鄢硯軍，徐慧慧，葉 升

(1.中國(guó)人民解放軍91892部隊(duì)， 海南 三亞 572099； 2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院， 武漢 430072)

當(dāng)前，地面第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)(5G)因高數(shù)據(jù)速率、低延遲和大規(guī)模連接特征成為通信業(yè)和學(xué)術(shù)界探討的熱點(diǎn)。然而，覆蓋面積小和小型蜂窩小區(qū)有限的回程容量仍未解決，難以單獨(dú)依靠地面網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)中國(guó)領(lǐng)土、領(lǐng)海內(nèi)信息網(wǎng)絡(luò)全覆蓋。隨著低軌道(low earth orbit，LEO)衛(wèi)星的快速發(fā)展，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)已顯示出巨大潛力，可以與地面網(wǎng)絡(luò)融合來(lái)解決上述問(wèn)題。2018年，一些國(guó)家和組織宣布發(fā)射低地球軌道(LEO)通信衛(wèi)星用于構(gòu)建MSN為全球用戶提供寬帶互聯(lián)網(wǎng)連接服務(wù)。同樣，Oneweb計(jì)劃發(fā)射648顆低軌衛(wèi)星組成衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)用于全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)寬帶服務(wù)[1]。得益于高海拔、寬廣的工作頻譜和超密集拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)大容量回程、廣闊的覆蓋范圍和靈活的接入技術(shù)支持大量用戶通信[2]，通過(guò)地面段接入移動(dòng)衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)終端[3]進(jìn)行通信。

在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，信息數(shù)據(jù)傳輸需要高帶寬，但是終端業(yè)務(wù)存在不均衡的流量分布，難以保證最佳的端到端吞吐量，天地一體化路由算法在建立源終端與目標(biāo)終端之間的最佳路徑至關(guān)重要。研究人員對(duì)天地一體化路由方法[4-5]的研究主要方向是將地面路由協(xié)議擴(kuò)展到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，使用預(yù)先計(jì)算的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋪?lái)限制泛洪路由消息的數(shù)量。這些研究大多數(shù)適用于預(yù)先計(jì)算的拓?fù)?，難以反映衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)鏈路狀態(tài)，對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高動(dòng)態(tài)拓?fù)洌瑧?yīng)解決衛(wèi)星動(dòng)態(tài)路由問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]提出基于虛擬拓?fù)涞穆酚伤惴ǎ撍惴ɡ眯l(wèi)星軌道的周期特性和星座結(jié)構(gòu)的可預(yù)測(cè)特性，在衛(wèi)星運(yùn)轉(zhuǎn)的周期T內(nèi)，將時(shí)間T離散化為n個(gè)時(shí)間片段。在某個(gè)時(shí)間片內(nèi)，衛(wèi)星的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可虛擬為靜態(tài)的拓?fù)鋱D，用最短路徑算法(dijkstra shortest-path，DSP)計(jì)算路由。文獻(xiàn)[7]采用周期離散化的思想，提出有限狀態(tài)的概念，將衛(wèi)星系統(tǒng)的一個(gè)周期分為多個(gè)狀態(tài)，將每個(gè)狀態(tài)下的衛(wèi)星拓?fù)溥B接視為靜止，DSP算法能計(jì)算出每個(gè)狀態(tài)內(nèi)的全局最優(yōu)路徑，但該算法所有時(shí)間片內(nèi)路由表的計(jì)算操作都是預(yù)先完成的，無(wú)法應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

國(guó)家安全和軍事領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的移動(dòng)數(shù)據(jù)流量需求使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)被列入我國(guó)“十三五”規(guī)劃綱要。同時(shí)當(dāng)今世界正處于信息化戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)是高度依賴信息保障的立體戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)，天地一體化網(wǎng)絡(luò)不受區(qū)域、地形影響，能夠快速建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，為聯(lián)合作戰(zhàn)提供通信支持。

隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用戶的快速增長(zhǎng)，衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)擁塞情況已不可避免。為提高數(shù)據(jù)傳輸效率，文獻(xiàn)[8]采用了預(yù)測(cè)排隊(duì)時(shí)延的方法避免擁塞。文獻(xiàn)[9]提出基于“軌道代理”的方法，該算法收集每個(gè)相鄰鏈路的排隊(duì)時(shí)延，將時(shí)延信息轉(zhuǎn)發(fā)給軌道上的所有衛(wèi)星。在高流量負(fù)載下，由于報(bào)文傳輸時(shí)延大，收集的排隊(duì)時(shí)延可能已過(guò)時(shí)。為避免擁塞，文獻(xiàn)[10]提出了一種負(fù)載均衡(ELB)方案，在ELB中，當(dāng)衛(wèi)星鏈路變得擁塞時(shí)，它向鄰居衛(wèi)星發(fā)送擁塞通知，并要求鄰居衛(wèi)星降低發(fā)送速率。由于ELB沒(méi)有考慮下一跳鏈路的時(shí)延，仍然無(wú)法有效防止部分鏈路擁塞。為解決這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[11]提出了一種基于交通燈的智能路由策略，該策略根據(jù)當(dāng)前ISL的隊(duì)列時(shí)延來(lái)決定下一跳轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)。該方法降低了報(bào)文丟失率，但算法的傳輸時(shí)延是固定值，下一跳的選擇不是最佳解決方案，可能選擇更長(zhǎng)的路徑傳輸數(shù)據(jù)，導(dǎo)致端到端時(shí)延變得不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)異常高。

為解決天地一體化路由中擁塞問(wèn)題，本文提出了一種基于擁塞狀態(tài)的路徑選擇算法(routing selection algorithm based on congestion in ITSNs，RACA)。該算法根據(jù)極軌道星座和切斜軌道星座特點(diǎn)提出一種新的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停鄳?yīng)給出了基于該模型的路由優(yōu)化算法。該路由算法的路由選擇以源地址和目的地址之間路徑的最小傳播時(shí)延和隊(duì)列時(shí)延為準(zhǔn)則，該算法是分布式的結(jié)構(gòu)，即下一跳路由的選擇基于當(dāng)前時(shí)刻LEO衛(wèi)星中的分組來(lái)決定，與其他LEO衛(wèi)星和分組無(wú)關(guān)。然后通過(guò)模擬退火算法計(jì)算最優(yōu)的天地一體化路由集合，在端到端時(shí)延的約束條件下，最大化端到端的可用帶寬。

1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)路由和拓?fù)浞治?/h2>

1.1 天地一體化網(wǎng)絡(luò)路由策略

由LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)組成的天地一體化網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合作戰(zhàn)架構(gòu)如圖1所示。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由N個(gè)極軌道和M顆衛(wèi)星組成，每個(gè)地面終端到衛(wèi)星終端同時(shí)連接衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和地面節(jié)點(diǎn)。用戶終端可以通過(guò)地面節(jié)點(diǎn)或衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)衛(wèi)星有5個(gè)端口，其中4個(gè)端口連接到4個(gè)相鄰衛(wèi)星，另一個(gè)端口連接到地面節(jié)點(diǎn)的端口。每個(gè)端口都可以配置一個(gè)性能計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器用于計(jì)算報(bào)文的到達(dá)率和發(fā)送率，從而獲得每個(gè)鏈路的排隊(duì)時(shí)延。鏈路包含以下3種。

1) 軌內(nèi)星間鏈路，它是同一軌道平面內(nèi)相鄰2個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的鏈路，記為Intra-ISL。

2) 軌間星間鏈路，它是相鄰軌道上相鄰衛(wèi)星之問(wèn)的鏈路，記為Inter-ISL。

3) 星地鏈路，它是地面終端與衛(wèi)星之間的通信鏈路，記為GSL。

為了最大化源到目的終端之間的可用帶寬，本文根據(jù)地面鏈路、星地鏈路和ISL中的可用帶寬找到最佳路徑。由于衛(wèi)星的高移動(dòng)性會(huì)導(dǎo)致ISL和星地鏈路的頻繁變化，衛(wèi)星路由算法直接影響天地一體化路由算法的性能。為此，本文首先基于每個(gè)ISL的通信時(shí)延，設(shè)計(jì)衛(wèi)星路由算法，得出源到目的衛(wèi)星之間的最小時(shí)延。然后，通過(guò)模擬退火算法選擇一種最佳組合，在端到端時(shí)延的約束條件下，最大化端到端可用帶寬。

1.2 拓?fù)浞治?/h3>

文獻(xiàn)[12]使用了不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)尋找極軌道星座的最短路由，但不能用于傾斜軌道星座。本文提出了一種新型的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以適用于極軌道星座和傾斜軌道星座。極軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和傾斜軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淙鐖D2、圖3所示，本文將極軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和傾斜軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的立體星座分別從N極和S極的角度形成平面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。此時(shí)的平面網(wǎng)是由2張普通的網(wǎng)背靠背的疊加而成，這樣源衛(wèi)星在立體球面網(wǎng)絡(luò)上傳輸數(shù)據(jù)給目的衛(wèi)星的路由問(wèn)題，變成了衛(wèi)星在平面網(wǎng)絡(luò)上尋找最短路由的問(wèn)題。

圖2 極軌道星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

圖3 傾斜軌道星座網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D

從圖2中可以看出，所有軌道面內(nèi)鏈路的長(zhǎng)度是固定的，其計(jì)算公式為:

(1)

式(1)中：r表示軌道半徑；M為單個(gè)軌道面上的衛(wèi)星顆數(shù)；L表示軌道面內(nèi)鏈路的長(zhǎng)度。

2個(gè)相鄰軌道面上的衛(wèi)星之間鏈路長(zhǎng)度為：

(2)

式(2)中：F代表軌道間的相位參數(shù)；N表示每個(gè)軌道的衛(wèi)星個(gè)數(shù)；θ表示當(dāng)前衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緯度。

2 路由算法

2.1 隊(duì)列時(shí)延

鏈路的距離決定數(shù)據(jù)包通過(guò)鏈路的傳播時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度決定數(shù)據(jù)包通過(guò)的隊(duì)列時(shí)延，本文定義鏈路的擁塞率為ci=λi/μi，i=1，2，3，4，λi是收到的相鄰4個(gè)衛(wèi)星的報(bào)文率，μi是給相鄰4個(gè)衛(wèi)星的發(fā)送率，λg是GSL報(bào)文到達(dá)率，μg是GSL報(bào)文發(fā)送率。si-sj之間的第n條鏈路的隊(duì)列時(shí)延表達(dá)式為：

(3)

(4)

定義dsg為星地鏈路的距離，則GSL的通信時(shí)延表達(dá)式為：

tsg=cg/μg(1-cg)+dsg/v

(5)

2.2 衛(wèi)星路由算法

本文提出的RACA路由算法中的各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)只需要收集本節(jié)點(diǎn)和鄰居節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)信息，對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)報(bào)文計(jì)算下一跳節(jié)點(diǎn)，不需要收集全網(wǎng)的時(shí)延信息，路由信息交互較少。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)地址以赤道為中心將地球分為南北2個(gè)極面，用0表示北極面，1表示南極面。我們定義源衛(wèi)星和目的衛(wèi)星的地址分別為(poles，rs，θs，ids)和(poled，rd，θd，idd)，其中pole表示極面，r表示衛(wèi)星與極心的距離，θ表示極軌道星座衛(wèi)星軌道與中心線的夾角，id表示衛(wèi)星所處的軌道。

由于每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)有4個(gè)方向的端口，當(dāng)節(jié)點(diǎn)收到需要轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先確定可以轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的端口。在當(dāng)前節(jié)點(diǎn)(poles，rs，θs，ids)收到發(fā)往目的節(jié)點(diǎn)(poled，rd，θd，idd)的數(shù)據(jù)時(shí)，首先記錄數(shù)據(jù)的入口方向，該方向在任何情況下都不會(huì)成為數(shù)據(jù)的下一跳方向；然后計(jì)算目的節(jié)點(diǎn)所在的方向，以保證數(shù)據(jù)包能以最少時(shí)延到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇下一跳的方法的相對(duì)地址表示如下:

(6)

式(6)中：pole的取值為0或1，0表示源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)在相同極面，1表示在不同極面；r表示衛(wèi)星與極心的距離，當(dāng)r>0時(shí)，表示目的地址在源地址的外環(huán)上，當(dāng)r<0時(shí)，表示目的地址在源地址的內(nèi)環(huán)上；θ為正數(shù)時(shí)，表示目的節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)的逆時(shí)針?lè)较颍葹樨?fù)數(shù)時(shí)，表示目的節(jié)點(diǎn)在源節(jié)點(diǎn)的順時(shí)針?lè)较?；id=0表示目的地址和源地址在相同的軌道上，id≠0表示目的地址和源地址在不同的軌道上。

2.2.1相同極面時(shí)的情況

1)id=0，進(jìn)一步對(duì)比r，r>0時(shí)，內(nèi)環(huán)方向的節(jié)點(diǎn)不會(huì)成為數(shù)據(jù)的下一跳方向，記錄數(shù)據(jù)的入口方向，該方向在任何情況下都不會(huì)成為數(shù)據(jù)的下一跳方向；當(dāng)r<0時(shí)，外環(huán)方向的節(jié)點(diǎn)不會(huì)成為數(shù)據(jù)的下一跳方向；最后對(duì)比剩下候選方向的鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延和隊(duì)列時(shí)延，選擇最短通信時(shí)延的候選鄰居為轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳；當(dāng)r=0時(shí)，表示當(dāng)前衛(wèi)星就是目的節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星。

2)id≠0，首先記錄數(shù)據(jù)的入口方向，該方向在任何情況下都不會(huì)成為數(shù)據(jù)的下一跳方向；然后對(duì)比r和θ，當(dāng)θ>0且r>0時(shí)，目的衛(wèi)星在當(dāng)前衛(wèi)星的右上側(cè)，確定候選節(jié)點(diǎn)為內(nèi)環(huán)和右方向的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)θ<0且r>0時(shí)，目的衛(wèi)星在當(dāng)前衛(wèi)星的左上側(cè)，確定候選節(jié)點(diǎn)為內(nèi)環(huán)和左方向的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)θ<0且r<0時(shí)，目的衛(wèi)星在當(dāng)前衛(wèi)星的左下側(cè)，確定候選節(jié)點(diǎn)為外環(huán)和左方向的節(jié)點(diǎn)；當(dāng)θ>0且r<0時(shí)，目的衛(wèi)星在當(dāng)前衛(wèi)星的右下側(cè)，確定候選節(jié)點(diǎn)為外環(huán)和右方向的節(jié)點(diǎn)；最后對(duì)比剩下候選方向的鄰居節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)延及隊(duì)列時(shí)延，選擇有最短通信時(shí)延的候選鄰居為轉(zhuǎn)發(fā)的下一跳。

2.2.2不同極面的情況

2.3 路徑選擇算法

基于提出的衛(wèi)星路由算法，si-sj之間的通信時(shí)延tsisj為：

(7)

對(duì)于源終端到目的終端u0-ud之間的數(shù)據(jù)傳輸，其端到端的通信時(shí)延由tu0si和tsjud組成。tussi表示源終端us到衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)si的通信時(shí)延；tsjud表示衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)sj到目的終端ud的通信時(shí)延，其計(jì)算公式分別為：

tussi=tusgi+tgisi，gi∈W，si∈S

(8)

tsjud=tgjud+tgjsj，gj∈W，sj∈S

(9)

式(8)～(9)中：tusgi表示u0到地面-衛(wèi)星終端gi的通信時(shí)延；tgjud表示gj到ud的通信時(shí)延；tgisi和tgjsj表示星地間的通信時(shí)延。

由于地面網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是固定的，源終端使用bellmanford 路由算法計(jì)算出u0-ud之間的路由和該路由上的地面終端節(jié)點(diǎn)到衛(wèi)星終端節(jié)點(diǎn)。并搜集u0-ud路徑上所有鏈路的流量狀態(tài)信息，然后通過(guò)路由更新周期內(nèi)的歷史鏈路流量來(lái)預(yù)測(cè)地面節(jié)點(diǎn)的每條鏈路流量，從而獲得該鏈路的隊(duì)列時(shí)延。由于u0-ud路徑上所有鏈路的傳播距離是固定的，傳播時(shí)延可以通過(guò)傳播距離計(jì)算，因此本文可以得到地面必經(jīng)鏈路的通信時(shí)延，即tu0gi和tgjud。

用無(wú)向圖G(V，E)表示天地一體化網(wǎng)絡(luò)，其中V為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集(包括地面和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn))，E為節(jié)點(diǎn)之間的物理鏈路集，鏈路權(quán)重表示節(jié)點(diǎn)之間的通信時(shí)延。設(shè)定地面網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)集Vc?V和地面終端到衛(wèi)星終端數(shù)目k，由于數(shù)據(jù)傳輸需要高帶寬，定義Cs、Cs分別為衛(wèi)星鏈路和地面鏈路的帶寬容量，Lsn、Lun分別為第n條衛(wèi)星鏈路和地面鏈路傳輸?shù)膱?bào)文總長(zhǎng)度，Tsn、Tun分別為數(shù)據(jù)流量在第n條衛(wèi)星鏈路和地面鏈路傳輸所需時(shí)間，本文目的是找出連接衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的地面終端到衛(wèi)星終端的一個(gè)子集{g1，g2，…，gk}?W和衛(wèi)星子集{Si，…，Sj}?S，最大化源終端到目的終端的可用帶寬R，表達(dá)式為：

(10)

模擬退火算法的具體步驟為：

Input：G(V，E)，tmax

Output：Wopt，Rmax；

1： Initialize 初始溫度β，終止溫度βfinal，退火系數(shù)α；

2： 從Vc集合的n個(gè)節(jié)點(diǎn)中隨機(jī)選擇k個(gè)初始地面-衛(wèi)星終端和為其服務(wù)的源-目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)對(duì)集合Wopt；

3： 計(jì)算時(shí)延(tsisj+tsjud+tu0si)；

4： if (tsisj+tsjud+tu0si)≤tmaxthen

5: whileβo>βfinaldo

6：Wnew=Wopt；

7： 生成新的集合Wnew；

8： 計(jì)算可用帶寬Rmax；

9：Δ=Rnew-Rmax；

10: 生成一個(gè)(0，1)的隨機(jī)數(shù)；

12：Wnew=Wopt；

13：tnew=tmax；

14： end if

15:β=β.α；

16： end while

17： returnWopt，Rmax。

我們?cè)O(shè)定源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的地面至衛(wèi)星終端個(gè)數(shù)為k，其解空間集合的容量是k(k-1)/2，具有有限的數(shù)據(jù)量，考慮模擬退火算法過(guò)程簡(jiǎn)單，能快速求出從所有源終端到目的終端可用帶寬的最大化最佳組合，我們采用模擬退火算法進(jìn)行計(jì)算。

3 仿真

仿真場(chǎng)景中的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由156顆衛(wèi)星組成，均勻分布在13個(gè)軌道上，高度為1 000 km，仿真參數(shù)見(jiàn)表1。仿真時(shí)在STK中創(chuàng)建星座模型，建立鏈路，在Qualnet中實(shí)現(xiàn)仿真模擬通信過(guò)程。在天地一體化路由算法中衛(wèi)星路由算法決定天地一體化路徑的選擇，為了驗(yàn)證天地一體化路由方案，將RACA算法與ELB和DSP衛(wèi)星路由算法進(jìn)行對(duì)比。設(shè)置600條On-Off流，平均突發(fā)時(shí)間和平均空閑時(shí)間設(shè)置為200 ms，源終端和目的終端均勻分布，分為6個(gè)大陸區(qū)域，數(shù)據(jù)流分布見(jiàn)表2。源節(jié)點(diǎn)以0.8 Mbit/s至1.5 Mbit/s的恒定速率發(fā)送數(shù)據(jù)。

表1 仿真參數(shù)

表2 數(shù)據(jù)流分布 %

3.1 端到端時(shí)延。

端到端時(shí)延是指源終端發(fā)送數(shù)據(jù)流量到目的終端需要的時(shí)間。從圖4可以看出，DSP算法的平均端到端時(shí)延要比其他算法高，原因是DSP算法一直在最短路徑上傳輸數(shù)據(jù)流量，隨著數(shù)據(jù)流量的增加，鏈路開(kāi)始擁塞，所選最短路徑排隊(duì)時(shí)延增加，導(dǎo)致平均端到端時(shí)延大幅增加。ELB算法響應(yīng)擁塞動(dòng)態(tài)地將流量繞道到備用路徑，因此ELB算法端到端時(shí)延低于DSP算法。

圖4 不同速率下的端到端時(shí)延曲線

對(duì)比ELB算法和RACA算法發(fā)現(xiàn)ELB的傳播延遲是恒定的，通過(guò)具有較高傳播延遲的路由發(fā)送數(shù)據(jù)包，造成ELB算法端到端時(shí)延比RACA算法高。本文提出的RACA算法在3種方案中均實(shí)現(xiàn)了最低的平均端到端時(shí)延，這是因?yàn)樗岢龅穆酚伤惴ǖ膫鬏敃r(shí)延是時(shí)變的。該算法選擇傳播時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延中最小的路徑，一定程度緩解了擁塞。

圖5顯示了3種算法數(shù)據(jù)丟包率的變化趨勢(shì)，每條流的數(shù)據(jù)發(fā)送速率在0.8～1.5 Mbit/s的范圍內(nèi)變化，

圖5 不同速率下的丟包率曲線

從圖5可以看出，RACA算法的丟包率最低。這是因?yàn)樵谒兴俾手校珼SP算法始終選擇最短路徑傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送速率增大時(shí)，鏈路會(huì)出現(xiàn)擁塞，造成所選路徑報(bào)文溢出，丟包率情況加大。ELB算法考慮了下一跳的擁塞，避免了隊(duì)列的溢出，但ELB算法傳輸時(shí)延是固定值，ELB算法繞行的路徑可能包括擁堵區(qū)域，造成丟包率增加。

3.2 地面?zhèn)鬏敽吞斓匾惑w化傳輸性能對(duì)比

為了驗(yàn)證天地一體化路由的性能，圖6表示地面路由和天地一體化路由的吞吐量。在沒(méi)有擁塞的條件下，地面有足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬滿足用戶流量的需求，使用地面路由的時(shí)延最短，此時(shí)，TSHR選擇的路徑與地面路由選擇的最短路徑相同，在地面鏈路沒(méi)有擁塞時(shí)，地面網(wǎng)絡(luò)和TSHR網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐掏铝肯嗤?50 s時(shí)，由于流量需求的增加，節(jié)點(diǎn)開(kāi)始擁塞。在地面路由算法中，一直選擇最短路徑會(huì)使數(shù)據(jù)流量集中該路徑上，導(dǎo)致該路徑節(jié)點(diǎn)負(fù)載過(guò)重。而在天地一體化路由算法中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)參與到數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)工作，通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更改路徑避免選擇地面擁塞的鏈路，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐掏铝俊?/p>

圖6 地面?zhèn)鬏敽吞斓匾惑w化傳輸?shù)耐掏铝壳€

4 結(jié)論

本文針對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸擁塞的問(wèn)題，提出將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合到地面網(wǎng)絡(luò)中，并提出一種天地一體化網(wǎng)絡(luò)傳輸路由算法RACA，根據(jù)地面段內(nèi)以及地面和衛(wèi)星段之間的流量需求調(diào)整路由。為了降低擁塞導(dǎo)致的隊(duì)列時(shí)延，首先提出基于ISL通信時(shí)延的衛(wèi)星路由算法，該算法通過(guò)計(jì)算每個(gè)方向上的ISL時(shí)延，找到最佳下一跳。然后以最大化路徑的可用帶寬為目標(biāo)，通過(guò)模擬退火算法計(jì)算最優(yōu)的天地一體化路由集合。在Qualnet中對(duì)RACA算法、ELB算法和DSP算法進(jìn)行了仿真對(duì)比，結(jié)果表明，本文提出的RACA路由算法在端到端時(shí)延和丟包率方面均優(yōu)于其他2種算法。同時(shí)對(duì)比了擁塞狀態(tài)下天地一體化路由算法和地面路由算法，仿真結(jié)果表明天地一體化路由算法能為終端提供較好的吞吐量。