基于拓撲控制的衛星網絡路由優化

齊小剛，馬久龍，劉立芳

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基于拓撲控制的衛星網絡路由優化

齊小剛1，馬久龍1，劉立芳2

（1. 西安電子科技大學數學與統計學院，陜西 西安 710126；2. 西安電子科技大學計算機學院，陜西 西安 710071）

綜合考慮低軌道和靜止軌道衛星網絡各自的優勢，建立一種適合空間組網的雙層衛星網絡模型，提出一種基于拓撲控制的路由算法（TCRA）。此模型使用了虛擬節點策略和衛星分組的思想，將每個低軌道衛星的覆蓋區作為網絡的虛擬節點。此網絡考慮了極區對衛星足印區劃分的影響，使上層的管理衛星能夠準確獲得下層衛星的拓撲。通過利用這個改進的虛擬節點策略，網絡中產生的時間片在數量、長度和其他方面都明顯優于其他網絡模型。基于此網絡拓撲，靜止軌道衛星為低軌道衛星計算路由，低軌道衛星負責轉發數據。仿真表明，基于提出的網絡拓撲的路由在平均端到端時延、分組丟失率方面明顯小于其他算法。

衛星網絡；拓撲；路由；時間片

1 引言

空間信息網絡是為了獲取、傳輸和處理海量空間信息與數據而構建的網絡系統，它在通信、導航、授時、定位、監測等方面承擔著重要的角色[1]。衛星網絡一般作為空間信息網絡的骨干網，它的網絡性能在一定程度上影響著空間信息網絡的整體性能。衛星網絡近年來以它廣泛的覆蓋范圍、廣播能力和高帶寬的服務水平吸引著越來越多人的注意，它必將成為未來在任何時候、任何地點以較低代價實現全球信息傳輸和獲取的橋梁，也是下一代互聯網不可或缺的重要組成部分[2,3]。按照衛星距離地面的高度，衛星軌道可以分為靜止軌道（GEO, geostationary earth orbit）、中軌道（MEO, medium earth orbit）和低軌道（LEO, low earth orbit）。GEO衛星位于地球赤道上空大約36 000 km，它與地球保持相對靜止，較大的距離使GEO衛星對地面覆蓋范圍較大，一個GEO衛星大約可以覆蓋整個地球表面的40%，只需要3顆GEO衛星就可以近似覆蓋整個地球表面[4]。但也正是GEO衛星距離地面較大的距離導致衛星與地面終端通信時會產生較大的傳播時延。相反，LEO衛星距離地面較近，覆蓋范圍較小，它一般位于地球表面上空500~1 500 km，軌道周期較小[5]。因此，LEO衛星網絡中，衛星節點運動較快，網絡拓撲頻繁改變，地面終端需要間隔性地和接入衛星進行星地鏈路切換。但是，LEO與地面距離較短，因此，它與地面終端具有較短的傳播時延。由此可見，單獨使用LEO衛星星座和GEO衛星星座進行空間組網都不能充分發揮其本身的優勢。本文兼顧了GEO衛星星座和LEO衛星星座的優勢，建立了由LEO衛星星座和GEO衛星星座組成的雙層衛星網絡模型，在這個模型中，充分利用了GEO衛星覆蓋范圍大和LEO衛星適合實時傳輸信息的特點。

衛星節點的不斷運動使傳統的路由方案不能直接應用在衛星網絡中，路由設計成了衛星網絡的一個難題，解決衛星網絡路由問題的切入點是如何處理由于節點運動導致的網絡時變拓撲。

盡管衛星持續運動，但這種運動是周期性的，而且衛星網絡中的節點和鏈路一般具有良好的對稱性。為了設計性能優越的路由，不少學者對衛星網絡的拓撲和路由進行了分析和研究。文獻[6]提出的虛擬節點策略可以很好地處理衛星節點的運動，它的思想是將地球表面劃分為若干個邏輯區域，假定邏輯區域相對地球表面固定不動，每個邏輯區域與一顆上空離它最近的衛星綁定，每當一個衛星離開一個邏輯區域時，就由下一個到來的衛星（繼承衛星）繼續接替其位置。對于結構規則簡單的衛星網絡拓撲，虛擬節點策略能夠屏蔽衛星的移動性，利用這種方法設計路由時，只需考慮固連在地面上的邏輯區域，而不需要考慮移動的衛星節點。文獻[7]基于虛擬節點，深入探討了地面終端與衛星之間的切換問題，提出了多狀態虛擬網絡模型和地面終端與衛星節點之間的鏈路切換的相關算法，它使一個地面區域可以同時被多個衛星服務。文獻[8]充分利用了極軌星座的網格拓撲特征和源節點與目的節點的相對位置來設計路由，它減小了路由計算的復雜性，但卻沒有考慮LEO衛星節點和鏈路的抗毀性。虛擬節點策略能夠有效地處理衛星節點的移動性，但是這些文獻都是針對簡單規則的LEO衛星星座，而且現有的基于虛擬節點的路由都是以極軌道星座為模型，很難被擴展到一般傾斜LEO衛星星座。此外，多層衛星網絡中上層衛星對下層衛星復雜覆蓋關系導致虛擬節點策略無法完全在多層衛星網絡中使用。

處理衛星網絡時變拓撲問題的另外一個典型方法是虛擬拓撲策略。它的思想是將衛星網絡的系統周期劃分為若干個離散的虛擬時間片，在每個較小的時間片內，網絡的拓撲被視為固定不變的，于是可以根據這些離散的時間片來設計路由[9,10]。文獻[11]提出了一種基于動態檢測的路由算法，實質上，它是典型的基于虛擬拓撲策略的路由算法，是對時間虛擬化路由方案的改進。它通過對衛星發送隊列內數據分組個數的周期性檢測以及回復確認來判斷鏈路是否可以正常通信，同時，它能夠對鏈路的突發狀況及時感知并做出相應的調整。文獻[12]基于虛擬拓撲方法解決了多個衛星給地面站下載數據過程中時間接觸窗口不能充分被利用的問題。虛擬拓撲策略的優點是可以利用衛星網絡具有周期性將網絡的時間片和離散拓撲預先計算出來，然而虛擬拓撲策略中的大量時間片可能要求大量的存儲空間，在設計路由時，需要考慮路由信息的存儲問題。

此外，衛星分組和組管理的思想在多層衛星網網絡路由設計中被廣泛使用。文獻[13]基于衛星分組的方法，將虛擬節點的方法應用在多層網絡的最下層，下層能與上層管理衛星直接通信的LEO衛星形成一個分組，它能夠實現較小的端到端時延。但是網絡產生了大量的離散時間片，這些數量龐大的時間片對星上設備提出了較高的要求，從而造成了巨大的存儲開銷。文獻[14,15]通過合并時間片的方法在一定程度上降低了時間片的數量。另外，文獻[16]也是基于衛星分組來設計路由，它使用了由LEO衛星星座和MEO衛星星座組成的雙層網絡模型，使流量在2層網絡上分布，解決了衛星網絡流量擁塞的問題。可惜的是，這些方法都存在的一個共同缺陷是MEO層衛星獲得的LEO層拓撲信息可能不是準確的。衛星分組的思想是每當有一個新成員加入一個管理衛星的分組，或每當一個舊的衛星離開當前管理衛星的分組時，則認為網絡產生了一個新的時間片，即網絡拓撲的改變是以管理衛星的成員變化為標志的。然而，由于LEO層是近極軌道星座，在極區LEO層內相鄰軌道間的星間鏈路臨時的打開和關閉行為會導致網絡拓撲的臨時改變，因此，這些方法可能并不能獲得LEO層的真實的拓撲。

為了進一步解決衛星網絡的拓撲時變性問題，本文通過改進虛擬節點策略，考慮了極區邊界對衛星分組的影響，從而使上層衛星可以精確地獲得下層衛星的拓撲，這將給多層網絡路由設計帶來方便。通過這種方法，網絡拓撲得到了較大的改善，網絡產生了較小數量的均勻的時間片，它能進一步提高網絡路由的性能，仿真結果說明了其優越性。

2 網絡模型和相關定義

2.1 實際網絡模型

由LEO衛星星座和GEO衛星星座組成的雙層衛星網絡模如圖1所示。GEO衛星星座是由3個GEO衛星等間隔分布在赤道上空形成的，軌道平面與赤道平面重合。LEO衛星星座是稍加修改銥星系統所得到的，銥星系統是一個典型的LEO衛星星座，已經被廣泛使用[17]。本文中的LEO星座是由72個LEO衛星組成的，這些衛星均勻分布在6個極軌道平面上，每個軌道平面上均勻分布12個LEO衛星，星座的其他參數和銥星系統參數相同。網絡中的節點和鏈路有以下幾種，如圖2所示。

圖1 實際的雙層衛星網絡模型

圖2 網絡節點類型和鏈路類型

2.2 相關定義

基于上述的雙層衛星網絡模型，為了方便分析網絡拓撲以及描述路由方案，需要定義以下幾個概念。在某一特定的時刻，所有能與某個衛星直接通信的地面節點組成的集合稱為該衛星在此時的覆蓋單元。在某一特定時刻，LEO層的所有衛星的覆蓋單元組成的集合叫作LEO層的覆蓋集合。當地理上的本初子午線和LEO層第一個軌道平面共面且該軌道上第一個衛星位于赤道正上空時，稱此時LEO層衛星的位置為標準位置。稱LEO層在標準位置時的覆蓋集合為標準覆蓋集合，相應的覆蓋單元稱為標準覆蓋單元。顯然，在任意時刻，任意一個LEO衛星下方都存在唯一一個標準覆蓋單元，但并不一定是它自己的標準覆蓋單元。地球球心和某衛星所連直線與地球球面的交點稱為衛星的星下點。顯然，一個LEO衛星的星下點屬于它自身的覆蓋單元。

如果2個衛星滿足以下條件之一，則稱2個LEO衛星的覆蓋單元之間存在星下鏈路。1) 這2個LEO衛星之間存在軌間星間鏈路且這2個LEO衛星的星下點所在的覆蓋單元都沒有跨越極區邊界。2) 這2個LEO衛星之間存在軌內星間鏈路。

在本文使用的雙層衛星網絡模型中，LEO層對應的標準VLSN如圖3所示，圖3相應的尺寸為角距離。其中，極區邊界緯度設為80°，其原因在第3節中詳述。在圖3中，每一條豎線代表一個LEO衛星軌道，衛星軌道上的每個小圓點代表一個LEO衛星節點。以衛星節點為圓心，以角距離30°為半徑的圓代表一個標準覆蓋單元。在軌道1、軌道3和軌道5上分別有2個衛星位于赤道正上方，這2個衛星分別是相應軌道上的第一個衛星和第七個衛星，在軌道2、軌道4和軌道6上，分別與軌道1、軌道3和軌道5的第一個衛星直接相連的衛星，是相應軌道上的第一個衛星。

在某一時刻，如果一個LEO衛星在某個GEO衛星的滿足最小仰角的足印區內，則稱這個LEO衛星下方的那個標準覆蓋單元為該GEO衛星的一個組成員。顯然，一個GEO衛星有許多組成員。稱GEO衛星的所有組成員組成的集合為GEO衛星的組成員集，稱該GEO衛星為其組成員或組成員集的組管理者。值得注意的是，這里的組成員和組管理者的概念和一般文獻中的概念有所不同。

2.3 虛擬網絡模型

虛擬的3層衛星網絡系統指的是由地面節點、LEO層的標準覆蓋集合和GEO層衛星以及它們之間的鏈路組成的網絡系統，記為VTLGN。

本文建立的VTLGN模型在多方面表現出了其他單層和多層衛星網絡不具有的優勢。

3 VTLGN的拓撲分析

下面，基于此3層衛星網絡模型VTLGN進行相關拓撲分析。

證畢。

圖3 標準VLSN的說明

定理1的意義在于揭示了如何利用VTLGN來屏蔽衛星網絡實際物理衛星節點的移動性，如果將VTLGN中的標準覆蓋單元視作虛擬節點策略中的虛擬節點，則衛星網絡的移動性被完全屏蔽，設計路由時只需考慮固定在地面上的標準覆蓋單元，而不需顧及實際運動的衛星節點。

圖4 GEO對LEO的覆蓋計算示意

圖5 GEO對LEO的覆蓋

當沒有失效的衛星節點時，由定理1可知VTLGN被模型化為靜態網絡，即衛星節點的移動性被屏蔽，因此，網絡在設計路由時不存在時間片的概念。然而，衛星網絡工作在極其復雜的空間環境中，甚至可能遭受其他攻擊。因此，當衛星節點失效時，衛星網絡應該具有能夠維持一定性能的能力。下面分析網絡存在失效的衛星節點的情形下的拓撲。

定理2 在VTLGN中，當有失效的LEO衛星節點時，能夠精確反映網絡拓撲的時間片最大數量與LEO層每個軌道平面上衛星的數量相等且時間片的長度均勻的。

證畢。

圖6 極區對LEO層拓撲的影響

圖7 極區對LEO層拓撲影響的處理方式

4 路由算法

在本文構建的網絡中存在2種衛星節點，即LEO衛星節點和GEO衛星節點，這2種衛星節點軌道高度的不同，在路由過程中扮演的角色也不相同。LEO衛星主要是測量與其相鄰的其他LEO衛星之間的時延以及實現路由過程中數據的中轉，而GEO衛星的功能是為LEO衛星計算路由表。

即使在有LEO衛星失效的情況下，根據定理2，網絡中時間片的數量最多和每個軌道上衛星數量相同。每個時間片，GEO衛星都會根據收集到的LEO的相關信息進行路由計算。盡管LEO衛星和GEO衛星、GEO衛星和GEO衛星之間的信息交互會有時延，但是任意一個LEO衛星在任意時刻想要轉發數據時，它都會按GEO發給它的最新的路由表進行轉發，這不會造成額外時延的增加。另外，在VTLGN中時間片很少，因此，衛星之間的這種信息交互不會對網絡產生較大額外開銷。

具體的路由過程主要分為以下幾步。

步驟2 組管理者收到所有組成員報告來的時延信息后，為了獲得LEO層的全部拓撲信息，會形成一個時延報表，準備和其他組管理者交換時延報表信息。

步驟3 在GEO層，每個組管理者衛星與其相鄰的2個組管理者衛星交換各自收集到的LEO層信息。

步驟4 每個組管理者衛星收集到全網的信息后按照Dijkstra算法為它的組成員計算路由，并將計算得到的路由表下發給它的組成員衛星。

步驟5 LEO衛星收到它的組管理者下發的路由表后，通過查找路由表將數據分組轉發至下一跳。

在VTLGN模型下的路由算法，網絡中的時間片數量較其他網絡模型非常少，這能夠大大減小星上的存儲開銷。另外，在其他模型下，在極區附近，LEO層的部分衛星之間的鏈路會臨時斷開，該信息若不被上層的GEO衛星所獲得，則LEO層衛星獲得的路由路徑可能是不可靠的，這會導致數據的部分丟失。而在本文提出的VTLGN模型下，考慮了極區對足印區劃分的影響，能夠保證數據分組的可靠傳輸，如圖6和圖7所示，該路由算法也考慮了隊列時延的影響。

5 性能評估

5.1 拓撲評估

本文提出的VTLGN網絡模型旨在于處理衛星網絡由于節點移動引起的拓撲時變性的問題，它在時間片的長度和數量上都明顯優于其他網絡拓撲模型。為了說明該網絡模型的優越性，本文將有關結果和其他經典的單層和多層衛星網絡拓撲模型進行了對比。值得注意的是，對于其他星座模型，本文假定沒有任何衛星失效；而對于VLSN和VTLGN，本文假定有部分衛星失效，LEO衛星失效率在不超過20%時，仿真結果完全相同。

單層衛星星座主要包括Walker星座和極軌星座，Walker星座中時間片的分布情況主要和相位因子有關，而極軌星座的時間片分布情況只與極區邊界緯度值有關[18]。表1中列出了幾種典型的單層星座組成的衛星網絡拓撲時間片的分布情況，這些數值是各個星座在自身的一個完整的周期內通過計算或仿真得到的。從表中可以看出，標準VLSN的時間片的數量最小且時間片是均勻的，它的拓撲明顯優于Celestri、Iridium和Telidesic星座系統。

表1 單層衛星網絡拓撲性能的對比

對于一般的多層衛星網絡，除了LEO層拓撲的變化外，層與層之間的鏈路也對時間片的分布產生影響，綜上，衛星分組方法中產生了大量不均勻的時間片。表2總結了幾種典型的多層星座中拓撲時間片的分布情況，為了合理對比，表2取了相同的時間周期24 h，可以發現，VTLGN非常適合衛星網絡組網，它不但能夠產生數量較小的時間片，而且即使是在衛星節點失效的情況下，它依然能夠保證所產生的時間片的均勻性，這為多層衛星網絡路由的設計提供了方便。

表2 多層衛星網絡拓撲性能的對比

5.2 路由評估

本文使用網絡模擬器NS2.35在Linux環境下搭建了衛星網絡的仿真環境，對本文提出的路由算法進行了性能評估。對于所有的軌內星間鏈路、軌間星間鏈路、星際鏈路和星地鏈路，鏈路帶寬都設置為25 Mbit/s，隊列長度設置為50個數據分組的大小，仿真中設置每個數據分組的平均大小為1 000 B。為了使數據流更加符合實際情況，本文在地球表面隨機布置了600個源節點和600個目的節點，并在這600對源節點和目的節點之間分別建立了數據流作為背景流量，假設每個源節點在發送數據和不發送數據這2種狀態之間交替，它們的分布服從Pareto分布，該分布比指數分布更加接近實際的網絡數據流量統計。在仿真中，設置發送數據的區間和不發送數據的區間分布的平均時間均為200 ms，Pareto分布的形狀參數設置為1.2。為了比較本文基于VTLGN下的路由算法TCRA和DSP、DRA算法的性能，本文選取了6對源節點和目的節點進行了相關數值的測量，主要包括平均端到端時延和分組丟失率。

圖8說明了DRA、DSP和TCRA這3種路由算法的平均端到端時延隨著數據發送速率的變化情況?？梢钥闯觯诓煌l送速率下，TCRA算法具有更小的平均端到端時延，這是因為DRA算法和DSP算法在源節點和目的節點之間選路時僅僅是以路徑的傳播時延作為路徑優先的度量；而在TCRA中，GEO衛星收集到的組成員LEO信息綜合了傳播時延和鏈路上的數據分組排隊情況。

圖8 平均端到端時延隨數據發送率的變化

圖9反映了網絡的分組丟失率隨著數據發送率的變化關系，隨著源節點數據分組發送速率的增加，DRA、DSP和TCRA這3種路由算法的分組丟失率都呈現上升趨勢，然而當固定發送速率時，TCRA算法比DRA算法和DSP算法具有更低的分組丟失率，其原因和TCR具有較小的端到端時延類似。

圖9 分組丟失率隨數據發送率的變化

在本文構建的VTLGN中，能夠有效處理LEO衛星節點失效的問題。圖10說明了TCRA算法平均端到端時延隨LEO層衛星失效率的變化情況。DRA算法和DSP算法中一旦LEO衛星失效，時延急劇增加，而對于TCRA算法，盡管隨著失效的LEO衛星數量的增加，平均端到端時延在增加，但是數據依然可以被正常傳輸。這是因為在TCRA算法中，考慮了LEO衛星失效的情形，即使在有失效的衛星節點的情況下，數據分組始終能夠按照最短路徑被路由。

圖10 在TCRA算法中，平均端到端時延隨LEO衛星失效率的變化

6 結束語

在衛星網絡中，單獨利用LEO和GEO星座進行空間組網都不能充分發揮各個星座獨自優勢，此外，衛星節點的周期性運動造成了網絡的拓撲時變性，給設計高性能的路由技術帶來了困難。為此，本文基于LEO和GEO星座建立了一種新的網絡模型，在此模型中，同時考慮了LEO和GEO衛星的優勢，并將虛擬節點策略和衛星分組的方法改進后應用于此模型。通過理論和數值分析，說明了該網絡比其他多層衛星網絡模型更具優勢。此外，在基于此模型的路由算法中，GEO衛星計算路由，LEO衛星轉發數據，即使是在衛星節點失效的情況下，也會大大減小存儲開銷并提高其他路由性能，仿真驗證了路由算法的有效性，從而說明了該模型和算法適用于空間信息網絡的組網。

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Routing optimization based on topology control in satellite network

QI Xiaogang1, MA Jiulong1, LIU Lifang2

1. School of Mathematics and Statistics, Xidian University, Xi’an 710126, China 2. School of Computer Science and Technology, Xidian University, Xi’an 710071, China

A new double-layer satellite network model for space networking was established and a routing algorithm based on topology control(TCRA) was proposed considering the advantages of low earth orbit and stationary earth orbit satellite networks. This model used virtual node strategy and satellite grouping idea, which regarded the coverage area of each low earth orbit satellite as a virtual node. The network took into account the influence of the polar area on the division of the satellite footprints, such that the upper management satellites can accurately acquire the topology of the lower satellites. Using the improved virtual node strategy, the time slices were superior to other network models in quantity, length and other aspects. Based on the network topology, stationary earth orbit satellites calculate routing for low earth orbit satellites, while low earth orbit satellites were responsible for forwarding data. The simulation results show that the routing algorithm is superior to other algorithms in average end-to-end delay and packet loss rate.

satellite network, topology, routing, time slices

TN927

A

10.11959/j.issn.1000-436x.2018020

2017-04-06；

2018-01-17

國家自然科學基金資助項目（No.61572435, No.61472305, No.61473222）；陜西省自然科學基金資助項目（No.2015JZ002, No.2015JM6311）；浙江省自然科學基金資助項目（No.LZ16F020001）；寧波市自然科學基金資助項目（No. 2016A610035）；空間測控通信創新探索基金資助項目（No.KJCK1608）

The National Natural Science Foundation of China (No.61572435, No.61472305, No.61473222), The Natural Science Foundation of Shaanxi Province (No.2015JZ002, No.2015JM6311), The Natural Science Foundation of Zhejiang Province (No.LZ16F020001), The Natural Science Foundation of Ningbo(No.2016A610035), AreoSpace T.T.&.C. Innovation Program (No.KJCK1608)

齊小剛（1973-），男，陜西寶雞人，博士，西安電子科技大學教授，主要研究方向為網絡優化與算法設計、系統建模與故障診斷。

馬久龍（1991-），男，陜西延安人，西安電子科技大學碩士生，主要研究方向為空間信息網絡和衛星網絡。

劉立芳（1972-），女，甘肅蘭州人，博士，西安電子科技大學教授，主要研究方向為數據處理與智能計算。