趙 揚(yáng)，方 海，孫 召，陶孝鋒

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在全球通信、導(dǎo)航定位、氣象預(yù)測(cè)、環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)、資源探測(cè)和軍事應(yīng)用等方面發(fā)揮出越來(lái)越重要的作用。近幾年各國(guó)提出大量低軌星座為當(dāng)前無(wú)法接入互聯(lián)網(wǎng)或特殊環(huán)境下的用戶提供服務(wù)。由于低軌衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵?shí)時(shí)變化，衛(wèi)星平臺(tái)能力約束強(qiáng)，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間通信代價(jià)高，因此需要針對(duì)這些特性進(jìn)行數(shù)據(jù)路由算法研究及網(wǎng)絡(luò)性能分析。

IP已經(jīng)成為事實(shí)上的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)，以數(shù)據(jù)報(bào)(datagram)形式進(jìn)行路由。低軌星座路由如能符合或支持?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)形式的路由，則可保證與地面互聯(lián)網(wǎng)的低成本銜接。星間通信鏈路寶貴，衛(wèi)星載荷計(jì)算能力有限，需注意低軌星座路由算法的額外通信及計(jì)算開(kāi)銷。分布式數(shù)據(jù)報(bào)路由算法以局部信息進(jìn)行低開(kāi)銷選路得到了研究人員的關(guān)注：低軌星座衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)可以自身獲知的信息進(jìn)行選路，逐跳將數(shù)據(jù)報(bào)文傳遞至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。其優(yōu)勢(shì)在于分布式選路，不需要集中進(jìn)行路徑規(guī)劃，且鏈路失效只影響數(shù)據(jù)路由中的某一跳，不需要重新計(jì)算整條通信鏈路，靈活度及適應(yīng)性高。文獻(xiàn)[1]將極軌星座抽象為2維mesh網(wǎng)格，考慮星座軌道面間水平方向及軌內(nèi)垂直方向的路徑規(guī)劃，結(jié)合星間鏈路長(zhǎng)度優(yōu)先最短傳播時(shí)延路徑，幾乎無(wú)額外開(kāi)銷的實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)報(bào)式的分布式路由算法(distributed datagram routing algorithm，DDRA)。文獻(xiàn)[2]在2維mesh低軌星座網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)邊界擴(kuò)散方法，提出了自適應(yīng)無(wú)死鎖容錯(cuò)路由。文獻(xiàn)[3]與DDRA思路相同，在選擇下一跳時(shí)考慮了鏈路排隊(duì)及傳播時(shí)延，在局部避免數(shù)據(jù)擁塞。為了保證網(wǎng)絡(luò)的健壯性，分析節(jié)點(diǎn)或鏈路失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響也是一個(gè)重要研究方向。文獻(xiàn)[4]分析了2維mesh網(wǎng)格中全網(wǎng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)流量均勻通信時(shí)低軌星座星間鏈路的容量下限，并分析為防止單鏈路/節(jié)點(diǎn)失效引起網(wǎng)絡(luò)擁塞所需要的鏈路容量下限。文獻(xiàn)[5]通過(guò)將距離節(jié)點(diǎn)不同路徑長(zhǎng)度的鄰居分層，考慮各個(gè)層面間的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及相互路徑數(shù)，以可靠性傳遞乘積方式，提出基于跳面節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)抗毀性評(píng)價(jià)指標(biāo)。其他如基于2-連通度[6]、基于介-度熵度量[7]、基于節(jié)點(diǎn)中心介數(shù)、節(jié)點(diǎn)聚集度等等的網(wǎng)絡(luò)抗毀性評(píng)價(jià)方法也被提出。

目前DDRA路由算法及其衍生算法優(yōu)先選擇短距離軌間鏈路，存在業(yè)務(wù)流量部分失衡隱患[8]，當(dāng)星間鏈路被干擾[9]或數(shù)據(jù)擁塞時(shí)會(huì)導(dǎo)致某些通信鏈路失效，在流量分布不均的網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)量重的鏈路失效會(huì)引起較大的網(wǎng)絡(luò)性能下降，甚至引起級(jí)聯(lián)失效[10]。由于極軌道星座拓?fù)涑尸F(xiàn)循環(huán)對(duì)稱特性，現(xiàn)有的節(jié)點(diǎn)/鏈路重要性評(píng)價(jià)指標(biāo)區(qū)分度不足，對(duì)通信路由缺少指導(dǎo)意義。本文針對(duì)極軌道星座，分析極軌星座任意兩衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間存在的最少跳數(shù)路徑個(gè)數(shù)及單鏈路失效對(duì)最少跳數(shù)路徑個(gè)數(shù)的影響；為平衡各鏈路業(yè)務(wù)量，降低鏈路失效對(duì)網(wǎng)絡(luò)通信的影響，提出基于邏輯距離的概率分布式數(shù)據(jù)報(bào)路由算法DDRA-ldp(logical distance based probabilistic distributed datagram routing algorithm)，對(duì)比DDRA最短傳播延遲路徑算法，所提算法在增加極少傳播延遲下實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量均衡分布，能保證傳輸路徑在最少跳數(shù)條件下為后續(xù)節(jié)點(diǎn)路由留下盡量多的選擇，均衡業(yè)務(wù)流量，對(duì)單鏈路失效具有較強(qiáng)抵抗能力。

1 極軌道星座及二維mesh拓?fù)?/h2>

作為低軌移動(dòng)通信系統(tǒng)的最著名代表之一，Iridium銥星系統(tǒng)通過(guò)星上處理及星間鏈路實(shí)現(xiàn)全球用戶無(wú)縫話音及數(shù)據(jù)通信。銥星星座有66顆低軌衛(wèi)星分布在6個(gè)平面的軌道上，每個(gè)平面軌道包含11顆衛(wèi)星[11]。

銥星采用的極軌道星座中包含兩類星間鏈路ISL(Inter-Satellite Links)：軌道內(nèi)相鄰衛(wèi)星構(gòu)成的軌內(nèi)鏈路，相鄰軌道相鄰衛(wèi)星構(gòu)成的軌間鏈路。極軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)存在兩個(gè)相鄰的軌道，其衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向相反，形成一個(gè)所謂的縫隙(seam)，由于在縫隙兩側(cè)的衛(wèi)星反方向運(yùn)行，相對(duì)速度快，通信時(shí)間短，因此一般情況下不考慮極軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的跨縫鏈路。

由于低軌衛(wèi)星高速飛行，研究人員提出采用邏輯地理位置(LGL，Logical Geographic Location)的概念來(lái)屏蔽衛(wèi)星的移動(dòng)性，以簡(jiǎn)化衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的即時(shí)變化性[12]。將地球表面劃分為多個(gè)等間距的矩形區(qū)域，根據(jù)衛(wèi)星覆蓋范圍確定區(qū)域的大小，此區(qū)域的邏輯地理位置為矩形區(qū)域的中心點(diǎn)的經(jīng)緯度。邏輯地理區(qū)域的管理者為距離中心點(diǎn)最近的衛(wèi)星，該衛(wèi)星為此區(qū)域中的終端提供服務(wù)，以此區(qū)域的邏輯位置作為其位置。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星的邏輯位置可以用二元數(shù)組表示，其中x代表軌道編號(hào)，y代表同一軌道上的衛(wèi)星編號(hào)。當(dāng)衛(wèi)星離開(kāi)其邏輯位置區(qū)域的時(shí)候，就由后續(xù)的衛(wèi)星接替當(dāng)前衛(wèi)星的位置。在屏蔽掉衛(wèi)星移動(dòng)性后，極軌星座可抽象為2維mesh網(wǎng)絡(luò)[2]，如圖1所示，鏈路方向分為軌間正反向及軌內(nèi)正反向。對(duì)于極軌道星座，同一軌道面上相鄰衛(wèi)星間的星間鏈路長(zhǎng)度是恒定的[1]：

圖1 極軌道星座及2維mesh拓?fù)?/p>

(1)

其中R為軌道半徑，M為同一軌道面上的衛(wèi)星數(shù)量。

不同軌道面的相鄰衛(wèi)星間的星間鏈路長(zhǎng)度隨著衛(wèi)星的飛行緯度而發(fā)生變化，如不考慮不同軌道面鄰居衛(wèi)星間的相位差，根據(jù)余弦定理可得軌間鏈路距離近似為：

Lh=a×cos(lat)

(2)

2 最少跳數(shù)路徑數(shù)及單鏈路失效影響

在2維mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲校涇夐g鏈路為x軸方向，軌內(nèi)為y軸方向。對(duì)某此通信，數(shù)據(jù)通信源節(jié)點(diǎn)為s(xs，ys)，目的節(jié)點(diǎn)為d(xd，yd)，兩者間的x與y方向通信邏輯距離差為：

(3)

圖2 可行最少跳數(shù)路徑區(qū)域

在各節(jié)點(diǎn)根據(jù)自身邏輯地址及目標(biāo)邏輯地址分布式逐跳轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)時(shí)，選擇的下一跳路由鏈路或是x方向或是y方向。結(jié)合可選鏈路的物理距離，優(yōu)先選擇將數(shù)據(jù)路由到高緯度地區(qū)以降低軌間路由的鏈路長(zhǎng)度，這是DDRA路由的核心思想。

如果網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)某鏈路失效時(shí)，記失效鏈路上靠近源s的節(jié)點(diǎn)為A(xa，ya)，靠近目標(biāo)d 的節(jié)點(diǎn)為B(xb，yb)，則根據(jù)式(3)有源s到A的邏輯跳數(shù)距離為：

B到d的邏輯跳數(shù)距離為：

若AB為x方向鏈路，則

若AB為y方向鏈路，則

故經(jīng)過(guò)鏈路AB從s到d的最少跳數(shù)路徑中有n條受到影響：

(4)

而經(jīng)過(guò)A從s到d的最少跳數(shù)路徑共有：

(5)

那么經(jīng)過(guò)A剩余可用最少跳數(shù)路徑數(shù)量為N剩余=N-n。

(6)

時(shí)，剩余可用最少跳數(shù)路徑個(gè)數(shù)N剩余有極大值。

圖3 鏈路失效時(shí)剩余的可用最少跳數(shù)路徑數(shù)(AB為x方向，Δx=5，Δy=3)

3 基于邏輯距離的概率分布式數(shù)據(jù)報(bào)路由算法

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為對(duì)比DDRA-ldp和最小傳播延遲DDRA路由，基于銥星所采用的星座進(jìn)行仿真，驗(yàn)證二者性能，即M=11，N=6，R=6378+780=7158km。利用式(1)可算得lv；銥星1～5軌道面升交點(diǎn)赤經(jīng)相差31.6度，軌道面1與6反向，夾角為22度，設(shè)1號(hào)衛(wèi)星在赤道面上，由式(2)可得軌內(nèi)1～11號(hào)衛(wèi)星的 分別為1315.7 km、1106.9 km、546.6 km、187.3 km、861.6 km、1262.4 km、1262.4 km、861.6 km、187.3 km、546.6 km、1106.9 km。在仿真中，隨機(jī)產(chǎn)生10000個(gè)業(yè)務(wù)流量，因?yàn)殛P(guān)注于業(yè)務(wù)量分布，簡(jiǎn)單起見(jiàn)假設(shè)所有業(yè)務(wù)流量大小都為1單位，實(shí)際的某次流量可以看做是多個(gè)單位流量的和。

圖4和圖5為流量仿真結(jié)果，可以看出DDRA算法引起高緯度短距離軌間鏈路業(yè)務(wù)量遠(yuǎn)高于低緯度軌間鏈路，軌間鏈路兩個(gè)方向各條鏈路流量標(biāo)準(zhǔn)差分別為187.1，187.7，業(yè)務(wù)分布極為不均，易造成鏈路擁塞。而DDRA-ldp路由業(yè)務(wù)分布較為平均，軌間鏈路兩個(gè)方向各鏈路流量標(biāo)準(zhǔn)差為78.1，79.4。此外統(tǒng)計(jì)平均業(yè)務(wù)通信鏈路長(zhǎng)度，DDRA最短傳輸時(shí)延算法比DDRA-ldp算法為少4.04%。

圖4 DDRA流量統(tǒng)計(jì)

圖5 DDRA-ldp流量統(tǒng)計(jì)

圖6和圖7為單鏈路失效后的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布。對(duì)于DDRA路由，因?yàn)槭ф溌肥擒夐g鏈路，其失效導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要重新通過(guò)軌內(nèi)鏈路分流，可以看到圖7中鏈路(3，4)->(3，5)與(3，4)->(3，3)兩條軌內(nèi)鏈路業(yè)務(wù)量激增(分別為平均流量的3.85倍和3.67倍)，極易導(dǎo)致這兩條鏈路產(chǎn)生擁塞，引發(fā)級(jí)聯(lián)失效現(xiàn)象，從而產(chǎn)生更大規(guī)模的業(yè)務(wù)通信影響；而DDRA-ldp路由算法業(yè)務(wù)分布相對(duì)平均。對(duì)于平均通信鏈路長(zhǎng)度，DDRA路由為比DDRA-ldp路由少0.124%，相比無(wú)鏈路失效平均路徑長(zhǎng)度相差4.04%，差距減小的原因在于DDRA最短傳輸時(shí)延路由算法將大量業(yè)務(wù)路由至高緯度軌間鏈路，而該鏈路失效引起較多數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)行重路由繞行，增加了路徑長(zhǎng)度，因此平均路徑長(zhǎng)度增加。

圖6 單鏈路失效時(shí)DDRA流量統(tǒng)計(jì)((3，4)->(4，4)路徑失效)

圖7 單鏈路失效時(shí)DDRA-ldp流量統(tǒng)計(jì)((3，4)->(4，4)路徑失效)

5 結(jié)論

本文針對(duì)極軌道星座，分析了單鏈路失效對(duì)最少跳數(shù)路徑數(shù)的影響，結(jié)果表明在可行的最短跳數(shù)路徑區(qū)域內(nèi)，越靠近邊緣的鏈路失效對(duì)經(jīng)過(guò)其的業(yè)務(wù)流量影響越大。為解決基于最短時(shí)延的分布式數(shù)據(jù)報(bào)路由算法會(huì)造成網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)分布不均，易產(chǎn)生擁塞及級(jí)聯(lián)失效問(wèn)題。提出了基于邏輯距離的概率分布式數(shù)據(jù)報(bào)路由算法，使數(shù)據(jù)報(bào)沿最少跳數(shù)路徑的可行區(qū)域中心路由，仿真結(jié)果表明該算法能在增加極少傳輸路徑長(zhǎng)度的條件下均衡網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，并對(duì)單鏈路失效有較強(qiáng)的抵抗力。