衛(wèi)星網絡負載均衡路由技術研究綜述

頓聰穎 ，金鳳林 ，譚詩翰 ，祁春雨

(1.陸軍工程大學 指揮控制工程學院，江蘇 南京210007；2.解放軍31697 部隊，遼寧 大連116100)

0 引言

近年來，隨著互聯網、無線和移動設備的普及和發(fā)展，地面網絡發(fā)生了巨大的變化，人們希望隨時隨地地訪問網絡。 但是，受網絡容量和覆蓋范圍的限制，僅僅依靠地面通信系統(tǒng)無法為地球上的任何角落，特別是海洋和山脈等環(huán)境惡劣的地區(qū)，提供高速可靠的互聯網接入。根據第五屆世界互聯網大會發(fā)布的《世界互聯網發(fā)展報告2019》，互聯網滲透率為45%，這意味著全球仍有一部分人不能接入互聯網，尤其在南北極、偏遠鄉(xiāng)村、海洋和山脈等人口密度小的地區(qū)，地面網絡建設成本高，因此很難提供電信服務。此外在高速列車和飛機上等特殊場景、在自然災害發(fā)生后，單純依靠地面網絡都不能獲得良好的服務質量。 在這種情況下，衛(wèi)星網絡因其覆蓋范圍廣、不受地面災難影響、可以以低成本實現無處不在的通信而備受關注。

在衛(wèi)星網絡的協助下，互聯網全球無縫覆蓋成為可能。 2017 年6 月，歐洲成立Sat5G(Satellite and Terrestrial Network for 5G)聯盟，探索衛(wèi)星采用5G 的可靠方案，圖1 為5G 系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用[1]。 即將到來的6G 將通過衛(wèi)星網絡與地面蜂窩網絡、 機載網絡集成到一個無線系統(tǒng)中[2]，形成全球無縫立體覆蓋，實現無盲區(qū)寬帶移動通信。因此，通過衛(wèi)星接入互聯網已經成為了無線網絡發(fā)展的熱點。

圖1 5G 系統(tǒng)中衛(wèi)星的作用

國內外衛(wèi)星星座建設也逐步發(fā)展。 目前已經公布的國外星座計劃有14 項：美國9 項，俄羅斯、加拿大、印度、韓國、荷蘭各1 項。 2020 年5 月26 日，美國FCC 新一輪準入申報的NGSO 星座衛(wèi)星總數達 到81 195 顆。2020 年10 月24 日，Starlink 完成第15組星鏈衛(wèi)星發(fā)射，入軌衛(wèi)星總數達到893 顆。 2006年沈榮駿院士首先提出了我國天地一體化網絡的概念和總體架構[3]，2016 年，中國已在“十三五”規(guī)劃中將“天地一體化信息網絡”納入“科技創(chuàng)新2030 重大項目”。 2020 年4 月20 日，國家發(fā)改委首次將衛(wèi)星互聯網列入“新基建”。 2020 年7 月31 日，由30顆衛(wèi)星(24 顆中圓地球軌道、3 顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3 顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星)組成的北斗三號全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)正式開通。

在衛(wèi)星網絡技術飛速發(fā)展的同時，衛(wèi)星網絡的用戶和數據量也急劇增長，而衛(wèi)星網絡用戶和流量密度分布又極不平衡，這使得衛(wèi)星網絡的資源利用不均勻，出現了部分衛(wèi)星閑置而部分衛(wèi)星高負載而導致鏈路擁塞的狀況，降低了衛(wèi)星服務質量。 除此以外，傳統(tǒng)的衛(wèi)星路由協議一般只考慮單一衡量指標，使得業(yè)務流量的傳輸過于依賴某一條或幾條路徑，增加了負載失衡的可能性。 因此需要借助有效的負載均衡技術來解決衛(wèi)星網絡負載均衡問題。

1 不同類別衛(wèi)星網絡的負載均衡

衛(wèi)星運行軌道可分為圓軌道和橢圓軌道，圓軌道以地球為圓心，橢圓軌道以地球為焦點。 受與地球距離的影響，橢圓軌道上衛(wèi)星在近地點運動速度快、遠地點速度慢，而在圓軌道上衛(wèi)星以恒定速度繞行[4]。 為便于星間鏈路的建立，一般采用圓軌道。

根據衛(wèi)星的軌道高度劃分，衛(wèi)星可分為三類：地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星、中地球軌道(MEO)衛(wèi)星和低軌道(LEO)衛(wèi)星。 如圖2 所示，為躲避范·艾倫強電磁輻射的影響，GEO 運行在赤道正上方36 000 km的軌道，相對地球靜止，除兩極外，只需三顆GEO衛(wèi)星就可提供全球覆蓋。 MEO 衛(wèi)星位于兩層范·艾倫帶之間，軌道高度為5 000～10 000 km。 LEO 位于范·艾倫內帶以下，軌道高度為500 ～1 500 km。 與GEO 衛(wèi)星相比，LEO 與MEO 的軌道高度更低，傳播時延更短，因此被廣泛應用于衛(wèi)星網絡的設計，但LEO 與MEO 的運動速度更快，衛(wèi)星切換和波束切換概率高，網絡拓撲變化更頻繁，對衛(wèi)星路由設計要求也更高[4-5]。

圖2 衛(wèi)星軌道分布

1.1 單層衛(wèi)星網絡

單層衛(wèi)星網絡中的衛(wèi)星分布在同一高度的軌道平面，通過同一類型的衛(wèi)星為用戶提供通信服務。 不同層的衛(wèi)星網絡因其軌道高度不同，表現出不同的特點。 表1 為GEO、MEO 和LEO 衛(wèi)星網絡的特點。

國際海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)Inmarsat 和“天通一號”衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)[6]都利用GEO 衛(wèi)星網絡提供電話的數據通信服務。 然而，由于地球靜止軌道衛(wèi)星網絡高度較高，傳播時延較長，對通信的功率要求較高。

O3b(Other 3 billion)是典型的MEO 星座，由在8 000 km 左右的高度上的12～20 顆MEO 衛(wèi)星組成。O3b 即“其他30 億”，目標是幫助非洲、亞洲和南美的30 億人通過網絡訪問互聯網。

LEO 衛(wèi)星網絡具有傳播時延短、功耗低的特點，因此應用最廣。 Iridium 星座[7]由66 顆LEO 衛(wèi)星組成，高度約780 km。 Iridium 系統(tǒng)的每顆衛(wèi)星都具有相同的機載處理、路由和交付能力，每顆衛(wèi)星具有四個星間鏈路(Inter-Satellite Link，ISL)，衛(wèi)星可以通過ISL 連接到相鄰衛(wèi)星。 Globalstar 系統(tǒng)使用均勻分布在8 圓形軌道平面的48 顆LEO 衛(wèi)星為用戶提供無縫連接、低成本和全覆蓋的衛(wèi)星移動通信服務。

表1 GEO、MEO 和LEO 衛(wèi)星網絡的特點

1.2 多層衛(wèi)星網絡

不同層的衛(wèi)星網絡通過層間鏈路構成多層衛(wèi)星網絡(Multi-Layer Satellite Network，MLSN)，其主要包括GEO/LEO、MEO/LEO 和GEO/LEO/MEO 等拓撲結構。 典型的多層衛(wèi)星網絡體系結構如圖3 所示。

相比單層衛(wèi)星網絡，MLSN 能夠提高系統(tǒng)容量、提供更強的計算能力、平衡網絡負載及提高系統(tǒng)的抗毀性。 隨著衛(wèi)星通信技術的發(fā)展和網絡需求的提高，多層衛(wèi)星網絡逐漸成為了衛(wèi)星網絡發(fā)展主要方向。

MEO/LEO 衛(wèi)星網絡：2000 年，LEE J等人最早提出了SOS(Satellite over Satellite)網絡多層架構[8]，并專門為由LEO 和MEO 層組成的MLSN 設計了分層QoS 路由協議(Hierarchical QoS Routing Protocol，HQRP)。 HQRP 中MEO 衛(wèi)星會建立全局路由表并將其分發(fā)給LEO 衛(wèi)星，可以實現路由表信息的更快收斂。 通過將經歷大量跳數的流量通過MEO 層傳輸，可以減少排隊和計算時延。

GEO/LEO/MEO 衛(wèi)星網絡：通過將GEO 衛(wèi)星網絡集成到SOS 網絡中，2002 年，AKYILDIZ I F[9]等人設 計了一種GEO/LEO/MEO 三層MLSN 體系結構，提出了多層衛(wèi)星路由(Multi-Layered Satellite Routing，MLSR)算法。 在MSLR 中，GEO 收集其覆蓋范圍內每顆衛(wèi)星的鏈路時延信息，LEO 衛(wèi)星的信息通過MEO 衛(wèi)星傳輸到GEO 衛(wèi)星。 GEO 計算、更新并下發(fā)每顆衛(wèi)星的路由表。 通過采用集中控制機制，不僅可以實現時延最小化的路由，而且可以降低信令開銷和計算開銷。

GEO/LEO 衛(wèi)星網絡：GEO 相對地球靜止，只需3顆就能實現全球覆蓋，實施起來比較簡單，GEO/LEO衛(wèi)星網絡拓撲也相對簡單。 文獻[10]根據GEO 衛(wèi)星足跡將衛(wèi)星網絡進行區(qū)域劃分，GEO 管理覆蓋區(qū)域內的LEO 衛(wèi)星，LEO 定期將自己的運行狀態(tài)和鏈路信息上傳至GEO 衛(wèi)星，GEO 根據這些信息確定當前拓撲狀態(tài)并下發(fā)至組內的每一顆LEO 衛(wèi)星，減少了系統(tǒng)開銷。

不同構成的多層衛(wèi)星網絡產生的效果不同，因此在設計多層衛(wèi)星網絡時，需要綜合考慮各影響因素選擇合適的星座。 表2 為不同多層衛(wèi)星網絡優(yōu)缺點對比。

圖3 多層衛(wèi)星網絡體系結構圖

表2 多層衛(wèi)星網絡優(yōu)缺點對比

2 衛(wèi)星網絡負載均衡路由技術

衛(wèi)星網絡用戶分布不均勻，導致衛(wèi)星鏈路流量分布的不均勻，出現一些衛(wèi)星負載過大而一些衛(wèi)星空閑的狀況。 此外，傳統(tǒng)的衛(wèi)星網絡路由大多基于最短路徑算法，使得網絡流量集中到最短路徑上，很容易造成最短路徑上的擁塞。 在衛(wèi)星網絡數據量低的情況下，問題不是很明顯，但是，隨著衛(wèi)星網絡技術的發(fā)展，傳統(tǒng)的最短路徑算法已不能應對衛(wèi)星網絡流量的急劇增長，降低了服務質量。 因此需要借助有效的衛(wèi)星網絡負載均衡技術來解決衛(wèi)星鏈路利用率失衡和衛(wèi)星鏈路擁塞的情況。

根據衛(wèi)星網絡的分類及負載均衡達到的效果，對衛(wèi)星網絡負載均衡路由進行如圖4 所示的分類。

圖4 衛(wèi)星網絡負載均衡路由分類

2.1 單層衛(wèi)星網絡負載均衡路由技術

單層衛(wèi)星網絡負載均衡路由可分為基于全局信息的負載均衡路由和基于局部信息的負載均衡路由，即全局負載均衡和局部負載均衡。

全局負載均衡收集網絡的全局負載狀態(tài)信息，根據當前網絡狀態(tài)，做出全網范圍內的流量均衡決策，整體的負載均衡效果好，但通信開銷大，對網絡擁塞的反應不靈敏。 局部負載均衡允許每顆衛(wèi)星根據自己的本地負載狀態(tài)信息獨立地做出負載均衡決策，可以對網絡擁塞快速做出反應，實現局部范圍內的負載均衡，通信開銷較小，但容易造成局部最優(yōu)或級聯擁塞。

2.1.1 全局負載均衡

文獻[11]提出為了緩解衛(wèi)星網絡中流量集中在較高緯度的影響，路由算法應該支持鏈路之間更加均勻的負載分擔。 文獻[12]針對LEO 衛(wèi)星網絡，提出了一種基于鏈路狀態(tài)的路由方案(Satellite Networks Link State Routing，SLSR)。 利用衛(wèi)星星座的確定性，在地面離線計算LEO 衛(wèi)星網絡離散快照的傳播時延，并將其存儲在衛(wèi)星上，SLSR 只收集鏈路排隊時延、節(jié)點和鏈路故障等不確定網絡信息。 鏈路代價設置為傳播時延和排隊時延的總和，避免了流量集中到最短路徑， 而是在負載低的鏈路上得到均衡。此外提出了改進的洪泛算法，降低了洪泛開銷。

與SLSR 類似，基于代理的負載均衡路由[13](Agentbased Load Balancing Routing，ALBR)，引入了新的估計鏈路開銷的機制，將鏈路傳播時延、排隊時延和衛(wèi)星的地理位置作為鏈路代價，并定義了鏈路代價修正因子，利用熱點區(qū)域和非熱點區(qū)域的鏈路代價差異，實現流量遷移。 同時ALBR 使用固定和移動兩種代理，以較低的信令、時間和空間開銷在整個衛(wèi)星系統(tǒng)上實現負載平衡。 文獻[14]提出了基于擁塞預測的負載均衡路由算法(Load Balancing Routing Algorithm Based on Congestion Prediction，LBRA-CP)，設計了一個多目標優(yōu)化模型，并采用修正因子來調整鏈路代價，在擁塞發(fā)生之前將流量引導到非熱點區(qū)域并限制流量在鏈路上的集中。 文獻[15]提出一種LEO 衛(wèi)星網絡的狀態(tài)感知和負載均衡路由模型(State-Aware and Load-Balanced，SALB)，將隊列占用率劃分為n個級別，每個級別對應一個鏈路狀態(tài)，通過定量估計鏈路狀態(tài)，動態(tài)調整排隊時延權重，當隊列占用率較低時，降低權重，從而優(yōu)先選擇負載較輕的路徑實現負載均衡，并通過高效的最短路徑樹算法動態(tài)更新路由表，降低了路由開銷。

SLSR、ALBR、LBRA-CP、SALB 均屬于單 路徑流量均衡方案，只能在流量過大時將流量分配到其他鏈路代價最低的路徑，并不能從根本上消除流量擁塞。 文獻[16]提出了兩種基于備用鏈路路由轉發(fā)策略(Alternate Link Routing，ALR)，將最短路徑上的流量分流到備用最短路徑上。 不同于ALR 策略只在兩條路徑上進行分流， 緊湊型顯式多徑路由[17](Compact Explicit Multi-path Routing，CEMR)使用軌道發(fā)言人機制周期性收集并交換全網鏈路狀態(tài)信息，計算出k條最短路徑進行數據傳輸，并通過PathID編碼方案，以更低的信號開銷支持衛(wèi)星網絡中的流量負載均衡。

ALR、CEMR 雖然使用了多條路徑進行流量分流，但每條路徑上的流量是隨意分配的，并且沒有考慮到流量分配到其他鏈路可能造成分流鏈路擁塞加重，很難達到理想的均衡效果。 文獻[18]提出了基于有限狀態(tài)機(Finite State Automaton，FSA)的鏈路分配方案，FSA 將系統(tǒng)周期劃分為有限個時間片，并將每個時間片的網絡拓撲視為一種狀態(tài)，FSA根據每顆衛(wèi)星的可見性矩陣和流量要求確定每種狀態(tài)的鏈路分配。 FSA 使用迭代的方法計算鏈路和路由分配的聯合最優(yōu)解，提供全局最優(yōu)鏈路分配表，并列出每個節(jié)點在每個狀態(tài)下的最優(yōu)通信路徑。FSA 是離線計算每個狀態(tài)的最優(yōu)流量分配，對實際情況下的流量動態(tài)變化適應性差。

TANG F L[19]等基于網絡編碼提出了具有非停止等待機制的多徑協作路由協議(Network Coding Based Multipath Cooperative Routing，NCMCR)，并從理論上分析了成功解碼一批分組所需發(fā)送的編碼包的個數和每批的傳輸次數。 基于源和基于目的的多徑路由算法可以使數據流中沿著多條鏈路不相交的路徑協同傳輸不同的編碼分組，No-Stop-Wait ACK機制可以減少等待ACK 消息帶來的開銷，減少不必要的時延，提高了網絡吞吐量。 文獻[20]提出了一種選擇性迭代最短路徑算法(Selective Iterative Dijkstra Algorithm，SIDA)，對Dijkstra 算法進行了改進，通過均衡使用LEO 網絡中的每一條鏈路，降低節(jié)點的重用頻率來實現初始化階段的負載均衡。 在SIDA的基礎上， 提出了一種選擇性分裂負載均衡策略(Selective Split Load Balancing，SSLB)，在減少本地擁塞的基礎上，合理分流擁塞節(jié)點的流量，減輕其他區(qū)域網絡的負擔。

2.1.2 局部負載均衡

在具有星間鏈路ISL 的非靜止星座中，根據跳數，兩顆衛(wèi)星之間可能存在多條最短路徑，為有效利用這些路徑，以均衡的方式將流量分配到鏈路，文獻[21]提出了基于優(yōu)先級的自適應最短路徑路由(Priority-Based Adaptive Routing，PAR)。 PAR 根 據 鏈路的歷史利用率和緩沖信息，使用優(yōu)先級機制以分布式方式設置到目的衛(wèi)星的最小路數路徑，實現更均勻的負載分布。 但鏈路的狀態(tài)不等于衛(wèi)星的擁塞狀態(tài)，PAR 算法有可能把數據包發(fā)送到已經擁塞的衛(wèi)星上。

文獻[22]、[23]中提出了顯式負載均衡路由算法(Explicit Load Balancing，ELB)，在相鄰衛(wèi)星節(jié)點間交換擁塞信息，避免將數據包發(fā)送到重載節(jié)點而導致丟包。根據鏈路占用率，將衛(wèi)星分為三種狀態(tài)：空閑、較忙和繁忙。 當衛(wèi)星A 從空閑轉換到較忙狀態(tài)時，會向鄰近衛(wèi)星發(fā)送警告消息，通知它們即將擁塞，相鄰衛(wèi)星搜索不包含衛(wèi)星A 的備選路徑。 當衛(wèi)星A 進入繁忙狀態(tài)，會向相鄰衛(wèi)星發(fā)送繁忙狀態(tài)通知，相鄰衛(wèi)星收到后，會以χ 比率的發(fā)送速率發(fā)送到A，并將1-χ 發(fā)送到已搜索的備選路徑上。 ELB算法可以快速緩解局部擁塞，但只能進行一跳的分流，不能處理全局的流量擁塞。

（2）從“地”的角度來看，“地”是農村生產和經營的基礎和主體。進一步深化農村土地制度改革，落實好土地承包制度，規(guī)范生產生活秩序，實現農村土地基礎產業(yè)、農村工業(yè)和現代化科技的相互適應和匹配，從根本上提高農村土地資源的利用效率[3]。

在ELB 的基礎上，SONG GH 提出了基于信號燈的衛(wèi)星網絡智能路由策略[24-25](Traffic-Light-Based Intelligent Routing，TLR)。 在TLR 中一組紅綠燈用于指示當前和下一跳節(jié)點的擁塞狀態(tài)。 當分組沿著預先計算的路線進行到目的地時，它可以根據每個中間節(jié)點的信號燈的實時顏色來動態(tài)調整路線。 通過初步規(guī)劃和實時調整相結合，最終可以使每個分組獲得近似最優(yōu)的傳輸路徑。 此外，TLR 的公共等待隊列方案可以充分利用緩存隊列的空閑空間，降低丟包率。 與PAR 和ELB 類似，TLR 不能緩解大范圍的流量擁塞。

以上負載均衡方法大多是在出現擁塞之后進行發(fā)送速率或鏈路調整，文獻[26]提出了基于擁塞預測的負載均衡方法，根據地面流量分布及流量速率，將衛(wèi)星所在區(qū)域分為正常和擁堵地區(qū)，對應的衛(wèi)星狀態(tài)分為正常狀態(tài)和警告狀態(tài)，在擁堵區(qū)域內外執(zhí)行不同比例的流量繞行和繞行切換。 在此基礎上，文獻[27]、[28]提出了全局-局部混合負載均衡路由方案(Hybrid Global-Local Load Balancing Routing，HGL)，將流量分解為可預測部分和突發(fā)部分，首先分析了地面流量分布的空間和時間變化并采用全局策略進行流量初分配，然后采用改進的ELB 方法，對突發(fā)流量引進的擁塞進行多跳分流，但仍不可能造成級聯擁塞。 同樣基于流量預測的思想，文獻[29]將衛(wèi)星節(jié)點的流量分為來自地面節(jié)點的流量和來自鄰居節(jié)點的流量，通過分析衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內流量分布的時空特性，提出任意兩顆衛(wèi)星節(jié)點之間的流量預測方法，并根據流量比例為每條鏈路分配緩存資源。

針對局部負載均衡可能出現的局部最優(yōu)并導致級聯擁塞[30-31]，特別是對于覆蓋北美或亞太地區(qū)等發(fā)達地區(qū)的衛(wèi)星，文獻[32]提出了一種基于混合流量繞行的負載均衡路由方案(Hybrid-Traffic-Detour Based Load Balancing Routing，HLBR)，在確定高業(yè)務量區(qū)域后，長距離流通過業(yè)務量區(qū)域繞行，短距離流在高業(yè)務量區(qū)域內繞行分流，從而提供自適應的流量分配，緩解級聯擁塞。

2.2 多層衛(wèi)星網絡負載均衡路由技術

2.2.1 上下層衛(wèi)星角色分離

AKYILDIZ I F[9]提出了由LEO、MEO 和GEO 組成的三層衛(wèi)星網絡體系結構，并引入了多層衛(wèi)星路由算法MLSR。 在文獻[33]中針對組播路由修改了MLSR， 其中考慮了每條鏈路的帶寬利用率來計算組播樹，而不是鏈路時延。

針對由MEO 和LEO 衛(wèi)星星座組成的雙層衛(wèi)星網絡有很多研究[34-35]，并發(fā)展了幾種不同的路由控制方法[36-37]。 在衛(wèi)星分組和路由協議[38](Satellite Grouping and Routing Protocol，SGRP)中，MEO 和LEO衛(wèi)星星座在角色上完全分離，僅使用LEO 衛(wèi)星傳送流量，而MEO 衛(wèi)星僅用于路由控制等網絡管理任務。位于同一MEO 衛(wèi)星覆蓋區(qū)域內的LEO 衛(wèi)星被分組，并周期性地向MEO 通知關于它們的鏈路信息，MEO 衛(wèi)星之間交換信息并更新LEO 的路由表。 LEO根據由MEO 計算并從MEO 通知的路由表執(zhí)行路由控制。 同時，為了避免LEO 衛(wèi)星網絡中發(fā)生網絡擁塞，在不使用通過監(jiān)測隊列占用率檢測到的擁塞鏈路的情況下進行流量投遞，即隊列長度超過一定的預定義閾值意味著擁塞鏈路。

與SGRP 類似，文獻[38]將GEO 衛(wèi)星用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)的控制與管理，LEO 衛(wèi)星負責用戶流量傳輸，提出了路數約束下的自適應路由機制(Hop-Constrained Adaptive Routing，HCAR)。 HCRA 機 制 利 用 衛(wèi)星網絡的可預測性來限制數據包的跳數，并自適應地轉移鏈路到相鄰衛(wèi)星之間的流量，可實現流量的全網均衡。

WANG F 等[39]提出了一種自適應路由算法(Adaptive Routing Algorithm，ARA)，該算法提出了基于SDN 軟件定義的三層衛(wèi)星網絡模型：GEO 衛(wèi)星負責鏈路和資源調度，MEO 衛(wèi)星負責收集GEO 地面目標和近目標LEO 衛(wèi)星的信息，LEO 衛(wèi)星作為底層的轉發(fā)衛(wèi)星，只負責接收GEO 的命令和數據的轉發(fā)。 該算法不僅在路由性能方面有所提升，還可根據衛(wèi)星運動的變化實時優(yōu)化通信鏈路，使衛(wèi)星網絡具有更好的魯棒性和靈活性，但SDN 在衛(wèi)星網絡上的應用是否可行仍需要驗證。

MLSR、SGRP、HCAR 以及基于SDN 的多層衛(wèi)星網絡路由算法是把單層LEO 衛(wèi)星網絡路由的控制、管理及路由計算等功能集中到高層MEO 或MEO 衛(wèi)星上，數據流的轉發(fā)仍只在LEO 層進行。 相比單層衛(wèi)星網絡，可以節(jié)省LEO 層衛(wèi)星資源，對LEO 層衛(wèi)星的處理能力要求低，可以更高效地實現負載分配的計算，進而實現LEO 層全局的負載均衡。

2.2.2 利用上層衛(wèi)星分流

僅僅利用LEO 層進行分流遠不能滿足負載均衡的需求，有效利用高層衛(wèi)星可以有效分配流量、避免網絡擁塞發(fā)生。 分層分布式QoS 路由協議(Hierarchical and Distributed QoS Routing Protocol，HDRP)[40]是其中一個方案。 在LEO 衛(wèi)星分組方面HDRP 與SGRP 相似，但它在負載均衡方面有兩個明顯的優(yōu)勢。一是通過MEO 層進行流量傳輸。當源和目的地LEO 衛(wèi)星屬于不同的組時，流量通過MEO 層傳輸，減少了LEO 層的流量。 二是HDRP 可以提供帶寬保證并最小化傳輸延遲。

自適應路由協議[41](Adaptive Routing Protocol for QoS，ARPQ)采用與SGRP 和HDRP 中使用的路由機制類似的路由機制。 在LEO 衛(wèi)星中，當占用的隊列長度超過閾值時，非時延敏感流以恒定的比率被轉移到相鄰的最不擁塞的LEO 衛(wèi)星，以防止端到端延遲的進一步增加。 時延敏感流被繞行到MEO 層以避免出現較大的排隊時延。 使用ARPQ 可以提高特定應用的QoS 要求的滿意程度。 然而，由于沒有根據網絡擁塞情況動態(tài)調整流量的比例和方向，在LEO 層中分流的業(yè)務可能會在相鄰的LEO 衛(wèi)星處造成額外的網絡擁塞。

ARPQ 和HDRP 雖然利用MEO 層進行分流，但無法在LEO 層和MEO 層之間實現優(yōu)化的流量分配，文獻[42]提出了在LEO 和MEO 層公平流量的方案。 該方案引入了時間閾值θd，當總通信時延超過θd時，流量被分類為長距離流量，并通過第一個LEO 衛(wèi)星繞行至MEO 層，當總通信時延在θd之內時，流量被分類為短距離流量，通過LEO 層最短路徑傳輸。 根據閾值將流量繞行到每一層之后，流量僅通過該層傳輸，直到到達指定目的用戶上訪的衛(wèi)星為止。 時間閾值θd可以通過公式化系統(tǒng)中每一層的通信量來得出。 針對不同業(yè)務需求，文獻[43]提出了基于優(yōu)先級和故障概率的雙層衛(wèi)星星座路由算法(Priority and Failure Probability Routing，PFPR)，MEO 基于LEO 路由需求采用遺傳算法求解主、備鏈路，并將路由表下發(fā)到LEO 層，同時MEO 還可用于傳輸非實時數據。 但該設計結構復雜、路由計算復雜度高。

文獻[44]認為上述方案都沒有從根本上解決由人口分布不平衡引起的負載均衡問題，結合已經在單層LEO 衛(wèi)星網絡中提出的基于擁塞預測的負載均衡方法[26]，設計了GEO/LEO 混合衛(wèi)星網絡負載均衡和QoS 保障方案，將流量分為A、B、C 三類。 A類為時延第三型，在任何情況下都不繞行，B 類為時延相對穩(wěn)健型，僅在LEO 層內繞行，C 類為盡力而為的流量， 由于其對長時延和延時變化的魯棒性，允許將其分流到GEO 衛(wèi)星。 但C 類流量僅通過GEO 流量進行繞行，這在LEO 層相對空閑時，會造成LEO 層資源的浪費和C 類流延時的增大。

文獻[45]針對LEO/MEO 雙層衛(wèi)星網絡，提出了定制的負載感知路由策略(Tailored Load-Aware Routing，TLAR)，根據周期性感知的負載信息，基于排隊論從理論上量化了各層的擁塞率，將最優(yōu)流量分配問題表示為一個凸優(yōu)化問題，有效利用了MLSN中的每一層來實現負載均衡。 但TLAR 假設所有LEO 衛(wèi)星的繞行率是相同的，實際中不同區(qū)域的LEO衛(wèi)星負載差異很大，使用相同的繞行率可能會導致負載大的區(qū)域更容易陷入擁塞。

文獻[46]得出了基于多徑調度的衛(wèi)星網絡QoS準入控制機制，在地面網絡中設置了基于區(qū)分服務排隊系統(tǒng)的準入控制，根據當前的負載帶寬和隊列長度對業(yè)務流進行實時調節(jié)和區(qū)分，以減少衛(wèi)星數據處理的工作量。 衛(wèi)星的星載處理系統(tǒng)被實現為簡單的優(yōu)先級隊列，以便對衛(wèi)星網絡內的業(yè)務流進行優(yōu)先排序。 利用LEO 和GEO 的多路徑路由，為HTTP Web 服務、文件傳輸、視頻流和VoIP 應用實現最優(yōu)端到端QoS。與單層衛(wèi)星網絡負載均衡鏈路權值設置類似，文獻[47]提出了一種GEO/LEO 雙層衛(wèi)星網絡多業(yè)務路由算法。 在衛(wèi)星網絡拓撲動態(tài)離散化的基礎上，定義了具有時延和剩余帶寬的鏈路初始權值，并引入了關鍵鏈路的概念。 結合業(yè)務利用率調整不同業(yè)務鏈路初始權重，合理分配網絡資源，滿足多種QoS 要求，優(yōu)化衛(wèi)星網絡鏈路利用率。

文獻[48]認為基于規(guī)則的路由算法不適用于多層衛(wèi)星網絡，設計了一種基于檢測和自學習的多層衛(wèi)星網絡路由算法，通過直連信息的獲取、直連信息的擴展和獲取網絡路由信息，使用路由自學習的方法根據用戶QoS 為數據選擇最優(yōu)的下一跳。

3 對比分析

衛(wèi)星網絡的負載均衡路由技術隨著網絡技術的發(fā)展與設備需求的變化而發(fā)展。 不同的應用背景下，不同的負載均衡路由表現效果不同，表3 和表4從實現效果、計算模式、鏈路代價、網絡開銷等方面分別對單層與多層衛(wèi)星網絡的負載均衡路由技術進行了對比分析。

通過不同技術對比，可以知道衛(wèi)星網絡負載均衡算法主要考慮以下幾點：(1)流量預測，根據衛(wèi)星網絡用戶分布和衛(wèi)星運動的規(guī)律性，可提前預估擁塞， 在擁塞發(fā)生前采取措施提前避免擁塞發(fā)生；(2)鏈路權重設置，不同鏈路權重指標下擁塞發(fā)生時所選路徑不同，綜合考慮各影響指標，可以達到更好的負載均衡效果；(3)多路徑特性，衛(wèi)星網絡拓撲呈網格結構，從源衛(wèi)星到目的衛(wèi)星有多條不同路徑，利用多路徑特性提前對流量進行分流，能夠有效避免鏈路擁塞；(4)充分利用多層衛(wèi)星網絡架構的優(yōu)越性，充分利用各層衛(wèi)星網絡能夠提高系統(tǒng)容量、提供更強的計算能力、平衡網絡負載。

4 結論

衛(wèi)星網絡的負載均衡路由技術使衛(wèi)星網絡資源得到更加充分的利用，提高了服務質量，具有十分重要的現實意義。 今后衛(wèi)星網絡負載均衡的實現仍面臨一些挑戰(zhàn)：

(1)衛(wèi)星網絡承載多種業(yè)務，不同業(yè)務對帶寬、時延等資源的需求不同，需要設計分層分域的層級化組網架構，合理利用不同類型衛(wèi)星網絡的特點，提高網絡資源利用率。

(2)除了空間的多層衛(wèi)星網絡外，不同高度的無人機、飛艇和氣球可形成多層空中網絡，可平衡高負載衛(wèi)星的傳輸壓力，但這樣的分層系統(tǒng)網絡切換和管理也更加復雜。

(3)未來的網絡是空天地一體化網絡，衛(wèi)星網絡的負載均衡路由應與地面網絡相結合，需要合理設計天地一體融合架構、空口接口和天地協同管理機制。

表3 單層衛(wèi)星網絡負載均衡路由技術對比

表4 多層衛(wèi)星網絡負載均衡路由技術對比