему, что терминал отключился, тогда спутник узнает, что местоположение является недействительным.

Если мы еще используем спутники в пределах N скачков, то такой метод проверки правильности местоположения не получится использовать, так как необходимо, чтобы спутник сам без запроса у других спутников мог определить правильность местоположения, иначе теряет смысл рассылка местоположения этому спутнику, так как запрос все равно будет отправляться новому спутнику. В этом случае воспользуемся следующими правилами проверки:

1. Проверяем время существования записи о местоположении. Если время записи о местоположении больше максимального времени нахождения терминала в области покрытия одного спутника, местоположение считается недействительным или устаревшим. Если нет, то переходим к следующей проверке.

2. Проверяем, может ли точка с координатами терминала из записи о местоположении находится в области покрытия спутника из записи о местоположении. Если нет, то местоположение недействительно. Если да, то считаем местоположение действительным.

Но этот метод проверки не всегда будет давать правильный ответ. Проблема в том, что терминал может свободно переключаться между видимыми спутниками. Если он переключится на новый спутник, то группы1 рассылки предыдущего спутника и нового не будут совпадать. Тогда в предыдущей группе рассылки найдется такой спутник, которому не сообщат о переключении терминала, хотя местоположение пройдет проверку правильности. Отсюда следует, что группа рассылки должна быть одинакова для всех видимых спутников. Этому условию удовлетворяет рассылка местоположения всем видимым спутникам и спутникам, которые находятся в пределах N скачков одновременно от всех видимых спутников. Под видимыми спутниками будем понимать теоретически видимые терминалом, т.е. будем предполагать, что терминал находится на равнине и ничто не перекрывает линий видимос-

ти со спутниками. Даже, если терминал видит не все теоретически видимые спутники, то местоположение все равно будем рассылать всем теоретически видимым спутникам. Значит сначала проверяем первые два условия, описанные выше. Если второе условие выполняется, то переходим к проверке третьего условия:

3. Проверяем, принадлежит ли спутник, который проверяет местоположение терминала, к группе рассылке спутника в записи о местоположении терминала, т.е. проверяем, является ли этот спутник теоретически видимым или в пределах N скачков от всех теоретически видимых спутников. Если это условие выполняется, то местоположение терминала считается действительным. Значит спутник может отправить ответ на запрос местоположения.

Таким образом, учитывая метод проверки правильности местоположения, получаем следующую группу рассылки:

1. Предыдущий спутник до переключения на новый спутник.

2. Все спутники теоретически видимые терминалом.

3. Все спутники, которые находятся одновременно в пределах N скачков от всех теоретически видимых спутников.

Группа рассылки выглядит следующим образом. На рис. 1 изображена топология полярной низкоорбитальной спутниковой системы. Полностью закрашенные круги - это видимые терминалом спутники. Один из них предыдущий до переключения. Если взять N = 0, то получим, что новое местоположение рассылается только видимым спутникам. При N = 2 в группу рассылки входят видимые спутники и спутники, закрашенные одной линией. При N = 3 в группу рассылки входит еще больше спутников. При N = Nmаx, где Nmax - количество линий наиболее длинного кратчайшего пути в системе, все спутники системы узнают о новом местоположении терминала.

Рис. 2. Зависимость количества пакетов и N от интенсивности запросов

Рассмотрим правило выбора N. При увеличении N увеличивается количество спутников, которым известно местоположение терминала. Значит растет число пакетов обновления местоположения и падает число пакетов запроса местоположения. Число пакетов обновления местоположения зависит от движения спутников по орбите и рельефа местности. В свою очередь число пакетов запроса зависит от того, как часто запрашиваются местоположения. Поэтому, если число запросов низкое, то лучше выбрать N = 0, т.е. рассылать местоположение только видимым спутником. Если число запросов крайне высокое, то лучше рассылать местоположение всем спутникам системы, тогда ни один запрос не будет передан через межспутниковые линии, так как местоположение уже известно. Таким образом, N выбирается таким, чтобы суммарное количество пакетов было минимальным. На рис. 2. изображен график зависимости N и суммарного количества пакетов от интенсивности запросов. Параметры имитационной модели, с помощью которой были получены графики, будут описаны в разделе про результаты моделирования. Из графика видно, что если каждый терминал отправляет запрос на связь реже 18 запросов в час, то достаточно использовать N = 0, т.е. рассылать местоположение только видимым спутникам.

Рассмотрим метод запроса местоположения. Спутник начинает искать местоположение тогда, когда терминал в его области покрытия отправляет запрос на связь с другим терминалом. Сначала спутник ищет в своей базе данных запрашиваемое местоположение терминала. Если местоположения нет в базе, то спутник создает пакет запроса и рассылает его всем остальным спутникам системы. Пакет содержит следующие данные:

1. Идентификатор искомого терминала.

2. Местоположение терминала, для которого местоположение запрашивается.

3. Древо маршрутов многоадресной рассылки.

Первый элемент нужен для того, чтобы спутники знали, чье местоположение искать. По местоположению терминала определяется, куда отправить ответ на запрос местоположения. Древо маршрутов используется спутниками для пересылки запросов.

Если местоположение есть в базе, то проверяется, является ли оно действительным или уже устаревшее. Если местоположение действительно, то спутник отправляет разрешение своему терминалу на передачу данных. Если местоположение недействительно, то оно используется следующим образом. В информации о местоположении хранятся старые координаты

терминала. Терминал мог вообще не перемещаться, тогда по координатам терминала можно определить видимые спутники. Либо, если терминал перемещался быстро, то, учитывая огромную площадь покрытия спутников, по старому местоположению все равно можно будет предположить, что терминал остается в области покрытия одного из предполагаемых видимых спутников.

В связи с этим спутник определяет набор видимых спутников по старым координатам терминала, выбирает ближайший видимый спутник и отправляет пакет запроса на этот спутник вместо рассылки запроса всем спутникам системы. Пакет запроса одному спутнику состоит из следующих полей:

1. Идентификатор искомого терминала.

2. Местоположение терминала, для которого местоположение запрашивается.

3. Устаревшее местоположение искомого терминала.

4. Идентификатор спутника, которому отправлен запрос.

5. Маршрут к спутнику, которому отправлен запрос.

Устаревшее местоположение терминала из пакета используется промежуточными спутниками, которые пересылают запрос, следующим образом. Если у промежуточного спутника есть более новое устаревшее местоположение, то промежуточный спутник переопределяет спутник для запроса местоположения, изменяет соответствующим образом пакет и отправляет дальше. Таким образом, даже если старое местоположение спутника, который отправил запрос, было сильно устаревшим, промежуточные спутники скорректируют спутник, которому отправляется запрос.

Если спутник отправил запрос всем спутникам, то промежуточные спутники, если у них есть устаревшее местоположение, преобразуют запрос всем спутникам в запрос только од-

ному спутнику по методу описанному выше.

Когда пакет запроса приходит к спутнику, определенному по устаревшему местоположению, спутник проверяет, есть ли у него действительное местоположение терминала. Если есть, то спутник отправляет пакет ответа с местоположением искомого терминала. Пакет состоит из следующих полей:

1. Местоположение искомого терминала.

2. Местоположение терминала, для которого запрашивается местоположение.

3. Маршрут к спутнику, который запрашивал местоположение терминала.

Если у спутника нет действительного местоположения, то он отправляет запрос оставшимся видимым спутникам. Те спутники проверяют, есть ли у них действительное местоположение,

и, если есть, то отправляют ответ.

Все промежуточные спутники при рассылке запроса местоположения всем спутникам или при отправке запроса только одному спутнику, определенному по старому местоположению, проверяют, есть ли у них действительное местоположение. Если есть, то спутник отправляет ответ и прекращает пересылку запроса.

Спутники могут располагать устаревшими местоположениями практически всех терминалов системы1. Они их получают при обновлении местоположения терминалов и из пакетов запроса и ответа. Например, если спутник рассылает запрос всем спутникам, то большое количество спутников узнает о местоположении терминала, для которого запрашивается местоположения.

Таким образом, спутники в большинстве случаев обладают устаревшим местоположением терминала, а значит отправка запроса в большинстве случаев, вместо рассылки запроса всем спутникам, производится только одному спутнику

После отправки запроса спутник определенное время ожидает ответа. В работе время выбрано равным задержке самого длинного пути в системе, умноженной на 2,5.

0.1 ЕС 2 0.09 < 2 0.08 | 0,07 »4 0.06 | 0.05 | 0,04 1 0.03 5 0.02

ь.

п 1 0 1

Количество скачков

Доля неотвеченных ¡опросов

Долянеотвеченных запросов

Рис. 3. Доля неотвеченных запросов

Таблица 1

Если в течение этого времени ответ не приходит, то из-за оправки по старому местоположению, возможно, не все спутники получили пакет запроса. В этом случае спутник рассылает пакет запроса всем спутникам с пометкой не отправлять его спутникам, определенным по старому местоположению. В этом случае все спутники системы! гарантированно получат запрос.

На рис. 3 изображены графики доли неотвеченных запросов для терминалов, перемещающихся со скоростью 0, 150 и 1200 км/ч. Если терминал неподвижен, то ответ на запрос по устаревшему местоположению всегда приходит. Для терминалов со скоростью 150 км/ч в самом худшем случае не приходит ответа на 1,2% запросов. Для терминалов со скоростью 1200 км/ч ответ в худшем случае не приходит на 8,6% запросов. Учитывая, что большинство терминалов ССС перемещается на скорости ниже 150 км/ч, повторная рассылка запроса всем спутникам случается довольно редко.

Если ответ на повторно отправленный запрос не приходит, то терминал не доступен, и спутник отправляет сообщение об отказе передачи данных.

Результаты моделирования

В спутниковых системах существует два основных типа областей местоположения. Первый тип - это область покрытия спутника, к которому подключен терминал. Если терминал переключается на новый спутник, то меняется его местоположение. Второй тип - это области на поверхности земли. Если терминал перемещается в другую область, то меняется его местоположение. В первом типе областей изменение местоположения определяется спутниками. Во втором - движением терминалов.

Выбрано 4 метода для сравнения с предложенным: Jingling [1], Tsunoda [2], Atiquzzaman

[3], Zhang [4]. Методы обозначены именем одного из авторов в публикациях. Предложенный метод и методы Jingling и Atiquzzaman используют местоположения первого типа. Два других метода - второго типа.

В методах Jingling и Atiquzzaman местоположение терминала отправляется на центральную ЗС (ЦЗС), когда терминал переключается на новый спутник. В методе Tsunoda поверхность земли разбита на соты. При перемещении терминала в другую соту местоположение отправляется на ЦЗС. Когда происходит запрос местоположения, ЦЗС отправляет запрос спутникам, которые покрывают соту. Один из спутников отвечает, что к нему подключен терминал. После этого ЦЗС отправляет ответ с идентификатором спутника. В методе Zhang используется множество земных станций. Местоположением терминала является совокупная

область покрытия спутников, подключенных к одной земной станции. Местоположение терминала изменяется тогда, когда он переходит в область покрытия нового спутника, который подключен к другой ЗС. Новое местоположение отправляется ЗС, к которой подключен спутник. Запрос местоположения происходит следующим образом. Спутники запрашивают местоположения у ЗС, к которым подключены. ЗС после получения запроса запрашивает по наземным линиям другую ЗС. Другая ЗС запрашивает свои спутники. Один из спутников отвечает, что к нему подключен терминал. Другая ЗС отвечает первой ЗС, а первая ЗС отвечает спутнику.

Используется следующая имитационная модель спутниковой системы. В модели используется полярная низкоорбитальная спутниковая группировка с параметрами аналогичными спутниковой системе Iridium. Параметры представлены в табл. 1.

Моделируется 100 терминалов. Начальные координаты терминалов равномерно распределены по поверхности земли. Каждый терминал перемещается прямолинейно с постоянной скоростью 150 км/ч. Начальный азимут движения выбирается случайно. Время моделирования равно 24 часам. Каждый терминал отправляет запрос на связь. Поток запросов является Пуассоновским. Моделирование проведено для диапазона интенсивностей запросов от каждого терминала от 0 до 100 запросов в час. Для предложенного метода с повышением интенсивности запросов соответственно изменяется параметр N.

На рис. 4 изображен график зависимости средней задержки ответов от интенсивности запросов. У метода Zhang наименьшая задержка

-Предложенный метод------Atiquzzaman------Jingling---Tsunoda-----Zhang

Рис. 4. Средняя задержка ответа

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Интенсивность запросов, тапрос/ч

—Предложенный метод--------А^шгашап--------Л|^1и^------Т8шкх1а-----Лише

Рис. 5. Отношение суммарного количества пакетов

ответов вплоть до 34 запросов в час. Это связано с тем, что в методе используется множество ЗС, путь к которым короче. Наибольшая задержка у метода Tsunoda. Это связано с ожиданием ответа на запрос от спутников. После 34 запросов в час у предложенного метода наименьшая задержка. При интенсивности до 18 запросов в час задержка у предложенного метода и методов Attiquzaman и Jingling приблизительно одинакова и равна 120 мс. Затем у предложенного метода меньше. Таким образом, предложенный метод при интенсивности до 34 запросов в час уступает по задержке ответа только методу с множеством ЗС и превосходит все методы с использованием одной ЗС.

На рис. 5 изображены графики зависимости отношения суммарного количества пакетов других методов к предложенному методу. У методов Zhang и Tsunoda наименьшее число пакетов при низкой интенсивности запросов. При низкой интенсивности запросов суммарное число пакетов определяется пакетами обновле-

ния местоположения. В методах Zhang и Tsunoda используются области местоположения на поверхности земли, поэтому число пакетов обновления местоположения низкое. С увеличением числа запросов суммарное количество пакетов определяется числом пакетов запроса. Поэтому методы Zhang и Tsunoda начинают уступать предложенному методу и методам Atiquzzaman и Jingling, т.к. в этих методах местоположение определяется спутником, к которому подключен терминал, значит ЗС не отправляет дополнительных запросов. В диапазоне от 0 до 60 запросов в час у методов Atiquzzaman и Jingling меньше число пакетов, чем у предложенного метода. Но, как видно из графика, количество пакетов не падает меньше чем в 0,74 раз по отношению к предложенному методу. Если учесть два других метода, то получим, что, начиная в диапазоне от 4 до 60 запросов в час количество пакетов остальных методов не падает меньше, чем в 0,74 раз по отношению к количеству пакетов предложенного

метода. После 60 запросов в час у предложенного метода минимальное количество пакетов.

Заключение

Предложен распределенный метод УИо-МА для НСС, который вместе с любым из распределенных алгоритмов маршрутизации для НСС позволяет реализовать весь процесс маршрутизации, т.е. определение спутника абонента и расчет маршрута к спутнику, полностью в пределах спутниковой группировки без обращения к наземному сегменту. Моделирование показало, что предложенный метод не уступает в плане количества служебных сообщений и времени поиска местоположений современным методам с использованием ЗС.

Литература

1. Wang Jinglin,Cao Zhigang. Research on Hierarchical Location Management Scheme in LEO Satellite Networks // Future Computer and Communication (ICFCC), 2010 2nd International Conference on (Volume: 1), 21-24 May 2010. рр. V1-127 - V1-131.

2. H. Tsunoda et al. Supporting IP/LEO Satellite Network by Handover-Independent IP Mobility Management // Selected Areas in Communications, IEEE Journal on (Volume: 22, Issue: 2), Feb. 2004. рp. 300-307.

3. Shaojian Fu, William Ivancic, Mohammed Atiquzzaman. TraSH-SN: A Transport Layer Seamless Handoff Scheme for Space Networks // NASA Earth Science Technology Conference (ESTC), 2004.

4. Qing Guo Zhu Zhang An IP Mobility Management Scheme With Dual Location Areas for IP/LEO Satellite Network // Journal of Zhejiang University SCIENCE C, May 2012. р^ 355-364.

5. Dipsikha Ganguly, Soumya Das, Suman Kumar Sikdar, Sougata Chakraborty, Kunal Hui, Shabnam Bandyopadhyay, Kallyan Kumar Das, Mrinal Kanti Naskar Debabrata Sarddar. Area based Mobility Management by using GPS in LEO Satellite Networks // International Journal of Computer Application 42(13), March 2012. р^ 41-43.

The distributed method for location information management of subscribers in low earth orbit satellite system

Valeriy Ivanov, ivanovvi89@gmail.com

Abstract. This paper proposes the distributed method for location information management of subscribers (LIMoS) in low earth orbit satellite system (LEOSS). The aim of LIMoS is tracking of subscriber's location. The subscriber's location is used to define subscriber's access point. In a satellite system, access point is a satellite beam. One calculates route to access point and sends message to subscriber. Existing LIMoS methods store subscribers' location information in one or several earth stations (ES). Hence it is necessary to send location request to ES to start communication between two satellite system subscribers. Proposed method stores subscribers' location information distributvely on satellites. Location update and location request are carried out inside satellite constellation without usage of ES. If satellites calculate routes independently from ES, then proposed method makes satellite constellation independent from ES within the scope of data transmission, because determination of satellite beam and routing are done completely by satellites. In that case, ES, within scope of data transmission, acts only as a gateway to outer networks. Method's principle of operation is described in detail and the results of simulation are presented. Comparison based on simulation results showed that proposed distributed method is not inferior to the modern methods with ES usage and it is superior under high location request intensity.

Keywords: satellite systems, low earth orbit, location, routing, earth station.