К числу подходов к решению этой проблемы можно отнести выбор такой орбитальной структуры подгруппировки на неоднородных орбитах, которая позволит сгладить проявление негативного эффекта "мертвых зон" в окрестности узлов переключений. Можно привести следующие примеры возможных решений по выбору орбитальных структур: 1) узлы переключений разнесены в пространстве путем выбора различных значений наклонений орбитальных плоскостей (одно и то же значение наклонения повторяется с принятой кратностью для последовательно пронумерованных орбитальных плоскостей), 2) продолжительность участков орбит, на которых существует "мертвая зона" может быть уменьшена при использовании боковых связей космических аппаратов на орбитах, которые несколько различаются по высоте (одно и то же значение высоты повторяется с принятой кратностью для последовательно пронумерованных орбитальных плоскостей); 3) эффект "мертвой зоны" может быть практически исключен, если орбитальные плоскости одного сегмента сети разнести по высоте и для связи между космическими аппаратами в различных плоскостях сегмента вместо боковых связей (типа 3 и 4) использовать устройства типа 1 и 2, как и для межсегментных связей.
В данной статье не будем останавливаться на подробном анализе реализации описанных технических решений по выбору структуры орбитальной подгруппировки, на которой строится сегмент сети. Отметим лишь, что возможны варианты, в которых накапливающиеся изменения разности значений долготы восходящего узла для орбит с различными наклонениями или отставание одного космического аппарата от другого вследствие разности высот их орбит не корректируются. Для этого вся группировка должна быть симметричной, а изменения в относительном расположении космических аппаратов будут учитываться в расчетной модели при программном управлении линиями связи. При достижении изменениями порогового значения и ухода космического аппарата из зоны реализации связи при симметричной структуре орбитальной группировки произойдет переключение связи на другой космический аппарат, который вследствие текущих изменений займет его место в этой зоне.
Выше изложенное приводит к более общему пониманию подгруппировки космических аппаратов, на которой построен сегмент спутниковой сети. В подгруппировке космических аппаратов сегмента сети можно выделить несколько субподгруппировок, построенных на однородных орбитах (и 5к субподгруппировок в каждой к-й подгруппировке). Разделение полигруппировки (космического сегмента, на котором построена вся сеть) на подгруппировки (включаю с некоторым запасом по составу включаемых в нее узлов включающие в себя субподгруппировки) определено спецификой использования каждой подгруппировки в комплексной реализации сети. В частности, если в системе предусмотрено несколько низкоорбитальных сегментов, то один из них может быть адаптирован для связи с низкоэнергетическими земными пользователями, а другой - для передачи данных авиационных абонентов. Это означает, что блоки данных близких авиационных пользователей будут в основном передаваться с использованием предназначенного для них низкого сегмента. При связи удаленных друг от друга авиационных объектов или объектов авиации с удаленными наземными центрами управления полетами - их пакеты будут переводиться в высокие сегменты. При этом для выравнивания потоков нагрузки данные авиационного сегмента пользователей могут передаваться в любом сегменте с сохранением высшей приоритетности при отправке.
В данной работе рассматривается один из возможных вариантов топологии сети, реализованной по описанному ниже принципу (оптимизация топологии сети, в том числе с точки зрения показателей качества функционирования сети, требует серьезного исследования и не входит в задачи представленного исследования). Каждый узел сегмента сети реализует один и тот же состав линий связей. У космического аппарата к-го сегмента сети пС 5к и пСбк связей с ближайшими к нему космическими аппаратами в его номинальной орбитальной плоскости спереди и сзади соответственно. Космический аппарат может реализовывать пСзк и пС 4к боковые связи с космическими аппаратами в ближайших от его орбитальной плоскости орбитальных плоскостях слева и справа соответственно. В общем случае пСзк (или пС 4к) боковых связей космического аппарата распределены между ближайшими боковыми плоскостями слева (справа) таким образом, что в одной боковой плоскости может быть несколько космических аппаратов (в частном случае - один), с которыми реализуется связь (это ближайшие к нему космические аппараты в этой плоскости). Космический аппарат реализует пС^^ и пС 2к межсегментных связей с верхними и нижними сегментами соответственно. В общем случае пС^^ (или пС 2к) связей космического аппарата распределены таким образом, что в каждом верхнем (или в каждом нижнем) сегменте сети есть несколько (в частном случае - один или ни одного) космических аппаратов, с которыми он реализуется связь. Принцип выбора в верхнем (нижнем) сегменте того космического аппарата, с которым реализуется связь, может, например, основываться на выборе для связи ближайшего космического аппарата или на стремлении к минимизации числа переключений линии связи. Связи пС 5к и пСбк в топологии сети стабильны - пара узлов, которые они соединяют, неизменна во времени. Связи пС 1к, пС 2к, пСзк и пС 4к - динамически изменяются при переключении линии связи с одного узла сети на другой.
Все линии связи, которые предусмотрено реализовывать космическому аппарату, постоянно поддерживаются. Даже если по линии не осуществляется передача данных, обеспечивающие эту линию устройства передачи и приема информации космических аппаратов постоянно программно нацеливаются в текущую точку передачи или приема информации соответственно. Таким образом, сеть постоянно существует (аналогично проводной сети), имея "активированные" передачей данных линии и "неактивированные", по которым передаются только кратковременные контрольные сигналы (хотя при рациональном управлении нагрузкой в сети и экономически обоснованной загрузке сети "пустых" линий практически не должно быть). Отсутствие линий связи возможно при перерывах, вызванных переключением создающих ее устройств с одного космического аппарата на другой (эти перерывы достаточно кратковременны и могут полагаться мгновенными), или при прохождении космическими аппаратами описанных выше участков нереализуемости боковых связей. Топология сети - динамическая, ее прогнозируемые изменения происходят в дискретные моменты времени.
Связь дуплексная, линии на прием и передачу информации организованы независимо. Каждый узел является маршрутизатором. Предлагается дейтаграммный метод маршрутизации (он обеспечивается лучшую адаптацию алгоритма к текущему состоянию сети) и более высокую живучесть сети.
Каждый узел сети (космический аппарат) поддерживает на борту текущую глобальную информацию о сети (о ее топологии и загруженности узлов передаваемой информацией) - "видит" сеть. Для решения задачи поддержания текущей информации о сети предложен описанный далее подход, направленный на снижение необходимого объема оперативной памяти узла и сокращение времени на выполнение им необходимых вычислительных операций, а также на уменьшение объема передаваемой по сети управляющей информации.
На борту космического аппарата моделируется движение других космических аппаратов с использованием моделей двух уровней точности. Движение всех космических аппаратов сети узел моделирует с использованием достаточно простых математических моделей движения (отличающихся от Кеплеровой только учетом вековых составляющих изменения орбиты на основе упрощенных выражений). Для программного управления ориентацией линий связи космическому аппарату необходимо моделировать свое движение и движение тех космических аппаратов, с которыми реализуется связь, с использованием математической модели, в которой более подробно учтены возмущающие силы. Отметим, что точность модели, используемой при управлении линиями связи, должна обеспечивать, как можно более полный учет не только вековых, но и периодических отклонений значений орбитальных параметров.
Погрешность исходных данных для моделирования движения космических аппаратов уменьшается за счет уточнения значений их орбитальных параметров через относительно короткие интервалы времени. Уточнение реализуется путем передачи из наземных центров служебных пакетов глобальной адресации, содержащих навигационные баллистические данные. На основе моделирования движения космических аппаратов определяется текущая структура связей сети. Затраты времени на прогнозирование изменений топологии сети могут быть снижены, если использовать методы быстрого прогноза переключения связей. Это методы, которые основаны не на моделировании движения космических аппаратов и анализе их текущего относительного расположения, а на моделировании более медленного изменения орбит, определения на них текущих точек переключения связи и моментов времени прохождения этих точек с учетом квазипериодичности движения.
Для представления информации о состоянии загруженности узлов сети предлагается оценивать общее состояние загруженности объема накопителя узла, отведенного для пакетов, ожидающих отправки из узла. Обосновать это решение можно следующим образом. Чем больше пакетов ожидает отправки по каждому исходящему направлению узла, тем больше общая загруженность накопителя и тем выше вероятность, что адаптивный к нагрузке алгоритм маршрутизации будет обеспечивать обход этого узла.
Общий объем накопителя узла Уп (измеряемый, например, в единицах информации), отведенный для пакетов, которые ожидают в узле передачу по пути следования или выхода из сети, разбивается на уровни заполнения. Для этого вводится значение Ауп в единицах измерения объема накопителя, эквивалентное одному уровню его заполнения. Объемы накопителей узлов сети выбраны такими, чтобы быть кратными значению Ауп. В частном случае объемы накопителей всех узлов сети равны (тогда можно вводить общее число уровней разбиения nL и через него определять значение А уп). В общем случае объемы накопителей узлов различных сегментов сети могут различаться. Введем понятие состояния узла, которое определяется уровнем заполнения накопителя. Если у узла ] полностью заполнено уровней и реализуется заполнение уровня, номер которого на единицу больше, то узел находится в состоянии
В узлах сети имеется информация о текущем состоянии ^ заполнения каждого узла сети ]. Как только происходит изменение состояния загруженности узла в большую или меньшую сторону (переход порогового значения заполнения накопителя узла между уровнями заполнения), то информация об этом распространяется с помощью служебных пакетов по всей сети. Кроме того, узел сообщает другим узлам сети о своем состоянии и в том случае, если оно в течение заданного граничного времени не меняется. Альтернативный подход к обновлению информации о загруженности узлов сети - периодическое широковещательное оповещение узлами о состоянии своей загруженности, разнесенное во времени для различных узлов.
В состав данных служебного пакета, сообщающего о состоянии загруженности узла, может входить информация о разделении общего объема накопителя на направления ожидания отправки по сходящим из узла линиям. При этом объем информации, ожидающей по исходящему направлению, измеряется в заполненных уровнях накопителя, но не дискретным их числом, как состояние узла, а с учетом дробной части (для дискретизации в алгоритме маршрутизации может быть введено разбиение уровня на подуровни).
Таким образом, для поддержания глобальной информации о сети используются два вида служебных пакетов: пакеты с балистика-навигационной информацией и пакеты с информацией о состоянии загруженности узла сети. Оба вида пакетов многоадресной (в данном случае глобальной) адресации. По отношению к информационным пакетам, передаваемым в сети, служебные информационные пакеты имеют высший уровень приоритетности.
Для обеспечения экономии сетевых ресурсов передачу служебного информационного пакета предлагается реализовать не методом заливки (лавинным методом), а на основе многоадресной рассылки по дереву кратчайших путей. Согласно этому методу до всех узлов одной неразветвленной ветви дерева передаваемую информацию доставляет один и тот же пакет. Каждый узел по ходу движения пакета по ветви дерева считывает из него необходимую информацию, и пакет следует далее. Генерирование копий пакета происходит только при разветвлении ветви дерева. В случае передачи в сеть служебного пакета с балистико-навигационными данными корень дерева - в узле, который получил от наземного центра пакет с обновленной информацией, при передаче узлом пакета с информацией о загруженности его накопителя корень - в этом узле.
С учетом высшей приоритетности информационных пакетов при определении дерева кратчайших путей для доставки служебной информации задержка в узлах, обусловленная их загруженностью, не учитывается.
Учитывается только время передачи информации и затраты времени на обработку информации при прохождении служебным пакетом узла сети. В таком дереве кратчайший путь, в основном, определяется числом отрезков пути и временем передачи по ним. Время передачи можно учесть, используя для каждого сегмента среднее время передачи информации по элементарным отрезкам пути, связывающим два смежных узла этого сегмента, а для двух сегментов сети с заданными номерами - среднее время передачи информации по элементарным отрезкам пути, соединяющих узлы этих сегментов (для межсегментных связей). Средние значения времени передачи по элементарным отрезкам пути можно получить предварительно на основе статистической обработки результатов моделирования сети.
К приведенным выше аргументам, обосновывающим использование разновысотных сегментов сети, можно добавить снижение затрат пропускной способности сети на распространение служебных пакетов. При описанном подходе к определению дерева путей наименьшей стоимости для пакетов с управляющей информацией большинство путей будут сводиться к переводу этих пакетов в высокий сегмент, распространению по этому сегменту и дальнейшей передаче всем узлам сети.