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1、LEO卫星网络路由算法研究摘要：本文通过分析低轨道卫星路由的特点、目标，结合卫星网络的拓扑结构和运行规律，分别对有无星际链路（ISL）的卫星通信系统，提出相应的路由策略：最小延时路由算法、通信量和拓扑自适应的路由算法。关键词：低轨道（LEO）,卫星通信，路由（Route）,星际链路（ISL）1绪论1.1 卫星通信的低轨道化、网络化发展趋势信息，主导着当今的社会，从工业时代进入信息时代，作为这个时代的主要资源，信息资源，正处在其边际效用的最大值。与此同时，作为信息资源的载体和交换平台的通信网络也在无声无息的进化着，而如今人们的目光，更多的投向太空。卫星通信系统正是在这种形势下应运而生。以INMA
2、RSAT为代表的GEO卫星通信系统代表了二十世纪中期以前卫星通信系统的主流，然而山于轨道高度带来的延迟较大以及发射费用较高等缺点大大限制了其业务范围与综合能力。进入90年代中期，随着同步轨道资源限制与拥塞矛盾的白热化及其高纬度区域覆盖的局限性，人们寄希望与非同步轨道运而开发出克服上述缺陷的新一代MEO/LEO系统。LEO小卫星通信系统是在二十世纪80年代末期国际上兴起的一种全新概念的通信系统。它强调采用体化”的设计思想，尽量提高卫星功能密集度从而增加系统的性价比。相比传统的GEO卫星通信系统，由于轨道高度的差别LEO系统的信号传输延迟将大大减少从而具有更好的实时性；由于体积，重量及应用定位的差
3、别，LEO小卫星所需的研制成本远小于GEO卫星系统。总的看来，LEO小卫星通信系统具有良好的发展前景。虽然LEO和MEO等非静止轨道卫星具有上述优点，但单颗LEO或MEO卫星很难满足全球或区域性通信系统的要求。为满足通信全球化需求，必须采用星座方式将卫星网络化，形成卫星移动通信网，利用网络优势弥补单颗卫星覆盖特性的缺点。如Iridium,Globalstar和Teledesic等系统都是以星座运行模式来实现的。1.2LEO卫星通信网络化中的关键技术：路由算法卫星网络中的卫星数目的多少不同，拓扑结构也不同。当卫星网络中的卫星数目较少的情况下，卫星间可以通过地面信关站问连接，这种连接方式是合理的，
4、因为其可靠性高。当网络中的卫星数目增多的时候，如果单纯利用地面信关站作为卫星问信息沟通的桥梁，可能需要几十个或者更多的地面站，费用高，而且在海洋和荒芜的地区以及敌对国家建立信关站也是不可能的，因此单纯利用地面站完成网络中不同卫星间的信息沟通是不现实的。因此可以采用星间链路（ISL:Inter-Satellite-Links）连接不同卫星就可以弥补地面信关站连接方式的不足。无论是具有ISL还是不具有ISL,都需要考虑卫星间的路由问题。因为路由问题在通信网中一直是一个核心问题，路由算法的优劣将直接影响到整个通信网络的性能以及通信的质量。由于卫星网络具有的拓扑结构的动态变化等独有的特点，使得适用于地
5、面网络的一些路由算法不能直接应用于卫星网络上，因此必须针对卫星网络的特点设计适合于卫星网络的路由算法。1.3 路由算法设计的目标路由算法是随着网络规模、网络应用的扩大而发展起来的。路由选择的问题，本质上是个路径优化的问题，也就是选择哪条路由更好。优化的标准一般称之为度量值（Metric）,根据转接次数、距离、时延、误码率、安全性等指标来制定，优化基本方法主要有最短路径算法、最大流算法及最小费用。最优化指路由算法有选择最佳路径位置的能力。Metrics其权值决定最佳路由。例如，路由算法可能考虑节点数和延迟，但计算时延迟更重要。自然地，路由协议必须严格地定义它们的Metric计算算法。简单性路由算
6、法应被设计的尽可能的简单。换句话说，路由算法必须以最少的软件和使用费用获得高效的功能。当路由算法由软件实现，并在物理资源受限制的计算机上运行时，效率是特别重要的。健壮性路由算法必须是健壮的。换句话说，在异常的或者无法预料的情况面前（诸如硬件失效，高负载条件和不正确的安装和使用），它们也能正确运行。因为路由器定位在网络连接点，故障时它们能导致严重的问题。最好的路由算法应该经得住时间的考验，并被证明在各种网络条件之下能保证稳定工作。迅速收敛路由算法必须快速收敛。收敛指所有的路由器关于最佳的路由取得一致的过程。当一个网络拓扑发生改变时，路由器发送路由更新消息。路由更新消息弥漫网络，导致重新计算最佳路
7、由，并最终使所有的路由器一致同意这些路由，路由算法收敛过慢会产生路由循环或网络损耗。灵活性路由算法也应该具有灵活性。换句话说，路由算法应迅速和准确地适应各种各样的网络情况。例如，假定网络的一部分失灵，多数路由算法在监测到这个问题时，要很快地为使用该段网络的路由选择次优的路径。路由算法应被设计成能够适应变化，不论网络带宽、路由器队列大小、网络延迟，或是其它的变量。这些设计目标是路由算法的衡量标准，因此在设计卫星网络上的路由算法时也应遵循这些原则。1.4 卫星网络系统的路由特点前而讲过，因为卫星网络中数目的不同，少的时候，卫星间的连接可以通过地面信关站；但是数目多的时候，就需要通过星际链路来连接。
8、因此，不同的连接方式，有不同的路由算法。无ISL（星际链路）的路由设计，根据系统的实际情况，提出了一种比较适用的路由算法最小延时路由算法。具有ISL（星际链路）的卫星通信系统，因其具有的某些特征使得地面无线移动网络的各种网络层协议不能直接应用到ISL环境中，必须根据其特征进行适当的改造。ISL的特点可以归结为以下几点：1 、拓扑结构持续变动，卫星相对于网络中其他卫星处于不断的运动过程中，例如Iridium系统中LEO问ISL持续时间平均为10分钟。ISL传输时延长，相邻LEO卫星间传输时延在20ms左右，MEO问传输时延在50ms左右。ISL信道误码率高，通常只能在0.001到0.0001之间
9、，ISL传输速率高，当采用激光ISL时，ISL传输速率可以在50M到5G之间。2 、网络拓扑的频繁变化，将导致网络节点问关于网络结构更新信息的大量增加ISL传输时延长，将使得网络节点大量使用错误的网络拓扑信息，直接导致路由计算困难和传输效率降低；此外ISL传输时延和高误码率将共同影响网络阻塞控制和流量控制功能，可能导致大量反馈信息延误和数据包大量重传。在带有ISL的卫星网络中，每颗卫星可能同时与多颗其他卫星通过ISL相连接，即信息可以通过多种不同路由传递，因此路由算法是带有ISL的卫星网络关键问题。但ISL规律性同时也为解决路由问题提供有利条件。ISL中卫星必须在星座和轨道参数限制下运动，因此
10、卫星运行以及因卫星运动引起的ISL变化都是有规律性的。规律性主要表现为可预见性，周期性和固定性。可预见性指卫星位置和卫星间可见性关系可以通过预先计算得到，基于可遇见性特征，路由算法能够更好解决路由重建和优化问题；周期性指变化过程周期重现，而且其变化周期与卫星轨道周期存在关联，路由算法能够更好减少路由算法状态集个数；固定性指卫星网络规模的固定性，固定性可以明显降低路由规模。因此，基于上述规律性，为降低ISL时延限制路由算法的复杂性，提供了依据一一通过近似化因子和压缩因子，来降低复杂性。2LEO卫星数据通信系统的路由策略2.1 LEO卫星数据通信系统基本特征Iridium系统拥有星际链路（ISL）
11、、复杂的星上处理（OBP）以及星上交换（OBS）,形成一个独立的空间网络平台，不需要地面网支持就能够为全球用户提供实时的移动通信业务，支持语音、数据业务，真正实现了任何人随时随地通信的能力。而Globalstar系统采用透明转发卫星，更确切的说，它是作为地面移动通信系统和其他通信系统的延伸和补充，与地面系统兼容，没有星际链路和星上处理，依靠高速廉价的地面骨十网，形成一个弯管式”通信网络，也能够为全球用户提供通信业务，其系统成本低于Iridium系统，技术难度也小一些。一般说来，由于数据通信系统可以充分利用小卫星技术，形体结构简单，所需的投资要比语音系统小得多。无论是从政治上，还是从经济发展上考
12、虑，各国都迫切需要解决全球通信问题，而首先需要解决的是全球数据通信，LEO卫星数据通信系统就是一种很好的选择。但是该系统是一个腕管式”通信网络，需要地面站的强大支持，如果能在全球均匀的布置一定数量的信关站，信关站之间通过地面网相连，很好地解决了全球通信问题。但是，从政治、安全和现实出发，各国的LEO卫星数据通信系统不可能在全球布置足够数量目且分布均匀的地面站，故只能将信关站设置在各国自主控制的区域内。那么，在该区域内选取若十信关站（通过地面通信网连接），就可为各国用户之间提供实时数据通信；而对于该地区以外的用户，由于没有自主控制的信关站和地面网的支持，一般只能以存储/转发的通信方式进行通信。综
13、上所述，适用于各国的LEO卫星数据通信系统应具有以下一些基本特征：空间段由若十LEO（小）卫星组成，卫星采用带存储/转发功能的廉价卫星，不具有一复杂的星上处理能力，卫星之间没有星际链路；（2）系统的正常运行需要地面网和地面信关站的支持；（3）信关站的设置局限于各国自主控制的区域，信关站之间通过地面网实时相连；（4）通信方式与Iridium等系统不同，实时通信和存储/转发通信同时存在，如果通信双方都在国内，一般都能米用实时通信方式。如果通信双方之一处于国外，则通常大多只能采用存储/转发方式进行通信；（5）存储/转发通信的延时大小以及路由选择随着采用的路由算法不同而呈现巨大差异。2.2 信关站的选
14、择信关站数目与位置直接关系到整个网络运行效率、所能提供服务的性能以及系统可靠性等多个方而内容，成为了系统设计的一个重要方面。信关站的选择不仅要求节约投资，减少系统复杂度，还希望能够保证系统安全性和提高系统的健壮性等。信关站的选择及要求如下：(1) 在满足系统性能要求的前提下，信关站的数目要尽可能少，信关站过多不仅增大系统投资，而且会增加系统的复杂度；(2) 信关站之间要求始终保持连接，进而保证位丁不同卫星覆盖区的用户之间能够实时通信。因为在该系统中，卫星之间没有星际链路，用户之间通过卫星和信关站进行通信，需要信关站之间的协同工作；(3) 信关站站址要求在各国自主控制的范围内，而且希望能够通过信
15、关站与其他地面网(固定网与无线网)相连；(4) 在星座给定的条件下，要求信关站站址合理，使得实时覆盖区的面积尽可能大，所以一部分信关站要求尽量靠近边境；(5) 信关站的选择还应尽可能满足系统稳定性、健壮性的要求，在某些信关站失效时，系统能够降级运行；(6) 从系统的可靠性、抗毁性要求看，需要选择较多的信关站，以便在部分信关站发生故障或其通信链路故障时，能够使得系统正常工作，且其性能受到的影响相对较小，这就要求进行折中考虑。在卫星星座给定的情况下，如何找出实现最大实时覆盖区的信关站布局是一个最优化的问题，可用最优化理论来解决。但是，这样的最优化结果在实际中未必可行，因为信关站的位置和数目的选择都要受到一些实际条件的限制，如地理条件、信关站数目、地面设施。因此，按照上述信关站的选择原则，可大致确定信关站的布局。2.3 最小延时路由算法根据存储/转发通信的特点，提出了一种适用丁LEO卫星数据通信系统的最小延时路山算法。在通信连接建立时，该算法可以判断出此次通信是实时通信还是存储/转发通信：若是存储/转发通信，就计算出本次通信所需要的最小延时，同时确定最优的通信路由，具有一定的现实意义，在具体讨论最小延时路山算法前先
