徐小濤，趙國(guó)鋒，韓珍珍，蔡茹意，徐川

（1.國(guó)防科技大學(xué)信息通信學(xué)院，湖北 武漢 430010；2.重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

0 引言

隨著移動(dòng)通信和航天技術(shù)的快速發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)不斷向空間維度擴(kuò)展。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)憑借低時(shí)延、高帶寬及全球覆蓋的特點(diǎn)能夠?yàn)橛脩籼峁o縫且靈活的接入服務(wù)，成為構(gòu)建6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。在低空通信網(wǎng)絡(luò)中，Starlink[1]、Kuiper[2]、OneWeb[3]等眾多LEO 衛(wèi)星星座被推出，為6G 通信中應(yīng)急通信、偏遠(yuǎn)地區(qū)通信等提供了廣域低時(shí)延的通信服務(wù)。隨著LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)朝著大規(guī)模、多層軌道面部署的方向發(fā)展[4]，不同軌道面衛(wèi)星之間形成的跨層軌間鏈路可提高網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率，同時(shí)能減少傳輸跳數(shù)以優(yōu)化時(shí)延。但跨層軌間鏈路受軌道相對(duì)運(yùn)動(dòng)和空間環(huán)境影響，鏈路通斷更為頻繁，使得多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由選擇變得更加困難[5]。

在基于星地融合的6G 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，面向多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由復(fù)雜性，研究者首先開展了跨層軌間鏈路選擇問題研究，文獻(xiàn)[6-7]提出了用于傾斜軌道衛(wèi)星星座的層間通信算法，該算法的節(jié)點(diǎn)建鏈條件篩選側(cè)重于物理?xiàng)l件，即鏈路距離、角速度等節(jié)點(diǎn)的物理屬性，但缺少對(duì)通信過程中數(shù)據(jù)包擁塞等因素考慮，會(huì)引起跨層軌間鏈路失效問題。由于大規(guī)模LEO 衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)眾多，加大了鏈路選擇的難度，為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，現(xiàn)有研究多假設(shè)每個(gè)衛(wèi)星只能與上下兩個(gè)相鄰軌道衛(wèi)星通信。如文獻(xiàn)[8-9]提出了由K層組成的LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，針對(duì)跨層軌間鏈路，提出衛(wèi)星邏輯位置概念，假設(shè)每顆衛(wèi)星只能與上下相鄰層衛(wèi)星通信。其次，為了減少算法復(fù)雜度，研究者設(shè)定軌內(nèi)鏈路為多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)氖走x，如文獻(xiàn)[10]提出了一種適用于多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的分布式路由算法GomHop，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)選擇下一跳節(jié)點(diǎn)時(shí)，首先考慮軌內(nèi)鏈路，若同軌鏈路無法到達(dá)，則選擇距離最近的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，其并沒有考慮中繼節(jié)點(diǎn)處理時(shí)延，缺少對(duì)時(shí)延的優(yōu)化。當(dāng)前大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)跨層路由的研究正處于起步階段，已有路由算法設(shè)計(jì)并沒有利用到跨層鏈路的優(yōu)勢(shì)。

為此，本文對(duì)跨層鏈路選擇問題開展研究，在提升傳輸可靠性的同時(shí)減少端到端時(shí)延。首先為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，利用虛擬位置思想對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)分區(qū)形成網(wǎng)格，為降低分區(qū)內(nèi)不同層的節(jié)點(diǎn)疊加，在網(wǎng)格內(nèi)選擇上層星座中心節(jié)點(diǎn)作為主動(dòng)建鏈節(jié)點(diǎn)；而后，從影響跨層鏈路通斷的因素入手，對(duì)星間軌道和跨層鏈路變化及節(jié)點(diǎn)資源進(jìn)行刻畫，構(gòu)建了跨層節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型及節(jié)點(diǎn)和鏈路資源模型，以信噪比、節(jié)點(diǎn)緩存、鏈路持續(xù)時(shí)間三個(gè)參數(shù)為決策變量構(gòu)建鏈路可靠效用函數(shù)，選擇節(jié)點(diǎn)和鏈路資源效用值最大的節(jié)點(diǎn)與主動(dòng)建鏈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建鏈；然后，采用時(shí)空演化圖模型刻畫鏈路變化引起的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化，支持端到端傳輸最佳跨層路由計(jì)算；最后，選擇StarLink 第一階段衛(wèi)星星座，在STK（Satellite Tool Kit）和EXata 無線通信網(wǎng)絡(luò)仿真平臺(tái)中搭建三層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真驗(yàn)證。相比于現(xiàn)有方法，本文方法能夠顯著提高傳輸可靠性并降低時(shí)延。

本文研究?jī)?nèi)容及貢獻(xiàn)如下：

（1）刻畫了多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路的動(dòng)態(tài)變化特性模型。針對(duì)鏈路動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)，基于聚合鏈路通信距離、相對(duì)角速度和仰角三個(gè)物理?xiàng)l件，引入乘積相關(guān)級(jí)聯(lián)函數(shù)模型刻畫跨層節(jié)點(diǎn)和鏈路的運(yùn)動(dòng)模型；針對(duì)節(jié)點(diǎn)資源變化，考慮信噪比、節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列和鏈路持續(xù)時(shí)間，刻畫節(jié)點(diǎn)和鏈路的資源變化情況。

（2）針對(duì)跨層鏈路頻繁通斷造成數(shù)據(jù)包路由不連續(xù)的問題，采用多屬性決策模型構(gòu)建了可靠跨層鏈路選擇模型，選擇最佳節(jié)點(diǎn)建立可靠跨層鏈路；采用時(shí)空演化圖對(duì)網(wǎng)絡(luò)的變化情況進(jìn)行建模，描述大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)渥兓?，在時(shí)空演化圖中計(jì)算高可靠、低時(shí)延的傳輸路徑。

（3）為了驗(yàn)證本文所提方案的有效性，在STK 搭建StarLink 三層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，并在EXata 中對(duì)算法進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，與現(xiàn)有LEO 路由算法相比，本文算法能夠在降低傳輸時(shí)延的同時(shí)，降低丟包率，有效提升了網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

1 場(chǎng)景及問題描述

1.1 場(chǎng)景描述

多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景如圖1 所示，根據(jù)衛(wèi)星所在高度的不同，LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可分為VLEO 層、MLEO層和HLEO 層。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可抽象成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銰=(V,E)；衛(wèi)星可以抽象為節(jié)點(diǎn)V={vv,vm,vh}，其中，VLEO 層的節(jié)點(diǎn)集可表示為vv={vv,1,vv,2,…,vv,v}，MLEO 層節(jié)點(diǎn)集可表示為vm={vm,1,vm,2,…,vm,m}，HLEO 層的節(jié)點(diǎn)集為vh={vh,1,vh,2,…,vh,h}。此外，衛(wèi)星鏈路包括軌內(nèi)鏈路、同層軌間鏈路和跨層軌間鏈路，則衛(wèi)星i和衛(wèi)星j之間的鏈路可表示為lij。當(dāng)源節(jié)點(diǎn)s和目的節(jié)點(diǎn)d需要傳輸時(shí)敏業(yè)務(wù)且兩者之間距離過遠(yuǎn)時(shí)，跨層傳輸比其他傳輸方式的時(shí)延更小。其具體流程如下，首先，由于地面節(jié)點(diǎn)s在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)a的覆蓋范圍內(nèi)，數(shù)據(jù)包從地面節(jié)點(diǎn)s上傳至衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)a；其次，由于跨層軌間鏈路的存在，增加了a節(jié)點(diǎn)下一跳轉(zhuǎn)發(fā)的鏈路多樣性，并且HLEO 層的衛(wèi)星覆蓋范圍廣，所以數(shù)據(jù)包通過節(jié)點(diǎn)b和節(jié)點(diǎn)c之間的跨層軌間鏈路lbc上傳至HLEO 層，目的是減少中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，以減少處理時(shí)延；最后由節(jié)點(diǎn)c發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)d。

圖1 大規(guī)模多層LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景圖

1.2 基于跨層鏈路的路由優(yōu)勢(shì)

在大規(guī)模多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，跨層路由的選擇主要受通信節(jié)點(diǎn)間傳輸距離的影響，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離較近時(shí)，跨層通信的時(shí)延并不優(yōu)于同層通信的時(shí)延；當(dāng)節(jié)點(diǎn)間需要傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，同層之間傳輸需要經(jīng)過多個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，星上處理時(shí)間較大。而通過跨層鏈路路由，能夠減少中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，并增加數(shù)據(jù)傳輸路徑的多樣性，可以有效提高傳輸?shù)目煽啃院徒档投说蕉藗鬏敃r(shí)延。

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)端到端傳輸時(shí)延主要受鏈路傳播時(shí)延和星上處理時(shí)延影響，鏈路傳播時(shí)延由源目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間的距離決定，處理時(shí)延是信號(hào)通過每個(gè)設(shè)備中的硬件和軟件造成的累計(jì)時(shí)延。若星座軌道高度為550 km，星地鏈路的傳播時(shí)延為2 ms；相距6 000 km 的星上源和目的節(jié)點(diǎn)之間的端到端傳播時(shí)延約為22 ms；單顆衛(wèi)星的處理時(shí)延約為2 ms[16]，跨層鏈路傳輸時(shí)延約為0.5 ms，在大規(guī)模LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中廣域數(shù)據(jù)傳輸?shù)男l(wèi)星節(jié)點(diǎn)通常在10 跳以上[17]，星上總處理時(shí)延約為總時(shí)延的一半。因此，通過跨層鏈路，減少中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，可以有效降低端到端傳輸時(shí)延，文獻(xiàn)[18]證明了跨層鏈路在超過1 000 km 的數(shù)據(jù)傳輸中有明顯的時(shí)延優(yōu)勢(shì)。

1.3 問題分析

在多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，由于軌道間衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等因素，導(dǎo)致跨層軌間鏈路極易發(fā)生中斷[14]；其次衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和鏈路的資源條件有限也會(huì)導(dǎo)致鏈路頻繁中斷[15]。如圖1 所示，由鏈路lbc連接的兩端節(jié)點(diǎn)b和c屬于不同高度的軌道（VLEO 和HLEO），可能會(huì)由于b節(jié)點(diǎn)和c節(jié)點(diǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度過大或節(jié)點(diǎn)間距離超過彼此的傳輸范圍而產(chǎn)生鏈路中斷；同時(shí)，節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列會(huì)隨著網(wǎng)絡(luò)中時(shí)變的數(shù)據(jù)流不斷變化，當(dāng)接收節(jié)點(diǎn)j的剩余緩存隊(duì)列不足以存儲(chǔ)并處理接收的數(shù)據(jù)包時(shí)，節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)失效；當(dāng)鏈路lbc受到衰落影響時(shí)，節(jié)點(diǎn)j的接收信號(hào)強(qiáng)度過低，導(dǎo)致鏈路中斷。

因此，在大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，星座的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)規(guī)模和信道環(huán)境的復(fù)雜性都增加了跨層鏈路中斷的概率，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不連續(xù)，增加了時(shí)延和丟包率。可見，為降低衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延和提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，必須解決以下關(guān)鍵問題：

（1）針對(duì)因星座相對(duì)運(yùn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)規(guī)模大等因素導(dǎo)致的跨層鏈路頻繁通斷導(dǎo)致的路由不連續(xù)問題，如何利用節(jié)點(diǎn)和鏈路的運(yùn)動(dòng)模型和資源模型篩選跨層建鏈節(jié)點(diǎn)，建立穩(wěn)定可靠的跨層鏈路。

（2）基于跨層鏈路，如何描述大規(guī)模多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)高度動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，并選擇有效的傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)包傳輸。

1.4 研究思路

針對(duì)因星座相對(duì)運(yùn)動(dòng)、節(jié)點(diǎn)規(guī)模大等因素導(dǎo)致的跨層鏈路頻繁通斷導(dǎo)致的路由不連續(xù)問題，本文提出基于跨層鏈路的路由算法（CLRA,Cross Layer link-based Routing Algorithm），可通過建立可靠跨層鏈路減小衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)性，提高路由可靠性，其具體的路由方案如圖2 所示：

圖2 多層LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由方案

（1）跨層鏈路選擇

LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通過跨層鏈路將不同軌道高度的LEO星座組合起來協(xié)同工作，然而，跨層鏈路的頻繁通斷會(huì)導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓叨葎?dòng)態(tài)變化，造成路由不連續(xù)問題。因此，第一步需要建立可靠的跨層軌間鏈路來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃??；诙鄬傩阅Ｐ徒⒌目鐚渔溌肪C合考慮了SNR、節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列和鏈路持續(xù)時(shí)間三個(gè)參數(shù)建立可靠效用函數(shù)，并利用自適應(yīng)離差最大化算法確定各參數(shù)屬性權(quán)重，選擇可靠效用函數(shù)值最高的節(jié)點(diǎn)對(duì)建立跨層鏈路。

（2）可靠路徑選擇

由于星間鏈路的建立，任意兩衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)存在多條可達(dá)路徑，且每條路徑內(nèi)的鏈路隨機(jī)通斷，影響傳輸路徑的選擇。因此，使用時(shí)空演化圖準(zhǔn)確刻畫衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)拓?fù)涞倪B續(xù)變化，并使用最短路徑算法確定端到端傳輸路徑，優(yōu)化路由路徑的選擇。

2 大規(guī)模LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)跨層鏈路建模

2.1 跨層節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型

由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、跨層鏈路通斷頻繁等特點(diǎn)導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，建鏈算法復(fù)雜度高。因此，本文采用虛擬位置[19]思想以減少網(wǎng)絡(luò)中跨層鏈路的數(shù)量，同時(shí)不影響全球范圍跨層鏈路的使用。如圖3 所示，虛擬位置將整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃分成網(wǎng)格，網(wǎng)格的大小相等，并將最靠近網(wǎng)格位置中心的高軌道衛(wèi)星作為主動(dòng)建鏈衛(wèi)星，與不同高度層的衛(wèi)星建立跨層鏈路。

圖3 虛擬位置分區(qū)圖

在大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖4 所示，跨層軌間鏈路的兩端節(jié)點(diǎn)屬于不同高度的軌道層，其鏈路距離、節(jié)點(diǎn)相對(duì)速度和節(jié)點(diǎn)相對(duì)角度會(huì)高度動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致跨層軌間鏈路通斷頻繁。因此，選擇建鏈節(jié)點(diǎn)之前，需要充分刻畫出衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)特性。本文從可見性、相對(duì)角速度以及仰角出發(fā)，對(duì)這三個(gè)物理?xiàng)l件分別進(jìn)行建模，得到衛(wèi)星軌道的物理約束條件，作為選擇建鏈節(jié)點(diǎn)的約束條件。

圖4 衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖

（1）可見性

只有當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)i在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)j的通信范圍內(nèi)時(shí)，vi才具有與vj建鏈的初步條件。若vi和vj之間的鏈路距離為dij，vi的通信半徑為di，vj的通信半徑為dj，則鏈路距離約束條件為：

其中，vi和vj之間的鏈路距離dij=[(xi-xj)2+(yi-yj)2+(zizj)2]1/2。si(xi,yi,zi) 和si(xj,yj,zj) 為vi和vj在地心坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)[16]，其公式為：

衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的通信半徑可以表示為：

其中，h為衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的軌道高度，h*=80 km 為地球熱層的高度，RE為地球半徑。

（2）相對(duì)角速度

屬于不同高度軌道層的兩個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，即使?jié)M足可見性約束條件，當(dāng)兩節(jié)點(diǎn)的相對(duì)速度大于某一閾值時(shí)，其建立的跨層鏈路也會(huì)自動(dòng)斷開。假設(shè)vi和vj是處于不同軌道高度的兩顆衛(wèi)星，其速度分別為、，衛(wèi)星的相對(duì)速度矢量為，則單位時(shí)間內(nèi)的位移矢量。此外，如圖5 所示，將地心到衛(wèi)星的距離差ri-rj和單位時(shí)間內(nèi)的位移矢量連線組成一個(gè)三角形，其中地心到衛(wèi)星的距離r為軌道高度h與地球半徑RE之和。在圖5 中，wij為單位時(shí)間內(nèi)的相對(duì)轉(zhuǎn)向角，可根據(jù)三角形的余弦定理計(jì)算得出：

圖5 最大轉(zhuǎn)向角示意圖圖

若最大相對(duì)角速度為wm則單位時(shí)間內(nèi)的最大轉(zhuǎn)向角為wm，得出相對(duì)角速度約束：

（3）仰角

由于目前的追蹤、指向系統(tǒng)的精確度有限，建鏈節(jié)點(diǎn)在滿足相對(duì)角速度約束的條件下，也對(duì)其仰角有一定的限制。vi指向vj的仰角定義為：vi在vj所在軌道球面上的投影與vi連接后與lij之間連線的夾角，如圖6 中的El。若仰角的閾值為Elm，則仰角約束條件為：

圖6 節(jié)點(diǎn)對(duì)仰角示意圖

仰角El的計(jì)算公式為：

其中，vp為兩個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的位置公式：

（4）節(jié)點(diǎn)對(duì)物理約束條件

在大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，應(yīng)選擇滿足以上節(jié)點(diǎn)對(duì)物理?xiàng)l件的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為跨層軌間鏈路的候選建鏈節(jié)點(diǎn)，以提高跨層軌間鏈路的穩(wěn)定性。引入乘積相關(guān)級(jí)聯(lián)函數(shù)模型刻畫跨層節(jié)點(diǎn)對(duì)的總物理約束條件公式為：

其中，Upd是可見性約束條件、Upw是相對(duì)角速度約束條件、Upe是仰角約束條件。Up=1 表示節(jié)點(diǎn)對(duì)滿足建鏈物理?xiàng)l件，Up=0 表示節(jié)點(diǎn)對(duì)不滿足建鏈物理?xiàng)l件。Up表示一對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的物理約束條件，當(dāng)可見性、相對(duì)角速度和仰角同時(shí)滿足其約束條件時(shí)，節(jié)點(diǎn)對(duì)物理約束條件才滿足建鏈條件；否則，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)對(duì)不滿足跨層鏈路約束條件。

2.2 節(jié)點(diǎn)和鏈路資源模型

在大規(guī)模多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，跨層軌間鏈路的通斷也受節(jié)點(diǎn)和鏈路資源限制的影響[20-21]。首先，從節(jié)點(diǎn)角度分析，接收節(jié)點(diǎn)的信噪比（SNR,Signal-Noise Ratio）需要大于接收閾值，以保證接收節(jié)點(diǎn)能夠成功接收發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；其次，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要有足夠的緩存隊(duì)列長(zhǎng)度，才能對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)處理；最后，從鏈路角度分析，為保證網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)盡量選取持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的鏈路作為跨層軌間鏈路。因此，本文將SNR、緩存隊(duì)列長(zhǎng)度以及鏈路持續(xù)時(shí)間作為參數(shù)指標(biāo)，并對(duì)這三個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行刻畫，得到節(jié)點(diǎn)和鏈路資源模型，以評(píng)估跨層軌間鏈路性能，從而作為后文篩選建鏈節(jié)點(diǎn)的條件。

（1）SNR

只有在接收節(jié)點(diǎn)的信噪比SNR 大于閾值sm的情況下，接收節(jié)點(diǎn)才能成功接收數(shù)據(jù)包。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在星間通信時(shí)使用激光鏈路，星間激光鏈路的SNR會(huì)受到自由空間損耗的影響，包括路徑損耗和指向誤差。當(dāng)發(fā)送端的信號(hào)為xi，接收端的信號(hào)為yi時(shí)，yi=(Ptdij-r)1/2hijxi+Nij，其中Pt是發(fā)送信號(hào)功率，γ是鏈路損耗因子，dij是鏈路距離，Nij是方差為σ的高斯白噪聲，跨層鏈路SNR可以表示為：

其中，|hij|2遵循非中心卡方分布[20]，服從的概率密度函數(shù)可以表示為：

當(dāng)信道的SNR 小于給定閾值時(shí)，數(shù)據(jù)在傳輸過程會(huì)發(fā)生中斷，導(dǎo)致跨層鏈路不可用。因此，需要設(shè)定SNR中斷閾值S0來保證數(shù)據(jù)能夠被成功接收。則鏈路lij之間的SNR 小于中斷閾值導(dǎo)致鏈路不可用的概率可以表示為：

因此，在任意時(shí)刻t，跨層鏈路SNR 的效用函數(shù)能被等同于數(shù)據(jù)包成功傳輸?shù)母怕?，其定義如下：

（2）節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列

由于LEO 衛(wèi)星的星上計(jì)算和存儲(chǔ)能力有限，假設(shè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的最大緩存隊(duì)列長(zhǎng)度為F，在t0時(shí)刻接收節(jié)點(diǎn)已使用的緩存隊(duì)列長(zhǎng)度為a。假設(shè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包到達(dá)過程服從泊松分布，到達(dá)率為λ，則Δt時(shí)間內(nèi)vi接受數(shù)據(jù)包數(shù)量x的概率分布函數(shù)為：

數(shù)據(jù)包成功發(fā)送概率服從二項(xiàng)分布，節(jié)點(diǎn)未能成功發(fā)送數(shù)據(jù)包的概率為pe，則節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包y的概率密度函數(shù)為：

在t1時(shí)刻該節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列狀態(tài)小于最大緩存隊(duì)列長(zhǎng)度F的概率為：

其節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的效用函數(shù)為：

（3）鏈路持續(xù)時(shí)間

由于星座中節(jié)點(diǎn)眾多，會(huì)有多個(gè)符合建立跨層軌間鏈路條件的節(jié)點(diǎn)，但是為了減少網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜性和動(dòng)態(tài)性，在選擇鏈路時(shí)需要考慮跨層鏈路的持續(xù)時(shí)間[23]，本文從業(yè)務(wù)需求角度出發(fā)，為不同業(yè)務(wù)的鏈路持續(xù)時(shí)間分配不同的權(quán)重，選擇最佳鏈路持續(xù)時(shí)間的鏈路進(jìn)行跨層通信。

鏈路持續(xù)時(shí)間主要受鏈路距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)的影響，并且鏈路距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的鏈路中斷屬于可預(yù)測(cè)中斷，因此，可通過鏈路距離和相對(duì)運(yùn)動(dòng)這兩個(gè)因素，去預(yù)測(cè)VLEO 層的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)vi和HLEO 層的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)vj之間鏈路lij的持續(xù)時(shí)間。具體如下，vi、vj在t時(shí)刻的位置和運(yùn)動(dòng)模型在2.1 節(jié)給出，如圖7 所示，當(dāng)vi相對(duì)靜止時(shí)，vj以相對(duì)速度運(yùn)動(dòng)進(jìn)入vi的通信范圍內(nèi)，鏈路連通；vj運(yùn)動(dòng)出vi的通信范圍，鏈路斷開。因此，鏈路持續(xù)時(shí)間可表示為：

圖7 鏈路持續(xù)時(shí)間示意圖

其中，Dij=2dijcos(βij) 為vj在vi通信范圍內(nèi)的運(yùn)動(dòng)距離，為相對(duì)速度的模。并且在節(jié)點(diǎn)運(yùn)行周期內(nèi)，星間鏈路持續(xù)最長(zhǎng)時(shí)間為節(jié)點(diǎn)運(yùn)行周期T，因此鏈路持續(xù)時(shí)間的效用函數(shù)能被等同于在衛(wèi)星運(yùn)行周期內(nèi)鏈路連通時(shí)間的占比，其定義如下：

3 跨層路由選擇

從第2.2 節(jié)的節(jié)點(diǎn)和鏈路資源模型可以看出，信噪比、節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列和鏈路持續(xù)時(shí)間會(huì)影響鏈路的可靠性。因此，本文采用信噪比、節(jié)點(diǎn)緩存、鏈路持續(xù)時(shí)間三個(gè)參數(shù)來衡量跨層鏈路的可靠性，建立了跨層鏈路選擇的多屬性決策模型[24]，以選擇可靠性最高的節(jié)點(diǎn)建立可靠跨層鏈路；使用時(shí)空演化圖刻畫網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)變化，并在時(shí)空演化圖中使用最短路徑算法計(jì)算其最優(yōu)路徑。

3.1 節(jié)點(diǎn)效用評(píng)估

根據(jù)多屬性決策理論，屬性值與方案被選擇的可能性成正比的屬性被稱為效益屬性，相反，屬性值與方案被選擇的可能性成反比的屬性被稱為成本屬性。在上述三種屬性中，SNR 和鏈路持續(xù)時(shí)間屬于效益屬性，節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列屬于成本屬性，則影響節(jié)點(diǎn)選擇的屬性集為。通過跨層建鏈節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型篩選出m個(gè)候選節(jié)點(diǎn)，以此建立多屬性決策矩陣，在每個(gè)方案中包含三個(gè)重要屬性，則m個(gè)方案可以形成一個(gè)m×3 的多屬性決策矩陣，形式為：

根據(jù)多屬性節(jié)點(diǎn)選擇效益函數(shù)計(jì)算出每個(gè)節(jié)點(diǎn)的效益值，則衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)可定義為：

其中，Us為節(jié)點(diǎn)SNR 的效用函數(shù)，表示節(jié)點(diǎn)SNR 屬性的權(quán)重；Ub為節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的效用函數(shù)，表示節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列的權(quán)重；Ut表示鏈路持續(xù)時(shí)間的效用函數(shù)，表示鏈路持續(xù)時(shí)間的權(quán)重，且滿足。當(dāng)每個(gè)屬性的權(quán)重值確定之后，可以通過計(jì)算每個(gè)候選節(jié)點(diǎn)的效用值來確定建鏈節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而確定跨層鏈路。此外，當(dāng)任何屬性的效用函數(shù)值為0 時(shí)，節(jié)點(diǎn)效用值為0，并且屬性的效用函數(shù)值和節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)值都應(yīng)在[0,1]之間，所以效用函數(shù)必須滿足以下約束條件：

3.2 基于多屬性模型的跨層鏈路選擇

若所有候選節(jié)點(diǎn)在屬性xk下的屬性值差異很小，則說明屬性對(duì)方案決策所起的作用很小，反之，屬性對(duì)方案決策起著重要作用。從對(duì)方案進(jìn)行排序的角度考慮，方案屬性值偏差越大的屬性應(yīng)該賦予較大的權(quán)重。因此，本文使用自適應(yīng)最大離差算法動(dòng)態(tài)地計(jì)算候選節(jié)點(diǎn)中各參數(shù)屬性的權(quán)重值[15]。

基于2.1 節(jié)的跨層建鏈節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型和2.2 節(jié)的節(jié)點(diǎn)和鏈路資源模型，提出面向多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法，其目標(biāo)是得到一條低時(shí)延高可靠的跨層傳輸路徑，具體來說，首先根據(jù)虛擬位置對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選定網(wǎng)格中心的上層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為主動(dòng)建鏈節(jié)點(diǎn)，然后使用2.1 節(jié)中的跨層節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)模型對(duì)跨層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行篩選，組成候選節(jié)點(diǎn)集；再通過2.2 節(jié)的節(jié)點(diǎn)和鏈路資源模型評(píng)估候選節(jié)點(diǎn)的SNR、節(jié)點(diǎn)緩存隊(duì)列長(zhǎng)度和鏈路持續(xù)時(shí)間，最后采用多屬性決策模型通過排序選擇最大效用節(jié)點(diǎn)與上層的主動(dòng)建鏈衛(wèi)星進(jìn)行建鏈。目標(biāo)函數(shù)為：

需要滿足的約束條件為：

3.3 基于跨層鏈路的路由算法

采用時(shí)空演化圖刻畫大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓?，每個(gè)時(shí)隙的圖聚合了網(wǎng)絡(luò)中的所有鏈路情況，如圖8 所示。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)用G=(V,L,T) 表示，其中，{G1,G2,…Gk} 表示周期T內(nèi)的拓?fù)渥訄D；V={v1,v2,…vk} 為衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)集合；L表示星間鏈路集合。該演化圖模型能夠有效表征網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化情況，并能顯示出每對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的連通路徑。在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)時(shí)空演化圖中，當(dāng)且僅當(dāng)每對(duì)節(jié)點(diǎn)在t內(nèi)至少存在一條路徑時(shí)，稱在時(shí)間段t內(nèi)是連通的。并且，本文在時(shí)空演化圖中采用最短路徑算法計(jì)算數(shù)據(jù)傳輸路徑。綜上所述，為了獲取低時(shí)延高可靠的跨層路由路徑，本文設(shè)計(jì)了多層LEO 跨層路由算法，如算法1 所示。

圖8 時(shí)空演化圖

算法1 基于跨層鏈路的路由算法（CLRA）

在所提基于跨層鏈路的路由算法中，步驟1-2：首先根據(jù)虛擬位置對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，選定網(wǎng)格中心的上層衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)作為主動(dòng)建鏈節(jié)點(diǎn)；步驟3-10 是建立全網(wǎng)跨層鏈路，其中步驟4-5 是判斷節(jié)點(diǎn)對(duì)是否滿足建立鏈路物理?xiàng)l件，步驟6 是使用多屬性決策模型計(jì)算滿足物理?xiàng)l件的節(jié)點(diǎn)的效用函數(shù)，步驟9 是通過排序算法來獲得可靠性最高的跨層鏈路；步驟11 是構(gòu)建包含跨層鏈路的全局拓?fù)鋱D；步驟12 是使用最短路徑算法獲得數(shù)據(jù)傳輸路徑Rp。

4 性能仿真及結(jié)果分析

4.1 仿真場(chǎng)景

為驗(yàn)證本文所提出的大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法CLRA 的可行性與有效性，如圖8 所示，本文通過python 在STK（STK,Satellite Tool Kit）軟件內(nèi)創(chuàng)建星座、添加鏈路等，搭建多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景，并將STK 的場(chǎng)景導(dǎo)出到EXATA 中，進(jìn)行性能測(cè)試。此外，與文獻(xiàn)[26]中的單層大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法（DSRA,Distributed Survivable Routing Algorithm）、文獻(xiàn)[16]對(duì)Starlink 星座進(jìn)行仿真得到的數(shù)據(jù)以及文獻(xiàn)[6]提出的多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)調(diào)度算法（ILSM,Inter-mesh Link Scheduling Method）進(jìn)行對(duì)比分析。為了公平對(duì)比，大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高度、軌道等參數(shù)參考StarLink 第一階段星座，數(shù)據(jù)流量以恒定的比特率生成，并參考文獻(xiàn)[25-26]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真參數(shù)的設(shè)置。具體仿真參數(shù)如表2 所示：

表2 仿真參數(shù)

在實(shí)驗(yàn)中，本文采用端到端時(shí)延和丟包率兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)來評(píng)估CLRA 的性能。端到端時(shí)延和丟包率越小，表明方案的性能越佳。

4.2 性能對(duì)比及結(jié)果分析

為了更好地驗(yàn)證路由算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋭?dòng)態(tài)變化的適應(yīng)性，該組實(shí)驗(yàn)選擇多對(duì)地面站節(jié)點(diǎn)加載數(shù)據(jù)流量，具體為固定數(shù)據(jù)發(fā)送速率為4 Mbps，選擇不同距離的地面節(jié)點(diǎn)對(duì)作為源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)；固定源目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)發(fā)送速率為4～24 Mbps，增加步長(zhǎng)為4 Mbps。為了確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性，在多次實(shí)驗(yàn)后取平均值。

（1）源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間不同距離下的性能比較

圖9（a）為四種路由算法在源目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間不同距離下的端到端時(shí)延，分析可得，隨著距離的增加，四種路由算法的端到端時(shí)延均增加。從圖中可以看出，相比于DSAR 算法，在距離小于4 000 km 時(shí)，其余三種路由算法的端到端時(shí)延略高。這驗(yàn)證了當(dāng)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的距離較近時(shí)，跨層通信的時(shí)延并不優(yōu)于單層通信的時(shí)延。但是，在距離大于4 000 km 時(shí)，其余三種路由算法擁有更小的端到端時(shí)延，這是由于在路由傳輸中這三種路由算法都使用了跨層鏈路，在超過4 000 km 的距離上有明顯的優(yōu)勢(shì)，更符合廣域低時(shí)延的傳輸需求。此外，本文算法CLRA 相比于Starlink 和ILSM，在源目的節(jié)點(diǎn)距離為14 000 km 時(shí)，平均端到端時(shí)延降低了約30%，這是因?yàn)镃LRA 在建立跨層鏈路時(shí)，考慮了空間環(huán)境以及節(jié)點(diǎn)資源條件，在選擇傳輸路徑時(shí)能夠選擇更加穩(wěn)定的路徑，降低了重傳對(duì)端到端時(shí)延的影響。

圖9 不同源-目標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離下算法性能比較

圖9（b）顯示了四種路由算法在源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間不同距離下的丟包率。分析可得，四種算法的丟包率都會(huì)隨著源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)之間距離的增加而增加，這是由于傳輸距離的增加導(dǎo)致數(shù)據(jù)經(jīng)過的中繼節(jié)點(diǎn)的數(shù)量增加，增加了丟包率。相比于DSRA 和StsrLink 算法，CLRA 算法在建立跨層鏈路時(shí)考慮了節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)情況以及鏈路持續(xù)時(shí)間，提高了跨層鏈路的穩(wěn)定性以及路由的穩(wěn)定性。此外，在源目的節(jié)點(diǎn)距離大于2 000 km 時(shí)，本文算法相比于ILSM 算法的丟包率至少降低50%。原因是本文在建立跨層鏈路時(shí)不僅考慮了節(jié)點(diǎn)和鏈路的運(yùn)動(dòng)情況，還考慮了節(jié)點(diǎn)和鏈路的資源情況，并引入時(shí)空演化圖來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，能夠獲得穩(wěn)定可靠的路由。

（2）不同數(shù)據(jù)發(fā)送速率場(chǎng)景下的性能比較

圖10（a）為同一源目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)，不同數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的端到端時(shí)延變化情況。隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加，四個(gè)路由算法的端到端時(shí)延均有不同程度的增加。隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加，網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)量增加，對(duì)節(jié)點(diǎn)資源和信道資源的競(jìng)爭(zhēng)力增大，跨層鏈路的通斷概率增加導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕l繁變化，最終導(dǎo)致數(shù)據(jù)包丟失和重傳率增加，從而增加端到端時(shí)延。而本文算法CLRA 相比于StarLink 和DSRA 算法，考慮了連續(xù)持續(xù)時(shí)間對(duì)跨層鏈路的影響，為數(shù)據(jù)包的傳輸選擇更加穩(wěn)定的傳輸路徑，減少因鏈路中斷而進(jìn)行重傳的概率，在數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為12 Mbps 時(shí)，分別降低了30%和25%端到端傳輸時(shí)延。相比于ILSM 算法，本文算法CLRA 在數(shù)據(jù)包傳輸中使用了跨層軌間鏈路，減少了中繼轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，通過降低節(jié)點(diǎn)的處理時(shí)延，進(jìn)一步降低了26%的端到端時(shí)延。

圖10 不同發(fā)包速率下算法性能比較

圖10（b）為同一源目標(biāo)節(jié)點(diǎn)對(duì)，不同數(shù)據(jù)發(fā)送速率下的網(wǎng)絡(luò)丟包率變化情況，隨著數(shù)據(jù)發(fā)送速率的增加，四種路由算法的丟包率均增加，數(shù)據(jù)包發(fā)送速率的提升，增加了對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的競(jìng)爭(zhēng)，使跨層鏈路通斷頻繁，增加了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的動(dòng)態(tài)性，導(dǎo)致路由傳輸不連續(xù)，因此整體網(wǎng)絡(luò)的丟包率上升。與其他算法相比，本文路由算法CLRA具有最低的網(wǎng)絡(luò)丟包率，在數(shù)據(jù)包發(fā)送速率為12 Mbps 時(shí)，本文算法相比于ILSM 算法的丟包率降低了約60%。原因是本文的跨層鏈路考慮了網(wǎng)絡(luò)空間環(huán)境以及節(jié)點(diǎn)和鏈路的資源條件，提高了鏈路的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中由于節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)性高造成的數(shù)據(jù)傳輸過程中鏈路容易發(fā)生中斷、路由不連續(xù)等問題，提出面向6G 的多層LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法，提高多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的通信性能。首先，基于虛擬位置完成網(wǎng)絡(luò)建模以及建立跨層鏈路的節(jié)點(diǎn)選擇；然后，構(gòu)建多屬性決策模型建立跨層鏈路，其中包括節(jié)點(diǎn)和鏈路的物理模型和資源模型，以提高跨層鏈路的穩(wěn)定性；其次，構(gòu)建時(shí)空演化圖來描述全網(wǎng)通斷狀態(tài)并使用最短路徑算法在網(wǎng)絡(luò)模型中計(jì)算最佳傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的可靠路由；最后，以StarLink 星座為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。結(jié)果表明，與單層網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)有大規(guī)模LEO 網(wǎng)絡(luò)路由算法相比，本文CLRA 算法選擇出的傳輸路徑能夠有效降低端到端傳輸時(shí)延并提高數(shù)據(jù)包傳輸效率。