基于最小路由代價(jià)的巨型星座網(wǎng)絡(luò)接入策略

摘 要：

針對(duì)低軌巨型星座網(wǎng)絡(luò)星間路由復(fù)雜、網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星負(fù)載不均衡等問題，在星地接入策略中考慮星間路由代價(jià)，提出一種基于最小路由代價(jià)的接入策略。該策略分為3個(gè)階段：在最短跳數(shù)估計(jì)階段，根據(jù)用戶終端和信關(guān)站位置估算用戶終端至網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星的星間路由跳數(shù);在網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星分配階段，基于估計(jì)跳數(shù)建立二分圖模型，采用帶權(quán)最小代價(jià)匹配算法確定網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星和接入衛(wèi)星類型;在接入衛(wèi)星選擇階段，以星間路由跳數(shù)和星地仰角加權(quán)構(gòu)造接入準(zhǔn)則，在確定類型的可視衛(wèi)星中選擇最優(yōu)接入衛(wèi)星。仿真結(jié)果表明，所提方法能夠顯著降低系統(tǒng)整體星間路由跳數(shù)，提高網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星負(fù)載均衡性和用戶接入成功率。

關(guān)鍵詞：

巨型星座網(wǎng)絡(luò); 最小路由代價(jià); 網(wǎng)關(guān)匹配; 接入策略; 負(fù)載均衡

中圖分類號(hào)：

TN 92

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.05.32

Access strategy of mega-constellation network based on

minimum routing cost

ZHANG Chi1， CHEN Quan2， TANG Zuping1，*， WEI Jiaolong1

（1. School of Electronic Information and Communication， Huazhong University of Science and Technology，

Wuhan 430074， China; 2. College of Aerospace Science and Engineering， National University of

Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract：

Aiming at the problems of complex inter-satellite routing and unbalanced load of gateway satellites in low-earth-orbit mega-constellation networks， the inter-satellite routing cost in the satellite-ground access strategy is considered， and an access strategy based on the minimum routing cost is proposed. The strategy is divided into three stages： in the shortest hop estimation stage， the hops of inter-satellite routing from the user terminal to the gateway satellite are estimated according to the location of the user terminal and the gateway; in the gateway satellite allocation stage， a bipartite graph model is established based on the estimated hops， the gateway satellite and the type of access satellite is determined by using the weighted least cost matching algorithm; in the access satellite selection stage， the optimal access satellite is selected from certain types of visual satellites by using the weighting method of inter-satellite routing hops and satellite-ground communication elevation angle. The simulation results show that the proposed method can significantly reduce the hops of inter-satellite routing of the whole system， improve the load balancing of the gateway satellites and the access success rate of users.

Keywords：

mega-constellation network; minimum routing cost; gateway matching; access strategy; load balancing

0 引 言

低軌（low Earth orbit， LEO）衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)采用LEO衛(wèi)星作為天基移動(dòng)接入點(diǎn)，可以補(bǔ)充地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋盲區(qū)，且相對(duì)高軌衛(wèi)星具有低時(shí)延與支持終端小型化等優(yōu)勢［1］。目前，國外的Starlink、OneWeb等新一代LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座已進(jìn)入快速部署和應(yīng)用階段［2］。我國開始加速推進(jìn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，將其列入國家重大基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，推出了鴻雁星座、虹云星座等衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)計(jì)劃［3］。2021年，中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司成立，將統(tǒng)籌上述現(xiàn)有星座計(jì)劃，規(guī)劃推進(jìn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)，優(yōu)先在海洋、極地、“一帶一路”沿線等區(qū)域?qū)崿F(xiàn)寬、窄帶結(jié)合的通信保障能力，進(jìn)而建成全球覆蓋、功能共用的空間信息基礎(chǔ)設(shè)施［4］。

由于LEO衛(wèi)星單星覆蓋范圍有限，為實(shí)現(xiàn)服務(wù)的全球覆蓋，LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座系統(tǒng)大多使用星間鏈路組網(wǎng)［5］，采用天網(wǎng)地網(wǎng)工作模式。這種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在數(shù)據(jù)傳輸問題中路徑目的節(jié)點(diǎn)具有確定性，用戶終端（user terminal， UT）訪問互聯(lián)網(wǎng)資源，數(shù)據(jù)沿“UT-接入衛(wèi)星（access satellite， AS）-中繼衛(wèi)星（relay satellite， RS）-網(wǎng)關(guān)衛(wèi)星（gateway satellite， GS）-信關(guān)站（gateway， GW）-地面網(wǎng)絡(luò)”的流程傳輸，盡快與GW建立通信，依托地面網(wǎng)絡(luò)訪問互聯(lián)網(wǎng)［6］。

就建立完整的衛(wèi)星通信鏈路而言，用戶或GW選擇衛(wèi)星建立星地鏈路屬于星地接入策略層面工作（也可稱為接入路由策略），數(shù)據(jù)從AS經(jīng)過星間鏈路發(fā)送至GS屬于星間路由算法層面工作，兩個(gè)過程緊密相連并相互影響［7］。UT選擇不同的GW、沿不同的星間路由到達(dá)GW，在路由跳數(shù)方面存在巨大差異，嚴(yán)重影響信號(hào)傳輸質(zhì)量和時(shí)延。同時(shí)，上述數(shù)據(jù)包傳輸流程，將導(dǎo)致數(shù)據(jù)先匯聚到GS再下發(fā)至GW。通常，GW只能接入可視區(qū)內(nèi)有限數(shù)量的衛(wèi)星。出于技術(shù)能力和成本考慮，衛(wèi)星的數(shù)據(jù)處理能力通常是有限的。因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)匯聚到GS時(shí)，容易造成擁塞。GS處往往是數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)钠款i，有效提升GS的流量均衡是提升網(wǎng)絡(luò)整體性能的關(guān)鍵［8］。

在巨型LEO星座場景下，UT可視范圍內(nèi)存在多顆衛(wèi)星，衛(wèi)星的單次覆蓋時(shí)間只有幾分鐘［9］。如何從多顆可視衛(wèi)星中選擇最優(yōu)AS，稱之為多星覆蓋下的衛(wèi)星接入策略問題。目前的衛(wèi)星接入策略主要采用最長剩余連接時(shí)間（maximum service time， MST）、最高仰角（maximum elevation， ME）與最多可用信道數(shù)（maximum number of free channels， MFC） 3項(xiàng)指標(biāo)作為基本的接入準(zhǔn)則［10］。為平衡幾種準(zhǔn)則的影響，現(xiàn)有研究多采用綜合加權(quán)方式［11］，包括層次分析法［12-13］、熵權(quán)法［14］等。近年來，一些研究將圖論［15-18］、博弈論［19］和人工智能［20-21］應(yīng)用于衛(wèi)星接入策略。

綜上，UT選擇不同的AS和GS，將顯著影響后續(xù)的星間路由傳輸和GS負(fù)載均衡。然而，由于此前的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小，通常將接入策略和路由算法獨(dú)立研究，缺乏相互協(xié)調(diào)?，F(xiàn)有的接入策略研究盡管在方法上進(jìn)行了諸多嘗試，但仍主要以MST、ME與MFC等作為基本準(zhǔn)則，較少考慮接入策略對(duì)星間路由的影響。隨著巨型LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座的廣泛提出和應(yīng)用，由于特殊的星座設(shè)計(jì)和星間鏈路連接方式，接入策略對(duì)星間路由的影響逐漸顯現(xiàn)。選擇不合適的AS和GS，將帶來星間路由的顯著差異，大幅提高星間路由成本，降低系統(tǒng)利用率。因此，有必要將星間路由與接入策略融合規(guī)劃［22］。

近年來，由于巨型星座網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，一些研究開始關(guān)注接入策略對(duì)星間路由的影響。文獻(xiàn)［23］的路由算法中，UT以最短估計(jì)跳數(shù)（minimum estimated hops， MEH）選擇GS，所選方向類型的可視衛(wèi)星中ME衛(wèi)星作為AS。文獻(xiàn)［24］提出基于位置協(xié)議（location based protocol， LBP）算法，采用軌道方向感知方法輔助切換策略，通信雙方初始接入時(shí)選擇同方向移動(dòng)的衛(wèi)星，需要切換時(shí)仍選擇原方向衛(wèi)星。但是，上述算法難以保證GS的負(fù)載均衡性。

巨型衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的均勻性和穩(wěn)定性，為基于相對(duì)位置的路由跳數(shù)估計(jì)提供了可能性。文獻(xiàn)［25］提出了一種星間路由跳數(shù)估計(jì)算法，將衛(wèi)星分為升軌道衛(wèi)星和降軌道衛(wèi)星，估算4種模式下的路由跳數(shù)，并在巨型星座場景中驗(yàn)證了跳數(shù)估算算法的有效性，為本文在接入階段將星間路由跳數(shù)作為接入準(zhǔn)則提供了依據(jù)。

本文采用將星間路由和星地接入策略融合規(guī)劃的思想，以降低整體星間路由跳數(shù)和GS負(fù)載均衡為目標(biāo)，提出一種最小路由代價(jià)（minimum routing cost， MRC）的接入策略，實(shí)現(xiàn)GS匹配和AS選擇。需要特別指出的是，本文的策略確定了AS和GS，即星間路由的起點(diǎn)和終點(diǎn)，但并未確定完整的路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

本文主要的研究工作如下。

（1） 通過UT和GW的相對(duì)位置估計(jì)AS與GS之間的路由跳數(shù)，分析并修正了跳數(shù)估計(jì)誤差。

（2） 根據(jù)預(yù)估跳數(shù)建立UT和GS的二分圖模型，采用KM（Kuhn-Munkres）算法實(shí)現(xiàn)二分圖帶權(quán)最小代價(jià)匹配，完成UT與GS之間的匹配，提升GS負(fù)載均衡性，并隨之確定UT的AS類型。

（3） 以星間路由跳數(shù)和星地仰角加權(quán)構(gòu)造接入準(zhǔn)則，提出最優(yōu)接入策略。仿真結(jié)果表明，所提出的方法能夠顯著降低系統(tǒng)整體路由跳數(shù)，提高GS負(fù)載均衡性和用戶接入成功率。

1 系統(tǒng)模型

目前，國內(nèi)外提出的巨型LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座主要采用天網(wǎng)地網(wǎng)工作架構(gòu)［26-27］，如圖1所示。UT通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳輸至GW，再通過GW接入地面網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)衛(wèi)星在數(shù)據(jù)傳輸過程中的功能，可以劃分為：①AS：空間中通過星地鏈路與UT直接相連，并完成UT接入的衛(wèi)星;②RS：作為中繼節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)其他衛(wèi)星數(shù)據(jù)的衛(wèi)星;③GS：空間中與地面GW建立饋電鏈路的衛(wèi)星。

LEO衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通常采用基于Walker-Delta 構(gòu)型的傾斜軌道星座，其星座構(gòu)型一般可穩(wěn)定保持［28］，如圖2所示。當(dāng)衛(wèi)星軌道傾角低于90°時(shí)，按照衛(wèi)星在某一時(shí)刻的運(yùn)行方向，將向東北和東南方向運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星分別稱之為升軌道衛(wèi)星和降軌道衛(wèi)星，如圖2中的藍(lán)色和橙色軌道上的衛(wèi)星。通常，相鄰軌道間只能在相同方向的衛(wèi)星之間建立鏈路，運(yùn)行方向相反的衛(wèi)星由于相對(duì)速度和角度變化率較大，無法建立星間鏈路［29］。衛(wèi)星與同軌道的相鄰2顆衛(wèi)星，以及相鄰2個(gè)軌道中各1顆最近的衛(wèi)星建立星間鏈路，星間鏈路可穩(wěn)定保持，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渚哂蟹€(wěn)定性，形成穩(wěn)定的Mesh 狀星間拓?fù)洌?0-31］。用戶數(shù)據(jù)包由其可視范圍內(nèi)的AS接收后，經(jīng)星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)至GS，再經(jīng)饋電鏈路到達(dá)GW，在地面網(wǎng)絡(luò)中完成傳輸。

設(shè)星座中的衛(wèi)星數(shù)量為M，表示為Si，i∈［1，M］。用Di表示當(dāng)前時(shí)刻衛(wèi)星Si的運(yùn)行方向。當(dāng)Di=1時(shí)，表示該衛(wèi)星為升軌道衛(wèi)星，Di=0時(shí)，衛(wèi)星為降軌道衛(wèi)星。

GW個(gè)數(shù)為N，表示為GWj，j∈［1，N］。根據(jù)星座網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和GW能力，每個(gè)GW可同時(shí)接入若干個(gè)GS，GS按照運(yùn)行方向分為升軌道GS和降軌道GS。GS的數(shù)量為P，表示為GSp，p∈［1，P］。

UT個(gè)數(shù)為Q，表示為UTq，q∈［1，Q］，每個(gè)UT只能在可視范圍內(nèi)選擇一顆AS。

UT接入請求階段，一般無法確定網(wǎng)絡(luò)速率。因此，本文使用接入用戶數(shù)表示GS負(fù)載水平。設(shè)GS的衛(wèi)星資源數(shù)為NC，即每個(gè)GS最多服務(wù)NC個(gè)UT。

對(duì)于GSp，假設(shè)希望接入GSp的UT數(shù)為NAp，受限于GS容量，能夠成功接入的UT數(shù)為

3 仿真分析

3.1 仿真場景

本文使用的星座模型為Starlink Group-4星座。UT按照“一帶一路”沿線區(qū)域（東經(jīng)0°至180°，南緯30°至北緯60°）分布，參考地面互聯(lián)網(wǎng)用戶的用戶分布密度［33］，按照比例隨機(jī)部署600個(gè)UT（考慮海洋聯(lián)網(wǎng)需求，業(yè)務(wù)分布范圍包括海洋區(qū)域）。由于目前國內(nèi)尚無明確的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)GW布局，因此選擇3個(gè)國內(nèi)常見的地面衛(wèi)星接收站地點(diǎn)作為仿真的GW位置，分別為新疆、北京、海南，每個(gè)GW接入2個(gè)GS，分別為升軌道和降軌道衛(wèi)星，每個(gè)GS的資源數(shù)為80。仿真時(shí)間間隔1分鐘，持續(xù)時(shí)間為1小時(shí)。600個(gè)地面UT和3個(gè)GW的地理分布情況如圖7所示。假設(shè)通信仰角和路由跳數(shù)同等重要，在加權(quán)時(shí)取ω1=ω2=0.5。

對(duì)比的星地接入及GS選擇算法如下所示。

（1） MEH算法［23］。UT以MEH路徑選擇GS，所選方向類型的可視衛(wèi)星中ME衛(wèi)星作為AS。

（2） LBP算法［24］。UT選擇通信兩端AS同方向模式下，距自身最近的GS，所選方向類型的可視衛(wèi)星中ME衛(wèi)星作為AS。

（3） ME算法［10］。該算法作為不考慮接入策略對(duì)星間路由影響的代表算法，用戶在可視衛(wèi)星中接入ME衛(wèi)星，并選擇距該衛(wèi)星最短跳數(shù)的GS。

3.2 星間路由跳數(shù)

在不同時(shí)刻，星地鏈路切換引起的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瑢⒂绊懶情g路由跳數(shù)。因此，本文仿真了星間路由跳數(shù)隨時(shí)間變化情況。

如圖8所示， MRC算法的平均路由跳數(shù)略低于MEH算法，明顯低于LBP算法和ME算法，主要原因在于MRC算法與MEH算法選擇了估算跳數(shù)最小的GS，且MRC算法在AS選擇階段考慮了不同的AS到達(dá)GS的跳數(shù)差異，采用加權(quán)的方式平衡了路由跳數(shù)和通信仰角的矛盾，盡可能選擇距GS最近的可視衛(wèi)星作為AS。MEH算法在選擇AS階段未考慮接入不同衛(wèi)星的實(shí)際跳數(shù)與估算跳數(shù)的偏差，在確定類型的可視衛(wèi)星中選擇了最高仰角衛(wèi)星，而不是距GS最少跳數(shù)的衛(wèi)星。LBP算法的通信兩端按照相同的衛(wèi)星軌道運(yùn)動(dòng)方向選擇AS，在某些相對(duì)位置情況下并非最優(yōu)接入模式。ME算法在AS時(shí)未預(yù)先考慮星間路由，盡管選擇AS之后能夠按照最短跳數(shù)到達(dá)最近的GS，但平均跳數(shù)仍明顯高于MEH算法和MRC算法。

同時(shí)，從圖8中可以看出，MRC算法和MEH算法在不同時(shí)刻的平均星間路由跳數(shù)較為平穩(wěn)，LBP算法稍有起伏，而ME算法起伏較大，且存在一定的周期性。為了更加清晰地說明該現(xiàn)象，選取單個(gè)用戶（2.174 3°E，8.247 9°N）的星間路由跳數(shù)隨時(shí)間變化情況來具體說明。如圖9所示，MRC算法、MEH算法和LBP算法情況下，該用戶的星間路由跳數(shù)穩(wěn)定在4～9跳，而ME算法情況下，部分時(shí)刻與其他算法一致，部分時(shí)刻卻高達(dá)21跳。主要原因在于MRC算法、MEH算法和LBP算法選擇了固定的GS和AS類型，在需要進(jìn)行衛(wèi)星切換時(shí)，選擇的衛(wèi)星仍是原類型衛(wèi)星，因此路由跳數(shù)變化幅度較小，出現(xiàn)起伏的主要原因在于用戶或GW的衛(wèi)星切換造成的路由變化。ME算法選擇ME衛(wèi)星，AS在升軌道和降軌道衛(wèi)星中來回切換，GS也隨之改變，導(dǎo)致必須通過“繞路”才能到達(dá)GS，路由跳數(shù)很高且變化較大。

圖10為4種算法情況下平均星間路由跳數(shù)的累積分布函數(shù)。MRC算法的曲線位于最左側(cè)，說明更多的用戶具有較低的星間路由跳數(shù)。MEH算法略低于MRC算法。在跳數(shù)較低處，LBP算法與MEH算法基本重合，而跳數(shù)較高處的用戶比例卻明顯多于MEH算法，說明部分用戶在兩種算法情況下選擇了相同的接入模式，而當(dāng)接入模式不一致時(shí)，LBP算法選擇的模式并非最優(yōu)。ME算法的曲線明顯偏右，說明該算法情況下，較多用戶的平均星間路由跳數(shù)較高。

3.3 GS負(fù)載均衡

隨著用戶數(shù)的提高，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資源變得更為緊張，GS負(fù)載均衡情況將嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能。因此，本文仿真了不同用戶數(shù)情況下的GS負(fù)載均衡情況。

如圖11所示，MRC算法的負(fù)載均衡性能明顯優(yōu)于MEH算法、LBP算法和ME算法，原因在于MRC算法采用二分圖匹配算法，將GS資源更為合理地分配至用戶。隨著用戶數(shù)的提升，MRC算法的優(yōu)勢愈加明顯。當(dāng)用戶數(shù)為480時(shí)，用戶數(shù)等于資源總數(shù)（6個(gè)GS，每個(gè)衛(wèi)星資源數(shù)為80），用戶和GS資源達(dá)到完全匹配，負(fù)載均衡系數(shù)為1。當(dāng)用戶數(shù)大于480時(shí)，由于已經(jīng)超過了GS資源總數(shù)，MRC算法無法向多出的用戶分配網(wǎng)關(guān)資源，負(fù)載均衡系數(shù)開始呈下降趨勢，但仍優(yōu)于其他算法。MEH算法、LBP算法和ME算法對(duì)UT選擇GS沒有限制，用戶會(huì)集中流向距離AS跳數(shù)最低的GS，導(dǎo)致負(fù)載均衡性能較差。

3.4 用戶接入GS成功率

GS負(fù)載均衡情況對(duì)用戶接入GS成功率有較大影響。如圖12所示，當(dāng)用戶數(shù)較低時(shí)，所有用戶均能夠獲得GS資源。當(dāng)希望接入某個(gè)GS的UT數(shù)量超過容量上限時(shí)，MRC算法能夠?qū)⒍嘤谛l(wèi)星容量的用戶分配至其他GS，確保用戶成功接入。當(dāng)用戶數(shù)不大于480的情況下，MRC算法的用戶接入GS成功率為100%。當(dāng)用戶數(shù)超過480時(shí)，由于衛(wèi)星資源數(shù)的限制，只能保證480個(gè)用戶成功接入，接入成功率開始下降。隨著用戶數(shù)的提高，ME算法、LBP算法和MEH算法迅速相繼出現(xiàn)用戶無法獲得網(wǎng)關(guān)資源的情況，且呈線性下降趨勢，原因在于上述3種算法對(duì)UT選擇GS沒有限制，流量分配不均衡。

4 結(jié)束語

本文采用星間路由和星地接入策略融合規(guī)劃的思想，提出一種基于MRC的接入策略?；谛情g路由跳數(shù)，建立UT與GS的連接關(guān)系，采用基于二分圖帶權(quán)最小代價(jià)匹配算法，確定UT和GS的匹配關(guān)系及對(duì)應(yīng)的AS類型，作為衛(wèi)星接入策略的重要參考依據(jù)。采用實(shí)際路由跳數(shù)和通信仰角加權(quán)方式，確定最優(yōu)AS。仿真結(jié)果表明，所提方法能夠顯著降低星間路由跳數(shù)水平，提高GS負(fù)載均衡性和用戶接入成功率。根據(jù)實(shí)際場景和業(yè)務(wù)需求，可以將本文方法與其他接入策略融合使用，以實(shí)現(xiàn)更加全面、均衡、高效的衛(wèi)星接入和星間路由性能。

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作者簡介

張 馳（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信。

陳 全（1993—），男，講師，博士，主要研究方向?yàn)榈蛙壭l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、無人機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)。

唐祖平（1981—），男，副教授，博士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信與導(dǎo)航。

魏蛟龍（1965—），男，教授，博士，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星通信與導(dǎo)航。