基于星間鏈路狀態的低軌衛星網絡路由算法

張 路，燕 鋒，章躍躍，夏瑋瑋，謝 曄，石云墀，沈連豐

（1.東南大學 移動通信國家重點實驗室，江蘇 南京 210096；2.上海航天電子技術研究所，上海 201109）

0 引言

天地一體化信息網絡［1-3］是由天基骨干網、天基接入網和地基節點網組成，以傳統地面移動網絡為基礎，以衛星、航天器等組成的天基網絡為主，可以為海陸空各類用戶提供時空連續、高可靠通信服務的信息網絡。作為天地一體化信息網絡的重要組成部分，衛星網絡通過星間鏈路和組網技術為全球范圍內的用戶提供通信服務，可以彌補地面網絡在覆蓋范圍和全天候移動接入服務等方面的缺陷。

衛星網絡中，與中軌（Medium Earth Orbit，MEO）和地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit，GEO）衛星相比，低軌（Low Earth Orbit，LEO）衛星具有發射成本低、傳輸時延小和傳輸能量損耗低等特性，并且可以通過衛星組網的方式實現全球覆蓋。國外SpaceX 公司提出的“星鏈”計劃將搭建由約1.2 萬顆衛星組成的全球寬帶衛星星座。此外，中國航天科技集團公司提出的“鴻雁”計劃［3］，預計將由300 顆LEO 衛星組成，可提供全時段、全天候的通信服務。同時，中國航天科工集團提出的“虹云工程”［3］計劃發射156 顆衛星，旨在構建覆蓋全球的低軌寬帶衛星通信系統。

為了更好地利用衛星網絡構建天地一體化網絡，不僅要解決衛星高速運動帶來的網絡拓撲快速變化的問題，還要在大規模的衛星星座網絡中選擇合適的路由［4-11］。目前，根據應對衛星網絡拓撲結構動態變化的方法，路由算法主要分為兩種［4］：一種是集中式路由［5-7］，此種路由利用衛星軌道的周期性劃分多個時間片，由地面站計算每個時間片內靜態拓撲的路由，其余衛星節點只需要存儲路由表，不需要進行實時計算，但是這種方法很難應對鏈路擁塞和衛星故障等突發情況；另一種是分布式路由［8-9］，此種路由沒有中心節點，由星座中的每顆衛星實時計算路由，可以應對突發狀況，但是這種路由方法對衛星的處理能力要求高，且單顆衛星較難獲取全局網絡拓撲信息。

在虛擬拓撲結構和鏈路狀態信息的基礎上，劉永健等［9］提出了一種分布式的路由算法，利用低軌衛星網絡的周期性和可預測性，計算出靜態拓撲的序列，并根據節點的實時鏈路狀態，更新節點的動態路由表，但此種路由方法既需要存儲靜態序列，又需要動態獲取鏈路狀態，路由算法過于復雜。潘恬等［10］提出了一種軌道預測最短路優先（Orbit Prediction Shortest Path First，OPSPF）的路由算法，利用LEO 衛星星座的規律性，并進行周期性路由計算，同時以按需方式處理鏈路故障引起的拓撲不規則變化，雖然路由收斂快，但是在丟包率和端到端時延方面性能較差。

針對其他路由算法難以應對衛星突發故障及易出現網絡擁塞等問題，本文提出了一種基于星間鏈路狀態信息的路由算法。該算法在鏈路狀態檢測階段，周期性獲取鏈路狀態信息，并在本地記錄12 條星間鏈路狀態信息；在路由計算階段，利用衛星之間的相對位置關系，計算初始路由路徑；在路由修正階段，查本地鏈路狀態表，對初始路由路徑進行修正。與其他路由算法相比，本文中的路由算法復雜度低，并能有效應對網絡擁塞和衛星故障等問題，具有較好的魯棒性。

1 系統模型

1.1 信息網絡模型

如圖1 所示，本文采用的天地一體化信息網絡模型由地面網絡和低軌衛星星座網絡構成，地面網絡由分布在全球的地面站和終端節點組成，低軌衛星星座網絡由LEO 衛星組網構成，LEO 衛星間存在星間鏈路，LEO 衛星與地面站之間存在饋電鏈路，LEO 衛星與終端節點之間存在用戶鏈路。為提供全時段、全天候的通信服務，需要保證地面站或終端節點在任意時刻至少被一顆LEO 衛星覆蓋。同時，因單顆衛星為某個地面站提供服務的時間有限，需要采用距離最短、時延最小和持續時間最長等路由切換策略以保證持續的通信服務。

圖1 信息網絡模型Fig.1 Information network model

1.2 低軌衛星星座網絡

本文采用的極軌道低軌衛星星座作為信息網絡中的天基網絡，如圖2 所示，低軌衛星星座網絡由M個軌道面組成，每個軌道面均勻分布著N顆衛星，每顆衛星一般有4 個鄰居衛星。初始時刻，根據衛星所在軌道面和水平面，為衛星設置邏輯地址（i，j），表示第i平面的第j顆衛星。極軌道模型中存在一條反向縫，反向縫兩側衛星的運動方向相反，且衛星高速運動，難以建立穩定的星間鏈路。此外，在衛星經過極地地區時，衛星運動速度快，難以建立長時間穩定的星間鏈路。

圖2 極軌道星座模型Fig.2 Polar orbit constellation model

1.3 通信鏈路

本文考慮的場景中，通信鏈路主要有星間鏈路、饋電鏈路和用戶鏈路。

星間鏈路是指衛星之間的通信鏈路，主要分為軌道內鏈路和軌道間鏈路。軌道內鏈路長度僅與地球半徑、軌道高度和軌道內衛星數目有關，系統中這3 個參數均相同，故軌道內鏈路長度一樣；軌道間鏈路長度與地球半徑、軌道高度、軌道個數和衛星所在緯度有關，故緯度越高，軌道間鏈路長度越短。衛星間的信道模型可以使用自由空間傳播模型。

用戶鏈路是指用戶終端到衛星之間的通信鏈路。饋電鏈路是指衛星和地面站之間的鏈路。用戶鏈路和饋電鏈路需要考慮自由空間損耗［12-14］、雨水吸收造成的雨衰［13］、大氣散射造成的損耗［12-14］、電離層和極化損耗帶來的影響。由于自由空間損耗一般占星地鏈路衰減的90%以上，為簡化模型，考慮用近似值來表示雨衰和大氣衰減等的影響。

考慮自由空間傳播模型，接收信號的功率PR為

式中：PT為發射天線功率；GT為發射天線增益；GR為接收天線的增益；d為傳輸距離；λ為通信的波長。

自由空間傳播模型為

式中：fu為信號頻率；du為傳輸距離；λu為信號波長。

衛星通信中，衡量通信鏈路質量的信噪比可以表示為載噪比［C/N］，鏈路余量［14］可用于判斷通信鏈路是否滿足通信要求，只要鏈路余量大于0，則該通信鏈路滿足要求。鏈路余量計算公式為

式中：［C/N］為鏈路總載噪比；［C/N］th為接收機的門限載噪比。

2 路由算法

本文提出的基于星間鏈路狀態的路由算法分為鏈路狀態檢測、路由計算及路由修正階段，路由流程如圖3 所示。

首先，根據故障鏈路數目設置鏈路檢測周期，周期性獲取星間鏈路狀態，并在本地鏈路狀態表中動態維護12 條鏈路的狀態。當有路由請求時，根據源衛星和目的衛星間相對位置，確定路由跳數、傳輸方向和軌道間數據轉發時機，并為數據包計算初始路由路徑。然后，路徑中的衛星根據本地鏈路狀態表，對初始路由路徑進行改正，并進行數據轉發。

2.1 鏈路狀態檢測

首先，根據LEO 衛星運行周期計算拓撲變化周期，設LEO 衛星繞地周期為T，設單軌道內有N顆衛星，記T/N為拓撲變化周期Th，即最多經過Th時間將有一顆新衛星進入極地地區，進而衛星網絡邏輯拓撲發生變化。

考慮到網絡中故障鏈路數目不固定，存在故障鏈路較多和故障鏈路較少的時刻，本文根據網絡中故障鏈路數目設置發送hello 包的檢測周期Td，共有3 種級別，分別為Th、Th/2 和Th/3，正常情況下，檢測周期Td設置為Th/2。當故障鏈路數超過一定閾值時，設置檢測周期Td為Th/3，可以更快發現鏈路故障；當故障鏈路數低于一定值時，不需要頻繁進行鏈路檢測，設置檢測周期Td為Th，可以減少發送hello 包的開銷。如果在檢測周期Td內，沒有收到鄰居衛星的hello 包，則認為與該衛星的鏈路故障，并周期性檢測鏈路是否恢復。

在衛星網絡中，每顆衛星按照檢測周期Td周期性檢測與4 個鄰居間的鏈路狀態，并把上述4 條鏈路狀態在自身軌道面和相鄰軌道面進行廣播。同時，每顆衛星在本地鏈路狀態表中動態維護如圖4所示的12 條鏈路的狀態，狀態包括正常和故障。

2.2 路由計算

在路由算法中，選擇距離地面源節點最近的衛星作為源衛星（Si，Sj），選擇距離地面目的節點最近的衛星作為目的衛星（Di，Dj），根據邏輯地址間的關系，可以獲取路由跳數、傳輸方向及傳輸時機。路由計算包括以下步驟：

步驟1確定軌道間路由跳數為|Si-Di|和軌道內路由跳數為min｛|Sj-Dj|，N-|Sj-Dj|｝。

步驟2根據4 個鄰居的邏輯地址與自身邏輯地址間的大小關系，確定軌道間傳輸方向和軌道內傳輸方向。如鄰居能使軌道間跳數減小，則該方向為軌道間傳輸方向；如鄰居能使軌道內跳數減小，則該方向為軌道內傳輸方向。

步驟3判斷軌道間傳輸的時機：1）如果在同一軌道面內，只需要進行軌道內數據傳輸；2）根據軌道間鏈路長度，選擇最短的鏈路進行軌道間數據傳輸；3）如果源衛星和目的衛星均位于極地地區，因極地區域無法進行軌道間數據傳輸，需將數據包通過距離極地最近的衛星中繼；4）如果源衛星和目的衛星中有且僅有一顆位于極地地區，在最接近極地區域且存在軌道間鏈路的衛星進行軌道間數據傳輸。

步驟4根據路由跳數、傳輸方向和軌道間傳輸時機可確定初始路由路徑。

2.3 路由修正

路由修正階段，根據路由計算得到的傳輸方向，確定鏈路狀態表中需要用的4 條鏈路狀態，并利用傳輸方向和鏈路狀態進行路由修正。路由修正包括以下步驟：

步驟1當前衛星到路由路徑中的下一跳衛星之間的鏈路正常，則按照初始路由轉發數據。

步驟2根據本地鏈路狀態表中在傳輸方向上的4 條鏈路的故障情況，選擇下一跳路由。1）如果當前要進行軌道內數據傳輸，且故障，則先進行一次軌道間數據傳輸；2）如果當前要進行軌道間數據傳輸，且故障，則先進行一次軌道內數據傳輸；3）如果當前需進行軌道內數據傳輸，下一跳為軌道間數據傳輸，且該軌道間鏈路故障，則在當前節點進行軌道間數據傳輸；4）如果當前需進行軌道間數據傳輸，下一跳為軌道內數據傳輸，且該軌道內鏈路故障，則在當前節點進行軌道內數據傳輸。

步驟3如果源衛星和目的衛星在同一水平面或在同一軌道面內，且存在鏈路故障，則必須利用鄰居水平面或鄰居軌道面進行中繼。

星間鏈路故障場景的例子如圖5 所示，源衛星為（1，1），目的衛星為（5，5）。路由初始化階段，通過衛星節點間的邏輯地址關系，得出需要進行的軌道間路由跳數為4，軌道內路由跳數為4，軌道間傳輸方向為右，軌道內傳輸方向為上，因靠近極地地區軌道間鏈路較短，所以優先通過（1，5）所在的平面進行軌道間數據傳輸，初始路由路徑為（1，1）→（1，2）→（1，3）→（1，4）→（1，5）→（2，5）→（3，5）→（4，5）→（5，5）。路由修正階段中，因鏈路a 故障，滿足路由修正步驟2 中的條件1），選擇先進行一次軌道間數據傳輸，下一跳衛星為（2，1），然后可進行軌道內數據傳輸，到達衛星（2，4）；因鏈路c 故障，滿足路由修正步驟2 中的條件3），進行軌道間數據傳輸到（3，4）；再根據路由計算階段的傳輸方向及軌道間傳輸時機，進行路由，最終到達目的衛星。

圖5 星間鏈路故障場景Fig.5 Inter-satellite link failure scenario

2.4 復雜性分析

路由算法分為鏈路狀態檢測、路由計算和路由修正階段。在鏈路狀態檢測階段，衛星需要將與4個鄰居之間的鏈路狀態周期性廣播給自身所在軌道面和相鄰軌道面的衛星，復雜度為O（N）；在路由計算階段，根據源衛星與目的衛星間的邏輯地址關系確定路由跳數和傳輸方向為常數操作，確定軌道間數據轉發時機需要比較軌道間鏈路長度，復雜度為O（N），根據路由跳數、傳輸方向和軌道間數據轉發時機確定路由路徑為常數操作；路由修正階段，根據本地鏈路狀態表進行路由修正的操作次數與路徑中衛星個數有關，復雜度為O（N）。

3 仿真及結果分析

本文基于STK 和NS3 對路由算法進行仿真，根據軌道參數遞推軌道［15］，同時，利用STK 搭建LEO 衛星網絡模型，在STK 中可仿真鏈路的保持時間。此外，通過Matlab 與STK 互聯接口，可以輸出TLE 格式軌道數據，再將TLE 數據轉換格式為NS3 可讀入的數據，輸入到NS3 進行性能仿真。

3.1 仿真參數

考慮到覆蓋全球的通信范圍要求，本文設計一種極軌道星座模型，如圖6 所示。該模型中有12 個軌道面，每個軌道面有12 顆衛星，共計144 顆衛星組成。此模型中的衛星切換頻率和星間鏈路長度可以滿足通信質量要求，同時該模型中衛星與相鄰的4 個鄰居始終滿足可視性原則［16］。仿真采用的星座模型參數見表1。

表1 星座模型參數Tab.1 Constellation model parameters

圖6 STK 中144 顆衛星星座模型Fig.6 144 satellites constellation model in STK

3.2 結果分析

第8 個軌道面的衛星與北京地面站之間的饋電鏈路切換情況如圖7 所示，實線部分為當前時間該鏈路可為北京站提供通信服務。由圖7 可知，本文采用的144 顆衛星星座模型可以很好地為地面站提供全時段、全天候的通信服務，同時衛星與地面站間的饋電鏈路可以保持20 min 以上，滿足服務要求。

圖7 衛星與地面站間的鏈路服務時間Fig.7 Service time of links between satellite and ground station

不同路由跳數下的平均時延隨仿真時間變化的趨勢如圖8 所示。隨仿真時間的增加，本文提出的路由算法在不同路由跳數情況下都趨向于平穩，其中路由平均跳數為5 時，平均時延接近190 ms，路由平均時延在百毫秒級別。同時，隨路由平均跳數增加，平均時延增加的幅度較小。在800 s 時，路由平均跳數為5 時的時延比路由平均跳數為3 時高30 ms 左右，其原因為路由平均跳數為5 時，需要多進行兩次路由轉發，傳輸的距離更遠，傳輸時延更高。

圖8 不同路由跳數下的平均時延比較Fig.8 Comparison of the average delay indifferent routing hops

3 種路由的丟包率隨仿真時間的變化趨勢如圖9 所示。由圖9 知，本文提出的路由算法的丟包率最小，在仿真時間為900 s 時，與基于虛擬拓撲的路由相比較，丟包率降低了20%。其原因為在路由計算過程中，本文提出的路由算法利用鏈路狀態表存儲的12 條星間鏈路狀態信息，可以修正路由路徑，有效規避故障鏈路，緩解了鏈路故障導致的數據包丟失問題。

圖9 不同路由的丟包率比較Fig.9 Comparison of the packet loss rate for three routing algorithms

4 結束語

本文研究了基于鏈路狀態信息的星間路由設計問題，在鏈路故障檢測階段，根據當前網絡中故障鏈路數目，設置3 種級別的檢測周期，周期性獲取鏈路狀態信息并存到本地鏈路狀態表中。在路由計算階段，根據源節點和目的節點的相對位置，計算初始路由路徑。在路由修正階段，查本地鏈路狀態表，采用路由修正策略，選擇合適下一跳。仿真結果表明：該算法可降低衛星通信中數據包的丟包率，并以較低時延進行路由轉發。但本文考慮的是單層衛星系統下的星間路由設計，沒有考慮多層衛星網絡的設計，而多層衛星網絡可以更好地滿足多媒體服務要求，因此，后續研究將考慮研究多層衛星網絡下的路由問題。