（北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876）

1 引言

隨著智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的迅速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)逐漸改變了人們的生活方式。通過設(shè)計合適的協(xié)議棧與信息通信技術(shù)，含有不同節(jié)點(diǎn)類型與數(shù)據(jù)類型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)可以被集成在統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中[1]。這種集成使網(wǎng)絡(luò)中各種智能設(shè)備可以與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)，為私人用戶、商業(yè)用戶等提供高價值的服務(wù)。因此，物聯(lián)網(wǎng)得以高效利用的前提是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)可以在任何時間、任何地點(diǎn)訪問其他節(jié)點(diǎn)、與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信或控制其他節(jié)點(diǎn)完成某些任務(wù)，即物聯(lián)網(wǎng)是全球覆蓋的隨遇接入網(wǎng)絡(luò)。

雖然我國地面通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，但難以覆蓋諸如沙漠、森林、海洋等特殊環(huán)境。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)得益于其全球無縫的立體覆蓋能力，成為我國未來物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的重要組成部分，也是使物聯(lián)網(wǎng)具備全球覆蓋能力的唯一可行方法。在地面網(wǎng)絡(luò)無法提供覆蓋的區(qū)域，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以在各種環(huán)境下提供持續(xù)的通信連接；在地面網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)覆蓋的區(qū)域，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以在無線基礎(chǔ)設(shè)施被破壞的突發(fā)情況下提供可靠的冗余連接。

在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中，低軌（LEO,low earth orbit）衛(wèi)星相比于高軌（GEO,geostationary earth orbit）衛(wèi)星具有較大優(yōu)勢。低軌衛(wèi)星的往返時延小于100 ms，而高軌衛(wèi)星往返時延約為600 ms[2]。得益于低軌衛(wèi)星相對較短的傳播距離，其信號的傳播損失較小，利于物聯(lián)網(wǎng)終端的小型化低功耗設(shè)計。此外，由于高軌衛(wèi)星與地球同步，終端和高軌衛(wèi)星之間的位置相對靜止，其星地通信鏈路受地形限制嚴(yán)重，當(dāng)終端與衛(wèi)星的視線中存在障礙物時，通信質(zhì)量急劇下降。與此相比，低軌衛(wèi)星與終端之間是相對運(yùn)動的，即使終端位于障礙物附近也可存在通信窗口。因此，國內(nèi)外均以低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)作為重要戰(zhàn)略建設(shè)目標(biāo)。根據(jù)行業(yè)分析師關(guān)于衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)M2M（machine to machine）的報告表明，2017 年衛(wèi)星M2M的市場份額達(dá)到17億美元。Machina Research機(jī)構(gòu)預(yù)測，2025 年世界范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)連接規(guī)模將超過270 億[3]。

國外已有多個支持物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，如銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）、全球觀測衛(wèi)星（ARGOS）、軌道通信衛(wèi)星（Orbcom）等系統(tǒng)。此外，加拿大Helios Wire 公司、美國開普勒通信公司（Kepler Communications）、澳大利亞艦隊(duì)空間技術(shù)公司（Fleet Space Technologies）、以色列天空全球公司（Sky and Space Global）等也提出了待建設(shè)的衛(wèi)星空間物聯(lián)網(wǎng)計劃。以上已建成和待建設(shè)的國外衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)將覆蓋L、S、Ku 等頻段[4]。

與國外相比，國內(nèi)的低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)啟動較晚，“鴻雁系統(tǒng)”和“行云系統(tǒng)”已在建設(shè)，但尚未正式建成投入使用。由于啟動較晚，我國的衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在頻率資源上十分緊張，難以為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)獲取專用的頻率資源，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)往往需要兼容寬帶互聯(lián)網(wǎng)接入、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用服務(wù)。因此，我國衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必然是低速業(yè)務(wù)與高速業(yè)務(wù)、時延敏感業(yè)務(wù)與時延非敏感業(yè)務(wù)共存的場景。此外，與國外衛(wèi)星系統(tǒng)可全球布站相比，我國衛(wèi)星系統(tǒng)的信關(guān)站一般分布在國土境內(nèi)，為保證數(shù)據(jù)的及時傳輸，需要星間鏈路以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的星間路由。因此，如何利用星間鏈路提供的連通性設(shè)計合理的路由策略，成為衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能否高效、及時傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)鍵問題。

在設(shè)計衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由策略時，需要考慮以下幾方面因素的影響。首先，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緩存、處理能力有限，要求路由策略不能具有過高的復(fù)雜性。其次，星間鏈路狀態(tài)變化頻繁，無論是星間鏈路誤碼率過高導(dǎo)致的鏈路中斷、星間相對運(yùn)動導(dǎo)致的鏈路中斷與重連或是衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的失效，均將使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮幱诜欠€(wěn)定的狀態(tài)，要求路由策略具備在變化拓?fù)湎碌淖赃m應(yīng)重路由能力，同時需要考慮重建路由需要的信令開銷和處理開銷。最后，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的流量負(fù)載是非均勻的，地域和時區(qū)的差異導(dǎo)致流量負(fù)載具有時變特性，覆蓋極地區(qū)域和海洋的衛(wèi)星與覆蓋發(fā)達(dá)國家的衛(wèi)星可能具有較高的負(fù)載差異，要求路由策略考慮流量覆蓋特性，有效分流業(yè)務(wù)，避免節(jié)點(diǎn)擁塞。

綜上所述，衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的路由策略設(shè)計需考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)、時變流量等因素。本文提出了一種基于流量預(yù)測的物聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)動態(tài)緩存分配路由策略。首先，綜合考慮地面節(jié)點(diǎn)的流量以及其他衛(wèi)星流入的流量，提出衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間時變流量的預(yù)測方法，可對任意2 個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的潛在流量進(jìn)行預(yù)測；其次，基于流量預(yù)測結(jié)果，提出衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與其鄰居節(jié)點(diǎn)之間的緩存隊(duì)列長度分配方法，并在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中自適應(yīng)調(diào)整；再次，給出衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)生擁塞時的業(yè)務(wù)分流及數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)策略；最后，基于NS3 仿真軟件完成仿真與評估工作。

2 相關(guān)工作

在低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由策略研究中，最初的路由策略是面向連接的[5]。隨著TCP/IP 及網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，非面向連接的路由受到了更廣泛的關(guān)注。許多衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由策略集中在如何屏蔽低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性，并以最小端到端時延為目標(biāo)尋找最優(yōu)路徑，例如基于虛擬節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)報路由策略[6-7]、基于虛擬拓?fù)涞淖疃搪窂铰酚刹呗訹8-9]等。這種路由策略的優(yōu)勢在于，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)流量不超過負(fù)荷，即不發(fā)生節(jié)點(diǎn)擁塞時，可以獲得近似最優(yōu)的端到端時延。但是，當(dāng)業(yè)務(wù)流量超過負(fù)荷時，網(wǎng)絡(luò)層的分組丟失率將急劇增加，傳輸期間也將存在很大的排隊(duì)時延。由于大部分地球被海洋所覆蓋，并且赤道周圍的人口更密級，這使地面業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)明顯的非均勻分布狀態(tài)。當(dāng)應(yīng)用以上路由策略時，某些衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將嚴(yán)重?fù)砣硪恍┬l(wèi)星節(jié)點(diǎn)始終處于空閑狀態(tài)，無法充分利用全網(wǎng)資源。

為了使星間鏈路得到更平均的利用，替代鏈路路由（ALR,alternate link routing）策略采用備用替代鏈路的思想，提出了基于源節(jié)點(diǎn)的備用替代鏈路轉(zhuǎn)發(fā)策略和基于所有節(jié)點(diǎn)的備用替代鏈路轉(zhuǎn)發(fā)策略[10]。ALR 可以通過備用替代鏈路的路由，有效地處理流量負(fù)載并顯著降低星間鏈路的峰值負(fù)載情況。為了進(jìn)一步考慮業(yè)務(wù)流量對路由策略的影響，業(yè)務(wù)分類（TCD,traffic class dependent）策略將業(yè)務(wù)流量分為以下3 個類別：A 類需要低端到端時延，B 類需要高吞吐量，C 類沒有特殊需求[11]。TCD 路由策略能夠根據(jù)業(yè)務(wù)流量的類別針對性地對選路進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而滿足各業(yè)務(wù)類別的需求。但是，ALR和TCD 策略均需要在每次計算路由路徑時提前更新全網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)，一方面這將導(dǎo)致大量的信令開銷，另一方面在時變的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中難以獲得準(zhǔn)確的全網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)。因此，ALR 和TCD 策略在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的有效性受限。

為更實(shí)際地獲得全網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)，緊湊型顯式多路徑路由（CEMR,compact explicit multi-path routing）策略周期性地基于軌道代言人收集和交換每個節(jié)點(diǎn)的預(yù)期排隊(duì)時延[12]。CEMR 根據(jù)全網(wǎng)拓?fù)錉顟B(tài)生成2 條到目的節(jié)點(diǎn)的不相交路徑，實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)流量的分流。但是，基于軌道代言人收集到的預(yù)期排隊(duì)時延是滯后的，無法完全代表實(shí)際情況，當(dāng)臨近擁塞的節(jié)點(diǎn)被包含在路由路徑中時，該節(jié)點(diǎn)可能在傳輸中產(chǎn)生擁塞，從而導(dǎo)致分組丟失率和傳輸時延的嚴(yán)重惡化。

受地面Ad-Hoc 路由策略的影響，研究者提出了位置輔助按需路由（LAOR,location assisted on-demand routing）策略[13]。LAOR 的目標(biāo)是以最小的信令開銷實(shí)現(xiàn)端到端時延的降低。在LAOR中，每個源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)組成一對，單獨(dú)進(jìn)行路徑發(fā)現(xiàn)過程。但是，當(dāng)業(yè)務(wù)請求頻率較高時，LAOR策略將有較大的信令開銷。為改善LAOR 策略在高業(yè)務(wù)請求頻率下的信令開銷，基于代理的負(fù)載平衡路由（ALBR,agent-based load balancing routing）策略定義了2 種類型的代理，即移動代理和固定代理，每個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行周期中同時部署以上2 種代理[14]。移動代理的作用為發(fā)現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的可用路徑，在遷移期間移動代理通過與其他衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)上固定代理的交互，收集全網(wǎng)狀態(tài)信息。固定代理的作用為根據(jù)移動代理收集到的信息計算路由，每個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)只部署一個固定代理。但是，在移動代理探索源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的可用路徑時，將在網(wǎng)絡(luò)中引入額外的流量負(fù)載和信令開銷。此外，盡管LAOR 和ALBR 可以收集全網(wǎng)狀態(tài)信息，但由于衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間傳播時延較長，2 種策略均無法準(zhǔn)確地獲得網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際狀態(tài)。

為避免全網(wǎng)狀態(tài)更新不及時導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組在路由至下一跳節(jié)點(diǎn)時因擁塞而產(chǎn)生分組丟失，顯式負(fù)載平衡（ELB,explicit load balancing）路由策略中提出了相鄰衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的擁塞狀態(tài)交互方案，以避免選擇處于擁塞狀態(tài)的下一跳節(jié)點(diǎn)[15]。在ELB中，即將擁塞的衛(wèi)星會向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送警告信令，通知自身將發(fā)生擁塞。鄰居節(jié)點(diǎn)在收到警告信令后，將搜索不包含該顆擁塞衛(wèi)星的替代路徑，并更新路由表。當(dāng)衛(wèi)星已經(jīng)處于擁塞狀態(tài)時，向其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)速率降低請求，請求其鄰居節(jié)點(diǎn)降低對自身的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)比率。此時，一部分下一跳是擁塞衛(wèi)星的數(shù)據(jù)分組將沿其他路徑轉(zhuǎn)發(fā)，進(jìn)而使擁塞衛(wèi)星得以恢復(fù)至正常狀態(tài)。但是，ELB 僅將擁塞通知發(fā)送給一跳鄰居，因此路由路徑中的多個上游衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)不能迅速分散業(yè)務(wù)流量?；趦?yōu)先級的自適應(yīng)路由（PAR,priority-based adaptive routing）策略提出了一種基于鏈路歷史利用率和緩存狀態(tài)的優(yōu)先級路徑選擇機(jī)制，當(dāng)有數(shù)據(jù)分組需要被轉(zhuǎn)發(fā)時，節(jié)點(diǎn)傾向于選擇利用率低的星間鏈路。在PAR策略中，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)不需要與其他節(jié)點(diǎn)交互業(yè)務(wù)狀態(tài)信息，降低了信令開銷。但是，由于鏈路的歷史狀態(tài)并不一定反映下一跳節(jié)點(diǎn)的實(shí)際狀態(tài)，因此PAR策略有概率將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)至嚴(yán)重?fù)砣男l(wèi)星節(jié)點(diǎn)[16]?；诮煌舻穆酚桑═LR,traffic light based routing）策略對ELB 路由策略的思想進(jìn)行了擴(kuò)展，引入了交通燈以指示擁塞狀態(tài)，并同時考慮了當(dāng)前衛(wèi)星和下一跳衛(wèi)星的狀態(tài)。當(dāng)數(shù)據(jù)分組按預(yù)先計算的路由路徑傳輸時，將根據(jù)任何中間節(jié)點(diǎn)處的交通燈顏色對路徑進(jìn)行調(diào)整[17]。此外，TLR 引入了公共等待隊(duì)列的概念，并對軌道代言人方案進(jìn)行了改進(jìn)，當(dāng)某個目的節(jié)點(diǎn)的所有下一跳節(jié)點(diǎn)均擁塞時，待轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組將被暫時緩存在公共等待隊(duì)列中。但是，由于缺乏全網(wǎng)狀態(tài)信息，TLR 策略只能將流量遷移到相鄰的輕負(fù)載衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，而無法將流量分散到整個網(wǎng)絡(luò)。此外，ELB 與TLR 策略難以處理相鄰節(jié)點(diǎn)均擁塞的級聯(lián)擁塞場景。

由以上分析可以看出，現(xiàn)有路由策略在選路時一般基于當(dāng)前衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的局部業(yè)務(wù)負(fù)載情況，信令交互的范圍也局限于當(dāng)前衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)。這雖然降低了信令開銷，但缺少對全局狀態(tài)的考慮，使路由策略的選路結(jié)果難以保證全局的最優(yōu)性。當(dāng)業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)高動態(tài)變化特點(diǎn)時，現(xiàn)有路由策略將會出現(xiàn)頻繁的信令交互和路由重計算。此外，現(xiàn)有路由方案僅當(dāng)擁塞即將發(fā)生時才執(zhí)行負(fù)載均衡，沒有利用到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一些先驗(yàn)信息，而且其星間鏈路的緩存長度是確定值，并沒有根據(jù)業(yè)務(wù)流量狀態(tài)對星間鏈路的緩存長度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。因此，為了克服以上缺陷，本文首先提出了衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的流量預(yù)測方法，其次提出了基于流量預(yù)測的動態(tài)緩存分配路由策略。

3 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)和流量預(yù)測方法

3.1 衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

本文將低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建模為G=(V,E)，其中V代表衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的集合，E代表星間鏈路的集合。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的星座模型參考銥星星座，總衛(wèi)星個數(shù)S=MN，其中M為軌道面?zhèn)€數(shù)，N為每軌道面包含的衛(wèi)星個數(shù)。每顆衛(wèi)星最多可建立4 條星間鏈路，其中2 條星間鏈路與異軌道面間衛(wèi)星通信，另外2 條星間鏈路與同軌道面內(nèi)衛(wèi)星通信。此外，每顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)提供覆蓋地面的波束，并服務(wù)波束覆蓋范圍內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)終端。圖1 給出了衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與同軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)、異軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的星間鏈路，以及衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與地面終端之間的星地鏈路示意。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)將對每條星間鏈路分配緩存隊(duì)列，用以臨時存儲通過該條星間鏈路發(fā)往下一跳衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)分組。

圖1 星間及星地鏈路示意

由圖1 可知，每顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的輸入流量為來自鄰居衛(wèi)星的流量以及來自地面終端的流量，輸出流量為流向鄰居衛(wèi)星的流量以及流向地面終端的流量。衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的流量狀況將直接影響為星間鏈路分配的緩存隊(duì)列長度，進(jìn)而影響路由策略的端到端時延、分組丟失率等性能指標(biāo)。因此，分析低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的流量分布特性，對于設(shè)計路由方案具有意義。

由于每顆衛(wèi)星對其覆蓋范圍內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)終端提供服務(wù)，因此兩顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的潛在流量和各自覆蓋范圍內(nèi)的流量需求直接相關(guān)。此外，低軌衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍隨時間變化，且覆蓋范圍內(nèi)的流量密度同樣隨時間變化，即衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的潛在流量是時間的函數(shù)。受益于低軌衛(wèi)星軌道的周期性，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在覆蓋區(qū)域上的變化是周期性可預(yù)測的。因此，本文在分析衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間流量特性時，采用虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)策略屏蔽衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動性，即假設(shè)地面區(qū)域由一組位置不變的虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)覆蓋[18]。在任意時刻，每顆虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)由離其最近的真實(shí)物理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)代表。當(dāng)真實(shí)物理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)移動出虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍時，其業(yè)務(wù)負(fù)載信息和路由表將傳遞給即將接替虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍的繼承衛(wèi)星。由于物理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行軌道是可預(yù)測的，因此虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)與物理衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的映射關(guān)系也是周期性的，可以提前進(jìn)行計算。

參考文獻(xiàn)[19]中的方法，本文在圖2 中將地球表面劃分為288 塊區(qū)域，并給出每塊區(qū)域內(nèi)的節(jié)點(diǎn)個數(shù)。圖2 中，數(shù)字的單位是106個節(jié)點(diǎn)，并假設(shè)每106個節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流量需求為1 Mbit/s。由于大部分業(yè)務(wù)流量將通過地面通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施分發(fā)，因此本文假設(shè)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的流量比例為5%。圖3中給出了節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量隨時間的變化函數(shù)。由圖3可知，業(yè)務(wù)流量呈現(xiàn)明顯的晝夜效應(yīng)。在本文中將業(yè)務(wù)比例表示為γ，由此可以將任意區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)流量需求表示為Cn，單位為Mbit/s，計算式為

圖2 地球表面區(qū)域劃分及節(jié)點(diǎn)個數(shù)

其中，n=1,2,…,288，Ln為該區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)個數(shù)，單位為106；α為通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)的流量比例；γ為隨時間變化的業(yè)務(wù)比例，范圍為[0,1]。

圖3 節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量隨時間的變化函數(shù)

3.2 流量預(yù)測方法

3.1 節(jié)中給出了地球表面區(qū)域的劃分方法，以及各區(qū)域業(yè)務(wù)流量的表示方法。本節(jié)將基于該業(yè)務(wù)流量表示方法，提出任意2 顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的流量預(yù)測方法。根據(jù)圖1 中的示意，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流量分為兩部分，即地面節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流量以及鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量。

1)地面節(jié)點(diǎn)的業(yè)務(wù)流量

在本文提出的流量預(yù)測方法中，首先基于虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)，將圖2 中的每塊區(qū)域分配給離其最近的虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi，并將Vi的總星地流量定義為Ji，將虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi與Vj之間的流量定義為Jij。Ji及Jij的計算式分別為

式(2)的含義為每顆虛擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的總星地流量是覆蓋范圍內(nèi)的流量之和。式(3)中l(wèi)enij為Vi和Vj之間的球面距離。在式(3)中，節(jié)點(diǎn)Vi與節(jié)點(diǎn)Vj之間的潛在流量受以下因素的影響：網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)的星地流量的大小、節(jié)點(diǎn)Vi與節(jié)點(diǎn)Vj間的球面距離以及節(jié)點(diǎn)Vi和其他節(jié)點(diǎn)間的球面距離。其含義在于，當(dāng)2 個節(jié)點(diǎn)各自的星地流量越大且2 個節(jié)點(diǎn)的球面距離越近時，這2 個節(jié)點(diǎn)間可能發(fā)生的業(yè)務(wù)交換就越多；反之，當(dāng)2 個節(jié)點(diǎn)的星地流量越小且2 個節(jié)點(diǎn)的球面距離越遠(yuǎn)時，這2 個節(jié)點(diǎn)間可能發(fā)生的業(yè)務(wù)交換概率越小。由式(3)可以看出，節(jié)點(diǎn)Vi和Vj之間的流量與各自節(jié)點(diǎn)的總星地流量成正比，與兩節(jié)點(diǎn)的球面距離成反比。由此，可以得到網(wǎng)絡(luò)初始化狀態(tài)下僅考慮星地流量時，節(jié)點(diǎn)Vi到網(wǎng)絡(luò)中任意其他節(jié)點(diǎn)Vj的流量預(yù)測結(jié)果。

2)鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量

值得注意的是，一旦衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)開始提供服務(wù)，節(jié)點(diǎn)Vi將接收到來自鄰居節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量，這部分流量的目的節(jié)點(diǎn)將影響節(jié)點(diǎn)Vi的下一跳節(jié)點(diǎn)選擇策略，因此也需要對來自鄰居節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量進(jìn)行預(yù)測，將節(jié)點(diǎn)Vi的鄰居節(jié)點(diǎn)集定義為。預(yù)測思路為：遍歷鄰居節(jié)點(diǎn)集，計算各個鄰居節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)的流量，并基于最短路徑算法得出各個鄰居節(jié)點(diǎn)到其他節(jié)點(diǎn)Vj的最短路徑。如果最短路徑中包含本節(jié)點(diǎn)Vi，即表示鄰居節(jié)點(diǎn)的流量將經(jīng)過本節(jié)點(diǎn)Vi，該流量的目的節(jié)點(diǎn)為Vj。此時，需要更新本節(jié)點(diǎn)Vi到目的節(jié)點(diǎn)Vj的流量Jij，在更新時應(yīng)比較鄰居節(jié)點(diǎn)流入的流量是否大于星間鏈路容量B。采用最短路徑算法預(yù)測下一跳節(jié)點(diǎn)的原因在于，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)初始化運(yùn)行時，各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)均處于輕負(fù)載狀態(tài)，此時最短路徑算法得出的下一跳節(jié)點(diǎn)符合端到端時延最小化的需求。鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量預(yù)測流程如算法1 所示。

算法1鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量預(yù)測流程

由此，本文得到了網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)下任意2 個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi與Vj之間業(yè)務(wù)流量Jij的預(yù)測方法，該方法包含地面節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量和鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量兩部分。

4 基于流量預(yù)測的動態(tài)緩存分配路由策略

本文提出的基于流量預(yù)測的動態(tài)緩存分配路由策略的基本思想是，在初始化階段，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)初始運(yùn)行階段的流量預(yù)測結(jié)果，基于最短路徑算法計算得出各條星間鏈路將輸出的流量，并根據(jù)各條星間鏈路的流量比例分配緩存；在系統(tǒng)運(yùn)行階段，根據(jù)實(shí)際流量狀況更新各條星間鏈路輸出流量，并基于該更新后的流量比例調(diào)整緩存分配。

4.1 初始化階段

在該階段網(wǎng)絡(luò)中，各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)均處于輕負(fù)載狀態(tài)，不會出現(xiàn)擁塞的狀況。因此，各衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組時可基于最短路徑算法計算出路由路徑。以衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi為例，基于第3 節(jié)的流量預(yù)測方法可以得出，該節(jié)點(diǎn)發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)Vj的業(yè)務(wù)流量由地面節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)流量和鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)流入的業(yè)務(wù)流量兩部分組成，表示為Jij。由此，可以得到Vi到其他所有Vj（Vj∈V,j≠i）的業(yè)務(wù)流量Jij，這些業(yè)務(wù)流量將從Vi的4 條星間鏈路轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，轉(zhuǎn)發(fā)流量大小為（k=1,2,3,4），其中k=1,2表示同軌道面內(nèi)上下2 條星間鏈路，k=3,4表示異軌道面間左右2 條星間鏈路，的計算流程如算法2所示。

算法2星間鏈路流出的業(yè)務(wù)流量計算流程

將衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi的總緩存資源定義為Q，則4 條星間鏈路分配的緩存資源Qk（k=1,2,3,4）可表示為

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行階段

在系統(tǒng)運(yùn)行階段，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi周期性地監(jiān)測4條星間鏈路的流量輸出情況，設(shè)監(jiān)測周期為tδ。假設(shè)在最后一個監(jiān)測周期，即(t-tδ,t)內(nèi)，星間鏈路的輸出流量為，而(0,t-tδ)時間內(nèi)的平均輸出流量為，本文將使用式(6)來更新輸出流量。

其中，α為遺忘因子，0<α<1 。

輸出流量應(yīng)該是一個長期平均值，且應(yīng)避免在流量短和輕微時急劇下降。因此，當(dāng)α過小時，輸出流量的變化將非常緩慢，難以代表長期平均值，進(jìn)而影響緩存資源分配的效率；當(dāng)α過大時，輸出流量的變化將跟隨短期流量波動而變化，難以實(shí)現(xiàn)對流量的準(zhǔn)確預(yù)測。本文參考文獻(xiàn)[20]的方法，采用式(7)計算α。

其中，α0=0.025，α1=0.15，α2=0.35。

除流量監(jiān)測外，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi周期性地監(jiān)測4 條星間鏈路的隊(duì)列使用狀況，監(jiān)測周期同樣為tδ。將每個監(jiān)測周期中得到的星間鏈路緩存隊(duì)列占用率定義為，并預(yù)設(shè) 2 個門限值。當(dāng)時，將星間鏈路的狀態(tài)定義為空閑；當(dāng)時，將星間鏈路的狀態(tài)定義為正常；當(dāng)時，將星間鏈路的狀態(tài)定義為擁塞。為了避免緩存隊(duì)列出現(xiàn)分組丟失現(xiàn)象，的值應(yīng)滿足

其中，td為星間鏈路的單跳傳播時延，Pavg為數(shù)據(jù)分組大小。由式(8)可得

將式(9)代入式(10)可得

算法3星間鏈路動態(tài)緩存分配策略

遍歷擁塞鏈路集中的鏈路，計算得出各條擁塞鏈路的緩存資源需求比例，并將QkneedQsumfree的緩存資源分配給該條擁塞鏈路。

4.3 業(yè)務(wù)分流及數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)策略

本文采用業(yè)務(wù)分流策略[15,20]，當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi發(fā)現(xiàn)鏈路k處于擁塞狀態(tài)時，該節(jié)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組中包含的上一跳節(jié)點(diǎn)地址信息，向相應(yīng)的鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)分流請求，鄰居節(jié)點(diǎn)原定向該擁塞節(jié)點(diǎn)發(fā)送業(yè)務(wù)量的(1-χ)%經(jīng)由其他衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)，由此來緩解衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi的擁塞狀態(tài)。當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Vi的業(yè)務(wù)分流請求發(fā)送至鄰居節(jié)點(diǎn)時，其鏈路k的隊(duì)列占用率應(yīng)為

為保證該擁塞鏈路能在tθ時間內(nèi)及時恢復(fù)至正常狀態(tài)，那么該條鏈路在分流之后的業(yè)務(wù)流量應(yīng)滿足

圖4 數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)策略

5 仿真與評估

本節(jié)基于NS3 仿真軟件對所提路由策略的性能進(jìn)行仿真。NS3 軟件是一款面向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的離散時間仿真軟件，在路由策略的仿真評估中得到較多應(yīng)用。本文在仿真中采用銥星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，低軌衛(wèi)星軌道高度為780 km，軌道面?zhèn)€數(shù)為6 個，每軌道面有11 顆衛(wèi)星。每顆衛(wèi)星與同軌道面內(nèi)上下2 顆衛(wèi)星及異軌道面間左右2 顆衛(wèi)星建立星間鏈路，反向縫兩側(cè)的衛(wèi)星不建立異軌道面間星間鏈路。在仿真中，將南北緯70°～90°的區(qū)域設(shè)定為極區(qū)，由于該區(qū)域內(nèi)的衛(wèi)星相對運(yùn)行速度大，在該區(qū)域內(nèi)關(guān)閉異軌道面間星間鏈路。星間鏈路容量設(shè)定為25 Mbit/s，星地鏈路容量設(shè)定為100 Mbit/s。單跳星間鏈路時延td設(shè)定為15 ms。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)基于IP 傳輸，數(shù)據(jù)分組大小Pavg設(shè)定為1 KB。將監(jiān)測周期tδ設(shè)定為30 ms，tθ設(shè)定為200 ms，基于最短路徑的重路由計算時間tDSP設(shè)定為10 ms，衛(wèi)星總緩存隊(duì)列長度Q設(shè)定為400 個數(shù)據(jù)分組的大小。在仿真中采用軌道代言人策略[12]，每個軌道代言人每30 s收集鏈路狀態(tài)與排隊(duì)時延信息，即每個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)每30 s 刷新一次路由表。

在業(yè)務(wù)生成方面，本文在圖2 中每小塊區(qū)域的中心設(shè)置一個地面終端，共288 個終端。為了更好地模擬兼具長期可預(yù)測特性和短期不可預(yù)測特性的物聯(lián)網(wǎng)流量，仿真中將每個終端的業(yè)務(wù)流設(shè)置為服從Pareto 分布的on-off 流，形狀參數(shù)為1.2，平均激活和等待時間設(shè)置為200 ms。每對終端之間的業(yè)務(wù)流量根據(jù)式(3)計算。仿真持續(xù)時間為24 h，次數(shù)為20 次，取20 次的平均值作為最終的仿真結(jié)果。本文選擇基于最短路徑的ELB[15]和TLR[17]路由策略作為性能對比方案。由于本文假設(shè)衛(wèi)星總緩存隊(duì)列長度Q為400 個數(shù)據(jù)分組的大小，因此在TLR中為每條星間鏈路固定分配75 個數(shù)據(jù)分組大小的緩存隊(duì)列，并設(shè)置100 個數(shù)據(jù)分組大小的公共緩存隊(duì)列；在ELB 中為每條星間鏈路固定分配100 個數(shù)據(jù)分組大小的緩存隊(duì)列；而在本文策略中星間鏈路的緩存隊(duì)列長度動態(tài)調(diào)整。具體參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

本文從分組丟失率、平均端到端時延、每個衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的平均隊(duì)列占用度以及業(yè)務(wù)分布系數(shù)4 個方面來對比本文策略與ELB、TLR 的性能。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖5 給出了3 種策略在不同總業(yè)務(wù)流量下的分組丟失率性能。由圖5 可以看出，本文提出的動態(tài)緩存分配路由策略成功地降低了分組丟失概率。TLR 策略引入了交通燈以指示擁塞狀態(tài)，因此獲得了優(yōu)于ELB 的分組丟失率，在TLR 中衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可以動態(tài)地規(guī)劃路徑以避免擁塞情況下的分組丟失事件，該策略在清流量負(fù)載下表現(xiàn)良好，但隨著流量負(fù)載的增加而迅速惡化。但是，TLR 無法主動調(diào)整隊(duì)列緩存，且基于最短路徑算法計算路徑，當(dāng)在最短路徑中累計過多流量時，難以避免因?yàn)榫彺骈L度不夠?qū)е碌姆纸M丟失事件。本文提出的動態(tài)緩存分配策略的分組丟失率性能優(yōu)于TLR，其原因在于該策略可根據(jù)流量負(fù)載比例調(diào)整緩存隊(duì)列長度，使星間鏈路能提供更多的空間緩存高流量負(fù)載情況下的數(shù)據(jù)分組。在圖5 中，當(dāng)總業(yè)務(wù)流量偏高時，分組丟失率將顯著增大，其原因在于鏈路中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組超過了星間鏈路容量，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中多個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)擁塞狀況，難以通過路由。

圖6 給出了3 種策略在不同總業(yè)務(wù)流量下的平均端到端時延性能。由圖6 可以看出，本文提出的動態(tài)緩存分配路由策略改善了數(shù)據(jù)分組的平均端到端時延。ELB、TLR 和本文策略的核心思想均是在發(fā)生擁塞時重路由數(shù)據(jù)分組，即將數(shù)據(jù)分組分流至不包括擁塞節(jié)點(diǎn)的路徑上進(jìn)行傳輸。但是，本文提出的動態(tài)緩存分配路由策略的優(yōu)勢在于，在數(shù)據(jù)分組的換路時延大于排隊(duì)時延的情況下，通過緩存隊(duì)列的分配提供足夠的緩存空間；在數(shù)據(jù)分組的換路時延小于排隊(duì)時延的情況下，通過更換路由路徑避免排隊(duì)時延的嚴(yán)重惡化。因此，雖然3 種策略的端到端時延均隨業(yè)務(wù)負(fù)載的提升而增大，但本文提出的動態(tài)緩存分配路由策略具有最優(yōu)的平均端到端時延性能。

圖5 分組丟失率

圖6 平均端到端時延

圖7 給出了所有衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在業(yè)務(wù)流量負(fù)載為3.8 Tbit/天條件下的平均隊(duì)列占用度。由圖7 可以看出，本文所提動態(tài)緩存分配策略具有最低的隊(duì)列占用度，降低了擁塞狀況的發(fā)生概率。圖8 給出了3種策略在不同總業(yè)務(wù)流量下的業(yè)務(wù)分布系數(shù)性能。業(yè)務(wù)分布系數(shù)定義為

其中，n表示星間鏈路的數(shù)量，xi表示在第i條星間鏈路上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組個數(shù)。f的范圍為0～1，更高的業(yè)務(wù)分布系數(shù)表示更均勻的全網(wǎng)業(yè)務(wù)分布情況。由圖8 可以看出，本文所提動態(tài)緩存分配策略的業(yè)務(wù)分布情況略優(yōu)于TLR，但隨著業(yè)務(wù)負(fù)載的增加，業(yè)務(wù)分布的改善比例升高。其原因在于，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)載較高時，本文所提策略可以更好地平衡數(shù)據(jù)分組的排隊(duì)和換路，從而獲得更高的業(yè)務(wù)分布系數(shù)。

圖7 節(jié)點(diǎn)平均隊(duì)列占用度

圖8 業(yè)務(wù)分布系數(shù)

6 結(jié)束語

本文針對低軌衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分組路由問題進(jìn)行研究，分析了低軌衛(wèi)星系統(tǒng)在提供全球覆蓋能力時，各覆蓋區(qū)域地面業(yè)務(wù)流量的時空分布特性，進(jìn)而提出了端到端流量預(yù)測方法。在該預(yù)測方法的基礎(chǔ)上，本文提出了基于流量負(fù)載的動態(tài)緩存分配路由策略，將系統(tǒng)分為初始化和系統(tǒng)運(yùn)行2 個階段，在初始化階段給出衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間的端到端流量預(yù)測方法，在系統(tǒng)運(yùn)行階段給出端到端流量更新方法，并基于該端到端流量動態(tài)分配衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)4 條星間鏈路占用的緩存資源。此外，本文給出了當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)擁塞狀況時的業(yè)務(wù)分流及數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)策略，旨在避免因鏈路擁塞導(dǎo)致的分組丟失事件。仿真結(jié)果表明，本文所提策略可以改善分組丟失率、端到端時延、節(jié)點(diǎn)平均隊(duì)列占用度和業(yè)務(wù)分布系數(shù)，在衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中具有一定的應(yīng)用前景。