基于拓?fù)渥兓A(yù)計算的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議*

李洪鑫，李世民，王坤

(總參工程兵科研三所，河南洛陽 471023)

0 引言

基于星間鏈路的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)由位于不同軌道高度的多種類型的衛(wèi)星所組成，這些衛(wèi)星通過星間鏈路進(jìn)行互聯(lián)互通，構(gòu)成多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。與單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相比，多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有抗毀性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的特點(diǎn)，是未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一個發(fā)展趨勢［1-4］。

在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，路由是一個重要的問題，它在很大程度上決定了整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信資源的分配。目前，對于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議已有較多的研究，典型的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議包括HSRP(hierarchical satellite routing protocol)［5］，MLSR(multilayered satellite routing)［6］，TDRP(time-slot division QoS routing protocol)［7-8］等。這些協(xié)議的具體過程存在著較大差異，但基本思想是一致的:低層衛(wèi)星向高層衛(wèi)星報告鏈路狀態(tài)，高層衛(wèi)星匯總?cè)W(wǎng)的鏈路狀態(tài)，最后衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)完成路由計算。本文基于這種路由設(shè)計思想，以GEO/MEO/LEO(geostationary orbit/medium earth orbit/low earth orbit)三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)為例，設(shè)計一種新型的基于拓?fù)渥兓A(yù)先計算的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議。

1 基于拓?fù)渥兓A(yù)計算的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議

本文充分利用多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)自身的特點(diǎn)，設(shè)計了一種基于拓?fù)渥兓A(yù)計算的路由協(xié)議，總體過程如下:衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)事先根據(jù)各衛(wèi)星運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行拓?fù)渥兓A(yù)計算;在每次衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化前，各低層衛(wèi)星將各自的鏈路狀態(tài)信息報告給GEO衛(wèi)星，GEO衛(wèi)星之間對收到的鏈路狀態(tài)信息進(jìn)行交換和匯總，得到整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，進(jìn)而計算并下發(fā)各個節(jié)點(diǎn)的路由表。協(xié)議過程如圖1所示。

圖1 基于拓?fù)渥兓A(yù)先計算的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議Fig.1 Routing protocol for multilayer satellite networks based on topology precomputation

1.1 拓?fù)渥兓A(yù)計算

本文中的GEO/MEO/LEO三層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與目前大多數(shù)文獻(xiàn)中的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)相同［6，9-10］:整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，各層衛(wèi)星均采用Walker星座;網(wǎng)絡(luò)中的每顆衛(wèi)星與同一軌道內(nèi)前后相鄰的2顆衛(wèi)星建立軌內(nèi)鏈路，與同層中相鄰2個軌道中的2顆衛(wèi)星建立同層軌間鏈路;此外，各衛(wèi)星還與不同層的衛(wèi)星建立層間鏈路。為了化簡網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及考慮實(shí)際通信需求，假定一顆低層衛(wèi)星在一個時刻只與同種類型的一顆高層衛(wèi)星建立星間鏈路，如每顆LEO衛(wèi)星在一個時刻只與一顆MEO衛(wèi)星、一顆GEO衛(wèi)星建立星間鏈路。整個多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以用無向圖G(t)=(S，L(t)，W(t))表示，節(jié)點(diǎn)S是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中所有衛(wèi)星的集合，L(t)是星間鏈路的集合，W(t)則是鏈路權(quán)值的集合，反映了t時刻各鏈路的狀態(tài)信息。

在多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)處于高速運(yùn)動狀態(tài)，導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化。但這種變化是有規(guī)律的，因?yàn)槊款w衛(wèi)星的軌道固定，整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是一個拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化可預(yù)知的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)。如果把衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期劃分為一系列長度足夠小的時隙，則可以認(rèn)為在各時隙內(nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)固定。當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化時，網(wǎng)絡(luò)中至少有一條星間鏈路發(fā)生了通斷變化。由于建立軌內(nèi)鏈路的2顆衛(wèi)星之間相對位置保持不變，因此軌內(nèi)鏈路是永久鏈路，它不會對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓斐捎绊憽τ谝活w衛(wèi)星而言，只有同層衛(wèi)星的軌間鏈路和層間鏈路通斷會影響網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?/p>

文獻(xiàn)［11］研究了Walker星座的拓?fù)渥兓?guī)律，給出了Walker星座中衛(wèi)星軌間鏈路通斷情況的計算方法。文獻(xiàn)［12］研究了多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)層間鏈路的建立策略，根據(jù)這些策略可以確定任意時刻各層衛(wèi)星間的鏈路建立情況。根據(jù)以上文獻(xiàn)中提供的方法，可以計算出在系統(tǒng)周期T內(nèi)任意一顆衛(wèi)星Si的軌間鏈路和層間鏈路發(fā)生通斷變化的時刻，從而可以將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行周期T劃分為一系列時隙，各時隙的分隔點(diǎn)即為拓?fù)浒l(fā)生變化的時刻，由此可以得到衛(wèi)星Si引起的時隙分隔點(diǎn)集合Γi。用同樣的方法可以得到其余所有衛(wèi)星引起的時隙分隔點(diǎn)集合，對這些集合求并集，可以預(yù)先計算得到整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時隙分隔點(diǎn)集合，如圖2所示。

圖2 拓?fù)渥兓A(yù)先計算示意圖Fig.2 Sketch map of topology precomputation

1.2 鏈路狀態(tài)報告

通過拓?fù)渥兓A(yù)計算可以確定多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G(t)中的和，對于各鏈路的權(quán)值則需要通過鏈路狀態(tài)報告得到。

(1)鏈路權(quán)值的計算

鏈路狀態(tài)是反映網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，它會在很大程度上影響網(wǎng)絡(luò)中路由的選擇，因此選取的鏈路狀態(tài)應(yīng)該能夠反映星間鏈路的特點(diǎn)，體現(xiàn)出不同鏈路的差異。在本文中選取的鏈路狀態(tài)信息包括3個，分別是鏈路時延D、誤碼率BER和可用帶寬B。鏈路的時延包括發(fā)送時延和傳播時延，其中傳播時延起決定作用，反映了衛(wèi)星之間距離的大小;誤碼率則與鏈路的損耗和功率等因素有關(guān);可用帶寬反映了鏈路中負(fù)載的大小。

在本文的路由協(xié)議中通過鏈路權(quán)值來反映各鏈路的狀態(tài)。由于鏈路狀態(tài)的3種指標(biāo)數(shù)值大小表示的意義不同，比如大的時延和大的誤碼率意味著鏈路的質(zhì)量較低，而大的可用帶寬卻意味著鏈路質(zhì)量較高，并且它們的取值完全不在同一個數(shù)量級上，因此為了計算最終的鏈路權(quán)值，需要將它們的值進(jìn)行統(tǒng)一。將每種指標(biāo)的取值進(jìn)行量化，量化結(jié)果的范圍為10個值:1～10，令在該項(xiàng)指標(biāo)的影響下鏈路質(zhì)量最好時，量化結(jié)果為1，而質(zhì)量最差時量化結(jié)果為10，下面以時延為例進(jìn)行說明。

假設(shè)所有星間鏈路中時延最大值和最小值分別為 Dmax，Dmin，將 ［Dmin，Dmax］劃分為 10 個區(qū)間:［D0，D1)，［D1，D2)，…，［D9，D10］，其中 D0=Dmin，D10=Dmax。

定義函數(shù) f:當(dāng) D∈［Di-1，Di)時，f(D)=i，1≤i≤10，且 f(Dmax)=10。

通過函數(shù)f可以把時延對鏈路質(zhì)量的影響統(tǒng)一為1～10的10個值，同理，分別針對誤碼率、可用帶寬定義函數(shù)p和函數(shù)q，將它們對鏈路質(zhì)量的影響也統(tǒng)一為1～10的10個值。鏈路權(quán)值的計算公式為

式中:α，β，γ為3種指標(biāo)量化結(jié)果的系數(shù)，代表了各種指標(biāo)對鏈路狀態(tài)的影響程度，并且滿足α+β+γ=1。

(2)鏈路狀態(tài)報告內(nèi)容

低層衛(wèi)星所報告的信息為下一時隙它所建立鏈路的狀態(tài)信息，如圖3所示，其中目標(biāo)衛(wèi)星是指與該衛(wèi)星建立星間鏈路的衛(wèi)星。每條報告中最多包括6條鏈路狀態(tài)信息，如當(dāng)LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星存在星間鏈路時，它需要報告2條軌內(nèi)鏈路、2條軌間鏈路、1條與MEO層衛(wèi)星的層間鏈路和1條與GEO衛(wèi)星的層間鏈路的狀態(tài)信息。

圖3 鏈路狀態(tài)報告內(nèi)容Fig.3 Content of link status reporting

(3)鏈路狀態(tài)報告時機(jī)與方式

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化時，路由也應(yīng)該隨之發(fā)生變化。本文的路由協(xié)議中，低層衛(wèi)星在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)生變化前將鏈路狀態(tài)報告給GEO衛(wèi)星，以使GEO衛(wèi)星能夠及時獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)信息，完成路由的計算，并在下一時隙開始之前將計算好的路由信息下發(fā)至各低層衛(wèi)星。本協(xié)議中鏈路狀態(tài)報告是在下一時隙開始之前進(jìn)行的，但它仍能反映下一時隙的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，2.2節(jié)將對此進(jìn)行詳細(xì)分析。對于鏈路狀態(tài)報告提前的時間量，可以通過多次仿真實(shí)驗(yàn)得到。

鏈路狀態(tài)信息報告采取低層衛(wèi)星向GEO衛(wèi)星報告的方式。MEO衛(wèi)星直接將自身的軌內(nèi)鏈路、軌間鏈路以及與GEO衛(wèi)星層間鏈路的狀態(tài)信息通過層間鏈路向GEO衛(wèi)星報告。LEO衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)報告采用自適應(yīng)的報告方式:當(dāng)LEO衛(wèi)星位于極區(qū)時，它將無法與GEO衛(wèi)星建立鏈路，此時它將自身的鏈路信息發(fā)送給當(dāng)前所接入的MEO衛(wèi)星，由MEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)給GEO衛(wèi)星;在其他時刻，LEO衛(wèi)星直接通過與GEO衛(wèi)星的層間鏈路將鏈路狀態(tài)信息向GEO衛(wèi)星報告。可以通過計算衛(wèi)星的運(yùn)動相位來判斷其是否位于極區(qū)。

1.3 路由計算與分發(fā)

各GEO衛(wèi)星收到的僅是其覆蓋范圍內(nèi)衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)，還需要和相鄰的2顆GEO衛(wèi)星進(jìn)行交互，將鏈路狀態(tài)信息匯總，才能掌握整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。GEO衛(wèi)星根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中每2顆衛(wèi)星之間的連接關(guān)系以及鏈路權(quán)值，可以建立當(dāng)前時刻衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖G(t)=(S，L(t)，W(t))。圖中任意兩點(diǎn)之間的最短路徑即為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由，使用圖論中的最短路徑算法，可以計算出任意2個衛(wèi)星之間的最優(yōu)通信路徑，從而可以得到整個網(wǎng)絡(luò)中每顆衛(wèi)星的路由表。最后，GEO衛(wèi)星將計算好的路由表通過層間鏈路發(fā)送給各LEO衛(wèi)星和MEO衛(wèi)星;當(dāng)GEO與LEO之間不存在層間鏈路時，則通過MEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)路由表。

2 路由協(xié)議分析

本文設(shè)計的基于拓?fù)渥兓A(yù)計算的路由協(xié)議與已有協(xié)議的最大不同在于路由計算時機(jī)與鏈路狀態(tài)報告方式，本節(jié)將對其合理性進(jìn)行分析，并分析本文協(xié)議與其他協(xié)議相比的優(yōu)勢。

2.1 鏈路狀態(tài)報告方式分析

在已有的路由協(xié)議中［6-8］，鏈路狀態(tài)信息是由低層衛(wèi)星向高層衛(wèi)星逐層上報的，即LEO衛(wèi)星先向MEO衛(wèi)星報告，MEO衛(wèi)星再將自身的鏈路信息及收到的LEO衛(wèi)星鏈路信息向GEO衛(wèi)星報告。一次路由計算過程的路徑為:LEO層衛(wèi)星→MEO層衛(wèi)星→GEO層衛(wèi)星→MEO層衛(wèi)星→LEO層衛(wèi)星。在本文協(xié)議中鏈路狀態(tài)報告方式是自適應(yīng)的，大部分時間LEO直接向GEO報告，不存在層間鏈路時則通過MEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā);與之相應(yīng)，路由分發(fā)的方式與已有路由協(xié)議也不相同。

根據(jù)衛(wèi)星之間建立層間鏈路的條件公式［8］，只要LEO衛(wèi)星處于GEO覆蓋范圍內(nèi)、并且LEO衛(wèi)星和GEO滿足最小通信仰角的要求，它們之間便可以建立鏈路。只有當(dāng)LEO衛(wèi)星運(yùn)行到極區(qū)時，2種衛(wèi)星之間才不存在層間鏈路。根據(jù)計算，大約在80%的時間內(nèi)，LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間都存在層間鏈路，并且在相對運(yùn)動速度及鏈路持續(xù)時間方面，LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間鏈路的性能要優(yōu)于LEO衛(wèi)星與MEO衛(wèi)星之間的鏈路。因此，在對用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行路由時，應(yīng)該根據(jù)總體的性能選取合適的方案，而不應(yīng)該將路由過程進(jìn)行限制。

本文的路由協(xié)議中，大部分情況下各層衛(wèi)星的鏈路狀態(tài)信息直接報告給GEO衛(wèi)星，而不經(jīng)過中間層的轉(zhuǎn)發(fā)，因此本文的方案縮減了一個過程，鏈路狀態(tài)收集的效率更高，路由信息匯總的過程更快，這對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)頻繁發(fā)生變化的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。同理，路由分發(fā)耗費(fèi)的時間也比其他路由協(xié)議要小。

2.2 路由計算時機(jī)分析

在已有的路由協(xié)議中，HSRP等協(xié)議采用的鏈路狀態(tài)更新方法為周期性更新，但衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓拈g隔是變長的，因此更新周期的大小難以確定。當(dāng)選取的周期較小時，會帶來較大的通信負(fù)擔(dān)，周期較大時又不能適應(yīng)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁的特點(diǎn)。TDRP等協(xié)議采用的更新方式類似于部分地面網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，為拓?fù)渥兓蟾拢l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓芸欤瑑纱巫兓g隔時間很短，這種方式路由收斂較慢，不能及時反映出網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓闆r。本文協(xié)議利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓哂兄芷谛院涂深A(yù)知性的特點(diǎn)，事先計算好網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臅r刻，在拓?fù)渥兓巴瓿上乱粫r隙的路由計算和分發(fā)，從而各衛(wèi)星可以及時獲得拓?fù)渥兓蟮穆酚桑虼吮疚膮f(xié)議具有更高的效率。雖然鏈路狀態(tài)報告和路由計算是在拓?fù)渥兓斑M(jìn)行的，但它仍能反映下一時隙的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)，下面對此進(jìn)行分析。

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓臅r刻，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中至少有一條鏈路發(fā)生了通斷變化。對于一顆衛(wèi)星SAT_A而言，所有的時隙分隔點(diǎn)可以分為2類:一類是分隔點(diǎn)前后SAT_A的鏈路狀態(tài)不發(fā)生變化，即此時隙分隔點(diǎn)的形成是由其他衛(wèi)星的接入切換引起的，如圖4中的ti時刻;第2類時隙分隔點(diǎn)前后SAT_A的鏈路狀態(tài)發(fā)生了變化，即此分隔點(diǎn)是由于衛(wèi)星SAT_A的接入切換引起的，如圖4中的tj時刻。

圖4 鏈路狀態(tài)報告時機(jī)Fig.4 Moment of link status reporting

對于多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的一顆衛(wèi)星，大部分的時隙分隔點(diǎn)都是第1類時隙分隔點(diǎn)。可以認(rèn)為在第1類時隙分隔點(diǎn)前后SAT_A的鏈路狀態(tài)不變，因此在時隙分隔點(diǎn)前的ti-ε時刻，衛(wèi)星可以將鏈路狀態(tài)信息發(fā)送給GEO衛(wèi)星，用于計算下一時隙的路由。對于第2類時隙分隔點(diǎn)，SAT_A在其前后分別與不同的衛(wèi)星建立了鏈路，因此在tj-ε時刻，SAT_A不能獲取下一時隙的鏈路狀態(tài)。此時，SAT_A可以根據(jù)下一時隙所接入衛(wèi)星的位置和自身的位置計算得到二者之間的距離，從而可以計算得到通信時延D;因?yàn)殒溌愤€未建立，因此下一時隙鏈路的可用帶寬B即為鏈路的最大帶寬;對于鏈路誤碼率，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出一個估計值，在下一次鏈路狀態(tài)報告時可以給出此鏈路誤碼率的精確值。從而低層衛(wèi)星可以得到所有的鏈路狀態(tài)信息，并將該信息發(fā)送給GEO衛(wèi)星。

3 結(jié)束語

多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在著巨大的優(yōu)勢和廣闊的發(fā)展空間，同時也面臨著諸多挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化使得多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議的設(shè)計比其他網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜。本文深入分析多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分利用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓深A(yù)知的規(guī)律，設(shè)計了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓A(yù)計算的路由協(xié)議。與其他多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議相比，本文的協(xié)議更能適應(yīng)多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓l繁的特點(diǎn)。在下一步的研究工作中，應(yīng)該在本文協(xié)議的基礎(chǔ)上，研究支持QoS的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，以更好地適應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)多種應(yīng)用業(yè)務(wù)的不同需求。

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