基于鄰居衛(wèi)星負(fù)載狀態(tài)的低軌衛(wèi)星分布式路由算法

　　摘 要：衛(wèi)星靈活性和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、不易受地面因素的影響，使空間衛(wèi)星技術(shù)不斷飛速發(fā)展。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)隨著負(fù)載的增加始終存在負(fù)載擁塞現(xiàn)象，使路由算法成為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)研究領(lǐng)域的核心問(wèn)題?；谛l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擁塞緩解、網(wǎng)絡(luò)的信令開銷以及算法運(yùn)算復(fù)雜度問(wèn)題，深入研究低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)局部負(fù)載均衡的分布式路由算法。構(gòu)建基于銥星系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)模型，提出一種基于鄰居衛(wèi)星負(fù)載狀態(tài)的分布式路由(DRNL)算法。DRNL 算法包含鄰居衛(wèi)星負(fù)載狀態(tài)更新、負(fù)載均衡和路由判決等機(jī)制，具有一定的可移植性，能夠適應(yīng)其他極軌或近極軌星座。OPNET 仿真結(jié)果表明，DRNL 算法在較重的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況下能較好地適應(yīng)負(fù)載的變化，緩解衛(wèi)星擁塞的狀況并獲得較低的時(shí)延和數(shù)據(jù)分組丟失率。

　　楊明川; 薛冠昌; 李清毅， 通信學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-08-19

　　關(guān)鍵字：負(fù)載均衡;LEO;分布式路由;DRNL 算法

　　1 引言

　　隨著通信技術(shù)的進(jìn)步、通信業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)和業(yè)務(wù)種類的增多，未來(lái)的通信網(wǎng)絡(luò)向著地面網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)融合的方向發(fā)展，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在星地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中扮演著重要的角色[1]。目前，移動(dòng)通信系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到了 5G 時(shí)代，通信終端數(shù)量也發(fā)生了爆炸式的增長(zhǎng)[2]。衛(wèi)星通信成為地面移動(dòng)通信系統(tǒng)和固定通信網(wǎng)絡(luò)的延伸，且由于低軌星座能夠?qū)崿F(xiàn)全球通信的無(wú)縫覆蓋，其作用和戰(zhàn)略價(jià)值非常重要。

　　LEO(low earth orbit)衛(wèi)星的傳輸損耗小，能夠支持小型移動(dòng)終端之間的通信，便于實(shí)現(xiàn)終端小型化和多樣化，所以應(yīng)用價(jià)值很高[3]。低軌衛(wèi)星的運(yùn)行軌道高度比較低，傳播延時(shí)比較短，通常在 10 ms 左右，能夠通過(guò)星間鏈路(ISL, inter satellite link)和相鄰衛(wèi)星建立全雙工通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。雖然星間鏈路的建立使得星座系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加，但不需要在全球范圍內(nèi)建立大量的信關(guān)站，也降低了成本。

　　隨著業(yè)務(wù)量增加，星座網(wǎng)絡(luò)會(huì)出現(xiàn)擁塞現(xiàn)象。為緩解擁塞問(wèn)題，Liu 等[4]提出 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)基于分段路由的負(fù)載均衡算法，動(dòng)態(tài)劃分輕負(fù)載區(qū)和重負(fù)載區(qū)。輕載區(qū)采用預(yù)平衡最短路徑算法，重載區(qū)采用最小權(quán)重路徑算法。分段路由算法吞吐量、鏈路利用率和平均時(shí)延方面得到提高，但是采用分段路由算法造成星上存儲(chǔ)空間增加且算法復(fù)雜度較高。Feng等[5]提出緩解擁塞狀態(tài)的最小跳路由算法，根據(jù)衛(wèi)星之間的經(jīng)緯度信息計(jì)算出 2 條備選路徑，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載情況判決出最優(yōu)路徑。算法的信令開銷和運(yùn)算復(fù)雜度較低，并在一定程度上緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞現(xiàn)象，但路由表由固定節(jié)點(diǎn)計(jì)算，造成網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)響應(yīng)性差。

　　Geng 等[6]提出 LEO 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)時(shí)延路由算法，對(duì)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延變化進(jìn)行表征，并選擇有效的候選路徑。算法得出路徑的時(shí)延及其變化的時(shí)延評(píng)估指標(biāo)，以網(wǎng)絡(luò)中信令開銷增加為代價(jià)，實(shí)時(shí)響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況。Wang 等[7]提出了基于擁塞預(yù)測(cè)的負(fù)載均衡路由算法，建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型。采用修正因子來(lái)調(diào)整路徑成本，通過(guò)擁塞預(yù)測(cè)來(lái)預(yù)測(cè)衛(wèi)星間鏈路的擁塞。利用蟻群算法求解該模型，從而為每個(gè)連接請(qǐng)求找到最佳路徑，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以更高的運(yùn)算復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的高效負(fù)載均衡。

　　當(dāng)前衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)面對(duì)擁塞緩解問(wèn)題，路由算法往往以網(wǎng)絡(luò)中信令分組的增加為代價(jià)，獲取全網(wǎng)衛(wèi)星的負(fù)載狀態(tài)信息，或者通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等算法及時(shí)進(jìn)行流量預(yù)測(cè)進(jìn)行提前緩解，增加了運(yùn)算的復(fù)雜度以及星上存儲(chǔ)空間。針對(duì)算法復(fù)雜度和信令開銷，基于小衛(wèi)星星座的背景，算法設(shè)計(jì)考慮以較小的運(yùn)算復(fù)雜度和信令開銷獲得時(shí)延和吞吐量性能的提升。

　　2 LEO 星座的建模

　　銥星(Iridium)系統(tǒng)由 66 顆 LEO 衛(wèi)星交叉連接組成覆蓋全球范圍的復(fù)雜全網(wǎng)狀衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在衛(wèi)星之間進(jìn)行路由而不經(jīng)過(guò)地面。銥星無(wú)縫的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)全球覆蓋，實(shí)現(xiàn)真正的移動(dòng)通信，并且系統(tǒng)中衛(wèi)星數(shù)量多，星間鏈路的互通能夠滿足未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)信息的接入需求[8]。本文選用 Iridium 系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建模，采用軟件 STK 11.2 進(jìn)行衛(wèi)星軌道的參數(shù)建模和 OPNET 14.5 進(jìn)行衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的仿真分析。

　　Iridium 系統(tǒng)的衛(wèi)星運(yùn)行軌道均采用順時(shí)針?lè)较?。?STK11.2 中進(jìn)行衛(wèi)星軌道建模時(shí)[9]，設(shè)置衛(wèi)星的編號(hào)規(guī)則采用三位數(shù)字表示。衛(wèi)星命名的第 10 位表示衛(wèi)星的軌道編號(hào)，第 12 和 13 位表示衛(wèi)星的軌內(nèi)編號(hào)[10]。衛(wèi)星進(jìn)入南北極圈后關(guān)閉相鄰軌道間的鏈路(軌間鏈路)，極圈邊界緯度為 70°。每顆衛(wèi)星包含一個(gè)單波束衛(wèi)星天線，天線圓錐半角為 62°，即可實(shí)現(xiàn)全球無(wú)縫覆蓋。由于 Iridium 系統(tǒng)軌道 1 和軌道 6 相鄰，相鄰軌道的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)方向相反(此區(qū)域稱為反向縫地區(qū))，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間相對(duì)運(yùn)行速度很快，天線難以及時(shí)調(diào)整且通信時(shí)間比較短，故取消反向縫間衛(wèi)星的軌間鏈路。Iridium 系統(tǒng)仿真參數(shù)如表 1 所示，3D 建模如圖 1 所示。

　　從星座的 3D 建模圖可以看出，Iridium 實(shí)現(xiàn)了全球無(wú)縫覆蓋。設(shè)置地面衛(wèi)星的通信仰角為 5°，隨機(jī)選取北京市測(cè)量任意時(shí)刻可接入衛(wèi)星的數(shù)量，仿真結(jié)果如圖 2 所示。

　　在任意時(shí)刻地面終端可選接入衛(wèi)星數(shù)量始終大于或等于 1，這意味著地面終端可以采取最長(zhǎng)接入時(shí)間覆蓋、最大地面仰角、最大接入信號(hào)功率等多種星地鏈路的選擇方案。

　　3 DRNL 路由算法

　　考慮衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中較低的信令開銷以及算法的運(yùn)算復(fù)雜度，基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的擁塞緩解問(wèn)題，本文提出一種基于鄰居衛(wèi)星負(fù)載狀態(tài)的分布式路由算法(DRNL, distributed routing algorithm based on the load status of neighbor satellite)，充分考慮了衛(wèi)星移動(dòng)的規(guī)律性，將星座網(wǎng)絡(luò)中的每顆衛(wèi)星看成虛擬節(jié)點(diǎn)[11-12]。衛(wèi)星采用雙向通信，通過(guò)無(wú)線收發(fā)信機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收[13]。該路由算法采用虛擬節(jié)點(diǎn)的思想，將地球表面劃分為 66 個(gè)邏輯區(qū)域，距離邏輯區(qū)域中心最近的衛(wèi)星加載其邏輯地址。每顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立進(jìn)行分布式的路由決策，且衛(wèi)星的軌道采用近極軌道，軌道傾角為 87°，根據(jù)虛擬節(jié)點(diǎn)的思想該策略能夠簡(jiǎn)化衛(wèi)星之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，可適用于其他近極軌道星座[14]。

　　通過(guò)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可知，衛(wèi)星不通過(guò)極區(qū)時(shí)，非反向縫兩側(cè)的衛(wèi)星時(shí)存在 4 條星間鏈路，且每對(duì)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間包括發(fā)送和接收鏈路 2 個(gè)方向，如圖 3 所示。

　　DRNL 路由算法中每顆衛(wèi)星獨(dú)立的進(jìn)行路由選擇，當(dāng)前衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在星座中的編號(hào)為< ks , ls >，目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在星座中的編號(hào)為< kd , ld >，其中 k 代表軌道編號(hào)，l 代表軌內(nèi)編號(hào)。通過(guò)衛(wèi)星之間命名的關(guān)系(相對(duì)位置)，判斷出可選路由下一跳衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)分組的可選節(jié)點(diǎn)路由策略如圖 4 所示。其中 d s ? ? ? k k k ， d s ? ? ? l l l ，圖中指向箭頭表示可選節(jié)點(diǎn)路由的方向。

　　數(shù)據(jù)分組到達(dá)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)，根據(jù)分組域中的目的地址和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的編號(hào)采用 DRNL 算法獲取可選下一節(jié)點(diǎn)。如果當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與可選節(jié)點(diǎn)的星間鏈路處于連接狀態(tài)，則依據(jù)負(fù)載判決機(jī)制選擇合適的下一節(jié)點(diǎn)。如果與可選下一節(jié)點(diǎn)的軌間鏈路斷開，則依據(jù)迂回路由算法選擇其余的待選路徑。待選路徑的衛(wèi)星一般為當(dāng)前衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)軌道面內(nèi)的上、下兩顆衛(wèi)星，依據(jù)鄰居衛(wèi)星的緯度和負(fù)載狀態(tài)選擇合適的下一跳進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)。

　　衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)間的鏈路負(fù)載情況[10]的計(jì)算如式(1) 所示。

　　其中， b1 q 為緩存隊(duì)列長(zhǎng)度， Qb1 為緩存隊(duì)列容量， B1 q 到 B4 q 為節(jié)點(diǎn) B 的 4 條星間鏈路的緩存隊(duì)列利用率， Bq 為鄰居節(jié)點(diǎn) B 的綜合負(fù)載情況， ab q 為當(dāng)前節(jié)點(diǎn) A 對(duì)應(yīng)相鄰節(jié)點(diǎn) B 的緩存隊(duì)列的利用率， AB q 為綜合判決下一跳衛(wèi)星的鏈路利用率信息。

　　鏈路負(fù)載狀況采用三級(jí)負(fù)載判決形式，代表 3 種等級(jí)狀態(tài)，如式(2)所示。等級(jí)越高說(shuō)明鏈路越繁忙，則減少到擁塞鏈路的流量，起到均衡局部負(fù)載的作用。

　　狀態(tài)信令包含綜合判決下一跳衛(wèi)星的鏈路利用率信息以及負(fù)載等級(jí)信息。初始時(shí)刻，衛(wèi)星每間隔 1 s 更新一次本地負(fù)載信息，如果當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的狀態(tài)相同，則每間隔 2 s 發(fā)送當(dāng)前衛(wèi)星的狀態(tài)信令給鄰居衛(wèi)星。如果狀態(tài)不同，則每間隔 1 s 發(fā)送狀態(tài)信令。相鄰衛(wèi)星接收到狀態(tài)信令數(shù)據(jù)后，更新存儲(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載信息表，從而調(diào)整選擇下一跳衛(wèi)星的路由策略。

　　衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)定期監(jiān)測(cè)周圍衛(wèi)星狀態(tài)信息，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)負(fù)載不均衡或者是鏈路斷開的情況時(shí)，衛(wèi)星應(yīng)該及時(shí)解決緩解擁塞和鏈路通斷時(shí)的路由問(wèn)題。狀態(tài)信令含有衛(wèi)星的緯度和負(fù)載信息，緯度信息用于判斷相鄰衛(wèi)星是否進(jìn)入極區(qū)。衛(wèi)星在經(jīng)過(guò)極區(qū)時(shí)關(guān)閉軌間鏈路，衛(wèi)星拓?fù)淙鐖D 5 所示。

　　路由轉(zhuǎn)發(fā)利用當(dāng)前和目的衛(wèi)星的經(jīng)緯度信息，根據(jù)改進(jìn)的最小跳路由算法計(jì)算下一跳衛(wèi)星。當(dāng)前節(jié)點(diǎn) C loc lac ? , ?，其中 loc 和 lac 分別為當(dāng)前衛(wèi)星的經(jīng)度和緯度，目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)記為 D lod lad ? , ?，其中 lod 和 lad 分別為目的衛(wèi)星的經(jīng)度和緯度[5]。

　　當(dāng)前衛(wèi)星和目的衛(wèi)星之間的緯度關(guān)系滿足式(3) 時(shí)，可選路徑的方向向上。 0 90 180 90 lad lac lad lac ? ?? ? ? ? ≤ ≤ (3) 緯度關(guān)系滿足式(4)時(shí)，可選路徑的方向向下。

　　當(dāng)前衛(wèi)星與目的衛(wèi)星之間的經(jīng)緯度的關(guān)系總滿足上述 4 個(gè)條件中的 2 個(gè)，即該算法存在 2 個(gè)方向的可選下一跳衛(wèi)星。在數(shù)據(jù)分組域用設(shè)置過(guò)極區(qū)標(biāo)識(shí)，如果經(jīng)過(guò)極區(qū)，則將其置 1，反之置 0。此時(shí)由于極區(qū)上空的衛(wèi)星關(guān)閉軌間鏈路，如果數(shù)據(jù)分組路由到達(dá)極區(qū)，但目的衛(wèi)星不在極區(qū)，則需保持進(jìn)入極區(qū)的路由方向直至離開極區(qū)，然后通過(guò)星間鏈路到達(dá)目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，防止根據(jù)最小跳算法在極區(qū)發(fā)送到軌間鏈路上造成數(shù)據(jù)分組丟失。

　　衛(wèi)星發(fā)生擁塞現(xiàn)象時(shí)，隊(duì)列中緩存的數(shù)據(jù)分組將會(huì)增加從而造成排隊(duì)時(shí)延的增加。此時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星負(fù)載狀態(tài)更新策略檢測(cè)出擁塞等級(jí)。相鄰衛(wèi)星接收到狀態(tài)信令后，將減少數(shù)據(jù)分組發(fā)往擁塞節(jié)點(diǎn)。當(dāng)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn) A 具有 2 個(gè)可選下一跳衛(wèi)星 B 和 C 時(shí)，此時(shí)采用負(fù)載判決機(jī)制，根據(jù)可選衛(wèi)星的擁塞等級(jí)進(jìn)行判斷。當(dāng) L L B C = 時(shí)，則下一跳衛(wèi)星按比例 0.5 隨機(jī)選擇。如果 L L B C ?，當(dāng) =1 L L B C ? 時(shí)，下一跳衛(wèi)星按比例 0.7 選擇負(fù)載等級(jí)低的衛(wèi)星，按比例 0.3 選擇負(fù)載等級(jí)高的衛(wèi)星。當(dāng) =2 L L B C ? 時(shí)，下一跳衛(wèi)星按比例 0.85 選擇負(fù)載等級(jí)低的衛(wèi)星，按比例 0.15 選擇負(fù)載等級(jí)高的衛(wèi)星。如果當(dāng)前衛(wèi)星與目的衛(wèi)星在同一軌道面或具有相同軌內(nèi)編號(hào)時(shí)，采取改進(jìn)的最小跳算法為緩解擁塞可能會(huì)路由數(shù)據(jù)分組到非最小跳數(shù)的路徑方向，造成路由的跳數(shù)增加。

　　當(dāng)源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)為 104、目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)為 306 時(shí)，如圖 5 所示，源節(jié)點(diǎn)首先判斷與 204 之間的鏈路是否連接。如果鏈路斷開，選擇節(jié)點(diǎn) 105 作為下一跳衛(wèi)星。反之，如果鏈路連接，則根據(jù)節(jié)點(diǎn) 105 和 204 的負(fù)載情況選擇下一跳衛(wèi)星。如果選擇節(jié)點(diǎn) 105，則給數(shù)據(jù)分組設(shè)置極區(qū)標(biāo)志，表示其經(jīng)過(guò)極區(qū)的方向。然后當(dāng)前衛(wèi)星再根據(jù)極區(qū)標(biāo)志判斷下一跳衛(wèi)星是 106，此時(shí)和目的節(jié)點(diǎn)在同一水平環(huán)內(nèi)，途徑衛(wèi)星 206 轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組到目的節(jié)點(diǎn)。如果選擇 204，由于與 304 的軌間鏈路關(guān)閉，只能選擇到下一跳衛(wèi)星 205，同理途經(jīng) 206 到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)。

　　4 OPNET 建模

　　4.1 星座負(fù)載建模

　　由于考慮到極地區(qū)域業(yè)務(wù)負(fù)載比較少，衛(wèi)星在極區(qū)關(guān)閉軌間鏈路的情況下，對(duì)極地地區(qū)和非極地地區(qū)的業(yè)務(wù)分布進(jìn)行單獨(dú)建模。星座中總共包含 66 顆衛(wèi)星，對(duì)應(yīng)將地球表面劃分為 66 個(gè)服務(wù)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)一顆 LEO 衛(wèi)星承擔(dān)區(qū)域中的通信業(yè)務(wù)。在衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)建模的過(guò)程中使用模擬數(shù)據(jù)源，用以模擬衛(wèi)星在實(shí)際過(guò)程中接收到的地面終端發(fā)送的數(shù)據(jù)分組[15]。考慮極地地區(qū)和非極地地區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)載不均衡，將星座中信元生成負(fù)載情況按照衛(wèi)星在運(yùn)行中所處的緯度進(jìn)行更新。

　　衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中模擬業(yè)務(wù)源的數(shù)據(jù)產(chǎn)生速率為 0 10.24 W W kbps? ?。其中，W 為不同衛(wèi)星產(chǎn)生模擬通信業(yè)務(wù)的權(quán)重大小，W0 為全網(wǎng)衛(wèi)星設(shè)置的初始權(quán)重大小，權(quán)重分布如表 2 所示。

　　4.2 網(wǎng)絡(luò)層建模

　　OPNET 是商業(yè)化仿真軟件，其中產(chǎn)品 Modeler 能夠?qū)Χ喾N業(yè)務(wù)進(jìn)行模擬，繪制仿真圖和輸出仿真報(bào)告。在仿真的過(guò)程中能夠收集統(tǒng)計(jì)量數(shù)據(jù)、查看網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的動(dòng)畫和調(diào)試程序。Modeler 在仿真時(shí)維護(hù)一個(gè)全局事件列表，在仿真運(yùn)行的時(shí)刻執(zhí)行排在當(dāng)前列表最前面的事件，將基于數(shù)據(jù)分組的統(tǒng)計(jì)方法結(jié)合基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)的建模方法[16]。

　　Iridium 星座的網(wǎng)絡(luò)層如圖 6 所示，主要建模星座的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)仿真分析 LEO 路由算法的基礎(chǔ)。在 OPNET 網(wǎng)絡(luò)層導(dǎo)入修改后的 STK 生成的軌道文件，每條軌道對(duì)應(yīng)生成一個(gè)衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，圖中包含 66 顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)和一個(gè)接收主詢配置。接收主詢模塊通過(guò)基于衛(wèi)星的經(jīng)緯度、鏈路可視性以及依據(jù)衰落現(xiàn)象判斷數(shù)據(jù)分組是否可達(dá)、通斷星間鏈路，控制衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)分組的路由轉(zhuǎn)發(fā)經(jīng)過(guò)鏈路的連接情況。

　　4.3 節(jié)點(diǎn)層建模

　　星座中衛(wèi)星的節(jié)點(diǎn)層模型如圖 7 所示，用于模擬衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的通信功能，是實(shí)現(xiàn)路由算法的硬件條件。天線的指向通過(guò) ant_point 模塊進(jìn)行周期調(diào)整，數(shù)據(jù)分組的接收和發(fā)送都是通過(guò)無(wú)線收發(fā)信機(jī)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)無(wú)線收發(fā)信機(jī)對(duì)應(yīng)一條 ISL 星間鏈路。其中，虛線為狀態(tài)連接線，傳輸隊(duì)列模塊的存儲(chǔ)信息。

　　圖7中的app_gen模塊用于模擬業(yè)務(wù)源的產(chǎn)生;

　　sink 模塊統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分組的傳輸時(shí)延等統(tǒng)計(jì)量，銷毀數(shù) 據(jù) 分 組 釋 放 仿 真 運(yùn) 行 占 用 的 內(nèi) 存 空 間 ; LEO_route 模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)分組的下一節(jié)點(diǎn)的選擇。由于衛(wèi)星路由考慮星間鏈路，每顆衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)需要有 4 條星間鏈路，所以節(jié)點(diǎn)層需要 4 對(duì)無(wú)線鏈路收發(fā)信機(jī)。

　　無(wú)線信號(hào)在仿真過(guò)程中需要配置 14 個(gè)管道階段，包括調(diào)制方式、噪聲系數(shù)、接收增益、背景噪聲、信噪比、比特誤碼率等模擬真實(shí)無(wú)線信號(hào)傳輸?shù)沫h(huán)境。模擬信號(hào)產(chǎn)生后通過(guò)分組流連接線傳輸?shù)铰酚赡K，選擇合適的下一跳衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)鏈路的緩存隊(duì)列 queue 模塊，然后經(jīng)由收發(fā)信機(jī)進(jìn)行發(fā)送。

　　4.4 進(jìn)程層建模

　　節(jié)點(diǎn)域模塊中每個(gè)模塊都有不同的進(jìn)程層模型，進(jìn)程層是通過(guò)有限狀態(tài)機(jī)模型進(jìn)行建模，每個(gè)狀態(tài)機(jī)對(duì)應(yīng)進(jìn)程模型的一個(gè)狀態(tài)，通過(guò)狀態(tài)連接線實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。在進(jìn)程層中狀態(tài)分為強(qiáng)制性和非強(qiáng)制性狀態(tài)，強(qiáng)制性狀態(tài)是綠色標(biāo)識(shí)，非強(qiáng)制性狀態(tài)是紅色標(biāo)識(shí)[10]。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行強(qiáng)制性狀態(tài)時(shí)，直接狀態(tài)執(zhí)行入口代和出口代碼，然后跳入其他狀態(tài)或終止。當(dāng)進(jìn)程執(zhí)行非強(qiáng)制性狀態(tài)時(shí)，先執(zhí)行狀態(tài)的入口代碼，然后將控制器交給仿真核心，等待其他進(jìn)程或者事件的觸發(fā)返回執(zhí)行出口代碼。

　　1) ant_point 模塊

　　由于衛(wèi)星在不停的運(yùn)行過(guò)程中，衛(wèi)星之間的位置會(huì)發(fā)生改變，因此需要天線校準(zhǔn)模塊及時(shí)的跟蹤?quán)従有l(wèi)星節(jié)點(diǎn)的位置，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖 8 所示。

　　圖 8 中 point 模塊是獲取相鄰衛(wèi)星的位置參數(shù)進(jìn)行天線校準(zhǔn)的狀態(tài)。首先獲取周圍相鄰的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的 ID，依次獲取其經(jīng)度、緯度和高度信息，然后賦值給天線的指向參數(shù)。天線指向跟蹤的調(diào)整時(shí)間

　　間隔為 1 s，通過(guò)設(shè)置天線模塊提高發(fā)射增益，減少數(shù)據(jù)路由的誤碼率和數(shù)據(jù)分組丟失率。

　　2) LEO_route 模塊

　　數(shù)據(jù)分組的路由需要LEO_route模塊選擇合適的下一跳，路由模塊內(nèi)的有限狀態(tài)機(jī)模型如圖 9 所示。

　　STATE 狀態(tài)為當(dāng)前衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)自身的 4 條鏈路的緩存情況，并劃分相應(yīng)的擁塞等級(jí)。 SEND_HELLO 狀態(tài)為當(dāng)前節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信令分組，將 STATE 狀態(tài)統(tǒng)計(jì)的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的緩存數(shù)據(jù)和緯度信息存入信令分組。

　　RCV_LOCAL 狀態(tài)為接收到本節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的模擬數(shù)據(jù)分組后執(zhí)行的操作。RCV_NEIGH 狀態(tài)首先判斷接收到的數(shù)據(jù)是信令分組或數(shù)據(jù)分組，如果為數(shù)據(jù)分組判斷其目的地址，判決是執(zhí)行銷毀還是路由轉(zhuǎn)發(fā)。

　　5 仿真結(jié)果與性能分析

　　在研究過(guò)程中，改變網(wǎng)絡(luò)中模擬數(shù)據(jù)分組的產(chǎn)生速率，與典型的最小跳路由算法進(jìn)行比較，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延、數(shù)據(jù)分組丟失率、平均路由跳數(shù)指標(biāo)，判斷星座網(wǎng)絡(luò)的擁塞處理能力[17]。

　　5.1 路由性能指標(biāo)

　　1)平均端到端時(shí)延

　　平均端到端時(shí)延為星座網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)分組在模擬信源中產(chǎn)生的時(shí)刻開始，到通過(guò)路由轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)時(shí)刻的間隔求平均值。

　　其中， T?vg 為數(shù)據(jù)發(fā)送到接收的平均時(shí)延值， N 為接收到的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量，Ti 為在星座中傳輸?shù)膯蝹€(gè)數(shù)據(jù)分組的端到端時(shí)延。

　　2)數(shù)據(jù)分組丟失率

　　數(shù)據(jù)分組在星座網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^(guò)程中遇到緩存溢出、誤判決和路徑損耗等發(fā)生數(shù)據(jù)分組丟失的現(xiàn)象，丟失的數(shù)據(jù)分組數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分組的總數(shù)的比值。

　　其中， Nloss 為在傳輸過(guò)程中丟失的數(shù)據(jù)分組的總數(shù)， Nsend 為網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送的數(shù)據(jù)分組的總數(shù)， Rloss 為數(shù)據(jù)分組丟失率。

　　3)平均路由跳數(shù)

　　在路由過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)的跳數(shù)的平均值稱為平均路由跳數(shù)。 1 vg N i i H H N ?? ?? (9) 其中， H?vg 為平均路由跳數(shù)， N 為接收到的數(shù)據(jù)分組的數(shù)量，Hi 為網(wǎng)絡(luò)中單個(gè)數(shù)據(jù)分組的路由跳數(shù)。

　　5.2 OPNET 仿真參數(shù)設(shè)置

　　本文采用 BPSK 進(jìn)行數(shù)據(jù)編碼且衛(wèi)星天線的校準(zhǔn)周期設(shè)置為 1 s，本文仿真參數(shù)設(shè)置如表 3 所示。

　　5.3 DRNL 算法仿真與分析

　　本文采用的比較路由性能的2種算法為文獻(xiàn)[5] 提出的最小跳路由算法及其改進(jìn)型，均為分布式路由算法。

　　1) 固定路徑的分布式最小跳路由算法(FPRA， fixed path routing algorithm)

　　衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)在路由決策時(shí)不考慮負(fù)載狀況，當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)，按照當(dāng)前衛(wèi)星和目的衛(wèi)星的經(jīng)緯度位置依據(jù)最小跳算法采用固定方向的策略選擇下一跳節(jié)點(diǎn)進(jìn)行路由。

　　2) 隨機(jī)選擇路徑的分布式最小跳路由算法(RSRA, random select routing algorithm)

　　衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)不考慮負(fù)載狀況，當(dāng)數(shù)據(jù)分組到達(dá)時(shí)，衛(wèi)星按照最小跳路由算法計(jì)算的 2 條備選方向隨機(jī)選擇作為下一跳衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組，能夠避免衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在一些鏈路上傳輸引起擁塞，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的路由能力。

　　5.4 仿真結(jié)果

　　1) 平均端到端時(shí)延

　　數(shù)據(jù)分組產(chǎn)生時(shí)間間隔減小，衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的負(fù)載越重，所以端到端時(shí)延成向上增長(zhǎng)的趨勢(shì)。仿真結(jié)果如圖 10 所示。

　　分組產(chǎn)生間隔在 0.14~0.08 s 時(shí)，3 種路由算法為相對(duì)空閑狀態(tài)，端到端時(shí)延在 0.167 s 左右。分組產(chǎn)生間隔為 0.08~0.04 s 時(shí)，3 種路由算法為相對(duì)繁忙狀態(tài)，DRNL 路由算法依然保持穩(wěn)定的路由能力，端到端時(shí)延保持在 0.2 s 以下。分組產(chǎn)生間隔為 0.03 s 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)達(dá)到擁塞狀態(tài)，3 種算法端到端延時(shí)大幅度上升，但 DRNL 算法時(shí)延維持在 0.538 s。仿真結(jié)果表明，DRNL 算法具有緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞、降低時(shí)延的能力。

　　2)數(shù)據(jù)分組丟失率

　　仿真結(jié)果表明，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載加重，數(shù)據(jù)分組丟失率與端到端時(shí)延均增加，如圖 11 所示。當(dāng)分組產(chǎn)生間隔為 0.03 s 時(shí)，3 種路由算法的數(shù)據(jù)分組丟失率均顯著上升，這是由于網(wǎng)絡(luò)的擁塞現(xiàn)象加重，部分節(jié)點(diǎn)的緩存隊(duì)列出現(xiàn)溢出、數(shù)據(jù)分組同時(shí)到達(dá)收發(fā)信機(jī)引起沖突造成數(shù)據(jù)分組丟失，但是 DRNL 算法的數(shù)據(jù)分組丟失率維持在 0.09 左右，保持較好的性能。

　　3)平均路由跳數(shù)

　　數(shù)據(jù)分組路由的跳數(shù)增加會(huì)造成時(shí)延增大，需要考慮衛(wèi)星在自由空間的傳播時(shí)延。同軌道面內(nèi)衛(wèi)星均勻分布，星間距離保持固定，即軌道內(nèi)相鄰衛(wèi)星之間通信具有固定的時(shí)延，如式(10)所示。其中，R 是軌道面的半徑，M 是軌道面內(nèi)衛(wèi)星數(shù)， c 是電磁波傳播速度。

　　軌道間衛(wèi)星之間的距離隨著衛(wèi)星的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不斷發(fā)生變化。在赤道附近緯度較低，衛(wèi)星的分布比較稀疏，傳輸時(shí)延最大，計(jì)算式為 1 cos( ) c 360 2 1 cos 2 t lat R N ???? ? ?? ?? ? ? ? ? ? ?間(11)其中，N 是軌道面的數(shù)量，lat 是衛(wèi)星的緯度。

　　3 種算法平均路由跳數(shù)的仿真結(jié)果如圖 12 所示。當(dāng)分組產(chǎn)生間隔大于 0.07 s 時(shí)，網(wǎng)絡(luò)相對(duì)空閑， FPRA 和 RSRA 算法的路由跳數(shù)基本保持不變; DRNL 算法的平均路由跳數(shù)最小，使平均端到端延時(shí)最小。當(dāng)分組產(chǎn)生間隔小于 0.04 s 時(shí)，F(xiàn)PRA 和 RSRA 算法平均路由跳數(shù)下降，但由圖 10 可知，端到端時(shí)延仍呈上升趨勢(shì)。

　　端到端時(shí)延需考慮排隊(duì)時(shí)延和傳播時(shí)延，此時(shí)平均路由跳數(shù)減少，傳播時(shí)延降低，但是排隊(duì)時(shí)延增加。這是因?yàn)閿?shù)據(jù)分組丟失率的增加導(dǎo)致數(shù)據(jù)分組不能到達(dá)目的地，在路由過(guò)程中丟失。由于 DRNL 算法中數(shù)據(jù)分組采用迂回路由轉(zhuǎn)發(fā)具有局部擁塞緩解的功能，此時(shí)數(shù)據(jù)分組丟失率依舊很低，但是隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)載增加，DRNL 平均路由跳數(shù)逐漸增加。

　　DRNL 路由算法考慮相鄰衛(wèi)星的負(fù)載狀態(tài)，衛(wèi)星采用分布式思想，使每顆衛(wèi)星能夠獨(dú)立進(jìn)行負(fù)載均衡路由判決，實(shí)時(shí)響應(yīng)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載的變化以及鏈路的通斷問(wèn)題。以相對(duì)較低運(yùn)算復(fù)雜度換取端到端時(shí)延和數(shù)據(jù)分組丟失率的降低，但是以網(wǎng)絡(luò)中相對(duì)較低的信令開銷為代價(jià)，使星座具有一定的抗毀性。

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　當(dāng)前世界掀起新一輪衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)建設(shè)風(fēng)潮，建設(shè)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為關(guān)系國(guó)計(jì)民生的重大戰(zhàn)略性工程。路由算法是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)，本文提出的 DRNL 路由算法能夠通過(guò)較低的信令開銷獲取緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞的能力，滿足一定的實(shí)時(shí)性要求。DRNL 算法通過(guò)信令分組及時(shí)獲取鄰居衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的負(fù)載狀態(tài)和鏈路的連接情況，提升了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)健性，能夠滿足我國(guó)對(duì)低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的發(fā)展需要。