一种基于等长时隙划分双层卫星网络路由算法

张景斌刘炯申普兵（西安通信学院，西安 7006）（2 7332部队，漳州 363）

一种基于等长时隙划分双层卫星网络路由算法

张景斌1，2刘炯1申普兵1
（1西安通信学院，西安 710106）（2 73132部队，漳州 363111）

针对网络拓扑时变和链路频繁切换影响卫星网络路由性能的问题，采用“骨干／接入”和“弱连接”思想，构建双层卫星网络，实现地球静止轨道卫星（GEO）与低轨道卫星（LEO）各层的分开管理。在此基础上，通过动态调整极区边界值，进行系统周期的平均划分，提出了适合于双层卫星网络的等长时隙快照和星上分布式路由算法（Equal－length Interval Snapshots and On－board Distributed Routing Algorithm，EDRA）。分析和仿真验证表明，这种“骨干／接入”的双层卫星网络架构更加合理，EDRA算法划分的时隙数量仅为时间虚拟化和分层管理的路由算法（Virtualized Time and Layered Management Routing Algorithm，VLRA）的一半，平均时隙长度则为VLRA的3倍以上，减少了路由计算与更新的次数，提高了网络链路利用率，并且端到端时延抖动小，数据丢包率低，更加适合于卫星网络中应用。

地球静止轨道卫星／低轨道卫星双层卫星网络；等长时隙划分；星上分布式路由算法；动态极区边界值；仿真

1 引言

路由技术是卫星网络应用的关键技术之一，决定着整个卫星网络系统效率和可靠性。在卫星网络中，卫星之间相对高速移动使得网络拓扑结构周期性频繁变化，同时星间通信链路随着两颗终端卫星距离和方位角的变化而频繁切换，使得网络中的分组数据传输与交换质量难以保证［1］。因此，在设计卫星网络路由算法时必须首先解决网络拓扑时变和链路频繁切换问题。

近年来国内外针对卫星网络拓扑时变和链路频繁切换问题提出了多种路由算法和实现策略，根据其基本思想可分为动态拓扑路由、虚拟节点路由和虚拟拓扑路由三大类。动态拓扑路由基本思想是采用数据包自动寻址的方式，依据实时卫星网络拓扑进行路由计算［2］。虚拟节点路由基本思想是将卫星网络模型化为拓扑固定的虚拟卫星节点进行路由计算［3］。虚拟拓扑路由基本思想是利用卫星网络的周期性和可预测性，将星座周期划分为若干时间段，每个时间段内星座拓扑可视为固定不变，称为拓扑快照或者时隙，从而利用拓扑快照为各卫星节点分段计算路由［4］。

在多层卫星网络中，研究较多的是虚拟拓扑路由，其应用基础和前提是时隙划分。目前时隙划分方法研究较多，概括起来可分为不等长时隙划分和等长时隙划分两类方法。前者依据网络拓扑变化或星际链路切换划分系统周期，文献［5］针对三层卫星网络提出了具体时隙优化方法，文献［6］针对时间段长度较小带来的路由收敛问题，提出了具体路由策略；后者依据卫星覆盖区域变化或其他约束条件来划分系统周期，文献［7］针对12颗星的Walker Delta星座提出了一种时隙划分方法，文献［8］则将链路利用率作为约束条件进行等长时隙划分。虽然对于这两类时隙划分方法，国内外已经开展了大量研究工作，但所提出的具体实现方法都受到极区边界参数的影响，仍然面临极区边界时隙内部分通信链路将会中断、分组数据丢失的问题［8－10］。

2 GEO／LEO双层卫星网络体系架构介绍

本文研究的GEO／LEO双层卫星网络体系架构如图1所示，该体系架构由GEO星座、LEO星座以及地面系统组成。

图1 GEO／LEO双层卫星网络体系架构Fig.1 Structure of GEO／LEO double－layered satellite constellation network

为克服多层卫星网络中互联关系复杂、设计难度高等问题，GEO／LEO双层卫星网络体系架构采用“骨干／接入”模型［11］，即GEO层星座构成骨干网，LEO层星座构成接入网；为降低网络拓扑复杂度，减少链路切换频率，GEO／LEO双层卫星网络层间链路设计采用“弱连接”思想［12］，即某一时刻，每颗LEO卫星只与覆盖它的上层GEO卫星中通信质量最优的一颗建立连接关系。

GEO星座作为骨干层，由均匀分布在赤道上空的NG颗GEO卫星构成，采用多波束星下天线，可实现中低纬度区域全覆盖。GEO星座承担卫星网络的路由计算、状态监控、LEO卫星管理等任务；当管理组内LEO卫星负荷较重时，为其分担部分非实时数据业务，以缓解LEO层流量负载；当管理组内LEO卫星失效时，临时替代失效卫星，以提高网络抗毁性能。用k对GEO卫星进行编号，k＝1，2，…，NG。

LEO星座作为接入层，由ML个等经度间隔分布的轨道平面构成，每个轨道包含NL颗均匀分布的类极轨道LEO卫星，满足理论上的全球覆盖要求。LEO卫星承担地面网关及终端用户接入、信息传输与交换、链路状态信息收集等任务，并接受GEO层卫星管理。为提高网络抗毁性和业务传输能力，体系架构中LEO卫星具有轨内、轨间星际链路。用（i，j）对LEO卫星进行编号，i表示轨道号，i＝1，2，…，ML；j表示单条轨道内LEO卫星号，j＝1，2，…，NL。

地面系统主要包括地面控制中心、地面网关和终端用户等。其中地面控制中心通过GEO层对整个卫星网络进行监控，可通过注入功能修改或控制GEO层的管理模式，以适应技术发展和应用需求的实时变化；终端用户可直接接入卫星网络；陆基、空基等其他网络用户可通过地面网关接入卫星网络。

GEO／LEO双层卫星网络中包含三种全双工通信链路：1）同层卫星之间的星间链路（Inter Satellite Link，ISL），具体又分为轨内ISL（同一轨道内两颗相邻卫星间的星间链路）和轨间ISL（相邻轨道相邻卫星间的星间链路）；2）不同层卫星之间的层间链路（Inter Orbit Link，IOL）；3）地面系统与卫星网络之间的用户数据链路（User Data Link，UDL）。

3 GEO／LEO双层卫星网络的路由算法

3.1 基于动态极区边界值等长时隙划分

图2 GEO／LEO双层卫星网络极区边界值Fig.2 Polar boundar of GEO／LEO double－layered satellite constellation network

在本文研究的GEO／LEO双层卫星网络中，GEO卫星相对地面固定不变，网络拓扑变化主要由LEO卫星进入或者离开GEO层星座覆盖域所引起的，极区边界值β如图2所示，由LEO卫星的LEO－GEO最小仰角Emin和轨道高度HL共同决定。

图2中，RE为地球半径，HL为LEO卫星高度，HG为GEO卫星高度，Emin为LEO－GEO的最小仰角。

由余弦定理和正弦定理可求得极区边界值：

采用等长时隙划分方法时，时隙越长，星座系统周期内拓扑快照数量就越少，星上存储开销和路由计算开销就越低。极轨道星座平面示意如图3所示，其中，Pi、Pi＋1为相邻轨道，β为极区边界值（一般用弧度表示），NL为单条轨道上卫星数量，相邻轨道间相邻卫星之间相位差为ΔΩ＝π／NL。由文献［9］可知，极轨道星座最大时隙长度为Δt＝T／2 NL。为降低系统开销，本文选取时隙长度取最大长度Δt，将GEO／LEO双层星座系统周期划分为2 NL个等长拓扑快照，LEO卫星在单个时隙内相位移动π／NL。

由公式（1）可知，当GEO／LEO双层星座参数固定之后，其极区边界值也随即固定。在极轨道星座中，当卫星进入极区时将关闭轨间ISL，采用等长时隙划分的路由算法，时隙越长，时隙内路径失效概率越大。为此，本文给出一种基于动态极区边界值的等长时隙划分方法，即通过调整极区边界值，在每个拓扑快照起始时刻关闭即将进入极区的LEO卫星的轨间ISL，使得时隙内不会发生链路切换，计算所得的路径不会失效。

GEO卫星覆盖域和极区示意如图4所示，其中，β′≤β为动态调整后的极区边界值。调整后LEO卫星在GEO卫星覆盖域和极区内经历相位恰好为相邻轨道相邻卫星相位差ΔΩ的X、Y倍，X、Y均为正整数，且X值取最大值。因此，当LEO卫星Li，j运行到极区边界时，其相同轨道上的（当NL为偶数时）或者相邻轨道上的（当NL为奇数时）恰好运行到相对称的极区边界上。综上可得：

图3 极轨道星座平面示意Fig.3 2－D figure of polar orbit satellite constellation

图4 GEO卫星覆盖域和极区示意Fig.4 Coverage area and ploar area of GEO satellite

整理公式（2）可得调整后的极区边界值为

EDRA算法通过动态调整极区边界值，在路由起始时刻关闭即将进入极区卫星的轨间ISL，造成了部分网络链路资源的浪费。设L（Δt）为极区边界值调整后单个时隙内连通的链路数量，Lc为调整前单个时隙内连通的链路数量，则网络链路利用率U＝L（Δt）／Lc。

设LEO星座中卫星总数为N，轨道面数为p。在极轨道星座中，由于轨间ISL在纬度线上均匀分布，且反向缝两侧卫星高速运动，不建立轨间ISL，所以：

综上，EDRA算法等长划分的时隙长度已取得最大值，单个时隙内路径变化较小，便于路由优化与计算，节省了星上存储空间；通过动态调整极区边界值，使得时隙内无链路切换，保证了时隙内网络拓扑的稳定；另外所划分的时隙长度均等，便于整个卫星网络的管理与控制。

图5 路由计算与更新流程Fig.5 Flow diagram of routing calculation and updation

3.2 星上路由计算与更新

按照路由计算承担对象，虚拟拓扑路由可分为基于地面网关的离线式路由和基于星上分布式路由。由于离线式路由存在突发情况处置能力差、拓扑状态收集时间长、特殊时期地面网关易被摧毁等问题，为提高GEO／LEO双层卫星网络路由算法的鲁棒性、缩短路由收敛时间，本文采用星上分布式路由算法。在每个时隙起始时刻，卫星网络收集链路状态信息（LMR），进行路由计算和更新。路由计算与更新流程如图5所示。

具体步骤可描述为：

步骤1）GEO卫星下达LMR收集指令。

步骤2）LEO卫星LMR的生成。

LEO卫星Li，j测量自身出口链路状态信息，生成LMR（Li，j）。LEO卫星的出口链路主要包括：与地面站相连的UDL、与相邻LEO卫星相连的ISL、与管理卫星GEO相连的IOL。由此可得：

式中 A表示Li，j卫星从编号0到编号ST（Li，j）－1的所有时隙；B表示所属管理卫星Gk下，Li，j卫星k0到k3与相邻卫星的4条连接链路，k为GEO管理卫星编号，即Gk；C表示Li，j卫星与管理卫星GEO的连接链路。

步骤3）LEO卫星LMR的传播。

LEO卫星生成LMR（Li，j）后，经IOL报告给其管理卫星Gk。GEO卫星Gk等待时间δ，若在时间δ内收到LMR（Li，j）数量与管理组成员数量相等，转步骤4）；否则Gk向地面控制中心发送卫星节点失效报告alert（Y），并转步骤4）。

步骤4）GEO卫星LMR的生成。

GEO卫星Gk在时隙起始时刻测量自身出口链路状态信息，生成LMR（Gk）。

步骤5）链路状态信息库的生成。

GEO卫星将收集到的组内成员LMR和自身LMR在GEO层内洪泛?NG／2」次，即按照NG／2的取整计算结果来设置洪泛次数。至此，GEO星座生成整个网络的链路状态信息库，记为LMRw。

步骤6）LEO卫星原始路由表的计算。

GEO星座根据LMRw为GEO／LEO双层卫星网络计算路由。GEO卫星Gk以路径总时延为优化目标，利用Dijkstra算法，为管理组内每颗LEO卫星计算其到其余所有LEO卫星的最优路径和次优路径，将计算结果添加到LEO卫星原始路由表LOT（Gk｜X）中。

步骤7）GEO卫星路由转发表的计算。

GEO卫星Gk依据LMRw，以最小节点跳数为优化目标，采用贝尔曼（Bellman）算法，为自身计算其到所有LEO／GEO卫星的最优路径，将计算结果添加到GEO卫星路由转发表GRT（Gk）中。

GEO卫星Gk将其生成的LOT和GRT汇总并发送到地面控制中心备份。

步骤9）LEO卫星路由转发表的生成与分发。

GEO卫星Gk依据LOT（Gk｜X）为管理组每颗LEO卫星生成其到目的节点的最优下一跳、次优下一跳，生成LEO卫星路由转发表LRT（X），并分发至相应的LEO卫星。LEO卫星路由转发表LRT（X）主要包括：路由源节点、路由目的节点、最优下一跳、次优下一跳等信息。

步骤10）GEO／LEO双层卫星网络依据LRT（X）和GRT进行信息传输与交换。

GEO／LEO双层卫星网络在每个时隙起始时刻进行一次路由计算与更新。EDRA算法在GEO星座中直接生成链路状态信息库，并依此进行路由计算与更新，缩短了路由收敛时间、提高了整个网络抗毁性能；在LEO星座中每个节点只需保存一个本节点的路由转发表，对星上存储开销需求较低。

卫星网络中由于流量负载分布不均，极易发生链路拥塞、节点失效等突发情况。EDRA算法为每颗LEO卫星分别计算了到达目的节点的最优路径和次优路径，当到达最优下一跳的链路利用率达到阈值时，当前节点选择次优下一跳转发分组数据；如果到达次优下一跳的链路利用率也达到阈值时，当前节点将分组数据转交其GEO管理卫星进行转发，并触发一次路由计算与更新。当最优下一跳节点失效时，当前节点选择次优下一跳转发分组数据；如果次优下一跳节点也失效时，当前节点将分组数据转交其GEO管理卫星进行转发，并触发一次路由计算与更新。

4 仿真与性能分析

首先，建立GEO／LEO双层卫星网络仿真模型，计算网络拓扑离散化后的时隙；然后通过NS2仿真软件测试EDRA算法性能，分别与卫星群组和路由协议（Satellite Grouping and Routing Protocl，SGRP）算法、Dijkstra算法比较不同链路利用率下端到端时延和网络丢包率。

4.1 星座仿真与时隙划分

表1 双层卫星网络星座参数Tab.1 Parameters of double－layered satellite constellation network

使用STK仿真工具构建GEO／LEO双层卫星网络仿真模型，星座参数如表1所示，GEO星座采用等经度间隔、均匀分布的4颗GEO卫星；LEO星座采用类Iridium星座结构。设LEO－GEO最小仰角Emin＝10°，则由公式（2）可得极区边界值β＝74.62°，由公式（3）可得调整后极区边界值β′＝70°。

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（1）与优化后的不等长时隙划分方法比较

分别采用文献［6］中的VLRA算法和EDRA算法对该星座模型进行时隙划分，以24h为一个运行周期，时隙划分结果如图6所示。由于VLRA时隙划分非常密集，并且时隙并不相等，图6（a）中呈现黑色阴影；EDRA则时隙划分相对宽松，并且时隙相等。

图6 时隙划分结果比较Fig.6 Interval snapshot results of two algorithms

与VLRA相比，采用EDRA划分时隙，时隙个数由774个减少到了234个，平均时隙长度由111.796 2s增加到了368.222 2s，明显减少了运行周期内路由计算与更新次数，延长了路由持续时间，且时隙内无链路切换，保证了网络拓扑的稳定性。

（2）与优化后的等长时隙划分方法比较

当采用文献［8］中以网络链路利用率为约束条件的等长时隙划分方法时，由文献［8］中公式（5）可得，网络链路利用率为95%时，等长时隙长度上限为298.34s；而采用EDRA等长时隙划分时，等长时隙长度为368.222 2s，由本文中公式（4）可得此时网络链路利用率U＝97.52%。因此，与文献［8］相比，EDRA算法路由持续时间更长，网络链路利用率更高。

4.2 路由算法性能分析与比较

根据表1的星座参数，选取NS2仿真软件分别完成EDRA、SGRP和Dijkstra三种算法端到端时延特性和网络丢包率仿真试验。在Dijkstra算法中，假设每个节点均知道整个卫星网络拓扑，链路状态实时更新，实际上是一种没有协议开销的理想最优路由算法，是路由算法性能的极限。所有地面站均通过LEO星座接入卫星网络，最小仰角为10°，网络中所有通信链路均设置为20Mbit。仿真中设置了北京（东经116.5°，北纬39.9°）作为源端节点；纽约（西经74.1°，北纬40.7°）作为目的节点。

为比较三种路由协议在不同链路利用率下的性能，在LEO卫星上设置一个速率服从指数分布、平均值为λ的背景流量，逐步增大λ可使得LEO卫星链路利用率逐渐增加。

图7 平均端到端时延特性比较Fig.7 Results of average end－to－end delay

（1）端到端时延特性仿真

仿真中，选取北京到纽约这一对地面站作为观察节点，由北京站向纽约站发送一个持续时间为60min、平均速率为8Mbit／s的分组数据流量，逐渐增大链路负载，重复仿真10次。对于每一个平均链路负载值，端到端时延均取10次仿真的平均值，仿真结果如图7所示。

由图7可知，Dijkstra端到端时延几乎不变；SGRP端到端时延在链路利用率高于60%时急剧增长；EDRA端到端时延在链路利用率达到60%时继续平缓增长；在链路利用率低于60%时，SGRP和EDRA端到端时延相差不大，与Dijkstra相差大约4ms。分析原因主要有：

1）在链路利用率低于60%时，SGRP和EDRA与Dijkstra端到端时延差值主要为路由计算和星上分组处理时间；

2）SGRP无拥塞回避机制，在链路利用率高于60%时，端到端时延增加部分主要为排队时延与处理时延；而EDRA具有拥塞回避机制，在最优链路利用率过高时，可通过次优路径和GEO卫星进行分流，在链路利用率60%时出现的“台阶”，主要为选择次优路径而增加的部分传输时延。

另外，在仿真中，Dijkstra算法的实现采用理想方式，即假设每个节点均知道整个卫星网络拓扑，所以没有链路数据开销；SGRP算法无拥塞回避机制，无论链路处于什么状态，其链路开销仅与时隙数量有关，其链路开销为2.4kbit／s；EDRA算法采用了拥塞回避机制，当链路利用率低于60%时，链路开销仅为0.8kbit／s，当链路利用率高于60%时，由于需要进行次优链路搜索，链路开销增大为1.1kbit／s。

图8 网络丢包率比较Fig.8 Packet loss rate in satellite networks

（2）网络丢包率仿真

仿真中，同样选取北京到纽约这一对地面站作为观察节点。由北京站向纽约站发送一个持续时间为60min、平均速率为8Mbit／s的分组数据流量，逐渐增大链路负载，重复仿真10次。对于每一个平均链路负载值，网络丢包率均取10次仿真的平均值，仿真结果如图8所示。

由图8可知，Dijkstra和EDRA分组丢包率变化较小，随着链路利用率增大而缓慢增长；SGRP分组丢包率在链路利用率低于60%时增长缓慢，当链路利用率高于60%时急剧增长。分析原因主要是：随着链路利用率增大，链路容量逐渐饱和，造成了部分分组数据丢包，而EDRA及时通过次优路径和GEO卫星进行分流，避免了分组数据丢失。

5 结束语

本文提出了一种适用于GEO／LEO双层卫星网络的基于等长时隙划分的星上分布式路由算法EDRA，通过动态调整极区边界值等长划分时隙，有效解决了网络拓扑时变和链路切换问题；利用星上分布式路由，提高了网络抗毁性能，缩短了路由收敛时间；卫星网络在时隙起始时刻收集链路状态信息，进行路由计算与更新。仿真验证表明：动态极区边界值等长时隙划分能够延长路由持续时间，提高网络链路利用率；EDRA算法端到端时延稳定；当链路利用率增大时，其网络丢包率较低，趋近于路由性能极限。下一步将在EDRA算法基础上，深入研究卫星网络抗毁性路由算法。

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A Double－layered Satellite Constellation Network Routing Algorithm Based on Equal－length Interval Snapshots

ZHANG Jingbin1，2LIU Jiong1SHEN Pubing1
（1Xi′an communications Institute，Xi′an 710106） （2 Army Unit 73132，Zhangzhou 363111）

For the satellite constellation network，changes in real－time of network topology and frequently handover of ISL have bad impacts on the routing performance.Based on the backbone－and－accessions theory and the weak connection theory，a new double－layered satellite constellation network structure was proposed，which can help the administration for each layer.Moreover，a new routing algorithm，named EDRA，was proposed.The routing algorithm improves the method of equal－length interval snapshots by adjusting the polar boundary dynamically and adopting the new idea of layered management.The analysis and simulations show that the new satellite constellation network structure is more sensible，the number of snapshots of the EDRA algorithm is only the half of the VLRA algorithm，and the average duration of snapshots is more than three times of the VLRA algorithm.The EDRA algorithm can reduce the number of calculation and updating of the routing，improve the utilization of network ISL，reduce the delay jitter and packet loss rate.

GEO／LEO double－layered satellite constellation network；Equal－length interval snapshots；On－board distributed routing algorithm；Dynamically adjust the polar boundary；Simulation

10.3780／j.issn.1000－758X.2015.03.003

张景斌 1985年生，2007年毕业于西安通信学院，现为西安通信学院军队指挥学硕士研究生。研究方向为卫星通信网络协议。

刘 炯 1973年生，2007年获清华大学信息与通信工程专业博士学位，西安通信学院副教授。研究方向为卫星通信网络协议、信息安全。

（编辑：杨婵）

陕西省科学技术研究发展计划（2013JM8007）；全军军事学研究生课题（2011JY002－253）资助项目

2014－11－28。收修改稿日期：2015－02－27