基于拓?fù)淇刂频男l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由優(yōu)化

2018-04-02 03:18:18齊小剛馬久龍劉立芳

通信學(xué)報(bào) 2018年2期

齊小剛，馬久龍，劉立芳

齊小剛1，馬久龍1，劉立芳2

（1. 西安電子科技大學(xué)數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院，陜西西安 710126；2. 西安電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西西安 710071）

綜合考慮低軌道和靜止軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)各自的優(yōu)勢(shì)，建立一種適合空間組網(wǎng)的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，提出一種基于拓?fù)淇刂频穆酚伤惴ǎ═CRA）。此模型使用了虛擬節(jié)點(diǎn)策略和衛(wèi)星分組的思想，將每個(gè)低軌道衛(wèi)星的覆蓋區(qū)作為網(wǎng)絡(luò)的虛擬節(jié)點(diǎn)。此網(wǎng)絡(luò)考慮了極區(qū)對(duì)衛(wèi)星足印區(qū)劃分的影響，使上層的管理衛(wèi)星能夠準(zhǔn)確獲得下層衛(wèi)星的拓?fù)洹Ｍㄟ^利用這個(gè)改進(jìn)的虛擬節(jié)點(diǎn)策略，網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生的時(shí)間片在數(shù)量、長度和其他方面都明顯優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)模型?；诖司W(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌o止軌道衛(wèi)星為低軌道衛(wèi)星計(jì)算路由，低軌道衛(wèi)星負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。仿真表明，基于提出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚稍谄骄说蕉藭r(shí)延、分組丟失率方面明顯小于其他算法。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；拓?fù)?；路由；時(shí)間片

1 引言

空間信息網(wǎng)絡(luò)是為了獲取、傳輸和處理海量空間信息與數(shù)據(jù)而構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，它在通信、導(dǎo)航、授時(shí)、定位、監(jiān)測(cè)等方面承擔(dān)著重要的角色[1]。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)一般作為空間信息網(wǎng)絡(luò)的骨干網(wǎng)，它的網(wǎng)絡(luò)性能在一定程度上影響著空間信息網(wǎng)絡(luò)的整體性能。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)近年來以它廣泛的覆蓋范圍、廣播能力和高帶寬的服務(wù)水平吸引著越來越多人的注意，它必將成為未來在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)以較低代價(jià)實(shí)現(xiàn)全球信息傳輸和獲取的橋梁，也是下一代互聯(lián)網(wǎng)不可或缺的重要組成部分[2,3]。按照衛(wèi)星距離地面的高度，衛(wèi)星軌道可以分為靜止軌道（GEO, geostationary earth orbit）、中軌道（MEO, medium earth orbit）和低軌道（LEO, low earth orbit）。GEO衛(wèi)星位于地球赤道上空大約36 000 km，它與地球保持相對(duì)靜止，較大的距離使GEO衛(wèi)星對(duì)地面覆蓋范圍較大，一個(gè)GEO衛(wèi)星大約可以覆蓋整個(gè)地球表面的40%，只需要3顆GEO衛(wèi)星就可以近似覆蓋整個(gè)地球表面[4]。但也正是GEO衛(wèi)星距離地面較大的距離導(dǎo)致衛(wèi)星與地面終端通信時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的傳播時(shí)延。相反，LEO衛(wèi)星距離地面較近，覆蓋范圍較小，它一般位于地球表面上空500~1 500 km，軌道周期較小[5]。因此，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)較快，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁改變，地面終端需要間隔性地和接入衛(wèi)星進(jìn)行星地鏈路切換。但是，LEO與地面距離較短，因此，它與地面終端具有較短的傳播時(shí)延。由此可見，單獨(dú)使用LEO衛(wèi)星星座和GEO衛(wèi)星星座進(jìn)行空間組網(wǎng)都不能充分發(fā)揮其本身的優(yōu)勢(shì)。本文兼顧了GEO衛(wèi)星星座和LEO衛(wèi)星星座的優(yōu)勢(shì)，建立了由LEO衛(wèi)星星座和GEO衛(wèi)星星座組成的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，在這個(gè)模型中，充分利用了GEO衛(wèi)星覆蓋范圍大和LEO衛(wèi)星適合實(shí)時(shí)傳輸信息的特點(diǎn)。

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的不斷運(yùn)動(dòng)使傳統(tǒng)的路由方案不能直接應(yīng)用在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，路由設(shè)計(jì)成了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)難題，解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由問題的切入點(diǎn)是如何處理由于節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)時(shí)變拓?fù)洹?/p>

盡管衛(wèi)星持續(xù)運(yùn)動(dòng)，但這種運(yùn)動(dòng)是周期性的，而且衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路一般具有良好的對(duì)稱性。為了設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的路由，不少學(xué)者對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浜吐酚蛇M(jìn)行了分析和研究。文獻(xiàn)[6]提出的虛擬節(jié)點(diǎn)策略可以很好地處理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，它的思想是將地球表面劃分為若干個(gè)邏輯區(qū)域，假定邏輯區(qū)域相對(duì)地球表面固定不動(dòng)，每個(gè)邏輯區(qū)域與一顆上空離它最近的衛(wèi)星綁定，每當(dāng)一個(gè)衛(wèi)星離開一個(gè)邏輯區(qū)域時(shí)，就由下一個(gè)到來的衛(wèi)星（繼承衛(wèi)星）繼續(xù)接替其位置。對(duì)于結(jié)構(gòu)規(guī)則簡單的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，虛擬節(jié)點(diǎn)策略能夠屏蔽衛(wèi)星的移動(dòng)性，利用這種方法設(shè)計(jì)路由時(shí)，只需考慮固連在地面上的邏輯區(qū)域，而不需要考慮移動(dòng)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。文獻(xiàn)[7]基于虛擬節(jié)點(diǎn)，深入探討了地面終端與衛(wèi)星之間的切換問題，提出了多狀態(tài)虛擬網(wǎng)絡(luò)模型和地面終端與衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的鏈路切換的相關(guān)算法，它使一個(gè)地面區(qū)域可以同時(shí)被多個(gè)衛(wèi)星服務(wù)。文獻(xiàn)[8]充分利用了極軌星座的網(wǎng)格拓?fù)涮卣骱驮垂?jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置來設(shè)計(jì)路由，它減小了路由計(jì)算的復(fù)雜性，但卻沒有考慮LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和鏈路的抗毀性。虛擬節(jié)點(diǎn)策略能夠有效地處理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，但是這些文獻(xiàn)都是針對(duì)簡單規(guī)則的LEO衛(wèi)星星座，而且現(xiàn)有的基于虛擬節(jié)點(diǎn)的路由都是以極軌道星座為模型，很難被擴(kuò)展到一般傾斜LEO衛(wèi)星星座。此外，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中上層衛(wèi)星對(duì)下層衛(wèi)星復(fù)雜覆蓋關(guān)系導(dǎo)致虛擬節(jié)點(diǎn)策略無法完全在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用。

處理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)變拓?fù)鋯栴}的另外一個(gè)典型方法是虛擬拓?fù)洳呗?。它的思想是將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)周期劃分為若干個(gè)離散的虛擬時(shí)間片，在每個(gè)較小的時(shí)間片內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浔灰暈楣潭ú蛔兊?，于是可以根?jù)這些離散的時(shí)間片來設(shè)計(jì)路由[9,10]。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于動(dòng)態(tài)檢測(cè)的路由算法，實(shí)質(zhì)上，它是典型的基于虛擬拓?fù)洳呗缘穆酚伤惴ǎ菍?duì)時(shí)間虛擬化路由方案的改進(jìn)。它通過對(duì)衛(wèi)星發(fā)送隊(duì)列內(nèi)數(shù)據(jù)分組個(gè)數(shù)的周期性檢測(cè)以及回復(fù)確認(rèn)來判斷鏈路是否可以正常通信，同時(shí)，它能夠?qū)︽溌返耐话l(fā)狀況及時(shí)感知并做出相應(yīng)的調(diào)整。文獻(xiàn)[12]基于虛擬拓?fù)浞椒ń鉀Q了多個(gè)衛(wèi)星給地面站下載數(shù)據(jù)過程中時(shí)間接觸窗口不能充分被利用的問題。虛擬拓?fù)洳呗缘膬?yōu)點(diǎn)是可以利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有周期性將網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間片和離散拓?fù)漕A(yù)先計(jì)算出來，然而虛擬拓?fù)洳呗灾械拇罅繒r(shí)間片可能要求大量的存儲(chǔ)空間，在設(shè)計(jì)路由時(shí)，需要考慮路由信息的存儲(chǔ)問題。

此外，衛(wèi)星分組和組管理的思想在多層衛(wèi)星網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)中被廣泛使用。文獻(xiàn)[13]基于衛(wèi)星分組的方法，將虛擬節(jié)點(diǎn)的方法應(yīng)用在多層網(wǎng)絡(luò)的最下層，下層能與上層管理衛(wèi)星直接通信的LEO衛(wèi)星形成一個(gè)分組，它能夠?qū)崿F(xiàn)較小的端到端時(shí)延。但是網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了大量的離散時(shí)間片，這些數(shù)量龐大的時(shí)間片對(duì)星上設(shè)備提出了較高的要求，從而造成了巨大的存儲(chǔ)開銷。文獻(xiàn)[14,15]通過合并時(shí)間片的方法在一定程度上降低了時(shí)間片的數(shù)量。另外，文獻(xiàn)[16]也是基于衛(wèi)星分組來設(shè)計(jì)路由，它使用了由LEO衛(wèi)星星座和MEO衛(wèi)星星座組成的雙層網(wǎng)絡(luò)模型，使流量在2層網(wǎng)絡(luò)上分布，解決了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量擁塞的問題?？上У氖牵@些方法都存在的一個(gè)共同缺陷是MEO層衛(wèi)星獲得的LEO層拓?fù)湫畔⒖赡懿皇菧?zhǔn)確的。衛(wèi)星分組的思想是每當(dāng)有一個(gè)新成員加入一個(gè)管理衛(wèi)星的分組，或每當(dāng)一個(gè)舊的衛(wèi)星離開當(dāng)前管理衛(wèi)星的分組時(shí)，則認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了一個(gè)新的時(shí)間片，即網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母淖兪且怨芾硇l(wèi)星的成員變化為標(biāo)志的。然而，由于LEO層是近極軌道星座，在極區(qū)LEO層內(nèi)相鄰軌道間的星間鏈路臨時(shí)的打開和關(guān)閉行為會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞呐R時(shí)改變，因此，這些方法可能并不能獲得LEO層的真實(shí)的拓?fù)洹?/p>

為了進(jìn)一步解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋾r(shí)變性問題，本文通過改進(jìn)虛擬節(jié)點(diǎn)策略，考慮了極區(qū)邊界對(duì)衛(wèi)星分組的影響，從而使上層衛(wèi)星可以精確地獲得下層衛(wèi)星的拓?fù)洌@將給多層網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)帶來方便。通過這種方法，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞玫搅溯^大的改善，網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了較小數(shù)量的均勻的時(shí)間片，它能進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)路由的性能，仿真結(jié)果說明了其優(yōu)越性。

2 網(wǎng)絡(luò)模型和相關(guān)定義

2.1 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)模型

由LEO衛(wèi)星星座和GEO衛(wèi)星星座組成的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模如圖1所示。GEO衛(wèi)星星座是由3個(gè)GEO衛(wèi)星等間隔分布在赤道上空形成的，軌道平面與赤道平面重合。LEO衛(wèi)星星座是稍加修改銥星系統(tǒng)所得到的，銥星系統(tǒng)是一個(gè)典型的LEO衛(wèi)星星座，已經(jīng)被廣泛使用[17]。本文中的LEO星座是由72個(gè)LEO衛(wèi)星組成的，這些衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)極軌道平面上，每個(gè)軌道平面上均勻分布12個(gè)LEO衛(wèi)星，星座的其他參數(shù)和銥星系統(tǒng)參數(shù)相同。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)和鏈路有以下幾種，如圖2所示。

圖1 實(shí)際的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)類型和鏈路類型

2.2 相關(guān)定義

基于上述的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型，為了方便分析網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟约懊枋雎酚煞桨福枰x以下幾個(gè)概念。在某一特定的時(shí)刻，所有能與某個(gè)衛(wèi)星直接通信的地面節(jié)點(diǎn)組成的集合稱為該衛(wèi)星在此時(shí)的覆蓋單元。在某一特定時(shí)刻，LEO層的所有衛(wèi)星的覆蓋單元組成的集合叫作LEO層的覆蓋集合。當(dāng)?shù)乩砩系谋境踝游缇€和LEO層第一個(gè)軌道平面共面且該軌道上第一個(gè)衛(wèi)星位于赤道正上空時(shí)，稱此時(shí)LEO層衛(wèi)星的位置為標(biāo)準(zhǔn)位置。稱LEO層在標(biāo)準(zhǔn)位置時(shí)的覆蓋集合為標(biāo)準(zhǔn)覆蓋集合，相應(yīng)的覆蓋單元稱為標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元。顯然，在任意時(shí)刻，任意一個(gè)LEO衛(wèi)星下方都存在唯一一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元，但并不一定是它自己的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元。地球球心和某衛(wèi)星所連直線與地球球面的交點(diǎn)稱為衛(wèi)星的星下點(diǎn)。顯然，一個(gè)LEO衛(wèi)星的星下點(diǎn)屬于它自身的覆蓋單元。

如果2個(gè)衛(wèi)星滿足以下條件之一，則稱2個(gè)LEO衛(wèi)星的覆蓋單元之間存在星下鏈路。1) 這2個(gè)LEO衛(wèi)星之間存在軌間星間鏈路且這2個(gè)LEO衛(wèi)星的星下點(diǎn)所在的覆蓋單元都沒有跨越極區(qū)邊界。2) 這2個(gè)LEO衛(wèi)星之間存在軌內(nèi)星間鏈路。

在本文使用的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型中，LEO層對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)VLSN如圖3所示，圖3相應(yīng)的尺寸為角距離。其中，極區(qū)邊界緯度設(shè)為80°，其原因在第3節(jié)中詳述。在圖3中，每一條豎線代表一個(gè)LEO衛(wèi)星軌道，衛(wèi)星軌道上的每個(gè)小圓點(diǎn)代表一個(gè)LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)為圓心，以角距離30°為半徑的圓代表一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元。在軌道1、軌道3和軌道5上分別有2個(gè)衛(wèi)星位于赤道正上方，這2個(gè)衛(wèi)星分別是相應(yīng)軌道上的第一個(gè)衛(wèi)星和第七個(gè)衛(wèi)星，在軌道2、軌道4和軌道6上，分別與軌道1、軌道3和軌道5的第一個(gè)衛(wèi)星直接相連的衛(wèi)星，是相應(yīng)軌道上的第一個(gè)衛(wèi)星。

在某一時(shí)刻，如果一個(gè)LEO衛(wèi)星在某個(gè)GEO衛(wèi)星的滿足最小仰角的足印區(qū)內(nèi)，則稱這個(gè)LEO衛(wèi)星下方的那個(gè)標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元為該GEO衛(wèi)星的一個(gè)組成員。顯然，一個(gè)GEO衛(wèi)星有許多組成員。稱GEO衛(wèi)星的所有組成員組成的集合為GEO衛(wèi)星的組成員集，稱該GEO衛(wèi)星為其組成員或組成員集的組管理者。值得注意的是，這里的組成員和組管理者的概念和一般文獻(xiàn)中的概念有所不同。

2.3 虛擬網(wǎng)絡(luò)模型

虛擬的3層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指的是由地面節(jié)點(diǎn)、LEO層的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋集合和GEO層衛(wèi)星以及它們之間的鏈路組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，記為VTLGN。

本文建立的VTLGN模型在多方面表現(xiàn)出了其他單層和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不具有的優(yōu)勢(shì)。

3 VTLGN的拓?fù)浞治?/h2>
下面，基于此3層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型VTLGN進(jìn)行相關(guān)拓?fù)浞治觥?/p>
證畢。
圖3 標(biāo)準(zhǔn)VLSN的說明
定理1的意義在于揭示了如何利用VTLGN來屏蔽衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實(shí)際物理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，如果將VTLGN中的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元視作虛擬節(jié)點(diǎn)策略中的虛擬節(jié)點(diǎn)，則衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)性被完全屏蔽，設(shè)計(jì)路由時(shí)只需考慮固定在地面上的標(biāo)準(zhǔn)覆蓋單元，而不需顧及實(shí)際運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。
圖4 GEO對(duì)LEO的覆蓋計(jì)算示意
圖5 GEO對(duì)LEO的覆蓋
當(dāng)沒有失效的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，由定理1可知VTLGN被模型化為靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)，即衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性被屏蔽，因此，網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)路由時(shí)不存在時(shí)間片的概念。然而，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)工作在極其復(fù)雜的空間環(huán)境中，甚至可能遭受其他攻擊。因此，當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有能夠維持一定性能的能力。下面分析網(wǎng)絡(luò)存在失效的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的情形下的拓?fù)洹?/p>
定理2 在VTLGN中，當(dāng)有失效的LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，能夠精確反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞臅r(shí)間片最大數(shù)量與LEO層每個(gè)軌道平面上衛(wèi)星的數(shù)量相等且時(shí)間片的長度均勻的。
證畢。
圖6 極區(qū)對(duì)LEO層拓?fù)涞挠绊?/p>
圖7 極區(qū)對(duì)LEO層拓?fù)溆绊懙奶幚矸绞?/p>

4 路由算法

在本文構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)中存在2種衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，即LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和GEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，這2種衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)軌道高度的不同，在路由過程中扮演的角色也不相同。LEO衛(wèi)星主要是測(cè)量與其相鄰的其他LEO衛(wèi)星之間的時(shí)延以及實(shí)現(xiàn)路由過程中數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，而GEO衛(wèi)星的功能是為LEO衛(wèi)星計(jì)算路由表。

即使在有LEO衛(wèi)星失效的情況下，根據(jù)定理2，網(wǎng)絡(luò)中時(shí)間片的數(shù)量最多和每個(gè)軌道上衛(wèi)星數(shù)量相同。每個(gè)時(shí)間片，GEO衛(wèi)星都會(huì)根據(jù)收集到的LEO的相關(guān)信息進(jìn)行路由計(jì)算。盡管LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星、GEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星之間的信息交互會(huì)有時(shí)延，但是任意一個(gè)LEO衛(wèi)星在任意時(shí)刻想要轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，它都會(huì)按GEO發(fā)給它的最新的路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，這不會(huì)造成額外時(shí)延的增加。另外，在VTLGN中時(shí)間片很少，因此，衛(wèi)星之間的這種信息交互不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大額外開銷。

具體的路由過程主要分為以下幾步。

步驟2 組管理者收到所有組成員報(bào)告來的時(shí)延信息后，為了獲得LEO層的全部拓?fù)湫畔?，?huì)形成一個(gè)時(shí)延報(bào)表，準(zhǔn)備和其他組管理者交換時(shí)延報(bào)表信息。

步驟3 在GEO層，每個(gè)組管理者衛(wèi)星與其相鄰的2個(gè)組管理者衛(wèi)星交換各自收集到的LEO層信息。

步驟4 每個(gè)組管理者衛(wèi)星收集到全網(wǎng)的信息后按照Dijkstra算法為它的組成員計(jì)算路由，并將計(jì)算得到的路由表下發(fā)給它的組成員衛(wèi)星。

步驟5 LEO衛(wèi)星收到它的組管理者下發(fā)的路由表后，通過查找路由表將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)至下一跳。

在VTLGN模型下的路由算法，網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)間片數(shù)量較其他網(wǎng)絡(luò)模型非常少，這能夠大大減小星上的存儲(chǔ)開銷。另外，在其他模型下，在極區(qū)附近，LEO層的部分衛(wèi)星之間的鏈路會(huì)臨時(shí)斷開，該信息若不被上層的GEO衛(wèi)星所獲得，則LEO層衛(wèi)星獲得的路由路徑可能是不可靠的，這會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的部分丟失。而在本文提出的VTLGN模型下，考慮了極區(qū)對(duì)足印區(qū)劃分的影響，能夠保證數(shù)據(jù)分組的可靠傳輸，如圖6和圖7所示，該路由算法也考慮了隊(duì)列時(shí)延的影響。

5 性能評(píng)估

5.1 拓?fù)湓u(píng)估

本文提出的VTLGN網(wǎng)絡(luò)模型旨在于處理衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由于節(jié)點(diǎn)移動(dòng)引起的拓?fù)鋾r(shí)變性的問題，它在時(shí)間片的長度和數(shù)量上都明顯優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ汀榱苏f明該網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)越性，本文將有關(guān)結(jié)果和其他經(jīng)典的單層和多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ瓦M(jìn)行了對(duì)比。值得注意的是，對(duì)于其他星座模型，本文假定沒有任何衛(wèi)星失效；而對(duì)于VLSN和VTLGN，本文假定有部分衛(wèi)星失效，LEO衛(wèi)星失效率在不超過20%時(shí)，仿真結(jié)果完全相同。

單層衛(wèi)星星座主要包括Walker星座和極軌星座，Walker星座中時(shí)間片的分布情況主要和相位因子有關(guān)，而極軌星座的時(shí)間片分布情況只與極區(qū)邊界緯度值有關(guān)[18]。表1中列出了幾種典型的單層星座組成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)間片的分布情況，這些數(shù)值是各個(gè)星座在自身的一個(gè)完整的周期內(nèi)通過計(jì)算或仿真得到的。從表中可以看出，標(biāo)準(zhǔn)VLSN的時(shí)間片的數(shù)量最小且時(shí)間片是均勻的，它的拓?fù)涿黠@優(yōu)于Celestri、Iridium和Telidesic星座系統(tǒng)。

表1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅艿膶?duì)比

對(duì)于一般的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，除了LEO層拓?fù)涞淖兓?，層與層之間的鏈路也對(duì)時(shí)間片的分布產(chǎn)生影響，綜上，衛(wèi)星分組方法中產(chǎn)生了大量不均勻的時(shí)間片。表2總結(jié)了幾種典型的多層星座中拓?fù)鋾r(shí)間片的分布情況，為了合理對(duì)比，表2取了相同的時(shí)間周期24 h，可以發(fā)現(xiàn)，VTLGN非常適合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，它不但能夠產(chǎn)生數(shù)量較小的時(shí)間片，而且即使是在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效的情況下，它依然能夠保證所產(chǎn)生的時(shí)間片的均勻性，這為多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由的設(shè)計(jì)提供了方便。

表2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫阅艿膶?duì)比

5.2 路由評(píng)估

本文使用網(wǎng)絡(luò)模擬器NS2.35在Linux環(huán)境下搭建了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的仿真環(huán)境，對(duì)本文提出的路由算法進(jìn)行了性能評(píng)估。對(duì)于所有的軌內(nèi)星間鏈路、軌間星間鏈路、星際鏈路和星地鏈路，鏈路帶寬都設(shè)置為25 Mbit/s，隊(duì)列長度設(shè)置為50個(gè)數(shù)據(jù)分組的大小，仿真中設(shè)置每個(gè)數(shù)據(jù)分組的平均大小為1 000 B。為了使數(shù)據(jù)流更加符合實(shí)際情況，本文在地球表面隨機(jī)布置了600個(gè)源節(jié)點(diǎn)和600個(gè)目的節(jié)點(diǎn)，并在這600對(duì)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間分別建立了數(shù)據(jù)流作為背景流量，假設(shè)每個(gè)源節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)和不發(fā)送數(shù)據(jù)這2種狀態(tài)之間交替，它們的分布服從Pareto分布，該分布比指數(shù)分布更加接近實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量統(tǒng)計(jì)。在仿真中，設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)的區(qū)間和不發(fā)送數(shù)據(jù)的區(qū)間分布的平均時(shí)間均為200 ms，Pareto分布的形狀參數(shù)設(shè)置為1.2。為了比較本文基于VTLGN下的路由算法TCRA和DSP、DRA算法的性能，本文選取了6對(duì)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了相關(guān)數(shù)值的測(cè)量，主要包括平均端到端時(shí)延和分組丟失率。

圖8說明了DRA、DSP和TCRA這3種路由算法的平均端到端時(shí)延隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的變化情況?？梢钥闯?，在不同發(fā)送速率下，TCRA算法具有更小的平均端到端時(shí)延，這是因?yàn)镈RA算法和DSP算法在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間選路時(shí)僅僅是以路徑的傳播時(shí)延作為路徑優(yōu)先的度量；而在TCRA中，GEO衛(wèi)星收集到的組成員LEO信息綜合了傳播時(shí)延和鏈路上的數(shù)據(jù)分組排隊(duì)情況。

圖8 平均端到端時(shí)延隨數(shù)據(jù)發(fā)送率的變化

圖9反映了網(wǎng)絡(luò)的分組丟失率隨著數(shù)據(jù)發(fā)送率的變化關(guān)系，隨著源節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)分組發(fā)送速率的增加，DRA、DSP和TCRA這3種路由算法的分組丟失率都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，然而當(dāng)固定發(fā)送速率時(shí)，TCRA算法比DRA算法和DSP算法具有更低的分組丟失率，其原因和TCR具有較小的端到端時(shí)延類似。

圖9 分組丟失率隨數(shù)據(jù)發(fā)送率的變化

在本文構(gòu)建的VTLGN中，能夠有效處理LEO衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效的問題。圖10說明了TCRA算法平均端到端時(shí)延隨LEO層衛(wèi)星失效率的變化情況。DRA算法和DSP算法中一旦LEO衛(wèi)星失效，時(shí)延急劇增加，而對(duì)于TCRA算法，盡管隨著失效的LEO衛(wèi)星數(shù)量的增加，平均端到端時(shí)延在增加，但是數(shù)據(jù)依然可以被正常傳輸。這是因?yàn)樵赥CRA算法中，考慮了LEO衛(wèi)星失效的情形，即使在有失效的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的情況下，數(shù)據(jù)分組始終能夠按照最短路徑被路由。

圖10 在TCRA算法中，平均端到端時(shí)延隨LEO衛(wèi)星失效率的變化

6 結(jié)束語

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，單獨(dú)利用LEO和GEO星座進(jìn)行空間組網(wǎng)都不能充分發(fā)揮各個(gè)星座獨(dú)自優(yōu)勢(shì)，此外，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的周期性運(yùn)動(dòng)造成了網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋾r(shí)變性，給設(shè)計(jì)高性能的路由技術(shù)帶來了困難。為此，本文基于LEO和GEO星座建立了一種新的網(wǎng)絡(luò)模型，在此模型中，同時(shí)考慮了LEO和GEO衛(wèi)星的優(yōu)勢(shì)，并將虛擬節(jié)點(diǎn)策略和衛(wèi)星分組的方法改進(jìn)后應(yīng)用于此模型。通過理論和數(shù)值分析，說明了該網(wǎng)絡(luò)比其他多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型更具優(yōu)勢(shì)。此外，在基于此模型的路由算法中，GEO衛(wèi)星計(jì)算路由，LEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，即使是在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效的情況下，也會(huì)大大減小存儲(chǔ)開銷并提高其他路由性能，仿真驗(yàn)證了路由算法的有效性，從而說明了該模型和算法適用于空間信息網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)。

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Routing optimization based on topology control in satellite network

QI Xiaogang1, MA Jiulong1, LIU Lifang2

1. School of Mathematics and Statistics, Xidian University, Xi’an 710126, China 2. School of Computer Science and Technology, Xidian University, Xi’an 710071, China

A new double-layer satellite network model for space networking was established and a routing algorithm based on topology control(TCRA) was proposed considering the advantages of low earth orbit and stationary earth orbit satellite networks. This model used virtual node strategy and satellite grouping idea, which regarded the coverage area of each low earth orbit satellite as a virtual node. The network took into account the influence of the polar area on the division of the satellite footprints, such that the upper management satellites can accurately acquire the topology of the lower satellites. Using the improved virtual node strategy, the time slices were superior to other network models in quantity, length and other aspects. Based on the network topology, stationary earth orbit satellites calculate routing for low earth orbit satellites, while low earth orbit satellites were responsible for forwarding data. The simulation results show that the routing algorithm is superior to other algorithms in average end-to-end delay and packet loss rate.

satellite network, topology, routing, time slices

TN927

10.11959/j.issn.1000-436x.2018020

2017-04-06；

2018-01-17

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.61572435, No.61472305, No.61473222）；陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.2015JZ002, No.2015JM6311）；浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.LZ16F020001）；寧波市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No. 2016A610035）；空間測(cè)控通信創(chuàng)新探索基金資助項(xiàng)目（No.KJCK1608）

The National Natural Science Foundation of China (No.61572435, No.61472305, No.61473222), The Natural Science Foundation of Shaanxi Province (No.2015JZ002, No.2015JM6311), The Natural Science Foundation of Zhejiang Province (No.LZ16F020001), The Natural Science Foundation of Ningbo(No.2016A610035), AreoSpace T.T.&.C. Innovation Program (No.KJCK1608)

齊小剛（1973-），男，陜西寶雞人，博士，西安電子科技大學(xué)教授，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與算法設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建模與故障診斷。