基于GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法優(yōu)化設(shè)計(jì)

張?zhí)┙?李勇軍,趙尚弘

(空軍工程大學(xué) 信息與導(dǎo)航學(xué)院,西安 710077)

0 概述

衛(wèi)星通信技術(shù)已成為當(dāng)今世界最先進(jìn)的通信技術(shù)之一,具有通信距離遠(yuǎn)、覆蓋面積大和信道質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn),在環(huán)境監(jiān)測、防災(zāi)減災(zāi)、交通管理和城市規(guī)劃等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。衛(wèi)星根據(jù)軌道高度的不同可以劃分為高軌道衛(wèi)星(Geostationary Earth Orbit,GEO)、中軌道衛(wèi)星(Medium Earth Orbit,MEO)和低軌道衛(wèi)星(Low Earth Orbit,LEO),不同軌道的衛(wèi)星由于所在軌道高度的不同導(dǎo)致衛(wèi)星運(yùn)行速度、衛(wèi)星對(duì)地面的覆蓋區(qū)域大小和時(shí)間等參數(shù)存在較大差異。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的不斷發(fā)展,多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐漸取代單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),我國迫切需要依托衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建覆蓋全球的空間信息網(wǎng)絡(luò)。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不規(guī)則、星間連接關(guān)系復(fù)雜、鏈路間歇性通斷及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁等問題,因此可能導(dǎo)致路由環(huán)路、鏈路質(zhì)量差及延遲時(shí)間長等情況發(fā)生。為確保衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)滿足自主性、自治性、實(shí)時(shí)性、可靠性和安全性等要求,需要針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)設(shè)計(jì)更加高效的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和路由算法。

國內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)針對(duì)空間信息網(wǎng)絡(luò)開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[1]通過天地鏈路實(shí)現(xiàn)一體化網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的天地一體化航天互聯(lián)網(wǎng)。文獻(xiàn)[2]通過衛(wèi)星系統(tǒng)整合實(shí)現(xiàn)天基信息傳遞的天基綜合信息網(wǎng)。文獻(xiàn)[3]提出對(duì)飛行器、航天器及衛(wèi)星等天基信息載體整合的空間信息網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[4]提出為“一帶一路”提供空間信息支撐的“一帶一路”空間信息走廊。文獻(xiàn)[5]提出由天基信息網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)通信網(wǎng)互聯(lián)而成的天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[6]提出由156顆小衛(wèi)星構(gòu)建覆蓋全球的低軌互聯(lián)網(wǎng)接入系統(tǒng)“虹云星座”以及由300余顆LEO衛(wèi)星提供兩極地區(qū)覆蓋、全球航空航海監(jiān)視、智能終端互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的“鴻雁星座”。由此可見,開展多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相關(guān)研究對(duì)我國空間信息網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建具有極大的現(xiàn)實(shí)意義和極高的應(yīng)用價(jià)值[6]。本文構(gòu)建了GEO和LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),并對(duì)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層分簇設(shè)計(jì),提出一種優(yōu)化的臨時(shí)按序路由算法(Temporally Ordered Routing Algorithm,TORA)。

1 相關(guān)工作

1.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法在早期主要是針對(duì)單層網(wǎng)絡(luò)開展相關(guān)研究,而隨著衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)的發(fā)展,單層網(wǎng)絡(luò)無法滿足相應(yīng)需求,因此多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相繼被提出,相關(guān)路由算法也得到迅速發(fā)展,如基于負(fù)載均衡的路由算法、多業(yè)務(wù)路由算法及QoS路由策略等。文獻(xiàn)[7]通過屏蔽衛(wèi)星的移動(dòng)性及基于分組的路由決策,生成的路徑為無環(huán)路,并且路由算法能夠避開擁塞區(qū)域。文獻(xiàn)[8]提出地球靜止軌道/低地球軌道混合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由設(shè)計(jì)方案,并基于混合網(wǎng)絡(luò)提出用戶移動(dòng)性管理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)一種具有負(fù)載均衡能力的跳躍約束自適應(yīng)路由機(jī)制。文獻(xiàn)[9]提出一種基于非對(duì)稱離散時(shí)間的LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法(A-DTRA)。對(duì)于每個(gè)連續(xù)時(shí)間間隔之間的鏈路狀態(tài),該算法通過備份路由和路由表壓縮機(jī)制,保證非對(duì)稱鏈路上報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的可靠性、故障節(jié)點(diǎn)處理的實(shí)時(shí)性和衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)開銷的低功耗。

1.2 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理

傳統(tǒng)基于地面站-衛(wèi)星的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)集中式網(wǎng)絡(luò)管理模式使得衛(wèi)星缺乏管理自主性和高效性,而分層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理結(jié)構(gòu)的提出有助于解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理模式對(duì)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理功能執(zhí)行的制約問題。對(duì)分簇算法的研究在近年來一直是多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(Multi-layer Satellite Network,MSN)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)并獲得快速發(fā)展[10]。分簇對(duì)于分布式網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性管理、路由機(jī)制優(yōu)化、帶寬利用等方面具有重要作用[11]。并且由于衛(wèi)星的高速移動(dòng)性及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性、分布性等因素,因此分簇管理在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。在該管理體系中,衛(wèi)星星座通過分簇的方式進(jìn)行管理,通常將空間位置相對(duì)臨近、功能任務(wù)存在協(xié)同關(guān)系的衛(wèi)星構(gòu)建為星簇,由簇首空間進(jìn)行直接管理,從而提高衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理的可靠性和靈活性[12],并且分簇算法能夠充分利用同軌道鏈路的穩(wěn)定性,約束同軌道相鄰衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)以組成簇的核心成員,并提高星簇管理的穩(wěn)定性。同時(shí),由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的通信距離、管理開銷所造成的功耗在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中相對(duì)通信業(yè)務(wù)及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的功耗而言可以忽略,因此在設(shè)計(jì)星座網(wǎng)絡(luò)分簇算法時(shí),需充分考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的固有特點(diǎn),使設(shè)計(jì)的分簇算法更加適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的自主管理[13-14]。

國內(nèi)學(xué)者針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分簇管理開展了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[15]針對(duì)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),在分布式管理模式下,利用成簇方式建立星座自主管理體系架構(gòu),提高了管理自主性和高效性。文獻(xiàn)[16]在分析衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)簇首空間安全需求的基礎(chǔ)上,提出能夠?qū)崿F(xiàn)簇首快速切換的備份機(jī)制和基于優(yōu)先級(jí)的主備簇首選舉算法,保證簇首對(duì)衛(wèi)星星簇的管理開銷最少。

2 GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 LEO衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星星座是由多個(gè)相同類型的衛(wèi)星按照一定設(shè)計(jì)規(guī)則組成的具有特定功能的衛(wèi)星集合。通過構(gòu)建衛(wèi)星星座能夠有效解決單顆衛(wèi)星覆蓋范圍有限和服務(wù)能力受限的問題,達(dá)到星間高效協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)功能拓展以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和服務(wù)質(zhì)量提高的目的。在現(xiàn)階段研究中,極軌道衛(wèi)星星座和傾斜軌道衛(wèi)星星座的應(yīng)用較普遍[17]。

極軌道衛(wèi)星星座的主要特征是每個(gè)軌道都會(huì)在兩極位置相交。極軌道衛(wèi)星星座是星型星座的代表,升交點(diǎn)均勻分布于赤道平面,并且每個(gè)軌道面分布相同數(shù)量的衛(wèi)星。軌道傾角為90°,極軌道星座第一軌道面上的衛(wèi)星和最后一個(gè)軌道面上的衛(wèi)星相向而行形成一個(gè)明顯的縫隙。一方面,由于縫隙兩側(cè)的衛(wèi)星保持高速反向運(yùn)動(dòng),因此相比其他同向運(yùn)行的衛(wèi)星更難建立軌間鏈路。另一方面,極軌道星座衛(wèi)星所在緯度越低,星間距離越大,并且其在赤道地區(qū)的覆蓋特性相對(duì)較差,在兩極區(qū)域由于衛(wèi)星分布過于密集,因此會(huì)關(guān)閉部分衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器。極軌道衛(wèi)星星座的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、易于操作,是比較成熟的星座設(shè)計(jì)方式。

為解決極軌道衛(wèi)星星座相向運(yùn)行軌道間具有明顯縫隙且其對(duì)地覆蓋不均勻的問題,傾斜軌道衛(wèi)星星座被提出。由于其軌道面沿赤道面2π弧度圓內(nèi)均勻分布,因此稱為2π型星座或者walker delta(δ)傾斜軌道衛(wèi)星星座,其覆蓋特性遠(yuǎn)優(yōu)于極軌道衛(wèi)星星座,如圖1所示。

圖1 傾斜軌道衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu)

傾斜軌道衛(wèi)星星座由具有相同軌道高度和傾角的T個(gè)衛(wèi)星組成,P個(gè)軌道面在參考面上按升節(jié)點(diǎn)均勻分布,為每個(gè)軌道平面設(shè)置相同的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)數(shù)量T/P,各個(gè)軌道之間設(shè)置特定的相位關(guān)系,令相鄰軌道的衛(wèi)星在相同時(shí)間間隔內(nèi)有序通過升交點(diǎn)。傾斜軌道衛(wèi)星星座在邏輯上具有穩(wěn)定拓?fù)?該特性滿足了衛(wèi)星鏈路組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的要求,可以極大簡化路由和減少切換。

在LEO衛(wèi)星星座設(shè)計(jì)方面,如果采用傾斜圓軌道,那么在LEO衛(wèi)星運(yùn)行過程中兩個(gè)相鄰軌道面的衛(wèi)星拓?fù)潢P(guān)系變化劇烈,由于建立軌間鏈路比較困難,因此僅能保持較短時(shí)間內(nèi)的鏈路連通。傾斜軌道衛(wèi)星也無法實(shí)現(xiàn)對(duì)兩極地區(qū)的有效覆蓋,因此為實(shí)現(xiàn)雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)全球無縫覆蓋并使星間鏈路(Inter-Satellite Link,ISL)相對(duì)穩(wěn)定和易于建立連接,構(gòu)建軌道傾角為90°的極軌道衛(wèi)星星座能夠更好地滿足需求。為驗(yàn)證本文提出的路由算法的實(shí)用性,采用已投入使用且技術(shù)相對(duì)成熟的銥星系統(tǒng)作為LEO衛(wèi)星星座。

2.2 GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

本文構(gòu)建雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),雖然3顆GEO衛(wèi)星即可實(shí)現(xiàn)除南北極地地區(qū)以外區(qū)域的全球覆蓋,但為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,增加1顆冗余GEO衛(wèi)星,以確保如果某顆GEO衛(wèi)星發(fā)生故障無法正常運(yùn)行時(shí)整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)仍然能高效運(yùn)轉(zhuǎn)。

銥星系統(tǒng)作為LEO衛(wèi)星星座,最初規(guī)劃的是77顆衛(wèi)星,但最后經(jīng)過驗(yàn)證只需66顆衛(wèi)星均勻分布在6個(gè)極地軌道上即可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋。銥星系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠保證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在任意時(shí)間及地球任意區(qū)域內(nèi)都保持LEO衛(wèi)星的對(duì)地有效覆蓋,滿足全球無縫連接和實(shí)時(shí)通信的要求。GEO和LEO衛(wèi)星星座參數(shù)如表1和表2所示。

表1 GEO衛(wèi)星星座參數(shù)

表2 LEO衛(wèi)星星座參數(shù)

圖2為GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的三維示意圖?？梢钥闯?每顆GEO衛(wèi)星都能對(duì)7顆～13顆LEO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)有效覆蓋,部分LEO衛(wèi)星由于緯度較高無法實(shí)現(xiàn)覆蓋,南北極區(qū)域有4顆～7顆LEO衛(wèi)星無法實(shí)現(xiàn)覆蓋。每顆GEO衛(wèi)星能夠有效覆蓋4個(gè)或5個(gè)LEO衛(wèi)星軌道面。

圖2 GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的三維示意圖

圖3為GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的二維示意圖,其中實(shí)線表示GEO衛(wèi)星星座覆蓋區(qū)域、LEO衛(wèi)星星座之間的星間鏈路情況以及LEO衛(wèi)星星座各個(gè)軌道面的運(yùn)行軌跡。由于存在反向縫隙的兩個(gè)軌道面之間的衛(wèi)星高速逆向運(yùn)行,建立星間鏈路難度高且成本大,因此在本文中這兩個(gè)軌道面之間的LEO衛(wèi)星不建立軌間鏈路。兩極范圍內(nèi)的LEO衛(wèi)星由于衛(wèi)星分布密集,運(yùn)行速度相對(duì)較快,并且兩極地區(qū)人煙稀少,服務(wù)需求相對(duì)較低,因此兩極區(qū)域不建立軌間鏈路。每個(gè)軌道面的11顆衛(wèi)星均勻分布,衛(wèi)星距離地面高度為780 km,衛(wèi)星相對(duì)地面的運(yùn)行速度約為7 400 m/s。銥星系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用48個(gè)點(diǎn)波束,每個(gè)點(diǎn)波束的覆蓋直徑為689 km,各個(gè)點(diǎn)波束可以進(jìn)行整合。銥星系統(tǒng)每顆衛(wèi)星覆蓋地面用戶的時(shí)間約為10 min。

圖3 GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的二維示意圖

圖4為GEO1與LEO2-1衛(wèi)星可見時(shí)間。由此可知,GEO1與LEO2-1在24 h的仿真時(shí)間內(nèi),共能夠建立10次層間鏈路,最長建鏈時(shí)間為1 783.780 s,最短建鏈時(shí)間為346.378 s,平均建鏈時(shí)間為1 277.204 s,建鏈時(shí)間共計(jì)12 772.036 s,約3.5 h。

圖4 GEO1與LEO2-1衛(wèi)星可見時(shí)間

3 分層分簇路由算法

TORA是一種高度自適應(yīng)的分布式路由算法[18],其基于鏈路反轉(zhuǎn)算法找到從源衛(wèi)星到目的衛(wèi)星的多個(gè)無循環(huán)路徑。由于TORA僅在拓?fù)浒l(fā)生變化時(shí)才定位控制消息,因此其能快速適應(yīng)拓?fù)渥兓１疚尼槍?duì)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),基于TORA算法設(shè)計(jì)優(yōu)化的HCR算法。在LEO層,使用HCR算法建立從源衛(wèi)星到目的衛(wèi)星的多個(gè)無循環(huán)路徑,并且當(dāng)LEO層受到網(wǎng)絡(luò)擁塞時(shí),GEO層中的衛(wèi)星也參與數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。

3.1 網(wǎng)絡(luò)管理

GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理是通過在低軌道衛(wèi)星星座內(nèi)設(shè)置分組并選取相應(yīng)的簇首實(shí)現(xiàn)。GEO衛(wèi)星與所有低軌道衛(wèi)星都建立星間鏈路會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系過于復(fù)雜,通過將簇首與GEO衛(wèi)星進(jìn)行通信能有效降低ISL的復(fù)雜性。

定義1將同一LEO軌道平面中的衛(wèi)星劃分為兩個(gè)小組,地球軸線同一側(cè)的衛(wèi)星屬于一個(gè)小組。對(duì)于每個(gè)小組,選擇處于小組中最低緯度的一顆衛(wèi)星作為簇首,但當(dāng)先前衛(wèi)星出現(xiàn)擁擠情況時(shí),選擇緯度第2低的衛(wèi)星。由于LEO衛(wèi)星時(shí)刻保持高速運(yùn)動(dòng),因此簇首不固定。

定義2將GEO衛(wèi)星星座作為管理層,每個(gè)GEO衛(wèi)星負(fù)責(zé)管理其覆蓋范圍內(nèi)的各組LEO衛(wèi)星。GEO衛(wèi)星通過與不同LEO簇首進(jìn)行通信,收集各衛(wèi)星的狀態(tài)消息。每顆LEO簇首衛(wèi)星僅與一顆GEO衛(wèi)星共享狀態(tài)信息,GEO與LEO衛(wèi)星之間的ISL依據(jù)可見性進(jìn)行激活和停用。當(dāng)一顆LEO簇首衛(wèi)星同時(shí)存在多顆GEO衛(wèi)星覆蓋時(shí),選取距離最近的GEO衛(wèi)星共享消息。

在本文提出的GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,GEO層和LEO層中的衛(wèi)星具有不同的任務(wù),其使用網(wǎng)絡(luò)管理方法實(shí)現(xiàn)任務(wù)分工。GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)管理方法的具體步驟如下:

步驟1GEO衛(wèi)星創(chuàng)建小組等待LEO衛(wèi)星簇首的加入。

步驟2LEO衛(wèi)星選擇簇首。

步驟3通過LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)簇首確定相應(yīng)的GEO衛(wèi)星。

步驟4LEO衛(wèi)星簇首與GEO衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

3.2 路由算法原理

由于LEO層具有較低的端到端延遲,因此其完成了用戶之間的大部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸,然而,在某些情況下系統(tǒng)可借助GEO衛(wèi)星提高路由性能。

3.2.1 LEO單層路由

本文使用TORA算計(jì)進(jìn)行LEO層路由優(yōu)化。該算法主要包括創(chuàng)建路由、維護(hù)路由和刪除路由 3個(gè)步驟,其能在源衛(wèi)星與目的衛(wèi)星之間提供多條路由,一旦衛(wèi)星出現(xiàn)損壞等特殊情況,可將控制信息控制在較小的拓?fù)渥兓秶鷥?nèi),從而降低路由開銷。

TORA算法的核心是給每個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)相對(duì)源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的高度值,目的衛(wèi)星的高度值最小,依據(jù)相鄰衛(wèi)星之間的高度差形成多條可用的有向路由,方向?yàn)橛筛叩降?。衛(wèi)星i使用五元組表示其高度:Hi=(τi,oidi,ri,δi,i),其中,τi表示設(shè)置為鏈路故障的邏輯時(shí)間標(biāo)簽,oidi表示發(fā)送參考高度的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)識(shí)別碼,ri表示相鄰衛(wèi)星數(shù)量,δi表示傳播排序參數(shù),i表示衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)本身的唯一識(shí)別碼。

圖5顯示了路由建立的過程,當(dāng)源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包到目標(biāo)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí),廣播QRY數(shù)據(jù)包,當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)i收到QRY數(shù)據(jù)包時(shí),重新廣播QRY數(shù)據(jù)包,但如果衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)i沒有下游鏈路,則拒絕廣播QRY數(shù)據(jù)包。循環(huán)此過程直至目標(biāo)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)收到QRY數(shù)據(jù)包,然后目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的鄰居將其高度設(shè)置為Hi=(τi,oidi,ri,1,i)并廣播UPD數(shù)據(jù)包。當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)j接收到UPD分組時(shí),將其高度設(shè)置為Hi=(τi,oidi,ri,δi+1,j),假設(shè)Hi=(τi,oidi,ri,δi,i)為鄰居的最小高度。最終源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)接收到UPD數(shù)據(jù)包,并得到相鄰衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的高度值。為便于分析,將Hi=(τi,oidi,ri,δi,i)中的初始值設(shè)置為Hi=(0,0,0,δi,i)。

圖5 路由建立過程

TORA路由算法會(huì)始終沿著單一路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸,造成部分衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)負(fù)載過重,能量損耗較大,從而增加路由時(shí)延并降低傳輸效率。為解決上述問題,針對(duì)低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)分簇結(jié)構(gòu),在路由前將低軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃分為不同的簇,然后按照分簇機(jī)制尋找路由進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸,從而降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的開銷,并提升網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

如圖6所示,通過簇首間的通信可減少低軌道衛(wèi)星與同步衛(wèi)星之間的長距離鏈路傳輸,并降低GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)鋸?fù)雜度及長距離數(shù)據(jù)包傳輸導(dǎo)致的能量損耗。將同一軌道的LEO衛(wèi)星以地球自轉(zhuǎn)軸為分界線分為東西兩個(gè)小組,同一個(gè)小組內(nèi)將緯度最低的低軌道衛(wèi)星作為簇首,負(fù)責(zé)管理本小組的衛(wèi)星。選擇緯度最低衛(wèi)星的原因?yàn)?1)由于GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分布于赤道上空,因此LEO簇首衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)更加穩(wěn)定;2)GEO與LEO衛(wèi)星在赤道上空通信時(shí)具有最短的傳輸路徑,能有效降低時(shí)延;3)在赤道上空的簇首衛(wèi)星離南北兩端的衛(wèi)星距離基本相同,有利于路由算法快速實(shí)現(xiàn)收斂。若其中一顆簇首衛(wèi)星出現(xiàn)故障,則選取該軌道內(nèi)正常運(yùn)行的低軌道衛(wèi)星中緯度最小的衛(wèi)星進(jìn)行替代。

圖6 低軌道衛(wèi)星星座簇首示意圖

HCR路由算法采用TORA按需路由的機(jī)制,主要包括創(chuàng)建路由、維護(hù)路由和刪除路由3個(gè)步驟。雖然路由創(chuàng)建過程采用泛洪機(jī)制,但是由于只有簇首衛(wèi)星建立報(bào)文分組QRY,才能降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)泛洪次數(shù)及衛(wèi)星能量損耗,從而延長衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)間,提升網(wǎng)絡(luò)整體性能,因此為尋找源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)至目的衛(wèi)星的最優(yōu)路徑,源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)向相應(yīng)的簇首發(fā)送QRY報(bào)文分組,報(bào)文分組經(jīng)過簇首衛(wèi)星、LEO中繼衛(wèi)星、簇首衛(wèi)星……等多次傳遞后到達(dá)目的衛(wèi)星,從而建立由源衛(wèi)星至目的衛(wèi)星的路由。

3.2.2 GEO/LEO雙層路由

為GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的路由算法基于Dijkstra算法,Dijkstra算法解決了非負(fù)加權(quán)有向圖上的單源最短路徑問題。如上文所述,LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)簇首收集的LEO衛(wèi)星狀態(tài)信息被轉(zhuǎn)移到GEO中進(jìn)行管理,在GEO星座處獲得有關(guān)其簇首的所有信息后,根據(jù)Dijkstra算法計(jì)算相應(yīng)的路由表。LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星之間的ISL僅在滿足以下情況時(shí)才會(huì)激活:

情況1源衛(wèi)星和目的衛(wèi)星均不在極區(qū)?？紤]到GEO衛(wèi)星的覆蓋范圍,未在高緯度地區(qū)進(jìn)行信息傳遞。

情況2計(jì)算得到的LEO衛(wèi)星跳數(shù)大于設(shè)定閾值。根據(jù)端到端延遲確定閾值,假設(shè)通過LEO層的端到端延遲與通過GEO衛(wèi)星的端到端延遲相同,具體計(jì)算如下:

(1)

TGEO=DUDL+D′ISL+DP

(2)

其中,DUDL=51 ms表示地面站與衛(wèi)星之間的返回延遲,DISL=30 ms表示兩個(gè)LEO衛(wèi)星鏈路之間的接入延遲,DP=5 ms表示衛(wèi)星處理延遲,D′ISL=235 ms表示LEO衛(wèi)星和GEO衛(wèi)星之間的接入延遲。通過將這些值代入式(1)和式(2),計(jì)算得到當(dāng)使用GEO衛(wèi)星發(fā)送消息時(shí)TGEO=291 ms,并且該值低于LEO衛(wèi)星之間的7跳傳輸,表明當(dāng)LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)所需的跳數(shù)大于6時(shí),本文選擇GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可獲得更好的路由性能。

情況3當(dāng)前路由路徑中發(fā)生擁塞。本文通過設(shè)定100 ms的閾值判斷擁塞,即當(dāng)排隊(duì)延遲大于100 ms時(shí),通過GEO層進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

當(dāng)且僅當(dāng)同時(shí)滿足上述情況時(shí),才能通過GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,如圖7所示。

圖7 路由算法流程

4 仿真結(jié)果與分析

本文基于STK和OPNET對(duì)HCR路由算法進(jìn)行仿真。OPNET是一款功能強(qiáng)大的系統(tǒng)級(jí)通信仿真軟件,采用層次化建模方式,從協(xié)議層次看,其衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型的建立符合OSI標(biāo)準(zhǔn);從網(wǎng)絡(luò)層次看,其提供了3層建模機(jī)制,分別為網(wǎng)絡(luò)模型、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)模型和進(jìn)程模型,并且3層模型與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議完全對(duì)應(yīng),全面反映了網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)特性。通過OPNET可以方便地進(jìn)行協(xié)議開發(fā)和仿真分析,但其價(jià)格相對(duì)昂貴且學(xué)習(xí)難度較大、編程過程較復(fù)雜。STK是由美國Analytical Graphics公司開發(fā)的一款廣泛應(yīng)用于航天領(lǐng)域的專業(yè)分析軟件。STK在2D和3D建模環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)特性進(jìn)行分析,有效評(píng)估網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜環(huán)境下的性能,通過集成通信、導(dǎo)航、雷達(dá)和光電等技術(shù)提供附加分析模塊,對(duì)可視化約束、通信鏈路、軌道機(jī)動(dòng)等任務(wù)進(jìn)行模型構(gòu)建與分析。

利用STK搭建GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型,將軌道文件導(dǎo)入OPNET進(jìn)行仿真并與傳統(tǒng)Dijkstra最短路徑算法(Dijkstra Shortest Path,DSP)進(jìn)行比較。網(wǎng)絡(luò)中包含4顆GEO衛(wèi)星和66顆LEO衛(wèi)星,LEO星間鏈路速率為2.5 Mb/s,GEO星間鏈路速率為25 Mb/s,GEO與LEO層間鏈路速率為25 Mb/s。

4.1 平均端到端時(shí)延分析

圖8為網(wǎng)絡(luò)平均端到端時(shí)延隨數(shù)據(jù)發(fā)送速率的變化情況。在數(shù)據(jù)發(fā)送速率為500 Kb/s時(shí),本文提出的HCR算法相比傳統(tǒng)DSP算法平均端到端時(shí)延降低31.8%。其原因?yàn)镠CR算法是無循環(huán)路由算法,針對(duì)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì),且根據(jù)分層傳輸機(jī)制設(shè)置路由選擇的門限值,有效降低了網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致的排隊(duì)時(shí)延。

圖8 2種路由算法的平均端到端時(shí)延比較

4.2 吞吐量分析

圖9為數(shù)據(jù)吞吐量隨數(shù)據(jù)發(fā)送速率的變化情況。隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加,HCR算法在數(shù)據(jù)吞吐量上相對(duì)傳統(tǒng)DSP算法具有較大優(yōu)勢,且數(shù)據(jù)量越大優(yōu)勢越明顯。在數(shù)據(jù)發(fā)送速率為500 Kb/s時(shí),HCR算法相比傳統(tǒng)DSP算法數(shù)據(jù)吞吐量增加39%。其原因?yàn)樵谛l(wèi)星傳輸過程中,HCR算法利用分簇算法的優(yōu)勢,可降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)泛洪次數(shù),減少數(shù)據(jù)擁塞的發(fā)生,同時(shí)基于雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)平衡網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流,減少數(shù)據(jù)包的滯留和丟失,從而提高網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行效率,保證其始終具有較高的吞吐量。

圖9 2種算法的數(shù)據(jù)吞吐量比較

4.3 丟包率分析

圖10為丟包率隨數(shù)據(jù)發(fā)送速率的變化情況。HCR算法可有效降低丟包率,在數(shù)據(jù)發(fā)送速率為500 Kb/s時(shí),相比傳統(tǒng)DSP算法丟包率降低58.3%。其原因?yàn)镠CR算法能有效應(yīng)對(duì)鏈路擁塞情況的產(chǎn)生,在LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)即將出現(xiàn)擁塞時(shí)通過雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,一定程度上緩解了擁塞帶來的數(shù)據(jù)包丟失問題。

圖10 2種算法的丟包率比較

5 結(jié)束語

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)變拓?fù)鋾?huì)導(dǎo)致星間鏈路的頻繁中斷和端到端的長延遲,并且衛(wèi)星平臺(tái)限制使得網(wǎng)絡(luò)資源受限,因此本文通過對(duì)GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分層分簇設(shè)計(jì),基于TORA路由算法提出一種優(yōu)化的HCR算法,可快速適應(yīng)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的時(shí)變拓?fù)?。?shí)驗(yàn)結(jié)果表明,與傳統(tǒng)DSP路由算法相比,HCR算法可有效降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)延及網(wǎng)絡(luò)丟包率,提高鏈路吞吐量,并且當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送速率為500 Kb/s時(shí),HCR算法相比傳統(tǒng)DSP算法的平均端到端時(shí)延和丟包率分別降低了31.8%和58.3%,數(shù)據(jù)吞吐量增加了39%。但由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際應(yīng)用中容易發(fā)生故障導(dǎo)致路由算法性能下降,因此后續(xù)將對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)現(xiàn)和路由選擇方法做進(jìn)一步研究,從而有效規(guī)避故障衛(wèi)星并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸。