基于NS—2的DRA衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法研究與仿真

鄭碧俊　余諒　田星

【摘要】 適用于地面固定網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)有路由技術(shù)無(wú)法再適用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲芷谛宰兓牡蛙壭l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。路由技術(shù)是低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文簡(jiǎn)單介紹了LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，分析了DRA算法原理，并對(duì)DRA路由算法進(jìn)行了仿真。

【關(guān)鍵詞】 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) DRA

一、引言

現(xiàn)有的地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍非常有限，目前僅能覆蓋人口與通信任務(wù)比較密集的地區(qū)，其總面積僅占地球表面積的2%左右，另外98%的陸地和海洋都沒(méi)有被覆蓋。截至2013年，我國(guó)農(nóng)村互聯(lián)網(wǎng)普及率僅為27.5%，遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)62%的互聯(lián)網(wǎng)普及率，農(nóng)村非網(wǎng)民人口仍有4.5億，農(nóng)村網(wǎng)民商務(wù)交易類應(yīng)用率也遠(yuǎn)低于城鎮(zhèn)網(wǎng)民[1][2]。鑒于我國(guó)特有的三級(jí)階梯地貌和農(nóng)村地廣人稀的特點(diǎn)，依靠現(xiàn)有的地面通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)在經(jīng)濟(jì)成本上十分不現(xiàn)實(shí)，但借助衛(wèi)星通信則可以做到大范圍的無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

本文簡(jiǎn)單概述了LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，分析了DRA[3]衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法原理，并通過(guò)NS-2對(duì)DRA算法進(jìn)行了模擬。

二、DRA路由算法簡(jiǎn)介

2.1 LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由問(wèn)題的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)不斷運(yùn)動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生周期性變化。

（2）星間鏈路可持續(xù)通信時(shí)間受限，低軌道衛(wèi)星繞地公轉(zhuǎn)周期短，不超過(guò)兩個(gè)小時(shí)，在跨越極地地區(qū)時(shí)會(huì)斷開相鄰軌道間鏈路，反向縫鏈路因相鄰軌道間衛(wèi)星做反方向運(yùn)動(dòng)存在時(shí)間更短。

（3）星上設(shè)備的處理能力和存儲(chǔ)容量有限，衛(wèi)星一旦發(fā)射就很難進(jìn)行硬件升級(jí)， 這就決定了路由算法的實(shí)現(xiàn)必須盡量簡(jiǎn)單，且具備良好的自適應(yīng)性和抗毀性。

2.2 DRA路由算法原理

DRA（Datagram Routing Algorithm）算法是無(wú)連接的、分布式的。DRA路由算法定義左右相鄰衛(wèi)星處于同一維度，稱為衛(wèi)星網(wǎng)初始對(duì)準(zhǔn)。同一緯度的衛(wèi)星形成橫向環(huán)，接近極地地區(qū)的橫向環(huán)路徑長(zhǎng)度更短。DRA鏈路中分為橫向跳躍和縱向跳躍，橫向跳躍的代價(jià)在靠近極地地區(qū)時(shí)減小，縱向跳躍的代價(jià)保持不變。

DRA路由算法忽略星上處理時(shí)間，則端到端的延時(shí)將只涉及衛(wèi)星之間的傳播延時(shí)，即在空間上長(zhǎng)度更短的路徑具有更小延時(shí)，DRA多跳路徑總傳播延時(shí)是路徑中的每一跳傳播延時(shí)的總和。

最小傳播延時(shí)路徑是通過(guò)極地地區(qū)的最小傳播延時(shí)路徑和未通過(guò)極地地區(qū)的最小傳播延時(shí)路徑中延時(shí)更小的路徑，即為空間距離最短的路徑。在DRA路由算法中，當(dāng)源衛(wèi)星處在比目的衛(wèi)星更高的維度時(shí)，假定源衛(wèi)星離極地地區(qū)還有A跳，源衛(wèi)星處于從極地?cái)?shù)起的第k個(gè)橫向環(huán)上，則當(dāng)源衛(wèi)星與目的衛(wèi)星水平跳數(shù)nh滿足式1時(shí)，最優(yōu)路徑為穿過(guò)極地地區(qū)的最優(yōu)路徑；當(dāng)nh滿足式2時(shí)，最優(yōu)路徑為不穿過(guò)極地地區(qū)的最優(yōu)路徑。

latmin表示最靠近極地地區(qū)的橫向環(huán)維度，lat為源衛(wèi)星所在橫向環(huán)維度，其所在維度橫向跳躍距離為a*cos（lat）。M為單軌道內(nèi)衛(wèi)星數(shù)目，N為軌道數(shù)目。

根據(jù)這兩個(gè)定理，可以幫助決定下一跳，并且算法的時(shí)間復(fù)雜度為O（1），遠(yuǎn)低于Bellman-Ford最短路徑算法。DRA路由算法分為方向預(yù)測(cè)階段和方向增強(qiáng)階段。在方向預(yù)測(cè)階段，假定ISL具有相等長(zhǎng)度，從而決定最小跳數(shù)路徑。在方向增強(qiáng)階段，認(rèn)定ISL鏈路具有不同長(zhǎng)度，在最小跳數(shù)路徑的基礎(chǔ)上選擇鏈路長(zhǎng)度更短的路徑，從而獲得最小傳播延時(shí)路徑。

三、仿真

仿真星座模型為由12個(gè)軌道、每個(gè)軌道24顆衛(wèi)星組成的極地衛(wèi)星星座模型，左右相鄰軌道上的對(duì)應(yīng)衛(wèi)星處于同一緯度，軌道高度為1375km。

仿真選取數(shù)據(jù)包發(fā)送點(diǎn)為（31° N，104°E），接收點(diǎn)為（41°N，74° W）。Bellman-Ford算法平均延時(shí)為61.469ms，DRA算法平均延時(shí)為61.527ms。由此可知，DRA算法性能與Bellman-Ford算法性能十分接近，但是DRA算法平均時(shí)間復(fù)雜度為O（1）遠(yuǎn)低于Bellman-Ford算法，因此更適合資源有限的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息中心.中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[R].2014，7.

[2]中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息中心. 2013年中國(guó)農(nóng)村互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r調(diào)查報(bào)告[R].2014，5.

[3] Ekici E， Akyildiz I F，Bender M D. A distributed routing algorithm for datagram traffic in LEO satellite networks[J].IEEE/ACM Trans.Networking，2001，9（2）：137-147.