一種基于等長時隙劃分雙層衛星網絡路由算法

張景斌劉炯申普兵（西安通信學院，西安 7006）（2 7332部隊，漳州 363）

一種基于等長時隙劃分雙層衛星網絡路由算法

張景斌1，2劉炯1申普兵1
（1西安通信學院，西安 710106）（2 73132部隊，漳州 363111）

針對網絡拓撲時變和鏈路頻繁切換影響衛星網絡路由性能的問題，采用“骨干／接入”和“弱連接”思想，構建雙層衛星網絡，實現地球靜止軌道衛星（GEO）與低軌道衛星（LEO）各層的分開管理。在此基礎上，通過動態調整極區邊界值，進行系統周期的平均劃分，提出了適合于雙層衛星網絡的等長時隙快照和星上分布式路由算法（Equal－length Interval Snapshots and On－board Distributed Routing Algorithm，EDRA）。分析和仿真驗證表明，這種“骨干／接入”的雙層衛星網絡架構更加合理，EDRA算法劃分的時隙數量僅為時間虛擬化和分層管理的路由算法（Virtualized Time and Layered Management Routing Algorithm，VLRA）的一半，平均時隙長度則為VLRA的3倍以上，減少了路由計算與更新的次數，提高了網絡鏈路利用率，并且端到端時延抖動小，數據丟包率低，更加適合于衛星網絡中應用。

地球靜止軌道衛星／低軌道衛星雙層衛星網絡；等長時隙劃分；星上分布式路由算法；動態極區邊界值；仿真

1 引言

路由技術是衛星網絡應用的關鍵技術之一，決定著整個衛星網絡系統效率和可靠性。在衛星網絡中，衛星之間相對高速移動使得網絡拓撲結構周期性頻繁變化，同時星間通信鏈路隨著兩顆終端衛星距離和方位角的變化而頻繁切換，使得網絡中的分組數據傳輸與交換質量難以保證［1］。因此，在設計衛星網絡路由算法時必須首先解決網絡拓撲時變和鏈路頻繁切換問題。

近年來國內外針對衛星網絡拓撲時變和鏈路頻繁切換問題提出了多種路由算法和實現策略，根據其基本思想可分為動態拓撲路由、虛擬節點路由和虛擬拓撲路由三大類。動態拓撲路由基本思想是采用數據包自動尋址的方式，依據實時衛星網絡拓撲進行路由計算［2］。虛擬節點路由基本思想是將衛星網絡模型化為拓撲固定的虛擬衛星節點進行路由計算［3］。虛擬拓撲路由基本思想是利用衛星網絡的周期性和可預測性，將星座周期劃分為若干時間段，每個時間段內星座拓撲可視為固定不變，稱為拓撲快照或者時隙，從而利用拓撲快照為各衛星節點分段計算路由［4］。

在多層衛星網絡中，研究較多的是虛擬拓撲路由，其應用基礎和前提是時隙劃分。目前時隙劃分方法研究較多，概括起來可分為不等長時隙劃分和等長時隙劃分兩類方法。前者依據網絡拓撲變化或星際鏈路切換劃分系統周期，文獻［5］針對三層衛星網絡提出了具體時隙優化方法，文獻［6］針對時間段長度較小帶來的路由收斂問題，提出了具體路由策略；后者依據衛星覆蓋區域變化或其他約束條件來劃分系統周期，文獻［7］針對12顆星的Walker Delta星座提出了一種時隙劃分方法，文獻［8］則將鏈路利用率作為約束條件進行等長時隙劃分。雖然對于這兩類時隙劃分方法，國內外已經開展了大量研究工作，但所提出的具體實現方法都受到極區邊界參數的影響，仍然面臨極區邊界時隙內部分通信鏈路將會中斷、分組數據丟失的問題［8－10］。

2 GEO／LEO雙層衛星網絡體系架構介紹

本文研究的GEO／LEO雙層衛星網絡體系架構如圖1所示，該體系架構由GEO星座、LEO星座以及地面系統組成。

圖1 GEO／LEO雙層衛星網絡體系架構Fig.1 Structure of GEO／LEO double－layered satellite constellation network

為克服多層衛星網絡中互聯關系復雜、設計難度高等問題，GEO／LEO雙層衛星網絡體系架構采用“骨干／接入”模型［11］，即GEO層星座構成骨干網，LEO層星座構成接入網；為降低網絡拓撲復雜度，減少鏈路切換頻率，GEO／LEO雙層衛星網絡層間鏈路設計采用“弱連接”思想［12］，即某一時刻，每顆LEO衛星只與覆蓋它的上層GEO衛星中通信質量最優的一顆建立連接關系。

GEO星座作為骨干層，由均勻分布在赤道上空的NG顆GEO衛星構成，采用多波束星下天線，可實現中低緯度區域全覆蓋。GEO星座承擔衛星網絡的路由計算、狀態監控、LEO衛星管理等任務；當管理組內LEO衛星負荷較重時，為其分擔部分非實時數據業務，以緩解LEO層流量負載；當管理組內LEO衛星失效時，臨時替代失效衛星，以提高網絡抗毀性能。用k對GEO衛星進行編號，k＝1，2，…，NG。

LEO星座作為接入層，由ML個等經度間隔分布的軌道平面構成，每個軌道包含NL顆均勻分布的類極軌道LEO衛星，滿足理論上的全球覆蓋要求。LEO衛星承擔地面網關及終端用戶接入、信息傳輸與交換、鏈路狀態信息收集等任務，并接受GEO層衛星管理。為提高網絡抗毀性和業務傳輸能力，體系架構中LEO衛星具有軌內、軌間星際鏈路。用（i，j）對LEO衛星進行編號，i表示軌道號，i＝1，2，…，ML；j表示單條軌道內LEO衛星號，j＝1，2，…，NL。

地面系統主要包括地面控制中心、地面網關和終端用戶等。其中地面控制中心通過GEO層對整個衛星網絡進行監控，可通過注入功能修改或控制GEO層的管理模式，以適應技術發展和應用需求的實時變化；終端用戶可直接接入衛星網絡；陸基、空基等其他網絡用戶可通過地面網關接入衛星網絡。

GEO／LEO雙層衛星網絡中包含三種全雙工通信鏈路：1）同層衛星之間的星間鏈路（Inter Satellite Link，ISL），具體又分為軌內ISL（同一軌道內兩顆相鄰衛星間的星間鏈路）和軌間ISL（相鄰軌道相鄰衛星間的星間鏈路）；2）不同層衛星之間的層間鏈路（Inter Orbit Link，IOL）；3）地面系統與衛星網絡之間的用戶數據鏈路（User Data Link，UDL）。

3 GEO／LEO雙層衛星網絡的路由算法

3.1 基于動態極區邊界值等長時隙劃分

圖2 GEO／LEO雙層衛星網絡極區邊界值Fig.2 Polar boundar of GEO／LEO double－layered satellite constellation network

在本文研究的GEO／LEO雙層衛星網絡中，GEO衛星相對地面固定不變，網絡拓撲變化主要由LEO衛星進入或者離開GEO層星座覆蓋域所引起的，極區邊界值β如圖2所示，由LEO衛星的LEO－GEO最小仰角Emin和軌道高度HL共同決定。

圖2中，RE為地球半徑，HL為LEO衛星高度，HG為GEO衛星高度，Emin為LEO－GEO的最小仰角。

由余弦定理和正弦定理可求得極區邊界值：

采用等長時隙劃分方法時，時隙越長，星座系統周期內拓撲快照數量就越少，星上存儲開銷和路由計算開銷就越低。極軌道星座平面示意如圖3所示，其中，Pi、Pi＋1為相鄰軌道，β為極區邊界值（一般用弧度表示），NL為單條軌道上衛星數量，相鄰軌道間相鄰衛星之間相位差為ΔΩ＝π／NL。由文獻［9］可知，極軌道星座最大時隙長度為Δt＝T／2 NL。為降低系統開銷，本文選取時隙長度取最大長度Δt，將GEO／LEO雙層星座系統周期劃分為2 NL個等長拓撲快照，LEO衛星在單個時隙內相位移動π／NL。

由公式（1）可知，當GEO／LEO雙層星座參數固定之后，其極區邊界值也隨即固定。在極軌道星座中，當衛星進入極區時將關閉軌間ISL，采用等長時隙劃分的路由算法，時隙越長，時隙內路徑失效概率越大。為此，本文給出一種基于動態極區邊界值的等長時隙劃分方法，即通過調整極區邊界值，在每個拓撲快照起始時刻關閉即將進入極區的LEO衛星的軌間ISL，使得時隙內不會發生鏈路切換，計算所得的路徑不會失效。

GEO衛星覆蓋域和極區示意如圖4所示，其中，β′≤β為動態調整后的極區邊界值。調整后LEO衛星在GEO衛星覆蓋域和極區內經歷相位恰好為相鄰軌道相鄰衛星相位差ΔΩ的X、Y倍，X、Y均為正整數，且X值取最大值。因此，當LEO衛星Li，j運行到極區邊界時，其相同軌道上的（當NL為偶數時）或者相鄰軌道上的（當NL為奇數時）恰好運行到相對稱的極區邊界上。綜上可得：

圖3 極軌道星座平面示意Fig.3 2－D figure of polar orbit satellite constellation

圖4 GEO衛星覆蓋域和極區示意Fig.4 Coverage area and ploar area of GEO satellite

整理公式（2）可得調整后的極區邊界值為

EDRA算法通過動態調整極區邊界值，在路由起始時刻關閉即將進入極區衛星的軌間ISL，造成了部分網絡鏈路資源的浪費。設L（Δt）為極區邊界值調整后單個時隙內連通的鏈路數量，Lc為調整前單個時隙內連通的鏈路數量，則網絡鏈路利用率U＝L（Δt）／Lc。

設LEO星座中衛星總數為N，軌道面數為p。在極軌道星座中，由于軌間ISL在緯度線上均勻分布，且反向縫兩側衛星高速運動，不建立軌間ISL，所以：

綜上，EDRA算法等長劃分的時隙長度已取得最大值，單個時隙內路徑變化較小，便于路由優化與計算，節省了星上存儲空間；通過動態調整極區邊界值，使得時隙內無鏈路切換，保證了時隙內網絡拓撲的穩定；另外所劃分的時隙長度均等，便于整個衛星網絡的管理與控制。

圖5 路由計算與更新流程Fig.5 Flow diagram of routing calculation and updation

3.2 星上路由計算與更新

按照路由計算承擔對象，虛擬拓撲路由可分為基于地面網關的離線式路由和基于星上分布式路由。由于離線式路由存在突發情況處置能力差、拓撲狀態收集時間長、特殊時期地面網關易被摧毀等問題，為提高GEO／LEO雙層衛星網絡路由算法的魯棒性、縮短路由收斂時間，本文采用星上分布式路由算法。在每個時隙起始時刻，衛星網絡收集鏈路狀態信息（LMR），進行路由計算和更新。路由計算與更新流程如圖5所示。

具體步驟可描述為：

步驟1）GEO衛星下達LMR收集指令。

步驟2）LEO衛星LMR的生成。

LEO衛星Li，j測量自身出口鏈路狀態信息，生成LMR（Li，j）。LEO衛星的出口鏈路主要包括：與地面站相連的UDL、與相鄰LEO衛星相連的ISL、與管理衛星GEO相連的IOL。由此可得：

式中 A表示Li，j衛星從編號0到編號ST（Li，j）－1的所有時隙；B表示所屬管理衛星Gk下，Li，j衛星k0到k3與相鄰衛星的4條連接鏈路，k為GEO管理衛星編號，即Gk；C表示Li，j衛星與管理衛星GEO的連接鏈路。

步驟3）LEO衛星LMR的傳播。

LEO衛星生成LMR（Li，j）后，經IOL報告給其管理衛星Gk。GEO衛星Gk等待時間δ，若在時間δ內收到LMR（Li，j）數量與管理組成員數量相等，轉步驟4）；否則Gk向地面控制中心發送衛星節點失效報告alert（Y），并轉步驟4）。

步驟4）GEO衛星LMR的生成。

GEO衛星Gk在時隙起始時刻測量自身出口鏈路狀態信息，生成LMR（Gk）。

步驟5）鏈路狀態信息庫的生成。

GEO衛星將收集到的組內成員LMR和自身LMR在GEO層內洪泛?NG／2」次，即按照NG／2的取整計算結果來設置洪泛次數。至此，GEO星座生成整個網絡的鏈路狀態信息庫，記為LMRw。

步驟6）LEO衛星原始路由表的計算。

GEO星座根據LMRw為GEO／LEO雙層衛星網絡計算路由。GEO衛星Gk以路徑總時延為優化目標，利用Dijkstra算法，為管理組內每顆LEO衛星計算其到其余所有LEO衛星的最優路徑和次優路徑，將計算結果添加到LEO衛星原始路由表LOT（Gk｜X）中。

步驟7）GEO衛星路由轉發表的計算。

GEO衛星Gk依據LMRw，以最小節點跳數為優化目標，采用貝爾曼（Bellman）算法，為自身計算其到所有LEO／GEO衛星的最優路徑，將計算結果添加到GEO衛星路由轉發表GRT（Gk）中。

GEO衛星Gk將其生成的LOT和GRT匯總并發送到地面控制中心備份。

步驟9）LEO衛星路由轉發表的生成與分發。

GEO衛星Gk依據LOT（Gk｜X）為管理組每顆LEO衛星生成其到目的節點的最優下一跳、次優下一跳，生成LEO衛星路由轉發表LRT（X），并分發至相應的LEO衛星。LEO衛星路由轉發表LRT（X）主要包括：路由源節點、路由目的節點、最優下一跳、次優下一跳等信息。

步驟10）GEO／LEO雙層衛星網絡依據LRT（X）和GRT進行信息傳輸與交換。

GEO／LEO雙層衛星網絡在每個時隙起始時刻進行一次路由計算與更新。EDRA算法在GEO星座中直接生成鏈路狀態信息庫，并依此進行路由計算與更新，縮短了路由收斂時間、提高了整個網絡抗毀性能；在LEO星座中每個節點只需保存一個本節點的路由轉發表，對星上存儲開銷需求較低。

衛星網絡中由于流量負載分布不均，極易發生鏈路擁塞、節點失效等突發情況。EDRA算法為每顆LEO衛星分別計算了到達目的節點的最優路徑和次優路徑，當到達最優下一跳的鏈路利用率達到閾值時，當前節點選擇次優下一跳轉發分組數據；如果到達次優下一跳的鏈路利用率也達到閾值時，當前節點將分組數據轉交其GEO管理衛星進行轉發，并觸發一次路由計算與更新。當最優下一跳節點失效時，當前節點選擇次優下一跳轉發分組數據；如果次優下一跳節點也失效時，當前節點將分組數據轉交其GEO管理衛星進行轉發，并觸發一次路由計算與更新。

4 仿真與性能分析

首先，建立GEO／LEO雙層衛星網絡仿真模型，計算網絡拓撲離散化后的時隙；然后通過NS2仿真軟件測試EDRA算法性能，分別與衛星群組和路由協議（Satellite Grouping and Routing Protocl，SGRP）算法、Dijkstra算法比較不同鏈路利用率下端到端時延和網絡丟包率。

4.1 星座仿真與時隙劃分

表1 雙層衛星網絡星座參數Tab.1 Parameters of double－layered satellite constellation network

使用STK仿真工具構建GEO／LEO雙層衛星網絡仿真模型，星座參數如表1所示，GEO星座采用等經度間隔、均勻分布的4顆GEO衛星；LEO星座采用類Iridium星座結構。設LEO－GEO最小仰角Emin＝10°，則由公式（2）可得極區邊界值β＝74.62°，由公式（3）可得調整后極區邊界值β′＝70°。

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（1）與優化后的不等長時隙劃分方法比較

分別采用文獻［6］中的VLRA算法和EDRA算法對該星座模型進行時隙劃分，以24h為一個運行周期，時隙劃分結果如圖6所示。由于VLRA時隙劃分非常密集，并且時隙并不相等，圖6（a）中呈現黑色陰影；EDRA則時隙劃分相對寬松，并且時隙相等。

圖6 時隙劃分結果比較Fig.6 Interval snapshot results of two algorithms

與VLRA相比，采用EDRA劃分時隙，時隙個數由774個減少到了234個，平均時隙長度由111.796 2s增加到了368.222 2s，明顯減少了運行周期內路由計算與更新次數，延長了路由持續時間，且時隙內無鏈路切換，保證了網絡拓撲的穩定性。

（2）與優化后的等長時隙劃分方法比較

當采用文獻［8］中以網絡鏈路利用率為約束條件的等長時隙劃分方法時，由文獻［8］中公式（5）可得，網絡鏈路利用率為95%時，等長時隙長度上限為298.34s；而采用EDRA等長時隙劃分時，等長時隙長度為368.222 2s，由本文中公式（4）可得此時網絡鏈路利用率U＝97.52%。因此，與文獻［8］相比，EDRA算法路由持續時間更長，網絡鏈路利用率更高。

4.2 路由算法性能分析與比較

根據表1的星座參數，選取NS2仿真軟件分別完成EDRA、SGRP和Dijkstra三種算法端到端時延特性和網絡丟包率仿真試驗。在Dijkstra算法中，假設每個節點均知道整個衛星網絡拓撲，鏈路狀態實時更新，實際上是一種沒有協議開銷的理想最優路由算法，是路由算法性能的極限。所有地面站均通過LEO星座接入衛星網絡，最小仰角為10°，網絡中所有通信鏈路均設置為20Mbit。仿真中設置了北京（東經116.5°，北緯39.9°）作為源端節點；紐約（西經74.1°，北緯40.7°）作為目的節點。

為比較三種路由協議在不同鏈路利用率下的性能，在LEO衛星上設置一個速率服從指數分布、平均值為λ的背景流量，逐步增大λ可使得LEO衛星鏈路利用率逐漸增加。

圖7 平均端到端時延特性比較Fig.7 Results of average end－to－end delay

（1）端到端時延特性仿真

仿真中，選取北京到紐約這一對地面站作為觀察節點，由北京站向紐約站發送一個持續時間為60min、平均速率為8Mbit／s的分組數據流量，逐漸增大鏈路負載，重復仿真10次。對于每一個平均鏈路負載值，端到端時延均取10次仿真的平均值，仿真結果如圖7所示。

由圖7可知，Dijkstra端到端時延幾乎不變；SGRP端到端時延在鏈路利用率高于60%時急劇增長；EDRA端到端時延在鏈路利用率達到60%時繼續平緩增長；在鏈路利用率低于60%時，SGRP和EDRA端到端時延相差不大，與Dijkstra相差大約4ms。分析原因主要有：

1）在鏈路利用率低于60%時，SGRP和EDRA與Dijkstra端到端時延差值主要為路由計算和星上分組處理時間；

2）SGRP無擁塞回避機制，在鏈路利用率高于60%時，端到端時延增加部分主要為排隊時延與處理時延；而EDRA具有擁塞回避機制，在最優鏈路利用率過高時，可通過次優路徑和GEO衛星進行分流，在鏈路利用率60%時出現的“臺階”，主要為選擇次優路徑而增加的部分傳輸時延。

另外，在仿真中，Dijkstra算法的實現采用理想方式，即假設每個節點均知道整個衛星網絡拓撲，所以沒有鏈路數據開銷；SGRP算法無擁塞回避機制，無論鏈路處于什么狀態，其鏈路開銷僅與時隙數量有關，其鏈路開銷為2.4kbit／s；EDRA算法采用了擁塞回避機制，當鏈路利用率低于60%時，鏈路開銷僅為0.8kbit／s，當鏈路利用率高于60%時，由于需要進行次優鏈路搜索，鏈路開銷增大為1.1kbit／s。

圖8 網絡丟包率比較Fig.8 Packet loss rate in satellite networks

（2）網絡丟包率仿真

仿真中，同樣選取北京到紐約這一對地面站作為觀察節點。由北京站向紐約站發送一個持續時間為60min、平均速率為8Mbit／s的分組數據流量，逐漸增大鏈路負載，重復仿真10次。對于每一個平均鏈路負載值，網絡丟包率均取10次仿真的平均值，仿真結果如圖8所示。

由圖8可知，Dijkstra和EDRA分組丟包率變化較小，隨著鏈路利用率增大而緩慢增長；SGRP分組丟包率在鏈路利用率低于60%時增長緩慢，當鏈路利用率高于60%時急劇增長。分析原因主要是：隨著鏈路利用率增大，鏈路容量逐漸飽和，造成了部分分組數據丟包，而EDRA及時通過次優路徑和GEO衛星進行分流，避免了分組數據丟失。

5 結束語

本文提出了一種適用于GEO／LEO雙層衛星網絡的基于等長時隙劃分的星上分布式路由算法EDRA，通過動態調整極區邊界值等長劃分時隙，有效解決了網絡拓撲時變和鏈路切換問題；利用星上分布式路由，提高了網絡抗毀性能，縮短了路由收斂時間；衛星網絡在時隙起始時刻收集鏈路狀態信息，進行路由計算與更新。仿真驗證表明：動態極區邊界值等長時隙劃分能夠延長路由持續時間，提高網絡鏈路利用率；EDRA算法端到端時延穩定；當鏈路利用率增大時，其網絡丟包率較低，趨近于路由性能極限。下一步將在EDRA算法基礎上，深入研究衛星網絡抗毀性路由算法。

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A Double－layered Satellite Constellation Network Routing Algorithm Based on Equal－length Interval Snapshots

ZHANG Jingbin1，2LIU Jiong1SHEN Pubing1
（1Xi′an communications Institute，Xi′an 710106） （2 Army Unit 73132，Zhangzhou 363111）

For the satellite constellation network，changes in real－time of network topology and frequently handover of ISL have bad impacts on the routing performance.Based on the backbone－and－accessions theory and the weak connection theory，a new double－layered satellite constellation network structure was proposed，which can help the administration for each layer.Moreover，a new routing algorithm，named EDRA，was proposed.The routing algorithm improves the method of equal－length interval snapshots by adjusting the polar boundary dynamically and adopting the new idea of layered management.The analysis and simulations show that the new satellite constellation network structure is more sensible，the number of snapshots of the EDRA algorithm is only the half of the VLRA algorithm，and the average duration of snapshots is more than three times of the VLRA algorithm.The EDRA algorithm can reduce the number of calculation and updating of the routing，improve the utilization of network ISL，reduce the delay jitter and packet loss rate.

GEO／LEO double－layered satellite constellation network；Equal－length interval snapshots；On－board distributed routing algorithm；Dynamically adjust the polar boundary；Simulation

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.003

張景斌 1985年生，2007年畢業于西安通信學院，現為西安通信學院軍隊指揮學碩士研究生。研究方向為衛星通信網絡協議。

劉 炯 1973年生，2007年獲清華大學信息與通信工程專業博士學位，西安通信學院副教授。研究方向為衛星通信網絡協議、信息安全。

（編輯：楊嬋）

陜西省科學技術研究發展計劃（2013JM8007）；全軍軍事學研究生課題（2011JY002－253）資助項目

2014－11－28。收修改稿日期：2015－02－27