劉　炯，陶　波，李志軍，張　琳

(1.西安通信學(xué)院 信息安全系,西安 710106；2.解放軍65043部隊(duì)，吉林 通化 135000)

Fig. 5 Comparison of average link utilization amongfour routing algorithms

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一種新的GEO/LEO雙層星座路由算法

劉炯1，陶波1，李志軍2，張琳1

(1.西安通信學(xué)院 信息安全系,西安 710106；2.解放軍65043部隊(duì)，吉林 通化 135000)

針對(duì)多層衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜通信環(huán)境和特殊應(yīng)用背景，提出一種新的基于優(yōu)先級(jí)的星上分布式路由算法(PDRA)。PDRA算法采用新的分層管理策略，根據(jù)信息重要程度設(shè)置優(yōu)先級(jí)，在拓?fù)淇煺掌鹗紩r(shí)刻進(jìn)行路由計(jì)算與更新，信息傳輸過(guò)程中采用擁塞回避策略。理論分析和仿真驗(yàn)證表明，PDRA算法與現(xiàn)有典型衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)路由算法相比性能優(yōu)越，能夠很好地利用GEO/LEO雙層星座特點(diǎn)，有較低的數(shù)據(jù)丟包率和較高的吞吐量，可有效避免鏈路擁塞，并能保證重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；GEO/LEO雙層星座；路由算法；優(yōu)先級(jí)；擁塞回避

1　引　言

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有全球無(wú)縫覆蓋、接入簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)和帶寬按需可變等優(yōu)勢(shì)，充分彌補(bǔ)了地面網(wǎng)絡(luò)的不足，已成為地面網(wǎng)絡(luò)的延伸部分和重要補(bǔ)充[1]。隨著以“業(yè)務(wù)多樣化、骨干傳輸可靠化、覆蓋全球化”為主要特征的天基綜合信息網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，立體化多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有不同軌道衛(wèi)星優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、組網(wǎng)方式靈活、網(wǎng)絡(luò)抗毀性強(qiáng)、多種功能融合等優(yōu)勢(shì)，逐漸成為世界各國(guó)研究的重點(diǎn)[2]。路由技術(shù)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)效率和可靠性。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特殊的通信環(huán)境和明確的軍事應(yīng)用背景使其面臨諸多挑戰(zhàn)：一是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有地面用戶分布不均、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)高速運(yùn)動(dòng)等特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載極易失衡，出現(xiàn)部分衛(wèi)星鏈路擁塞而周圍衛(wèi)星未被充分利用情況，增加了信息丟失概率[3]；二是當(dāng)前大多數(shù)路由算法為每對(duì)節(jié)點(diǎn)僅計(jì)算1條最優(yōu)路徑，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量易集中于某些鏈路，增加了鏈路擁塞概率[4]；三是特殊場(chǎng)合下，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要將大容量多媒體信息持續(xù)從特定區(qū)域傳輸?shù)奖就林笓]樞紐，對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性要求較高。因此，鏈路擁塞回避和重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法設(shè)計(jì)中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的研究日益增多，但是考慮鏈路擁塞回避和重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸?shù)妮^少，主要有PAR[5]、CEMR[6]、ELB[7]、CPDR[8]、LBRD[3]等。PAR(Priority-basedAdaptiveshortestpathRouting)基于鏈路等級(jí)選擇下一跳，鏈路等級(jí)由鏈路歷史利用率和緩存信息決定。CEMR(CompactExplicitMulti-pathRouting)采用多路徑進(jìn)行負(fù)載均衡，通過(guò)對(duì)路徑編碼直接轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)。ELB基于傳播時(shí)延和排隊(duì)時(shí)延的綜合鏈路代價(jià)進(jìn)行路由計(jì)算。CPDR(CompressedPathInformationbasedDistributedRouting)是一種基于路徑信息壓縮的分布式路由算法，通過(guò)隊(duì)列時(shí)延反映鏈路擁塞狀況。LBRD(Logic-BasedDistributedRouting)采用獨(dú)立的地理位置路由作為衛(wèi)星基本選路策略，基于鄰間鏈路負(fù)載通告和區(qū)域均衡機(jī)制避免鏈路擁塞。文獻(xiàn)[9]提出了一種面向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的MPLS(MultiprotocolLabelSwitching)流量工程路由算法，通過(guò)鏈路權(quán)重的動(dòng)態(tài)調(diào)整及延期選用優(yōu)化鏈路利用。上述路由算法雖然能夠有效避免鏈路擁塞，但是增加了鏈路信令開(kāi)銷，提高了路由計(jì)算復(fù)雜度，且未考慮星上資源受限、信息傳輸時(shí)延等問(wèn)題，在實(shí)際中難以應(yīng)用。

為此，本文提出一種適用于GEO/LEO(GeosynchronousEarthOrbit/LeoEarthOrbit)的星上分布式路由算法——PDRA(Priority-basedandon-boardDistributedRoutingAlgorithm)，為每對(duì)節(jié)點(diǎn)計(jì)算最優(yōu)路徑和次優(yōu)路徑，給出鏈路擁塞回避策略和設(shè)置信息優(yōu)先級(jí)，利用次優(yōu)路徑和GEO衛(wèi)星及時(shí)為高負(fù)載鏈路分流，有效避免了鏈路擁塞，有利于重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸。

2　GEO/LEO雙層星座體系架構(gòu)及分層管理策略

2.1GEO/LEO雙層星座體系架構(gòu)介紹

本文研究的GEO/LEO雙層星座體系架構(gòu)如圖1所示，該體系架構(gòu)由GEO星座、LEO星座以及地面系統(tǒng)組成。其中，IOL(InterOrbitLink)為星座層間衛(wèi)星鏈路，ISL(InterSatelliteLink)為星座層內(nèi)衛(wèi)星鏈路，UDL(UserDataLink)為星地用戶鏈路。為克服多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜、設(shè)計(jì)難度高等問(wèn)題，GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)采用“骨干/接入”模型[10]，即GEO層星座構(gòu)成骨干網(wǎng)，LEO層星座構(gòu)成接入網(wǎng)。

圖1GEO/LEO雙層星座體系架構(gòu)

Fig.1GEO/LEOdouble-layeredconstellationarchitecture

GEO星座作為骨干層，由均勻分布在赤道上空的NG顆GEO衛(wèi)星構(gòu)成，采用多波束星下天線，可實(shí)現(xiàn)中低緯度區(qū)域全覆蓋。GEO星座承擔(dān)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由計(jì)算、狀態(tài)監(jiān)控、LEO衛(wèi)星管理等任務(wù)；當(dāng)管理組內(nèi)LEO衛(wèi)星負(fù)荷較重時(shí)，為其分擔(dān)部分非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以緩解LEO層流量負(fù)載；當(dāng)管理組內(nèi)LEO衛(wèi)星失效時(shí)，臨時(shí)替代失效衛(wèi)星，以提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性能。用k對(duì)GEO衛(wèi)星進(jìn)行編號(hào)，k=1，2，…，NG。

LEO星座作為接入層，由ML個(gè)等經(jīng)度間隔分布的軌道平面構(gòu)成，每個(gè)軌道包含NL顆均勻分布的類極軌道LEO衛(wèi)星，理論上滿足全球覆蓋要求。LEO衛(wèi)星承擔(dān)地面網(wǎng)關(guān)及終端用戶接入、信息傳輸與交換、鏈路狀態(tài)信息收集等任務(wù)，并接受GEO層衛(wèi)星管理。為提高網(wǎng)絡(luò)抗毀性和業(yè)務(wù)傳輸能力，體系架構(gòu)中LEO衛(wèi)星具有軌內(nèi)、軌間星際鏈路。用(i,j)對(duì)LEO衛(wèi)星進(jìn)行編號(hào)，i表示軌道號(hào)，j表示單條軌道內(nèi)LEO衛(wèi)星號(hào)，i=1,2，…，ML；j=1,2，…，NL。

地面系統(tǒng)主要包括地面控制中心、地面網(wǎng)關(guān)、終端用戶等。其中地面控制中心通過(guò)GEO層對(duì)整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控，可通過(guò)注入功能修改或控制GEO層的管理模式，以適應(yīng)技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用需求的實(shí)時(shí)變化；終端用戶可直接接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；陸基、空基等其他網(wǎng)絡(luò)用戶可通過(guò)地面網(wǎng)關(guān)接入衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

GEO/LEO雙層星座中包含3種全雙工通信鏈路：同層衛(wèi)星之間的星間鏈路——ISL，具體又分為軌內(nèi)(同一軌道內(nèi)兩顆相鄰衛(wèi)星間的星間鏈路)和軌間(相鄰軌道相鄰衛(wèi)星間的星間鏈路)；不同層衛(wèi)星之間的層間鏈路——IOL；地面用戶與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的用戶數(shù)據(jù)鏈路——UDL。

2.2GEO/LEO雙層星座分層管理策略

針對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中存在的拓?fù)鋾r(shí)變、鏈路切換頻繁等問(wèn)題，本文采用虛擬拓?fù)渌枷?，即將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)按時(shí)間間隔離散化為一系列拓?fù)淇煺?，每個(gè)拓?fù)淇煺諆?nèi)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可視為固定不變，以此分析拓?fù)鋾r(shí)變的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；針對(duì)GEO/LEO雙層星座中LEO衛(wèi)星多重覆蓋、GEO衛(wèi)星極地覆蓋盲區(qū)等問(wèn)題，本文為方便和簡(jiǎn)化層間鏈路設(shè)計(jì)、星座管理控制，設(shè)計(jì)了一種分層管理策略。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

(1)衛(wèi)星星座投入運(yùn)營(yíng)之前，地面控制中心利用衛(wèi)星星座運(yùn)行的可預(yù)測(cè)性和周期性將其運(yùn)行周期劃分為一系列快照；

(2)計(jì)算拓?fù)淇煺粘跏紩r(shí)刻LEO衛(wèi)星的位置，提取GEO衛(wèi)星覆蓋信息；

(3)統(tǒng)計(jì)每一顆LEO衛(wèi)星Li,j與GEO衛(wèi)星可視窗口集合Si,j={GSn,n=1,2,…,Ni,j}，Ni,j為同Li,j具有可視窗口的GEO衛(wèi)星數(shù)量，Ni,j可以為0(當(dāng)Li,j處于GEO衛(wèi)星覆蓋區(qū)域之外時(shí))，也可以大于1(當(dāng)Li,j位于GEO衛(wèi)星交叉覆蓋區(qū)域時(shí))；

(4)當(dāng)Ni,j=1時(shí)，LEO衛(wèi)星Li,j選擇對(duì)其覆蓋的唯一一顆GEO衛(wèi)星作為其組管理者；

(5)當(dāng)Ni,j=0時(shí)，計(jì)算LEO衛(wèi)星Li,j與所有GEO衛(wèi)星之間的經(jīng)度差值，選取經(jīng)度差值最小的GEO衛(wèi)星作為其組管理者；

(6)當(dāng)Ni,j>1時(shí)，計(jì)算LEO衛(wèi)星Li,j與覆蓋其的所有GEO衛(wèi)星之間的經(jīng)度差值，選取經(jīng)度差值最小的GEO衛(wèi)星作為其組管理者；

(7)在一個(gè)拓?fù)淇煺罩芷趦?nèi)，選取同1顆GEO衛(wèi)星作為管理者的所有LEO衛(wèi)星組成1個(gè)管理組，該GEO衛(wèi)星為其組管理者，并將分組信息存入該拓?fù)淇煺諆?nèi)；

(8)重復(fù)步驟2～7為每一個(gè)拓?fù)淇煺沼?jì)算分組信息；

(9)地面控制中心將拓?fù)淇煺胀ㄟ^(guò)IOL發(fā)送給GEO衛(wèi)星并備份；

(10)GEO衛(wèi)星接收并保存自身分組信息；

(11)地面控制中心每隔一定時(shí)間對(duì)分組信息進(jìn)行1次更新。

分層管理策略有關(guān)問(wèn)題說(shuō)明：

(1)拓?fù)淇煺談澐謺r(shí)間間隔問(wèn)題。拓?fù)淇煺諘r(shí)刻劃分需考慮兩方面因素[11]：一是拓?fù)淇煺諆?nèi)無(wú)鏈路切換；二是拓?fù)淇煺談澐謺r(shí)間間隔盡量均等，且盡可能地長(zhǎng)。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于動(dòng)態(tài)邊界值的GEO/LEO雙層星座等長(zhǎng)拓?fù)淇煺談澐址椒?，通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整GEO衛(wèi)星覆蓋邊界值，將GEO/LEO衛(wèi)星劃分為一系列等長(zhǎng)拓?fù)淇煺眨彝負(fù)淇煺諆?nèi)無(wú)鏈路切換。

(2)極區(qū)上空LEO衛(wèi)星管理問(wèn)題。對(duì)于極區(qū)上空GEO衛(wèi)星無(wú)法覆蓋的LEO衛(wèi)星，則選擇同軌道內(nèi)低緯度方向上第一顆與組管理者建立連接的LEO衛(wèi)星作為中繼。具體連接建立方法：若LEO衛(wèi)星位于極區(qū)上空，則該衛(wèi)星選擇同軌道相鄰的低緯度LEO衛(wèi)星作為中繼與組管理者建立連接；若后者也位于極區(qū)上空，則依次向低緯度搜索直至找到第一顆能夠與組管理者建立連接的LEO衛(wèi)星，通過(guò)多次中繼建立連接。

分層管理策略通過(guò)地面控制中心為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算各個(gè)拓?fù)淇煺諆?nèi)GEO衛(wèi)星分組信息，節(jié)約了星上計(jì)算開(kāi)銷，縮短了路由收斂時(shí)間，降低了星座設(shè)計(jì)復(fù)雜性，利于星座管理控制和路由計(jì)算更新。

3　PDRA路由算法與擁塞回避策略設(shè)計(jì)

3.1PDRA路由計(jì)算與更新

按照路由計(jì)算者不同，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法分為基于地面系統(tǒng)離線式路由算法和基于星上分布式路由算法。離線式路由算法過(guò)于依賴地面系統(tǒng)，對(duì)鏈路擁塞、流量負(fù)載失衡等突發(fā)情況適應(yīng)性較差。星上分布式路由算法自治能力較強(qiáng)，能夠?qū)πl(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的突發(fā)情況及時(shí)作出反應(yīng)，利于研究。

為提高GEO/LEO雙層星座魯棒性和抗毀性，避免網(wǎng)絡(luò)負(fù)載失衡，降低鏈路擁塞概率，PDRA算法為每對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)生成最優(yōu)路徑和次優(yōu)路徑。在拓?fù)淇煺掌鹗紩r(shí)刻，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)收集鏈路狀態(tài)信息(LMR)，進(jìn)行路由計(jì)算和更新。PDRA路由計(jì)算與更新流程如圖2所示。

圖2路由計(jì)算與更新流程

Fig.2Routingcalculationandupdatingflowchart

具體步驟可描述如下：

步驟1GEO衛(wèi)星向管理組內(nèi)LEO衛(wèi)星下達(dá)LMR收集指令，極區(qū)內(nèi)LEO衛(wèi)星由中繼LEO衛(wèi)星傳達(dá)。

步驟2LEO衛(wèi)星LMR的生成

LEO衛(wèi)星Li,j測(cè)量自身出口鏈路狀態(tài)信息，生成LMR(Li,j)。LEO衛(wèi)星的出口鏈路主要包括與地面站相連的UDL、與相鄰LEO衛(wèi)星相連的ISL、與組管理者相連的IOL。由此可得

(1)

極區(qū)內(nèi)LEO衛(wèi)星收集自身LMR，并通過(guò)軌內(nèi)ISL更新至中繼LEO衛(wèi)星。中繼LEO衛(wèi)星若在時(shí)間δ內(nèi)收到LMR的數(shù)量與極區(qū)內(nèi)LEO衛(wèi)星數(shù)量相等，轉(zhuǎn)步驟3；否則，等待時(shí)間δ之后轉(zhuǎn)步驟3。

步驟3LEO衛(wèi)星LMR的傳播

LEO衛(wèi)星經(jīng)IOL將LMR發(fā)送給組管理者。組管理者Gk等待時(shí)間λ，若在時(shí)間λ內(nèi)收到的LMR數(shù)量與管理組內(nèi)成員數(shù)量相等，轉(zhuǎn)步驟4；否則，向地面控制中心發(fā)送衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效報(bào)告alert(Y)，并轉(zhuǎn)步驟4。

步驟4GEO衛(wèi)星LMR的生成

GEO衛(wèi)星Gk在時(shí)隙起始時(shí)刻測(cè)量自身出口鏈路狀態(tài)信息，生成LMR(Gk)。

步驟5鏈路狀態(tài)信息庫(kù)的生成

組管理者GEO衛(wèi)星將收集到的組成員LMR和自身LMR在GEO層內(nèi)洪泛?NG/2」次，丟棄重復(fù)LMR。至此，GEO星座生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)信息庫(kù)，記為L(zhǎng)MRwhole。

步驟6LEO衛(wèi)星原始路由表的計(jì)算

GEO星座依據(jù)LMRwhole為GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)計(jì)算路由。組管理者Gk以路徑總時(shí)延為優(yōu)化目標(biāo)，采用Dijkstra算法，為管理組內(nèi)每顆LEO衛(wèi)星計(jì)算到其余所有LEO衛(wèi)星的最優(yōu)路徑和次優(yōu)路徑，將計(jì)算結(jié)果添加到LEO衛(wèi)星原始路由表LOT(Gk|X)中。

步驟7GEO衛(wèi)星路由轉(zhuǎn)發(fā)表的計(jì)算

組管理者Gk依據(jù)LMRwhole，以最小節(jié)點(diǎn)跳數(shù)為優(yōu)化目標(biāo)，采用Bellman算法，為自身計(jì)算其到所有LEO/GEO衛(wèi)星的最優(yōu)路徑，將計(jì)算結(jié)果添加到GEO衛(wèi)星路由轉(zhuǎn)發(fā)表GRT(Gk)中。

步驟8路由信息備份

組管理者Gk將生成的LOT和GRT匯總并發(fā)送到地面控制中心備份。

步驟9LEO衛(wèi)星路由轉(zhuǎn)發(fā)表的生成與分發(fā)

組管理者Gk依據(jù)LOT(Gk|X)為管理組內(nèi)每顆LEO衛(wèi)星生成其到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)下一跳、次優(yōu)下一跳，生成以該衛(wèi)星為源節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)表LRT(X)，并分發(fā)至相應(yīng)的LEO衛(wèi)星。LRT(X)格式如圖3所示。

源節(jié)點(diǎn)目的節(jié)點(diǎn)最優(yōu)下一跳次優(yōu)下一跳

圖3LRT(X)格式

Fig.3 LRT(X)format

步驟10LEO衛(wèi)星接收保存自己作為源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的LRT(X)，并依此轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)。

在PDRA算法中，每個(gè)拓?fù)淇煺臻_(kāi)始時(shí)刻，全網(wǎng)進(jìn)行一次路由計(jì)算與更新；當(dāng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路擁塞、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效等突發(fā)情況時(shí)，GEO星座僅對(duì)受突發(fā)情況影響的路徑進(jìn)行局部重路由計(jì)算。

PDRA算法不依賴于地面系統(tǒng)，在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中直接生成LMRwhole，為每對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)生成最優(yōu)路徑和次優(yōu)路徑，縮短了路由收斂時(shí)間，降低了鏈路擁塞概率，提高了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀性能；在LEO星座中每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需保存本節(jié)點(diǎn)的路由轉(zhuǎn)發(fā)表，對(duì)星上存儲(chǔ)開(kāi)銷需求較低。

3.2鏈路擁塞回避策略

路由的設(shè)計(jì)只能規(guī)劃路徑，而鏈路是否擁塞還要根據(jù)具體的鏈路狀態(tài)定量判斷。因此，在PDRA算法中，提出了一種鏈路擁塞回避策略，采用緩存利用率(BU)和鏈路利用率(LU)聯(lián)合判斷衛(wèi)星及其出口鏈路是否擁塞，通過(guò)設(shè)置分組數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)保證重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸。其中，BU判斷衛(wèi)星工作是否超負(fù)荷，LU判斷出口鏈路是否擁塞。由于GEO衛(wèi)星星上處理能力較強(qiáng)，且業(yè)務(wù)量較少(僅在拓?fù)淇煺掌鹗紩r(shí)刻計(jì)算路由)，因此，當(dāng)LEO衛(wèi)星工作負(fù)荷較重時(shí)，GEO衛(wèi)星為其分擔(dān)部分業(yè)務(wù)。

當(dāng)前擁塞回避策略研究大多集中于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)整體流量規(guī)劃方面，對(duì)信息格式考慮較少，該類路由算法對(duì)星上處理和計(jì)算能力要求較高。但是受硬件條件限制，星上處理能力在今后相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)難以大幅提高，相反地面終端設(shè)備硬件技術(shù)突飛猛進(jìn)，可考慮聯(lián)合地面終端設(shè)備與星上處理設(shè)備共同避免鏈路擁塞。因此，在PDRA算法中，地面終端設(shè)備依據(jù)分組數(shù)據(jù)重要程度設(shè)置優(yōu)先級(jí)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在傳輸過(guò)程中優(yōu)先保障高優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠傳輸。

在PDRA算法中，分組數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)設(shè)置及權(quán)限設(shè)置：地面網(wǎng)關(guān)及軍用用戶終端具有設(shè)置分組數(shù)據(jù)高、低優(yōu)先級(jí)權(quán)限，軍用終端將實(shí)時(shí)性或可靠性要求較高的分組數(shù)據(jù)設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)，對(duì)實(shí)時(shí)性和可靠性要求較低的分組數(shù)據(jù)設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)；民用用戶終端權(quán)限默認(rèn)為低優(yōu)先級(jí)，所發(fā)分組數(shù)據(jù)自動(dòng)設(shè)置為低優(yōu)先級(jí)，高優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)可通過(guò)地面網(wǎng)關(guān)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；在特殊時(shí)期，地面控制中心可對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的GEO、LEO衛(wèi)星發(fā)送控制指令，使其僅轉(zhuǎn)發(fā)高優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)，低優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)全部丟棄。

鏈路擁塞回避策略工作流程如圖4所示。

圖4鏈路擁塞回避策略工作流程圖

Fig.4Theworkingflowchartoflinkcongestionavoidancestrategy

具體工作步驟如下：

步驟1接口LEO衛(wèi)星接收到地面網(wǎng)關(guān)/用戶終端發(fā)送來(lái)的分組數(shù)據(jù)。

步驟2LEO衛(wèi)星BU區(qū)間判斷及分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

當(dāng)BU<α?xí)r，LEO衛(wèi)星正常負(fù)荷，此時(shí)分組數(shù)據(jù)均由LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)模塊處理，其中α表示BU閾值，由地面控制中心根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況設(shè)定；

當(dāng)α≤BU

當(dāng)BU≥MBU時(shí)，LEO衛(wèi)星重度超負(fù)荷，可判定為節(jié)點(diǎn)擁塞，此時(shí)分組數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)交GEO衛(wèi)星處理，并向組管理者發(fā)送節(jié)點(diǎn)擁塞報(bào)告alert(X)，觸發(fā)一次局部重路由。

步驟3LEO衛(wèi)星路徑選擇與分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

(1)最優(yōu)路徑LU判斷及分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)LU<β時(shí)，最優(yōu)路徑鏈路無(wú)擁塞，此時(shí)分組數(shù)據(jù)均經(jīng)最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)，其中β表示最優(yōu)路徑LU閾值，由地面控制中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況設(shè)定，在特殊時(shí)期可將特定區(qū)域內(nèi)所有衛(wèi)星的β值降低或者設(shè)置為0；

當(dāng)β≤LU

當(dāng)LU≥MLU時(shí)，最優(yōu)路徑重度擁塞，此時(shí)高優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交次優(yōu)路徑，低優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交GEO處理。

(2)次優(yōu)路徑LU判斷及分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)

當(dāng)LU<β′時(shí)，次優(yōu)路徑無(wú)擁塞，此時(shí)分組數(shù)據(jù)均經(jīng)次優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)；

當(dāng)β′≤LU

當(dāng)LU≥MLU時(shí)，次優(yōu)路徑重度擁塞，此時(shí)分組數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)交GEO處理，并向組管理者發(fā)送鏈路擁塞報(bào)告alert(ISL)，觸發(fā)一次局部重路由。

步驟4出口LEO衛(wèi)星接收到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的分組數(shù)據(jù)，依據(jù)LRT將其遞交給相應(yīng)的地面網(wǎng)關(guān)/用戶終端。

步驟5GEO衛(wèi)星接收到管理組內(nèi)LEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)交的分組數(shù)據(jù)時(shí)，依據(jù)GRT為分組數(shù)據(jù)選擇合適路徑。

鏈路擁塞回避策略通過(guò)地面終端設(shè)備為分組數(shù)據(jù)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，在傳輸過(guò)程中優(yōu)先保障重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸；通過(guò)BU和LU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)，當(dāng)衛(wèi)星或者鏈路負(fù)荷較重時(shí)，及時(shí)為其分流，有效避免了鏈路擁塞；將部分功能遞交地面設(shè)備處理，降低了對(duì)星上設(shè)備要求，利于實(shí)現(xiàn)。

4　仿真分析

4.1仿真建立

根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際工程設(shè)計(jì)，雙層星座的衛(wèi)星參數(shù)設(shè)置如表1所示。GEO星座采用等經(jīng)度間隔、均勻分布的4顆GEO衛(wèi)星；LEO星座采用類Iridium星座結(jié)構(gòu)，衛(wèi)星到達(dá)極區(qū)(動(dòng)態(tài)調(diào)整后極區(qū)邊界值為70°)時(shí)，關(guān)閉軌間ISL。

表1雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)星座參數(shù)

Tab.1Parametersofdouble-layeredsatellitenetwork

星座軌道高度/km軌道面數(shù)單軌道衛(wèi)星數(shù)軌道傾角/(°)LEO星座12485986.4GEO星座35786140.0

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)：雙層星座中UDL、ISL、IOL等鏈路帶寬均設(shè)為25Mb/s，出口鏈路緩存為2MB；GEO衛(wèi)星緩存為25MB，LEO衛(wèi)星緩存為5MB；鏈路誤碼率設(shè)為0，仿真中丟包主要原因?yàn)榫彺嬉绯龊玩溌窊砣麜r(shí)網(wǎng)關(guān)設(shè)備主動(dòng)丟棄；分組數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)為定值1 000B。

地面終端：依據(jù)文獻(xiàn)[13]中全球流量分布，按比例在全球各大洲設(shè)置200個(gè)地面終端(北美70個(gè)、南美20個(gè)、歐洲50個(gè)、亞洲40個(gè)、非洲10個(gè)、大洋洲10個(gè))，每個(gè)終端產(chǎn)生一條分組數(shù)據(jù)流。為了反映真實(shí)網(wǎng)絡(luò)通信量長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)的突發(fā)特性，各地面終端采用自相似模型[14]生成分組數(shù)據(jù)流，每條分組數(shù)據(jù)流采用ON/OFF過(guò)程模型，忙期與閑期服從Patreto分布，分布函數(shù)為

(2)

式中：k=0.03，a=1.2，忙期與閑期的平均值為0.18(E(x)=a×k/(a-1)=0.18)；忙期分組數(shù)據(jù)發(fā)送速率為R(單位Mb/s)，{R|R=0.8+0.1v，v∈N，v∈[0,7]}。多條分組數(shù)據(jù)流疊加后，得到Hurst參數(shù)為0.9(H=(3-a)/2=0.9)的自相似通信流量。各地面終端的傳輸層采用具有擁塞避免機(jī)制的TP-Satellite協(xié)議[15-16]，避免因鏈路擁塞而降低分組數(shù)據(jù)速率。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的PDRA算法性能，仿真中將其與Dijkstra、CEMR、SGRP等算法進(jìn)行比較。其中，Dijkstra算法以傳輸時(shí)延為優(yōu)化對(duì)象，為網(wǎng)絡(luò)計(jì)算最短路徑；CEMR[6]同一分組數(shù)據(jù)流按照相同概率選擇最短兩條路徑傳輸；SGRP[17]算法中無(wú)鏈路擁塞回避策略。

為了能夠獲得可信的仿真數(shù)據(jù)，每次仿真時(shí)間設(shè)為10min，以0.1Mb/s為取樣間隔依次增大單條分組數(shù)據(jù)流發(fā)送速率，并對(duì)每個(gè)取樣值重復(fù)仿真10次，取10次仿真的平均值。其中，在PDRA算法仿真中，在亞洲、歐洲與北美地區(qū)隨機(jī)抽取10個(gè)地面終端交替發(fā)送高低優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)，其余地面終端均發(fā)送低優(yōu)先級(jí)分組數(shù)據(jù)。

4.2仿真驗(yàn)證

在仿真驗(yàn)證中，我們選取Dijkstra、SGRP、CEMR等典型衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法進(jìn)行比較，分析PDRA算法性能。

4.2.1分組數(shù)據(jù)流量與鏈路利用率

圖5為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在不同分組數(shù)據(jù)流量下的鏈路利用率。由圖可知：在不同路由算法中，平均鏈路利用率近似一條直線，與分組數(shù)據(jù)流量成正比；在單條分組數(shù)據(jù)流量相同時(shí)，Dijkstra平均鏈路利用率最低，SGRP平均鏈路利用率最高，CEMR與PDRA相差不大。分析原因主要是CEMR與PDRA采用兩條路徑轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)，一定程度上降低了各條鏈路利用率，避免了鏈路擁塞。

圖54種路由算法平均鏈路利用率比較

Fig. 5Comparisonofaveragelinkutilizationamongfourroutingalgorithms

4.2.2分組丟包率

圖6所示為4種算法在不同分組數(shù)據(jù)流量下的丟包率仿真結(jié)果。由圖可知:PDRA在不同發(fā)送速率下均保持了較低的分組丟包率，趨近于路由算法的極限——Dijkstra算法；CEMR和SGRP協(xié)議分組丟包率明顯高于PDRA和Dijkstra。分析原因主要是：PDRA采用了鏈路擁塞回避策略，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中流量較高時(shí)，及時(shí)通過(guò)次優(yōu)路徑以及GEO衛(wèi)星進(jìn)行分流，當(dāng)鏈路即將擁塞時(shí)，將全部分組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交GEO衛(wèi)星處理，保證了信息傳輸?shù)目煽啃?；CEMR雖然采用了兩條傳輸路徑，但是未設(shè)置分組數(shù)據(jù)優(yōu)先級(jí)，各分組按照相同概率選擇路徑傳輸，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中流量較低時(shí)，可緩解鏈路負(fù)載壓力，但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中流量較高時(shí)，兩條路徑鏈路利用率較高，使得分組丟包率劇增；SGRP中無(wú)擁塞回避策略，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生持續(xù)高負(fù)載流量時(shí)，流量均衡能力較差，無(wú)法降低分組丟包率。

圖64種路由算法分組丟包率比較

Fig.6Comparisonofpacketlossrateamongfourroutingalgorithms

4.2.3分組吞吐量

圖7為地面終端在不同發(fā)送速率下的平均吞吐量，即仿真時(shí)間內(nèi)地面終端發(fā)送分組數(shù)量的平均值。由圖可知：PDRA不同發(fā)送速率下均保持了較高的吞吐量，尤其是在發(fā)送速率較高時(shí)趨近于路由算法的極限——Dijkstra；CEMR在分組數(shù)據(jù)發(fā)送速率低于1.1Mb/s時(shí)，吞吐量較高，當(dāng)分組數(shù)據(jù)發(fā)送速率高于1.1Mb/s之后，吞吐量增長(zhǎng)較為緩慢，甚至低于SGRP；SGRP吞吐量與分組數(shù)據(jù)發(fā)送速率接近于一條直線。分析原因主要是：PDRA具有鏈路擁塞回避策略，鏈路負(fù)載和丟包率較低，對(duì)地面終端傳輸層發(fā)送速率影響不大，從而獲得較高的吞吐量，即使衛(wèi)星工作負(fù)荷較重時(shí)，仍可通過(guò)GEO衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)分組數(shù)據(jù)；CEMR和SGRP具有較高的鏈路負(fù)載與丟包率，影響了地面終端傳輸層的發(fā)送速率。

圖74種路由算法分組吞吐量比較

Fig.7Comparisonofpacketthroughputamongfourroutingalgorithms

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種適用于GEO/LEO雙層星座的分布式路由算法——PDRA。該算法采用分層管理策略，將分組功能遞交給地面控制中心進(jìn)行，節(jié)省了星上開(kāi)銷，便于星座控制管理；利用星上分布式路由，提高了網(wǎng)絡(luò)抗毀性能，縮短了路由收斂時(shí)間；增加了鏈路擁塞回避策略，通過(guò)次優(yōu)路徑和GEO衛(wèi)星及時(shí)為負(fù)荷較重的LEO衛(wèi)星分流，有效避免了鏈路擁塞，確保了重要信息高效可靠傳輸。理論分析和仿真對(duì)比表明：與現(xiàn)有Dijkstra、SGRP、CEMR等典型路由算法相比，PDRA算法具有較低的分組丟包率和較高的吞吐量，可保證重要信息實(shí)時(shí)可靠傳輸，能夠有效提升衛(wèi)星星座網(wǎng)絡(luò)性能。為了解決路由協(xié)議在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)失效等惡劣情況下的路由算法性能下降的問(wèn)題，下一步將對(duì)PDRA算法進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)抗毀算法研究。

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劉炯(1973—)，男，河北景縣人，2007年于清華大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全；

LIUJiongwasborninJingxian,HebeiProvince,in1973.HereceivedthePh.D.degreefromTsinghuaUniversityin2007.Heisnowanassociateprofessor.Hisresearchconcernssatellitenetworkandnetworksecurity.

陶波(1979—)，男，上海人，碩士研究生，講師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全和軟件開(kāi)發(fā)；

TAOBowasborninShanghai,in1979.Heisnowalecturerandalsoagraduatestudent.Hisresearchconcernsnetworksecurityandsoftwaredevelopment.

Email：3078269@qq.com

李志軍(1974—),男,湖南澧縣人，工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)安全；

LIZhijunwasborninLixian,HunanProvince,in1974.Heisnowanengineer.Hisresearchconcernssatellitenetworksecurity.

張琳 (1979—)，女，陜西西安人，講師，主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)安全。

ZHANGLinwasborninXi′an,ShaanxiProvince,in1979.Sheisnowalecturer.Herresearchconcernsnetworksecurity.

ANewGEO/LEODouble-layeredConstellationRoutingAlgorithm

LIUJiong1，TAOBo1，LIZhijun2,ZHANGLin1

(1.DepartmentofInformationSecurity,Xi′anCommunicationInstitute,Xi′an710106,China;2.Unit65043ofPLA,Tonghua135000,China)

Accordingtothecomplexcommunicationenvironmentformultiplesatelliteconstellationsandthespecialapplicationbackground,anewroutingalgorithm——priority-basedandon-boarddistributedroutingalgorithm(PDRA)isproposed.AnewhierarchicalmanagementstrategyisproposedinPDRAalgorithm.Thepackets’prioritiesaresetaccordingtotheimportanceofinformationandtheroutingcalculationandupdatingoftheroutingissetatthebeginningofthetopologysnapshot.Anewcongestionavoidancestrategyisusedintheinformationtransferprocess.TheoreticalanalysisandsimulationresultsshowthatthePDRAalgorithmhassuperiorperformancethanothertypicalsatelliteconstellationnetworkroutingalgorithmsasfollows:itcantakeadvantagethecharactersofGEO/LEOdouble-layeredsatelliteconstellation,hasthelowerdatapacketlosingrateandhigherthroughput,andcanavoidlinkcongestionandguaranteereal-timeandreliabletransmissionofimportantinformation.

satellitenetwork;GEO/LEOdouble-layeredsatelliteconstellationnetwork；routingalgorithm；priority-based；congestionavoidance

10.3969/j.issn.1001-893x.2016.09.006

2016-01-22；

2016-06-17Receiveddate:2016-01-22；Reviseddate：2016-06-17

全軍軍事學(xué)研究生課題資助項(xiàng)目(2011JY002-253，2015JY175)FoundationItem:TheGraduateProgramofMilitaryScienceProject(2011JY002-253，2015JY175)

TN927

A

1001-893X(2016)09-0982-08

引用格式：劉炯，陶波，李志軍,等.一種新的GEO/LEO雙層星座路由算法[J].電訊技術(shù)，2016,56(9):982-989.[LIUJiong，TAOBo，LIZhijun，etal.AnewGEO/LEOdouble-layeredconstellationroutingalgorithm[J].TelecommunicationEngineering,2016,56(9):982-989.]

**通信作者：3078269@qq.comCorrespondingauthor：3078269@qq.com