頓聰穎 ，金鳳林 ，譚詩翰 ，祁春雨

(1.陸軍工程大學(xué) 指揮控制工程學(xué)院，江蘇 南京210007；2.解放軍31697 部隊，遼寧 大連116100)

0 引言

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、無線和移動設(shè)備的普及和發(fā)展，地面網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了巨大的變化，人們希望隨時隨地地訪問網(wǎng)絡(luò)。 但是，受網(wǎng)絡(luò)容量和覆蓋范圍的限制，僅僅依靠地面通信系統(tǒng)無法為地球上的任何角落，特別是海洋和山脈等環(huán)境惡劣的地區(qū)，提供高速可靠的互聯(lián)網(wǎng)接入。根據(jù)第五屆世界互聯(lián)網(wǎng)大會發(fā)布的《世界互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告2019》，互聯(lián)網(wǎng)滲透率為45%，這意味著全球仍有一部分人不能接入互聯(lián)網(wǎng)，尤其在南北極、偏遠鄉(xiāng)村、海洋和山脈等人口密度小的地區(qū)，地面網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本高，因此很難提供電信服務(wù)。此外在高速列車和飛機上等特殊場景、在自然災(zāi)害發(fā)生后，單純依靠地面網(wǎng)絡(luò)都不能獲得良好的服務(wù)質(zhì)量。 在這種情況下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)因其覆蓋范圍廣、不受地面災(zāi)難影響、可以以低成本實現(xiàn)無處不在的通信而備受關(guān)注。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的協(xié)助下，互聯(lián)網(wǎng)全球無縫覆蓋成為可能。 2017 年6 月，歐洲成立Sat5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)聯(lián)盟，探索衛(wèi)星采用5G 的可靠方案，圖1 為5G 系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用[1]。 即將到來的6G 將通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)、 機載網(wǎng)絡(luò)集成到一個無線系統(tǒng)中[2]，形成全球無縫立體覆蓋，實現(xiàn)無盲區(qū)寬帶移動通信。因此，通過衛(wèi)星接入互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的熱點。

圖1 5G 系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用

國內(nèi)外衛(wèi)星星座建設(shè)也逐步發(fā)展。 目前已經(jīng)公布的國外星座計劃有14 項：美國9 項，俄羅斯、加拿大、印度、韓國、荷蘭各1 項。 2020 年5 月26 日，美國FCC 新一輪準入申報的NGSO 星座衛(wèi)星總數(shù)達 到81 195 顆。2020 年10 月24 日，Starlink 完成第15組星鏈衛(wèi)星發(fā)射，入軌衛(wèi)星總數(shù)達到893 顆。 2006年沈榮駿院士首先提出了我國天地一體化網(wǎng)絡(luò)的概念和總體架構(gòu)[3]，2016 年，中國已在“十三五”規(guī)劃中將“天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)”納入“科技創(chuàng)新2030 重大項目”。 2020 年4 月20 日，國家發(fā)改委首次將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)列入“新基建”。 2020 年7 月31 日，由30顆衛(wèi)星(24 顆中圓地球軌道、3 顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3 顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星)組成的北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)正式開通。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展的同時，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的用戶和數(shù)據(jù)量也急劇增長，而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶和流量密度分布又極不平衡，這使得衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的資源利用不均勻，出現(xiàn)了部分衛(wèi)星閑置而部分衛(wèi)星高負載而導(dǎo)致鏈路擁塞的狀況，降低了衛(wèi)星服務(wù)質(zhì)量。 除此以外，傳統(tǒng)的衛(wèi)星路由協(xié)議一般只考慮單一衡量指標，使得業(yè)務(wù)流量的傳輸過于依賴某一條或幾條路徑，增加了負載失衡的可能性。 因此需要借助有效的負載均衡技術(shù)來解決衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡問題。

1 不同類別衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負載均衡

衛(wèi)星運行軌道可分為圓軌道和橢圓軌道，圓軌道以地球為圓心，橢圓軌道以地球為焦點。 受與地球距離的影響，橢圓軌道上衛(wèi)星在近地點運動速度快、遠地點速度慢，而在圓軌道上衛(wèi)星以恒定速度繞行[4]。 為便于星間鏈路的建立，一般采用圓軌道。

根據(jù)衛(wèi)星的軌道高度劃分，衛(wèi)星可分為三類：地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、中地球軌道(MEO)衛(wèi)星和低軌道(LEO)衛(wèi)星。 如圖2 所示，為躲避范·艾倫強電磁輻射的影響，GEO 運行在赤道正上方36 000 km的軌道，相對地球靜止，除兩極外，只需三顆GEO衛(wèi)星就可提供全球覆蓋。 MEO 衛(wèi)星位于兩層范·艾倫帶之間，軌道高度為5 000～10 000 km。 LEO 位于范·艾倫內(nèi)帶以下，軌道高度為500 ～1 500 km。 與GEO 衛(wèi)星相比，LEO 與MEO 的軌道高度更低，傳播時延更短，因此被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計，但LEO 與MEO 的運動速度更快，衛(wèi)星切換和波束切換概率高，網(wǎng)絡(luò)拓撲變化更頻繁，對衛(wèi)星路由設(shè)計要求也更高[4-5]。

圖2 衛(wèi)星軌道分布

1.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星分布在同一高度的軌道平面，通過同一類型的衛(wèi)星為用戶提供通信服務(wù)。 不同層的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)因其軌道高度不同，表現(xiàn)出不同的特點。 表1 為GEO、MEO 和LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點。

國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)Inmarsat 和“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)[6]都利用GEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)提供電話的數(shù)據(jù)通信服務(wù)。 然而，由于地球靜止軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高度較高，傳播時延較長，對通信的功率要求較高。

O3b(Other 3 billion)是典型的MEO 星座，由在8 000 km 左右的高度上的12～20 顆MEO 衛(wèi)星組成。O3b 即“其他30 億”，目標是幫助非洲、亞洲和南美的30 億人通過網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)。

LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有傳播時延短、功耗低的特點，因此應(yīng)用最廣。 Iridium 星座[7]由66 顆LEO 衛(wèi)星組成，高度約780 km。 Iridium 系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星都具有相同的機載處理、路由和交付能力，每顆衛(wèi)星具有四個星間鏈路(Inter-Satellite Link，ISL)，衛(wèi)星可以通過ISL 連接到相鄰衛(wèi)星。 Globalstar 系統(tǒng)使用均勻分布在8 圓形軌道平面的48 顆LEO 衛(wèi)星為用戶提供無縫連接、低成本和全覆蓋的衛(wèi)星移動通信服務(wù)。

表1 GEO、MEO 和LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點

1.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)

不同層的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過層間鏈路構(gòu)成多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Multi-Layer Satellite Network，MLSN)，其主要包括GEO/LEO、MEO/LEO 和GEO/LEO/MEO 等拓撲結(jié)構(gòu)。 典型的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

相比單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，MLSN 能夠提高系統(tǒng)容量、提供更強的計算能力、平衡網(wǎng)絡(luò)負載及提高系統(tǒng)的抗毀性。 隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)需求的提高，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐漸成為了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)展主要方向。

MEO/LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：2000 年，LEE J等人最早提出了SOS(Satellite over Satellite)網(wǎng)絡(luò)多層架構(gòu)[8]，并專門為由LEO 和MEO 層組成的MLSN 設(shè)計了分層QoS 路由協(xié)議(Hierarchical QoS Routing Protocol，HQRP)。 HQRP 中MEO 衛(wèi)星會建立全局路由表并將其分發(fā)給LEO 衛(wèi)星，可以實現(xiàn)路由表信息的更快收斂。 通過將經(jīng)歷大量跳數(shù)的流量通過MEO 層傳輸，可以減少排隊和計算時延。

GEO/LEO/MEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：通過將GEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集成到SOS 網(wǎng)絡(luò)中，2002 年，AKYILDIZ I F[9]等人設(shè) 計了一種GEO/LEO/MEO 三層MLSN 體系結(jié)構(gòu)，提出了多層衛(wèi)星路由(Multi-Layered Satellite Routing，MLSR)算法。 在MSLR 中，GEO 收集其覆蓋范圍內(nèi)每顆衛(wèi)星的鏈路時延信息，LEO 衛(wèi)星的信息通過MEO 衛(wèi)星傳輸?shù)紾EO 衛(wèi)星。 GEO 計算、更新并下發(fā)每顆衛(wèi)星的路由表。 通過采用集中控制機制，不僅可以實現(xiàn)時延最小化的路由，而且可以降低信令開銷和計算開銷。

GEO/LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：GEO 相對地球靜止，只需3顆就能實現(xiàn)全球覆蓋，實施起來比較簡單，GEO/LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲也相對簡單。 文獻[10]根據(jù)GEO 衛(wèi)星足跡將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進行區(qū)域劃分，GEO 管理覆蓋區(qū)域內(nèi)的LEO 衛(wèi)星，LEO 定期將自己的運行狀態(tài)和鏈路信息上傳至GEO 衛(wèi)星，GEO 根據(jù)這些信息確定當前拓撲狀態(tài)并下發(fā)至組內(nèi)的每一顆LEO 衛(wèi)星，減少了系統(tǒng)開銷。

不同構(gòu)成的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的效果不同，因此在設(shè)計多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時，需要綜合考慮各影響因素選擇合適的星座。 表2 為不同多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點對比。

圖3 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖

表2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)優(yōu)缺點對比

2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由技術(shù)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶分布不均勻，導(dǎo)致衛(wèi)星鏈路流量分布的不均勻，出現(xiàn)一些衛(wèi)星負載過大而一些衛(wèi)星空閑的狀況。 此外，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由大多基于最短路徑算法，使得網(wǎng)絡(luò)流量集中到最短路徑上，很容易造成最短路徑上的擁塞。 在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)量低的情況下，問題不是很明顯，但是，隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的最短路徑算法已不能應(yīng)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)流量的急劇增長，降低了服務(wù)質(zhì)量。 因此需要借助有效的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡技術(shù)來解決衛(wèi)星鏈路利用率失衡和衛(wèi)星鏈路擁塞的情況。

根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分類及負載均衡達到的效果，對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由進行如圖4 所示的分類。

圖4 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由分類

2.1 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由技術(shù)

單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由可分為基于全局信息的負載均衡路由和基于局部信息的負載均衡路由，即全局負載均衡和局部負載均衡。

全局負載均衡收集網(wǎng)絡(luò)的全局負載狀態(tài)信息，根據(jù)當前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，做出全網(wǎng)范圍內(nèi)的流量均衡決策，整體的負載均衡效果好，但通信開銷大，對網(wǎng)絡(luò)擁塞的反應(yīng)不靈敏。 局部負載均衡允許每顆衛(wèi)星根據(jù)自己的本地負載狀態(tài)信息獨立地做出負載均衡決策，可以對網(wǎng)絡(luò)擁塞快速做出反應(yīng)，實現(xiàn)局部范圍內(nèi)的負載均衡，通信開銷較小，但容易造成局部最優(yōu)或級聯(lián)擁塞。

2.1.1 全局負載均衡

文獻[11]提出為了緩解衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中流量集中在較高緯度的影響，路由算法應(yīng)該支持鏈路之間更加均勻的負載分擔。 文獻[12]針對LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了一種基于鏈路狀態(tài)的路由方案(Satellite Networks Link State Routing，SLSR)。 利用衛(wèi)星星座的確定性，在地面離線計算LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)離散快照的傳播時延，并將其存儲在衛(wèi)星上，SLSR 只收集鏈路排隊時延、節(jié)點和鏈路故障等不確定網(wǎng)絡(luò)信息。 鏈路代價設(shè)置為傳播時延和排隊時延的總和，避免了流量集中到最短路徑， 而是在負載低的鏈路上得到均衡。此外提出了改進的洪泛算法，降低了洪泛開銷。

與SLSR 類似，基于代理的負載均衡路由[13](Agentbased Load Balancing Routing，ALBR)，引入了新的估計鏈路開銷的機制，將鏈路傳播時延、排隊時延和衛(wèi)星的地理位置作為鏈路代價，并定義了鏈路代價修正因子，利用熱點區(qū)域和非熱點區(qū)域的鏈路代價差異，實現(xiàn)流量遷移。 同時ALBR 使用固定和移動兩種代理，以較低的信令、時間和空間開銷在整個衛(wèi)星系統(tǒng)上實現(xiàn)負載平衡。 文獻[14]提出了基于擁塞預(yù)測的負載均衡路由算法(Load Balancing Routing Algorithm Based on Congestion Prediction，LBRA-CP)，設(shè)計了一個多目標優(yōu)化模型，并采用修正因子來調(diào)整鏈路代價，在擁塞發(fā)生之前將流量引導(dǎo)到非熱點區(qū)域并限制流量在鏈路上的集中。 文獻[15]提出一種LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)感知和負載均衡路由模型(State-Aware and Load-Balanced，SALB)，將隊列占用率劃分為n個級別，每個級別對應(yīng)一個鏈路狀態(tài)，通過定量估計鏈路狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整排隊時延權(quán)重，當隊列占用率較低時，降低權(quán)重，從而優(yōu)先選擇負載較輕的路徑實現(xiàn)負載均衡，并通過高效的最短路徑樹算法動態(tài)更新路由表，降低了路由開銷。

SLSR、ALBR、LBRA-CP、SALB 均屬于單 路徑流量均衡方案，只能在流量過大時將流量分配到其他鏈路代價最低的路徑，并不能從根本上消除流量擁塞。 文獻[16]提出了兩種基于備用鏈路路由轉(zhuǎn)發(fā)策略(Alternate Link Routing，ALR)，將最短路徑上的流量分流到備用最短路徑上。 不同于ALR 策略只在兩條路徑上進行分流， 緊湊型顯式多徑路由[17](Compact Explicit Multi-path Routing，CEMR)使用軌道發(fā)言人機制周期性收集并交換全網(wǎng)鏈路狀態(tài)信息，計算出k條最短路徑進行數(shù)據(jù)傳輸，并通過PathID編碼方案，以更低的信號開銷支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的流量負載均衡。

ALR、CEMR 雖然使用了多條路徑進行流量分流，但每條路徑上的流量是隨意分配的，并且沒有考慮到流量分配到其他鏈路可能造成分流鏈路擁塞加重，很難達到理想的均衡效果。 文獻[18]提出了基于有限狀態(tài)機(Finite State Automaton，F(xiàn)SA)的鏈路分配方案，F(xiàn)SA 將系統(tǒng)周期劃分為有限個時間片，并將每個時間片的網(wǎng)絡(luò)拓撲視為一種狀態(tài)，F(xiàn)SA根據(jù)每顆衛(wèi)星的可見性矩陣和流量要求確定每種狀態(tài)的鏈路分配。 FSA 使用迭代的方法計算鏈路和路由分配的聯(lián)合最優(yōu)解，提供全局最優(yōu)鏈路分配表，并列出每個節(jié)點在每個狀態(tài)下的最優(yōu)通信路徑。FSA 是離線計算每個狀態(tài)的最優(yōu)流量分配，對實際情況下的流量動態(tài)變化適應(yīng)性差。

TANG F L[19]等基于網(wǎng)絡(luò)編碼提出了具有非停止等待機制的多徑協(xié)作路由協(xié)議(Network Coding Based Multipath Cooperative Routing，NCMCR)，并從理論上分析了成功解碼一批分組所需發(fā)送的編碼包的個數(shù)和每批的傳輸次數(shù)。 基于源和基于目的的多徑路由算法可以使數(shù)據(jù)流中沿著多條鏈路不相交的路徑協(xié)同傳輸不同的編碼分組，No-Stop-Wait ACK機制可以減少等待ACK 消息帶來的開銷，減少不必要的時延，提高了網(wǎng)絡(luò)吞吐量。 文獻[20]提出了一種選擇性迭代最短路徑算法(Selective Iterative Dijkstra Algorithm，SIDA)，對Dijkstra 算法進行了改進，通過均衡使用LEO 網(wǎng)絡(luò)中的每一條鏈路，降低節(jié)點的重用頻率來實現(xiàn)初始化階段的負載均衡。 在SIDA的基礎(chǔ)上， 提出了一種選擇性分裂負載均衡策略(Selective Split Load Balancing，SSLB)，在減少本地擁塞的基礎(chǔ)上，合理分流擁塞節(jié)點的流量，減輕其他區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的負擔。

2.1.2 局部負載均衡

在具有星間鏈路ISL 的非靜止星座中，根據(jù)跳數(shù)，兩顆衛(wèi)星之間可能存在多條最短路徑，為有效利用這些路徑，以均衡的方式將流量分配到鏈路，文獻[21]提出了基于優(yōu)先級的自適應(yīng)最短路徑路由(Priority-Based Adaptive Routing，PAR)。 PAR 根 據(jù) 鏈路的歷史利用率和緩沖信息，使用優(yōu)先級機制以分布式方式設(shè)置到目的衛(wèi)星的最小路數(shù)路徑，實現(xiàn)更均勻的負載分布。 但鏈路的狀態(tài)不等于衛(wèi)星的擁塞狀態(tài)，PAR 算法有可能把數(shù)據(jù)包發(fā)送到已經(jīng)擁塞的衛(wèi)星上。

文獻[22]、[23]中提出了顯式負載均衡路由算法(Explicit Load Balancing，ELB)，在相鄰衛(wèi)星節(jié)點間交換擁塞信息，避免將數(shù)據(jù)包發(fā)送到重載節(jié)點而導(dǎo)致丟包。根據(jù)鏈路占用率，將衛(wèi)星分為三種狀態(tài)：空閑、較忙和繁忙。 當衛(wèi)星A 從空閑轉(zhuǎn)換到較忙狀態(tài)時，會向鄰近衛(wèi)星發(fā)送警告消息，通知它們即將擁塞，相鄰衛(wèi)星搜索不包含衛(wèi)星A 的備選路徑。 當衛(wèi)星A 進入繁忙狀態(tài)，會向相鄰衛(wèi)星發(fā)送繁忙狀態(tài)通知，相鄰衛(wèi)星收到后，會以χ 比率的發(fā)送速率發(fā)送到A，并將1-χ 發(fā)送到已搜索的備選路徑上。 ELB算法可以快速緩解局部擁塞，但只能進行一跳的分流，不能處理全局的流量擁塞。

（2）從“地”的角度來看，“地”是農(nóng)村生產(chǎn)和經(jīng)營的基礎(chǔ)和主體。進一步深化農(nóng)村土地制度改革，落實好土地承包制度，規(guī)范生產(chǎn)生活秩序，實現(xiàn)農(nóng)村土地基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)、農(nóng)村工業(yè)和現(xiàn)代化科技的相互適應(yīng)和匹配，從根本上提高農(nóng)村土地資源的利用效率[3]。

在ELB 的基礎(chǔ)上，SONG GH 提出了基于信號燈的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)智能路由策略[24-25](Traffic-Light-Based Intelligent Routing，TLR)。 在TLR 中一組紅綠燈用于指示當前和下一跳節(jié)點的擁塞狀態(tài)。 當分組沿著預(yù)先計算的路線進行到目的地時，它可以根據(jù)每個中間節(jié)點的信號燈的實時顏色來動態(tài)調(diào)整路線。 通過初步規(guī)劃和實時調(diào)整相結(jié)合，最終可以使每個分組獲得近似最優(yōu)的傳輸路徑。 此外，TLR 的公共等待隊列方案可以充分利用緩存隊列的空閑空間，降低丟包率。 與PAR 和ELB 類似，TLR 不能緩解大范圍的流量擁塞。

以上負載均衡方法大多是在出現(xiàn)擁塞之后進行發(fā)送速率或鏈路調(diào)整，文獻[26]提出了基于擁塞預(yù)測的負載均衡方法，根據(jù)地面流量分布及流量速率，將衛(wèi)星所在區(qū)域分為正常和擁堵地區(qū)，對應(yīng)的衛(wèi)星狀態(tài)分為正常狀態(tài)和警告狀態(tài)，在擁堵區(qū)域內(nèi)外執(zhí)行不同比例的流量繞行和繞行切換。 在此基礎(chǔ)上，文獻[27]、[28]提出了全局-局部混合負載均衡路由方案(Hybrid Global-Local Load Balancing Routing，HGL)，將流量分解為可預(yù)測部分和突發(fā)部分，首先分析了地面流量分布的空間和時間變化并采用全局策略進行流量初分配，然后采用改進的ELB 方法，對突發(fā)流量引進的擁塞進行多跳分流，但仍不可能造成級聯(lián)擁塞。 同樣基于流量預(yù)測的思想，文獻[29]將衛(wèi)星節(jié)點的流量分為來自地面節(jié)點的流量和來自鄰居節(jié)點的流量，通過分析衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)流量分布的時空特性，提出任意兩顆衛(wèi)星節(jié)點之間的流量預(yù)測方法，并根據(jù)流量比例為每條鏈路分配緩存資源。

針對局部負載均衡可能出現(xiàn)的局部最優(yōu)并導(dǎo)致級聯(lián)擁塞[30-31]，特別是對于覆蓋北美或亞太地區(qū)等發(fā)達地區(qū)的衛(wèi)星，文獻[32]提出了一種基于混合流量繞行的負載均衡路由方案(Hybrid-Traffic-Detour Based Load Balancing Routing，HLBR)，在確定高業(yè)務(wù)量區(qū)域后，長距離流通過業(yè)務(wù)量區(qū)域繞行，短距離流在高業(yè)務(wù)量區(qū)域內(nèi)繞行分流，從而提供自適應(yīng)的流量分配，緩解級聯(lián)擁塞。

2.2 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由技術(shù)

2.2.1 上下層衛(wèi)星角色分離

AKYILDIZ I F[9]提出了由LEO、MEO 和GEO 組成的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并引入了多層衛(wèi)星路由算法MLSR。 在文獻[33]中針對組播路由修改了MLSR， 其中考慮了每條鏈路的帶寬利用率來計算組播樹，而不是鏈路時延。

針對由MEO 和LEO 衛(wèi)星星座組成的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有很多研究[34-35]，并發(fā)展了幾種不同的路由控制方法[36-37]。 在衛(wèi)星分組和路由協(xié)議[38](Satellite Grouping and Routing Protocol，SGRP)中，MEO 和LEO衛(wèi)星星座在角色上完全分離，僅使用LEO 衛(wèi)星傳送流量，而MEO 衛(wèi)星僅用于路由控制等網(wǎng)絡(luò)管理任務(wù)。位于同一MEO 衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內(nèi)的LEO 衛(wèi)星被分組，并周期性地向MEO 通知關(guān)于它們的鏈路信息，MEO 衛(wèi)星之間交換信息并更新LEO 的路由表。 LEO根據(jù)由MEO 計算并從MEO 通知的路由表執(zhí)行路由控制。 同時，為了避免LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，在不使用通過監(jiān)測隊列占用率檢測到的擁塞鏈路的情況下進行流量投遞，即隊列長度超過一定的預(yù)定義閾值意味著擁塞鏈路。

與SGRP 類似，文獻[38]將GEO 衛(wèi)星用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的控制與管理，LEO 衛(wèi)星負責(zé)用戶流量傳輸，提出了路數(shù)約束下的自適應(yīng)路由機制(Hop-Constrained Adaptive Routing，HCAR)。 HCRA 機 制 利 用 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的可預(yù)測性來限制數(shù)據(jù)包的跳數(shù)，并自適應(yīng)地轉(zhuǎn)移鏈路到相鄰衛(wèi)星之間的流量，可實現(xiàn)流量的全網(wǎng)均衡。

WANG F 等[39]提出了一種自適應(yīng)路由算法(Adaptive Routing Algorithm，ARA)，該算法提出了基于SDN 軟件定義的三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型：GEO 衛(wèi)星負責(zé)鏈路和資源調(diào)度，MEO 衛(wèi)星負責(zé)收集GEO 地面目標和近目標LEO 衛(wèi)星的信息，LEO 衛(wèi)星作為底層的轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，只負責(zé)接收GEO 的命令和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。 該算法不僅在路由性能方面有所提升，還可根據(jù)衛(wèi)星運動的變化實時優(yōu)化通信鏈路，使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有更好的魯棒性和靈活性，但SDN 在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用是否可行仍需要驗證。

MLSR、SGRP、HCAR 以及基于SDN 的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法是把單層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由的控制、管理及路由計算等功能集中到高層MEO 或MEO 衛(wèi)星上，數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)仍只在LEO 層進行。 相比單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，可以節(jié)省LEO 層衛(wèi)星資源，對LEO 層衛(wèi)星的處理能力要求低，可以更高效地實現(xiàn)負載分配的計算，進而實現(xiàn)LEO 層全局的負載均衡。

2.2.2 利用上層衛(wèi)星分流

僅僅利用LEO 層進行分流遠不能滿足負載均衡的需求，有效利用高層衛(wèi)星可以有效分配流量、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞發(fā)生。 分層分布式QoS 路由協(xié)議(Hierarchical and Distributed QoS Routing Protocol，HDRP)[40]是其中一個方案。 在LEO 衛(wèi)星分組方面HDRP 與SGRP 相似，但它在負載均衡方面有兩個明顯的優(yōu)勢。一是通過MEO 層進行流量傳輸。當源和目的地LEO 衛(wèi)星屬于不同的組時，流量通過MEO 層傳輸，減少了LEO 層的流量。 二是HDRP 可以提供帶寬保證并最小化傳輸延遲。

自適應(yīng)路由協(xié)議[41](Adaptive Routing Protocol for QoS，ARPQ)采用與SGRP 和HDRP 中使用的路由機制類似的路由機制。 在LEO 衛(wèi)星中，當占用的隊列長度超過閾值時，非時延敏感流以恒定的比率被轉(zhuǎn)移到相鄰的最不擁塞的LEO 衛(wèi)星，以防止端到端延遲的進一步增加。 時延敏感流被繞行到MEO 層以避免出現(xiàn)較大的排隊時延。 使用ARPQ 可以提高特定應(yīng)用的QoS 要求的滿意程度。 然而，由于沒有根據(jù)網(wǎng)絡(luò)擁塞情況動態(tài)調(diào)整流量的比例和方向，在LEO 層中分流的業(yè)務(wù)可能會在相鄰的LEO 衛(wèi)星處造成額外的網(wǎng)絡(luò)擁塞。

ARPQ 和HDRP 雖然利用MEO 層進行分流，但無法在LEO 層和MEO 層之間實現(xiàn)優(yōu)化的流量分配，文獻[42]提出了在LEO 和MEO 層公平流量的方案。 該方案引入了時間閾值θd，當總通信時延超過θd時，流量被分類為長距離流量，并通過第一個LEO 衛(wèi)星繞行至MEO 層，當總通信時延在θd之內(nèi)時，流量被分類為短距離流量，通過LEO 層最短路徑傳輸。 根據(jù)閾值將流量繞行到每一層之后，流量僅通過該層傳輸，直到到達指定目的用戶上訪的衛(wèi)星為止。 時間閾值θd可以通過公式化系統(tǒng)中每一層的通信量來得出。 針對不同業(yè)務(wù)需求，文獻[43]提出了基于優(yōu)先級和故障概率的雙層衛(wèi)星星座路由算法(Priority and Failure Probability Routing，PFPR)，MEO 基于LEO 路由需求采用遺傳算法求解主、備鏈路，并將路由表下發(fā)到LEO 層，同時MEO 還可用于傳輸非實時數(shù)據(jù)。 但該設(shè)計結(jié)構(gòu)復(fù)雜、路由計算復(fù)雜度高。

文獻[44]認為上述方案都沒有從根本上解決由人口分布不平衡引起的負載均衡問題，結(jié)合已經(jīng)在單層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中提出的基于擁塞預(yù)測的負載均衡方法[26]，設(shè)計了GEO/LEO 混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡和QoS 保障方案，將流量分為A、B、C 三類。 A類為時延第三型，在任何情況下都不繞行，B 類為時延相對穩(wěn)健型，僅在LEO 層內(nèi)繞行，C 類為盡力而為的流量， 由于其對長時延和延時變化的魯棒性，允許將其分流到GEO 衛(wèi)星。 但C 類流量僅通過GEO 流量進行繞行，這在LEO 層相對空閑時，會造成LEO 層資源的浪費和C 類流延時的增大。

文獻[45]針對LEO/MEO 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了定制的負載感知路由策略(Tailored Load-Aware Routing，TLAR)，根據(jù)周期性感知的負載信息，基于排隊論從理論上量化了各層的擁塞率，將最優(yōu)流量分配問題表示為一個凸優(yōu)化問題，有效利用了MLSN中的每一層來實現(xiàn)負載均衡。 但TLAR 假設(shè)所有LEO 衛(wèi)星的繞行率是相同的，實際中不同區(qū)域的LEO衛(wèi)星負載差異很大，使用相同的繞行率可能會導(dǎo)致負載大的區(qū)域更容易陷入擁塞。

文獻[46]得出了基于多徑調(diào)度的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)QoS準入控制機制，在地面網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置了基于區(qū)分服務(wù)排隊系統(tǒng)的準入控制，根據(jù)當前的負載帶寬和隊列長度對業(yè)務(wù)流進行實時調(diào)節(jié)和區(qū)分，以減少衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的工作量。 衛(wèi)星的星載處理系統(tǒng)被實現(xiàn)為簡單的優(yōu)先級隊列，以便對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的業(yè)務(wù)流進行優(yōu)先排序。 利用LEO 和GEO 的多路徑路由，為HTTP Web 服務(wù)、文件傳輸、視頻流和VoIP 應(yīng)用實現(xiàn)最優(yōu)端到端QoS。與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡鏈路權(quán)值設(shè)置類似，文獻[47]提出了一種GEO/LEO 雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)路由算法。 在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲動態(tài)離散化的基礎(chǔ)上，定義了具有時延和剩余帶寬的鏈路初始權(quán)值，并引入了關(guān)鍵鏈路的概念。 結(jié)合業(yè)務(wù)利用率調(diào)整不同業(yè)務(wù)鏈路初始權(quán)重，合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，滿足多種QoS 要求，優(yōu)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)鏈路利用率。

文獻[48]認為基于規(guī)則的路由算法不適用于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了一種基于檢測和自學(xué)習(xí)的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法，通過直連信息的獲取、直連信息的擴展和獲取網(wǎng)絡(luò)路由信息，使用路由自學(xué)習(xí)的方法根據(jù)用戶QoS 為數(shù)據(jù)選擇最優(yōu)的下一跳。

3 對比分析

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負載均衡路由技術(shù)隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展與設(shè)備需求的變化而發(fā)展。 不同的應(yīng)用背景下，不同的負載均衡路由表現(xiàn)效果不同，表3 和表4從實現(xiàn)效果、計算模式、鏈路代價、網(wǎng)絡(luò)開銷等方面分別對單層與多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負載均衡路由技術(shù)進行了對比分析。

通過不同技術(shù)對比，可以知道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡算法主要考慮以下幾點：(1)流量預(yù)測，根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶分布和衛(wèi)星運動的規(guī)律性，可提前預(yù)估擁塞， 在擁塞發(fā)生前采取措施提前避免擁塞發(fā)生；(2)鏈路權(quán)重設(shè)置，不同鏈路權(quán)重指標下?lián)砣l(fā)生時所選路徑不同，綜合考慮各影響指標，可以達到更好的負載均衡效果；(3)多路徑特性，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲呈網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，從源衛(wèi)星到目的衛(wèi)星有多條不同路徑，利用多路徑特性提前對流量進行分流，能夠有效避免鏈路擁塞；(4)充分利用多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)越性，充分利用各層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)能夠提高系統(tǒng)容量、提供更強的計算能力、平衡網(wǎng)絡(luò)負載。

4 結(jié)論

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負載均衡路由技術(shù)使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源得到更加充分的利用，提高了服務(wù)質(zhì)量，具有十分重要的現(xiàn)實意義。 今后衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡的實現(xiàn)仍面臨一些挑戰(zhàn)：

(1)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)承載多種業(yè)務(wù)，不同業(yè)務(wù)對帶寬、時延等資源的需求不同，需要設(shè)計分層分域的層級化組網(wǎng)架構(gòu)，合理利用不同類型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

(2)除了空間的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)外，不同高度的無人機、飛艇和氣球可形成多層空中網(wǎng)絡(luò)，可平衡高負載衛(wèi)星的傳輸壓力，但這樣的分層系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)切換和管理也更加復(fù)雜。

(3)未來的網(wǎng)絡(luò)是空天地一體化網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的負載均衡路由應(yīng)與地面網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，需要合理設(shè)計天地一體融合架構(gòu)、空口接口和天地協(xié)同管理機制。

表3 單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由技術(shù)對比

表4 多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)負載均衡路由技術(shù)對比