下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)研究進(jìn)展*

毛騰躍，徐正全 ，朱容波 ，侯 睿

(1．中南民族大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 武漢430074；2．武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢430079)

1 引言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋的優(yōu)勢(shì)可以彌補(bǔ)Internet的不足，使其成為Internet的延伸，為用戶提供各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、寬帶多媒體數(shù)據(jù)及個(gè)人移動(dòng)通信等服務(wù)。目前的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在時(shí)延高、帶寬利用率低及通信成本高、服務(wù)融合能力差的缺陷，難以滿足用戶廉價(jià)和方便的服務(wù)需求。下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)只有利用地面Internet成熟的IP技術(shù)，以IP為核心思想，和地面 Internet無縫對(duì)接[1]，實(shí)現(xiàn)天地一體化的Internet，才能突破發(fā)展的瓶頸。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面互聯(lián)網(wǎng)相比，有許多獨(dú)特的地方。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一種高速移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁地周期性變化，星間鏈路（inner-satellitelink,ISL）和星地鏈路頻繁切換，而地面的Internet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。還有星上資源和能量受限、信道誤碼率遠(yuǎn)大于地面網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星空間分布稀疏、節(jié)點(diǎn)間距離遙遠(yuǎn)等，決定了地面Internet的路由協(xié)議不適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。因此，需要結(jié)合衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的規(guī)律性和周期性等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)與地面Internet不同的路由協(xié)議。

2 路由技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是由許多處于不同軌道運(yùn)行的衛(wèi)星組成，包括各種類型的星座，如GEO(geostationaryearthorbit)、MEO（mediumearthorbit）、LEO(lowearthorbit)，衛(wèi) 星 的 高 速 移動(dòng)導(dǎo)致星間鏈路和星地鏈路頻繁切換，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁地周期性變化。而地面Internet網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，如采用地面Internet的路由協(xié)議，由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓?，拓?fù)湫畔⒑芸爝^期而且需要經(jīng)常刷新，會(huì)導(dǎo)致處理拓?fù)湫畔⒌拈_銷過于龐大，衛(wèi)星難以承受IP路由所帶來的計(jì)算和存儲(chǔ)開銷，因而地面Internet的路由協(xié)議不適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇焖僮兓玩溌窢顟B(tài)信息實(shí)時(shí)變化，要求衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由策略具有高穩(wěn)定性和快速收斂的能力。

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的設(shè)計(jì)中，衛(wèi)星資源的嚴(yán)重受限給路由策略帶來了重大挑戰(zhàn)。星載設(shè)備的設(shè)計(jì)不同于地面設(shè)備，嚴(yán)格受到功率、重量、尺寸的限制，因此導(dǎo)致星上設(shè)備的運(yùn)算能力、存儲(chǔ)容量均受到限制，要求星上可實(shí)現(xiàn)的路由算法簡(jiǎn)單，對(duì)存儲(chǔ)器的容量要求不能過高[2]。由于地面人口密度分布得不均勻，人口密度大的地區(qū)對(duì)流量的需求遠(yuǎn)大于人口稀少的地區(qū)，需求不對(duì)稱和流量動(dòng)態(tài)變化對(duì)路由算法提出了如何平衡流量的挑戰(zhàn)。

星間鏈路、星地上下行鏈路頻繁切換以及衛(wèi)星鏈路的高傳播時(shí)延特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致時(shí)延增加以及時(shí)延抖動(dòng)，特別是對(duì)實(shí)時(shí)要求較高的多媒體應(yīng)用來說，嚴(yán)重影響QoS。而QoS苛刻的受限條件給QoS路由策略的設(shè)計(jì)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖僮兓玩溌窢顟B(tài)信息的實(shí)時(shí)變化，要求衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由策略具有高穩(wěn)定性和快速收斂的能力。空間系統(tǒng)的能量供給受限，星上設(shè)備維護(hù)不便，因此要求路由策略具備低功耗和高可靠性運(yùn)行的能力[3]。需求不對(duì)稱和流量動(dòng)態(tài)變化要求路由策略具有動(dòng)態(tài)的平衡性。實(shí)時(shí)多媒體應(yīng)用對(duì)QoS路由策略的需求等因素導(dǎo)致路由策略極其復(fù)雜，作為IP網(wǎng)絡(luò)中的核心技術(shù)，路由問題面臨巨大的挑戰(zhàn)，路由問題一直得到了極大的關(guān)注，成為持續(xù)的研究熱點(diǎn)。

3 路由策略研究現(xiàn)狀

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在諸多的特性，地面Internet中廣泛使用的路由策略不能直接應(yīng)用到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。目前關(guān)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由策略的研究非常多，都是結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)特性或者某些特性而實(shí)現(xiàn)的[4]，如利用衛(wèi)星拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化但具有周期性的特性提出的基于星座周期的路由策略,依據(jù)流量動(dòng)態(tài)變化、需求不對(duì)稱提出的實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡的路由策略等，具體分類見表1。

3.1 基于星座周期的路由

預(yù)先精確計(jì)算每對(duì)衛(wèi)星間的路徑，把動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)規(guī)劃成按時(shí)間段分隔的一系列連續(xù)的靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在每個(gè)相對(duì)很短的間隔內(nèi)，衛(wèi)星的動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可模型化為固定拓?fù)?，從而在靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上提供優(yōu)化的路由。Chang[5]提出的 FSA（finitestateautomataroute）算法對(duì) LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)按固定時(shí)間段進(jìn)行離散處理，把離散化后的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)有限狀態(tài)機(jī)。FSA算法把LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中ISL鏈路分配問題與路由問題相結(jié)合，優(yōu)化目標(biāo)是ISL利用率，通過動(dòng)態(tài)規(guī)劃中的退火算法來解決鏈路分配與路由分配的聯(lián)合優(yōu)化問題。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的最優(yōu)化使用，但由于不是按最短路徑原則選擇路由，因此所選路由時(shí)延指標(biāo)不能被保證，而且計(jì)算復(fù)雜性過高。Werner[6]提出的動(dòng)態(tài)虛拓?fù)潆x散狀態(tài)路由（time dynamicvirtualtopologyrouting，T-DVTR）算法根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的周期性，把衛(wèi)星系統(tǒng)周期劃分為多個(gè)時(shí)間間隔，時(shí)間間隔適度小，在該期間內(nèi)各個(gè)ISL的代價(jià)可以認(rèn)為不變。ISL的連通和斷開僅發(fā)生在離散時(shí)間點(diǎn)，經(jīng)過離散化處理后，動(dòng)態(tài)變化的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表示為一系列靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)周期性重復(fù)出現(xiàn)。通過典型最短路由算法計(jì)算路由，將鏈路切換次數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。

表1 路由策略類型

由于基于星座周期的路由策略可以按照星座運(yùn)行的周期性預(yù)先計(jì)算出路由，路由計(jì)算通常在地面預(yù)先集中處理，衛(wèi)星不需要實(shí)時(shí)計(jì)算，衛(wèi)星在時(shí)間間隔的分隔點(diǎn)修改路由表。它的優(yōu)點(diǎn)是路由協(xié)議的開銷小，對(duì)衛(wèi)星的處理能力要求不高，而其缺點(diǎn)是對(duì)通信流量變化、鏈路擁塞以及故障等實(shí)時(shí)情況的適應(yīng)性較差。

3.2 基于鏈路切換的路由

衛(wèi)星高速移動(dòng)導(dǎo)致星間鏈路、星地上下行鏈路頻繁切換，如果每一次鏈路切換需要重建路由的話，會(huì)導(dǎo)致時(shí)延增加以及時(shí)延抖動(dòng)，直接影響QoS，特別是對(duì)實(shí)時(shí)要求較高的多媒體應(yīng)用來說，QoS的過度下降是不能容忍的。為避免QoS的下降，一些基于鏈路切換的路由策略在路由選擇中，盡量選擇鏈路切換次數(shù)少的路由，通過星間鏈路的切換率或者星地上下行鏈路的切換率來保證QoS。參考文獻(xiàn)[7]中提出的概率路由協(xié)議（probabilisticroutingprotocol）在新連接路徑建立階段，通過去掉在其通信生存期內(nèi)或衛(wèi)星切換前可能經(jīng)歷鏈路切換的ISL，在這個(gè)新形成的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上計(jì)算路由。參考文獻(xiàn)[8]中通過收集星間鏈路的生存周期，選擇生存周期最長(zhǎng)的星間鏈路作為路由路徑。參考文獻(xiàn)[9]中提出了一個(gè)切換次數(shù)最少的自適應(yīng)路由方案，其依據(jù)的原則是在保證一定QoS的基礎(chǔ)上，最大限度地減少切換次數(shù)。參考文獻(xiàn)[10]中提出了一種鏈路切換的概率路由策略，滿足一定的QoS時(shí)延約束。

3.3 基于路徑優(yōu)化的路由

同地面互聯(lián)網(wǎng)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)間距離遠(yuǎn)，導(dǎo)致傳輸時(shí)延較長(zhǎng)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延主要取決于傳輸時(shí)延。因此，選擇路徑較短、跳數(shù)較少的路由可以盡可能地縮小傳輸時(shí)延。Ekici[11]提出的分布式路由算法以傳輸時(shí)延最小化作為約束目標(biāo)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況實(shí)時(shí)計(jì)算并選擇新的路由，適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)存儲(chǔ)空間很小，節(jié)省了星上資源。但該類路由通常要求網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)非常規(guī)則,只適用于衛(wèi)星數(shù)目較多且分布十分規(guī)則的衛(wèi)星系統(tǒng)，而且路由計(jì)算利用局部狀態(tài)信息，對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)分組進(jìn)行局部最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)，路由不一定全局最優(yōu)化。參考文獻(xiàn)[12]中通過Dijkstra算法尋求最小跳數(shù)，同時(shí)以最大吞吐量作為約束條件。

3.4 基于負(fù)載均衡的路由

由于地面人口密度分布的不均勻，導(dǎo)致人口密度大的地區(qū)對(duì)流量的需求遠(yuǎn)大于人口稀少的地區(qū)，需求不對(duì)稱和流量動(dòng)態(tài)變化對(duì)路由算法提出了如何平衡流量的挑戰(zhàn)。參考文獻(xiàn)[13]中提出的流量偏差（flowdeviation，F(xiàn)D）算法從整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中收集信息，通過指定的中央節(jié)點(diǎn)執(zhí)行FD算法，能最大限度地減少傳播時(shí)延，流量動(dòng)態(tài)變化的性能優(yōu)于自適應(yīng)的Dijkstra算法。參考文獻(xiàn)[14]提出了一個(gè)明確的負(fù)載平衡（explicitloadbalancing，ELB）路由策略，在多跳的 NGEO衛(wèi)星星座中，能保證流量的有效分配。參考文獻(xiàn)[15]中提出了分布式負(fù)載感知路由 （distributedload-awarerouting，DLAR）協(xié)議，采用分布式的方法處理復(fù)雜的衛(wèi)星系統(tǒng)，并同時(shí)提供了一個(gè)逐跳機(jī)制分離流量負(fù)荷，以解決近極地地區(qū)發(fā)生的流量擁塞問題。

3.5 基于QoS的路由

QoS指標(biāo)表現(xiàn)在多個(gè)方面，如端到端的時(shí)延、帶寬、吞吐量、分組丟失率等。許多研究是在某個(gè)QoS需求上實(shí)現(xiàn)路由策略，或者在不同的QoS指標(biāo)需求獲得平衡的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)路由策略。Jianjun[16]提出一個(gè)明確的緊湊型多路徑路由算法，基于成本度量的指標(biāo)，涉及傳播和排隊(duì)時(shí)延。Akyildiz[17]提出的多播路由算法，從基于端到端時(shí)延的QoS需求上進(jìn)行優(yōu)化。Tasi[18]提出的基于動(dòng)態(tài)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的成本效益的路由選擇算法從鏈路的利用率上進(jìn)行優(yōu)化。Taleb[19]提出的NGEO寬帶衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的IP流量負(fù)荷分布算法中，基于流量負(fù)載的信息，網(wǎng)絡(luò)流量得到了更好的利用和平衡。Cetin[20]將端到端時(shí)延和LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的吞吐量再優(yōu)化相結(jié)合，但沒有提及如何添加更多的QoS需求。Fei[21]采用啟發(fā)式算法，所有的QoS要求理論上可以在一個(gè)計(jì)算中，在QoS需求之間的平衡上能夠獲得良好的性能。

3.6 基于多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的路由

與單層LEO網(wǎng)絡(luò)相比，多層網(wǎng)絡(luò)在路由策略上表現(xiàn)出更大的靈活性，盡管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但具有更加對(duì)稱的星座結(jié)構(gòu)，星間鏈接更多，路由選擇的余地更大。目前對(duì)多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的路由研究成為路由策略研究的一個(gè)熱點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[22]中提出了一個(gè)SOS(satellite-over-satellite)網(wǎng)絡(luò)，通過LEO和MEO進(jìn)行雙層組網(wǎng)，低層LEO衛(wèi)星發(fā)送ISL狀態(tài)信息給上層MEO衛(wèi)星，上層MEO衛(wèi)星根據(jù)這些信息，向在覆蓋范圍內(nèi)的低層LEO衛(wèi)星分發(fā)本地路由信息，算法的優(yōu)點(diǎn)是可以減少路由的跳數(shù)，資源消耗較小。參考文獻(xiàn)[23]中提出了由GEO、LEO和高空平臺(tái)（highaltitude platforms，HAP）組成的3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中GEO衛(wèi)星充當(dāng)骨干路由器，鏈路狀態(tài)信息發(fā)送到固定的地面網(wǎng)關(guān)處理，網(wǎng)關(guān)將成型后的域內(nèi)路由表上傳到GEO層衛(wèi)星，再由GEO層衛(wèi)星將這些路由信息洪泛發(fā)給LEO和高空平臺(tái)。參考文獻(xiàn)[24]中提出的SGRP（satellite grouping and routing protocol）基于LEO/MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)快照期，根據(jù)LEO衛(wèi)星覆蓋的區(qū)域?qū)⑵浞纸M，每一個(gè)組有一個(gè)MEO管理。MEO衛(wèi)星根據(jù)從LEO層收到的鏈路狀態(tài)信息，計(jì)算其低軌成員的最小時(shí)延路徑。參考文獻(xiàn)[25]在LEO/MEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，基于時(shí)隙劃分，提出了分層分布式QoS路由協(xié)議，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)帶寬受限最小時(shí)延路徑算法，滿足時(shí)延和帶寬的要求，能有效計(jì)算路由。參考文獻(xiàn)[26]中基于GEO/MEO/LEO 3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提出了一種多QoS路由算法，相比SPF（shortest path first）路由算法，它能夠較好地滿足QoS的要求。

3.7 多播路由

與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有傳播時(shí)延長(zhǎng)、上下行鏈路不對(duì)稱、鏈路誤碼率高、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化、能量受限的特點(diǎn)。傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)多播算法，如距離向量多播路由協(xié)議(distance vector multicast routing protocol，DVMRP)、開放式多播最短路徑優(yōu)先 (multicast open shortest path first，MOSPF)等只適用于固定或者拓?fù)渚徛兓木W(wǎng)絡(luò)中，而衛(wèi)星高速移動(dòng)；核基樹(core based tree，CBT)等協(xié)議在高動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)產(chǎn)生很大的開銷，而衛(wèi)星能量和處理能力受限。這些決定了傳統(tǒng)的地面網(wǎng)絡(luò)多播算法不能應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，因此需要設(shè)計(jì)高效和專用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的多播算法。

由于多播算法具有極大的挑戰(zhàn)性，近年來多播路由成為下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。如采用啟發(fā)式算法解決多播-路由、結(jié)合多播-路由和QoS問題、結(jié)合多播-路由和安全問題、基于多層網(wǎng)絡(luò)下多播-路由的研究。參考文獻(xiàn)[27]中的 MRA(multicast routing algorithm)，其源和中間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)采用數(shù)據(jù)報(bào)路由算法為每個(gè)目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)確定下一跳路由方向，端到端傳播時(shí)延較小，適合實(shí)時(shí)多媒體業(yè)務(wù)。參考文獻(xiàn)[28]提出了一種基于單向衛(wèi)星鏈路的可靠多播-通信協(xié)議，該協(xié)議命名為Reliable Multicast over Undirectional Satellite Link(RMUS)。RMUS協(xié)議主要針對(duì)衛(wèi)星上下行鏈路不對(duì)稱的問題，提供了特殊的差錯(cuò)恢復(fù)機(jī)制和擁塞控制機(jī)制。參考文獻(xiàn)[29]中提出了基于遺傳算法的QoS多播-路由策略，通過將多播-路由策略加入支持QoS的增強(qiáng)版核心樹協(xié)議中，測(cè)試遺傳算法的效率。

4 結(jié)束語

路由策略是下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心問題，目前研究的熱點(diǎn)主要集中在QoS路由、多播-路由以及多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下的路由。大量的研究工作基于某種或者某些特定條件，解決了特定條件下的路由問題，但離實(shí)際應(yīng)用可能還存在差距。因此，結(jié)合衛(wèi)星的移動(dòng)性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)具有通用性的路由策略是未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。另外，QoS問題在地面Internet始終存在，針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更為苛刻的受限條件將QoS問題和路由結(jié)合設(shè)計(jì)QoS路由策略，這將是下一代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)未來非常重要的研究方向。

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