基于流量預(yù)測的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法

閻冬 汪路元

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

基于流量預(yù)測的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法

閻冬 汪路元

（北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094）

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣泛、接入簡單等優(yōu)點，被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。文章提出了一種基于流量預(yù)測的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由技術(shù)，拓?fù)洳捎肔EO層和GEO層雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能夠支持衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)新節(jié)點的動態(tài)加入。針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點在執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時可能造成高負(fù)載導(dǎo)致高丟包率，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能的缺點，提出衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點調(diào)整策略，根據(jù)流量預(yù)測算法對超過閾值的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點進行更換。最后，文章通過仿真試驗對算法性能進行了驗證，證明此算法在端到端時延和管理員節(jié)點丟包率方面具有優(yōu)勢。

雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；動態(tài)接入；流量預(yù)測

1 引言

隨著全球一體化進程的加快，人們對于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的依賴程度越來越高。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要依靠地面的鏈路和設(shè)備傳輸信息，難以覆蓋高山、海洋、沙漠等地形復(fù)雜的區(qū)域，并且一旦網(wǎng)絡(luò)鏈路發(fā)生故障，則會造成長時間的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷，給國家經(jīng)濟和建設(shè)造成巨大損失［1］。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有全球覆蓋、接入簡單、支持多種業(yè)務(wù)等諸多優(yōu)點，在氣象預(yù)測、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測、資源探測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

由衛(wèi)星通信技術(shù)和組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展可以看出，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)逐步由單層組網(wǎng)方式發(fā)展為多層組網(wǎng)方式。雖然單層組網(wǎng)方式實現(xiàn)較為簡單，但卻不夠靈活，不便于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理；多層組網(wǎng)方式雖然實現(xiàn)較單層組網(wǎng)方式復(fù)雜，并且組網(wǎng)層數(shù)越多實現(xiàn)越復(fù)雜，但卻能很方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理，能夠提供包括實時業(yè)務(wù)、非實時業(yè)務(wù)等多種類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。當(dāng)前我國正在開展的導(dǎo)航網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，就是一種多層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，也因為它良好的覆蓋性、較高的數(shù)據(jù)傳輸能力等，被諸多研究者認(rèn)為是未來空間網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。因此，本文研究多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由機制對未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)有極強的現(xiàn)實意義。

目前，國內(nèi)外研究人員已經(jīng)針對多層衛(wèi)星組網(wǎng)的路由策略進行了一定的研究，并且提出了多種方案。這些方案主要有虛擬節(jié)點策略和虛擬拓?fù)洳呗裕?-6］，大多只對相對固定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M行了研究，雖然可以在不同的時間或空間切換路由表，但卻無法對臨時新加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點進行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。除此之外，這些方案將拓?fù)渲械哪承┕?jié)點作為網(wǎng)絡(luò)的管理員節(jié)點，并沒有關(guān)注到這些節(jié)點本身的負(fù)載狀況。在實際情況中，由于衛(wèi)星的高成本因素，這些管理節(jié)點往往并不只是起到網(wǎng)絡(luò)作用，還要完成其它常規(guī)任務(wù)。因此，一旦這些管理節(jié)點的負(fù)載過重，不僅影響它的常規(guī)任務(wù)的執(zhí)行，而且會使整個網(wǎng)絡(luò)性能急劇下降，甚至崩潰。針對這些問題，并且綜合考慮了系統(tǒng)實現(xiàn)的復(fù)雜程度，本文提出了一種基于流量預(yù)測的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法（Traffic Prediction Based Dynamic Routing，TPDR），可以支持網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的動態(tài)加入，又能夠避免網(wǎng)絡(luò)中的管理員節(jié)點負(fù)載過重而影響網(wǎng)絡(luò)性能。

2 基于流量預(yù)測的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由方法

針對當(dāng)前多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方法只能對固定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的節(jié)點進行數(shù)據(jù)路由和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，無法解決臨時性節(jié)點加入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)正常網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并且沒有考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點的負(fù)載情況，可能導(dǎo)致路由信息發(fā)送失敗，使網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至崩潰的問題，本文擬從以下幾個方面進行改進：首先，提出一種支持臨時性節(jié)點動態(tài)加入并正常實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型；其次，提出基于流量預(yù)測的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點負(fù)載控制方法，可以有效避免衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)“管理員”節(jié)點負(fù)載過高而影響網(wǎng)絡(luò)性能。

2.1 定義

在對TPDR方法進行詳細介紹之前，需要對其中的一些概念加以定義。①衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：由在軌航天器組成的通信網(wǎng)絡(luò)，可以支持子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點間、不同子網(wǎng)節(jié)點間、節(jié)點到地面等通信方式，本文主要討論前兩種天基方式的通信。②子網(wǎng)（SN）：每個LEO層軌道面上的衛(wèi)星組成一個子網(wǎng)。③區(qū)域（AREA）：每個GEO衛(wèi)星視距范圍內(nèi)的LEO層衛(wèi)星組成一個區(qū)域。④網(wǎng)絡(luò)節(jié)點（NODE）：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點由衛(wèi)星或者航天器組成，包括LEO層衛(wèi)星和GEO層衛(wèi)星，由于其特殊性，具有處理能力有限，難以補充處理資源的特點。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以使用邏輯地址Lij來描述，Lij=｛（i，j），0≤i≤NL-1，0≤j≤NS-1｝，i表示子網(wǎng)編號，j表示LEO衛(wèi)星在本子網(wǎng)內(nèi)的編號，NL表示子網(wǎng)數(shù)量，NS表示子網(wǎng)內(nèi)LEO衛(wèi)星數(shù)量。如果j=0，則表示該網(wǎng)絡(luò)節(jié)點為GEO衛(wèi)星節(jié)點。⑤管理員節(jié)點（MANAGER）：每個區(qū)域的一個子網(wǎng)內(nèi)LEO衛(wèi)星都存在一個管理員。它維護本區(qū)域節(jié)點信息，包括節(jié)點連接關(guān)系和健康數(shù)據(jù)，任務(wù)是將接收方不屬于本子網(wǎng)的數(shù)據(jù)包發(fā)送給GEO衛(wèi)星。⑥鏈路LINK：每個子網(wǎng)內(nèi)的LEO衛(wèi)星按照各自位置依次由子網(wǎng)內(nèi)鏈路（Inner Sub-network Link，ISL）相連接，LEO層管理員則通過層間鏈路（Inter Orbit Link，IOL）與GEO衛(wèi)星相連接。

2.2 TPDR網(wǎng)絡(luò)模型

TPDR網(wǎng)絡(luò)是由LEO層衛(wèi)星節(jié)點和GEO衛(wèi)星節(jié)點組成的雙層網(wǎng)絡(luò)，TPDR網(wǎng)絡(luò)模型示意圖如圖1所示。

圖1 TPDR網(wǎng)絡(luò)模型示意圖Eig.1 TPDR topology

圖1中，每個子網(wǎng)內(nèi)的LEO衛(wèi)星節(jié)點依次與相鄰的LEO衛(wèi)星節(jié)點有鏈路鏈接，而GEO衛(wèi)星節(jié)點只與子網(wǎng)內(nèi)的管理員有鏈路相連。TPDR中節(jié)點的連接關(guān)系如圖2所示。

TPDR中，每個LEO衛(wèi)星節(jié)點掌握著本子網(wǎng)的拓?fù)湫畔ⅲ谧泳W(wǎng)內(nèi)LEO衛(wèi)星節(jié)點可以用定義④中的邏輯地址來表示，LEO衛(wèi)星節(jié)點可以根據(jù)自己當(dāng)前的物理位置信息（可以使用經(jīng)度和緯度來表示），結(jié)合本子網(wǎng)的運動軌跡，推斷出本子網(wǎng)其它節(jié)點目前的物理位置。當(dāng)有新節(jié)點要加入到子網(wǎng)中時，需要首先向本子網(wǎng)的管理員節(jié)點將自己的信息注冊，然后管理員節(jié)點向其所屬的GEO衛(wèi)星報告新節(jié)點信息。當(dāng)管理員節(jié)點接收到GEO衛(wèi)星的確認(rèn)信息后，向新節(jié)點發(fā)送確認(rèn)加入子網(wǎng)信息，并更新本子網(wǎng)成員信息表后在全子網(wǎng)廣播。GEO衛(wèi)星掌握著視距范圍內(nèi)所有子網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和成員信息，以及其他GEO衛(wèi)星所覆蓋的子網(wǎng)范圍。如圖2中，每個GEO衛(wèi)星視距范圍內(nèi)包含多個子網(wǎng)，可以覆蓋從南緯70°到北緯70°之間的區(qū)域，GEO會與每個子網(wǎng)內(nèi)的管理員建立連接，并進行數(shù)據(jù)傳輸。首先，GEO衛(wèi)星會指定每個子網(wǎng)內(nèi)一個LEO衛(wèi)星節(jié)點作為本子網(wǎng)的管理員節(jié)點，該LEO衛(wèi)星節(jié)點是本子網(wǎng)在GEO衛(wèi)星視距范圍飛行時間最長的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，這樣可以盡量減少管理員切換的次數(shù)。在圖2中，假設(shè)LEO衛(wèi)星由南向北飛行，G1在SN1中選擇L14作為本子網(wǎng)的管理員。當(dāng)L14即將飛出G1的視距范圍時，會給G1發(fā)送管理員切換請求。G1收到請求后會重新選擇新的管理員，向新管理員發(fā)送管理員執(zhí)行命令并與其建立連接，同時給L14發(fā)送管理員切換確認(rèn)，并斷開與其的連接。新的管理員收到管理員執(zhí)行請求后，向G1發(fā)送管理員執(zhí)行確認(rèn)，并在本子網(wǎng)廣播管理員身份信息，并收集本子網(wǎng)所有成員的健康信息。管理員也會定期向其所屬的GEO衛(wèi)星節(jié)點匯報自己的健康狀況信息。

圖2 TPDR節(jié)點的連接關(guān)系Eig.2 Nodes connection relation

在TPDR中傳輸?shù)奶旎秶鷥?nèi)數(shù)據(jù)包，簡單來說可以分為3種類型。第一種是發(fā)送者和接受者在同一個子網(wǎng)SN1中如L11要給L13發(fā)送數(shù)據(jù)包，則只需將數(shù)據(jù)包在本子網(wǎng)傳輸即可。第二種是發(fā)送者L13在子網(wǎng)SN1中，而接受者L22在子網(wǎng)SN2中，并且子網(wǎng)SN1和SN2都在同一個區(qū)域中。L13現(xiàn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給本子網(wǎng)的管理員L14，然后L14將數(shù)據(jù)包發(fā)送給G1。G1經(jīng)過查表后發(fā)現(xiàn)接收方在本區(qū)域的子網(wǎng)SN2，將數(shù)據(jù)包發(fā)送給SN2的管理員L23。最后，L23在本子網(wǎng)內(nèi)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給L22。第三種是發(fā)送者L13在子網(wǎng)SN1中，而接受者L52在子網(wǎng)SN5中，并且子網(wǎng)SN1和SN5不在同一個區(qū)域中。L13現(xiàn)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給本子網(wǎng)的管理員L14，然后L14將數(shù)據(jù)包發(fā)送給G1。G1經(jīng)過查表后發(fā)現(xiàn)接收方不在本區(qū)域，接收方子網(wǎng)屬于G2的覆蓋范圍，則將數(shù)據(jù)包發(fā)送給G2。G2接收到數(shù)據(jù)包后，發(fā)現(xiàn)接收方在子網(wǎng)SN5，然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送給SN5的管理員L53。最后，L53在本子網(wǎng)內(nèi)將數(shù)據(jù)包發(fā)送給L52。

在實際的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于衛(wèi)星節(jié)點可能由多種類型的衛(wèi)星構(gòu)成，如導(dǎo)航衛(wèi)星、遙感衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等，因此需要支持多種類型數(shù)據(jù)傳輸。TPDR能滿足未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)工程中的數(shù)據(jù)傳輸，支持多種類型的服務(wù)質(zhì)量，既可以支持對實時性要求高的數(shù)據(jù)，如通信數(shù)據(jù)，又可以支持實時性要求沒那么高，但是卻對數(shù)據(jù)完整性要求很高的數(shù)據(jù)，如數(shù)據(jù)量較大的多媒體數(shù)據(jù)。前者的實現(xiàn)主要根據(jù)當(dāng)前時刻子網(wǎng)內(nèi)節(jié)點位置與地面站的位置的相對關(guān)系，將數(shù)據(jù)發(fā)送到處于地面站測控范圍內(nèi)的適合節(jié)點上，然后直接發(fā)送到地面；后者則是將數(shù)據(jù)發(fā)送到GEO衛(wèi)星節(jié)點中，在確認(rèn)了數(shù)據(jù)完整性之后，再通過GEO衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送到地面。

2.3 基于流量預(yù)測的節(jié)點負(fù)載控制方法

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有動態(tài)變化、節(jié)點處理資源局限、難以維護等與地面網(wǎng)絡(luò)差異很大的特點，決定了對該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點管理的研究具有極大的挑戰(zhàn)性。在衛(wèi)星管理中，為了實現(xiàn)對動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的管理，需要有一些節(jié)點額外承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)管理的任務(wù)。這些衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)管理中起著很重要的作用，但是由于它們還要執(zhí)行常規(guī)任務(wù)，在出現(xiàn)數(shù)據(jù)量很大的網(wǎng)絡(luò)任務(wù)時可能會導(dǎo)致管理員節(jié)點負(fù)載過重，影響衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的正常運行，甚至導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。

數(shù)據(jù)包到達率是衡量某一時刻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點流量大小的指標(biāo)，也是影響空間網(wǎng)絡(luò)節(jié)點性能的一項關(guān)鍵指標(biāo)。數(shù)據(jù)包到達率越高，節(jié)點為了處理這些數(shù)據(jù)包所需要的計算量也越大。如果數(shù)據(jù)包到達率超過了節(jié)點的處理閾值，可能導(dǎo)致節(jié)點較高的丟包率。由于管理員節(jié)點是空間網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點，當(dāng)管理員節(jié)點負(fù)載較大時，難以在執(zhí)行常規(guī)任務(wù)的同時，保證路由表計算、路由信息分發(fā)等網(wǎng)絡(luò)任務(wù)的完成。如果能夠有效預(yù)測某一時刻節(jié)點流量情況，可以有效地避免節(jié)點負(fù)載過高，保證空間網(wǎng)絡(luò)能夠維持較低的丟包率，提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸能力。

由于管理員節(jié)點在雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的重要作用，它們的性能往往對整個網(wǎng)絡(luò)性能產(chǎn)生較大影響。因此，需要在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由機制中增加管理員節(jié)點負(fù)載控制策略，保證管理員節(jié)點的高性能工作狀態(tài)。本節(jié)提出了一種基于流量預(yù)測的管理員節(jié)點負(fù)載控制方法?？紤]到衛(wèi)星節(jié)點的處理能力的局限性，本文采用計算相對簡單的線性預(yù)測技術(shù)對數(shù)據(jù)流量進行分析和預(yù)測。它的基本思想是：流量數(shù)據(jù)的每個取樣值可以用它過去若干個取樣值的加權(quán)和來表示，各加權(quán)系數(shù)的確定原則是使預(yù)測誤差的均方值最小。典型的線性預(yù)測模型有自回歸模型（Autoregressive，AR）和自回歸滑動模型（Autoregressive Moving Average，ARMA），ARMA模型在計算機網(wǎng)絡(luò)和傳感器網(wǎng)絡(luò)中的流量預(yù)測方面已經(jīng)有了一定的研究［7-9］。應(yīng)用ARMA能夠有效分析出平穩(wěn)數(shù)據(jù)序列的相關(guān)性，比AR模型具有更小的預(yù)測方差值。因此，本文選擇ARMA（2p，2p-1）模型對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)流量進行分析。其中p為階數(shù)，如果該值過大，將需要很大的計算量，所以本文算法中取常用的ARMA（2，1）模型。

假設(shè)某衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的數(shù)據(jù)流量序列為｛Xn'｝，該序列具有周期性，但可能會存在著一定的非平穩(wěn)性，需要對其進行取對數(shù)運算，得到平穩(wěn)序列｛Xn｝。隨后使用該平穩(wěn)序列建立ARMA模型，預(yù)測第n+1個流量。

式中：B是后移算子；ai是白噪聲，它是獨立同分布的高斯隨機變量。

式中：φ1，φ2，θ1是估計參數(shù)。ARMA矩估計方法主要有最小二乘法，最大似然估計方法，最大熵估計方法等等，考慮到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的計算處理能力，本文采用最小二乘估計方法求解通過估計參數(shù)判斷時間序列的穩(wěn)定性，其穩(wěn)定性條件為

如果滿足此條件即為平穩(wěn)序列，得到ARMA擬合模型為

根據(jù)衛(wèi)星節(jié)點的數(shù)據(jù)處理能力，為它們設(shè)置數(shù)據(jù)處理閾值Tmax，即流量閾值。一方面，在選擇本區(qū)域管理員節(jié)點時，需要首先對被選擇節(jié)點的流量進行預(yù)測，如果預(yù)測得到的管理員節(jié)點流量大小超過該閾值Tmax，則不選擇該節(jié)點作為管理員節(jié)點；另一方面，當(dāng)管理員節(jié)點在運行過程中，會按照一定的周期對它的流量進行預(yù)測和評估，如果其流量大小超過該閾值Tmax，則需要在本區(qū)域的本子網(wǎng)內(nèi)切換管理員節(jié)點?？紤]到工程實際中衛(wèi)星節(jié)點計算能力有限，需要盡可能使用簡單的切換算法，減少衛(wèi)星節(jié)點的計算量開銷。管理員節(jié)點確定和切換算法流程圖見圖3。

3 性能評價

在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由機制的設(shè)計中，端到端延遲及丟包率是其中重要的性能指標(biāo)，直接關(guān)系到路由機制是否適用于實際的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)工程應(yīng)用。為了驗證TPDR的性能，本節(jié)選擇一種經(jīng)典的SGRP多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法［5，10］，對衛(wèi)星節(jié)點端到端時延和管理節(jié)點丟包率進行對比。實驗中各項環(huán)境參數(shù)，包括軌道高度、角速度、數(shù)據(jù)包平均長度等，按照典型的導(dǎo)航衛(wèi)星及遙感衛(wèi)星的實際參數(shù)進行設(shè)置，充分貼近實際節(jié)點的具體情況，具有更強的說服力及現(xiàn)實意義。對于不同的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法，衛(wèi)星節(jié)點端到端時延是一項基本的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，能夠說明網(wǎng)絡(luò)路由方法的合理性。管理員節(jié)點是多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點，丟包率反映了它目前的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和傳輸能力，影響著整個網(wǎng)絡(luò)的性能。參照文獻［11］，本節(jié)的實驗設(shè)置TPDR及SGRP環(huán)境參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 實驗環(huán)境參數(shù)設(shè)置Table 1 Experiment environment setting

為了保證實驗的真實性和有效性，對不同平均鏈路負(fù)載狀況下進行1000次實驗，取平均值。圖4是不同鏈路負(fù)載狀況下的端到端平均時延的實驗結(jié)果。

圖4 平均端到端時延Eig.4 Average end-to-end delay

在圖4所示的衛(wèi)星節(jié)點平均端到端時延的實驗結(jié)果不難看出，TPDR的性能要優(yōu)于SGRP?？赡苁浅鲇谝韵略颍菏紫?，SGRP算法需要將收集的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓贛EO層的不同MEO衛(wèi)星之間進行信息交換，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓螺^慢；其次，SGRP的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇煺談澐州^為瑣碎，鏈路更新過于頻繁，協(xié)議時延開銷較大。

除了端到端時延之外，本節(jié)要對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點的丟包率進行驗證。圖5是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理員節(jié)點在不同鏈路負(fù)載狀況下丟包率的實驗結(jié)果。實驗中假設(shè)子網(wǎng)中節(jié)點流量的3%發(fā)往子網(wǎng)外。

圖5 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理節(jié)點丟包率Eig.5 Packet loss rate of manager node

圖5所示的實驗結(jié)果可以看出，TPDR在衛(wèi)星管理節(jié)點丟包率方面有著更好的性能。其中一個原因是TPDR衛(wèi)星管理節(jié)點使用流量預(yù)測算法，當(dāng)衛(wèi)星管理員節(jié)點預(yù)測到在某一時刻處于某一位置的預(yù)測流量造成的負(fù)載大于某一個閾值時，將更換子網(wǎng)內(nèi)的管理員節(jié)點，而SGRP中卻沒有管理員節(jié)點負(fù)載控制策略。本試驗中設(shè)置管理員節(jié)點切換的負(fù)載閾值為30%。另一個原因是SGPR中的管理員節(jié)點負(fù)責(zé)的成員較多，需要轉(zhuǎn)發(fā)的本區(qū)域外的數(shù)據(jù)較多，也會使丟包率有一定的增加。

4 結(jié)束語

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是未來空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，而衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)則是其中的主要組成部分。當(dāng)前，從國家到各個研究機構(gòu)和高校，都將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)作為一項非常重要的研究內(nèi)容加以推進。本文結(jié)合目前我國已經(jīng)開展的航天工程布局，針對衛(wèi)星節(jié)點計算能力有限的實際情況，提出一種基于節(jié)點流量預(yù)測的雙層衛(wèi)星動態(tài)路由算法TPDR。該算法主要由以下幾個部分組成：①TPDR拓?fù)溆蒐EO層衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星構(gòu)成，可以支持多種類型的服務(wù)質(zhì)量，支持新節(jié)點動態(tài)加入，并且改進了SGRP中拓?fù)淇煺涨袚Q頻繁的缺點，使端到端平均時延得到了改進。②TPDR管理員節(jié)點可以根據(jù)某一物理位置和某一時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)流量的歷史信息，預(yù)測下一次的數(shù)據(jù)流量值，如果該流量造成的節(jié)點負(fù)載大于設(shè)置的閾值，則更換子網(wǎng)的管理員節(jié)點，這樣能夠避免子網(wǎng)管理員節(jié)點丟包率過高。最后通過仿真驗證的方法證明TPDR在端到端平均時延和子網(wǎng)管理員丟包率方面有較好的性能，能夠?qū)ξ磥砜臻g網(wǎng)絡(luò)建設(shè)起到指導(dǎo)作用。

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（編輯：張小琳）

Traffic Prediction-based Routing Algorithm for LEO&GEO Satellite Network

YAN Dong WANG Luyuan
（Beijing Institute of Spacecraft System Engineering，Beijing 100094，China）

Satellite network has the advantage of global coverage and simple access，so it is considered to be an important part of next generation Internet.In this paper，we propose a novel traffic prediction based dynamic routing technique for double-layered satellite networks，which is called TPDR.It has a double-layered structure，composed of LEO layer and GEO layer.TPDR supports new nodes to join the network，and prevents the manager nodes from becoming overloaded based on traffic prediction.In the end，the performances of end-to-end delay and loss rate of manager packet are evaluated by simulations.

double-layered satellite networks；dynamic access；traffic prediction

TP393.04

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.03.012

2015-02-13；

2015-05-05

國家自然科學(xué)基金重大研究計劃（91438102）

閻冬，男，博士，工程師，研究方向為星間網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與航天器數(shù)據(jù)管理技術(shù)。Email：yandong200@163.com。