摘 要：針對全網廣播路由導致系統(tǒng)利用率低的問題，結合衛(wèi)星通信網絡的周期性和準確預知等特點，在源路由算法(SRA)的基礎上，引入方向性指導策略，提出了具有導向功能的源路由改進算法(i—SRA)。由于采用部分廣播方式，僅向靠近目的節(jié)點的相鄰衛(wèi)星發(fā)送路由請求分組，降低了請求分組傳輸的盲目性。通過OPNET建模仿真，結果表明改進算法減少了路由負載開銷，提高了資源利用率。
關鍵詞：LEO 衛(wèi)星網絡；導向策略；源路由；路由負載
0 引 言
衛(wèi)星通信具有覆蓋地域廣、長距離傳輸和易實現廣播的特點，并且能夠支持多媒體通信業(yè)務，成為軍用和民用領域一種重要的通信手段。隨著星上處理能力的增強，在衛(wèi)星上采用路由交換技術已成為現代衛(wèi)星網絡發(fā)展的重要趨勢之一。
目前，針對星上路由算法的研究大多采用將系統(tǒng)周期分割或者將覆蓋區(qū)域分割的方法，屏蔽衛(wèi)星網絡拓撲結構的動態(tài)變化，在靜態(tài)拓撲結構下設計星上路由算法。
系統(tǒng)周期分割方法雖然離線計算星上路由，衛(wèi)星僅在時間分割點更新，對星上處理能力要求較低，但是不能根據鏈路的狀態(tài)實時地選擇路由，適應性差，并且由于分割的拓撲快照太多，導致星上需要大量的存儲空間。
而覆蓋域分割方法卻根據分組的目的地理信息，在不同地面覆蓋劃分區(qū)域組成的靜態(tài)邏輯結構上，依據路由策略和鏈路負載、故障、擁塞等情況實時計算路由，具有適應能力強，所需存儲空間小，同時提供QoS保證的優(yōu)點，因而，覆蓋域分割類型的路由算法具有較強的優(yōu)勢，但由于星上處理能力和功耗的限制，該類算法較多的系統(tǒng)資源消耗需要盡量地減小。
類似IP網絡的衛(wèi)星網絡路由機制中，每顆衛(wèi)星保存整個衛(wèi)星網絡的拓撲圖，實時地根據星間鏈路狀態(tài)，將地面網關發(fā)送來的封裝數據轉發(fā)到目的衛(wèi)星節(jié)點，但文中未見采用的路由算法。Ekici等人提出的分布式路由算法中，每顆衛(wèi)星根據自身鏈路狀態(tài)局部信息，按照邏輯地址為每個分組獨立地選擇最小傳輸時延路徑。由于利用了衛(wèi)星網絡周期性和預知性的特點，路由開銷非常小，但是每個分組采用相同的操作獨立地路由轉發(fā)，不區(qū)分對待不同業(yè)務類型，因而不能提供不同的服務質量。Admela J等設計的具有QoS保證的LEO網絡源路由算法(Source Routing Algorithm，SRA)，源節(jié)點廣播路由請求分組到目的節(jié)點，目的節(jié)點根據不同傳輸業(yè)務的不同服務要求，反饋相應的最優(yōu)路徑。雖然能夠反映網絡狀態(tài)的變化，但是采用全網廣播路由致使開銷巨大。
本文結合衛(wèi)星網絡的特點，在LEO網絡SRA算法的基礎上，引入方向性指導策略，提出具有導向功能的源路由改進算法(improved Source Routing Algo—rithm，i-SRA)，并對其進行性能分析與仿真驗證。
l 衛(wèi)星網絡的特點
由于衛(wèi)星快速移動，星間鏈路頻繁地切換，致使依靠不斷交換拓撲信息來維護網絡路由的地面路由技術不能適用于衛(wèi)星網絡。與地面網絡相比，衛(wèi)星網絡有著其獨有的特點。
衛(wèi)星快速移動的影響 主要體現在：隨著衛(wèi)星的移動，軌道間的ISL長度不斷變化，越過極區(qū)時需要不斷開啟或關閉，導致衛(wèi)星網絡的拓撲結構是動態(tài)的；針對星間鏈路的不斷失效或生效，為保證通信路徑的暢通，需要不斷地進行鏈路切換；星下點覆蓋域變化時，由于用戶業(yè)務地域分布不均勻，導致衛(wèi)星的通信量動態(tài)變化，極不均衡；由于衛(wèi)星的軌道是固定的，網絡拓撲的變化具有周期性、預知性。
衛(wèi)星功率和星上處理能力有限 由于衛(wèi)星通信環(huán)境的特殊性，星上設備的體積、功耗等都受到限制。路由選擇的處理過程越復雜，所需的星上處理能力就越強，消耗的功率越多，衛(wèi)星的壽命可能就會縮短。另外，一旦衛(wèi)星發(fā)射，所應用的技術不能改進升級，存儲和處理能力不能擴展。
其他特點 衛(wèi)星網絡中，星間鏈路傳輸距離較遠，衛(wèi)星軌道較高，衛(wèi)星通信具有非常大的延時，對網絡協(xié)議實現、高性能QoS服務等方面影響很大；衛(wèi)星網絡的節(jié)點數目通常是固定不變的；對星座網絡來說，其拓撲結構具有很高的規(guī)則性和均衡性，使得衛(wèi)星節(jié)點對之間存在許多可備選的通信鏈路。
星上路由算法與衛(wèi)星網絡的拓撲結構密切相關。雖然網絡拓撲結構動態(tài)變化為星上路由算法增加了設計難度，但也有簡便的一面?？梢猿浞掷眯l(wèi)星網絡的周期性和準確預測性、規(guī)則性和均衡性、以及節(jié)點數目少且固定的特點，來簡化路由算法。
2 具有導向功能的源路由改進算法i-SRA
2．1 源路由SRA算法
源路由SRA算法是由源節(jié)點衛(wèi)星發(fā)起的，目的節(jié)點衛(wèi)星決定路由的面向連接的按需路由算法，采用覆蓋域分割的策略來解決衛(wèi)星網絡拓撲結構的動態(tài)變化。對于每一次呼叫連接，SRA算法將路由請求分組全網廣播傳輸到目的節(jié)點。在星間鏈路上傳輸的同時，路由請求分組收集傳輸路徑上經過衛(wèi)星節(jié)點的狀態(tài)信息。目的節(jié)點收到請求分組后，依據這些信息來決定最合適的路由。
2．2 全網廣播路由的局限性
由衛(wèi)星網絡特點可知，衛(wèi)星的移動性會增大路由算法設計的難度，但由于衛(wèi)星運行的軌道和地球自傳速度是固定的，網絡節(jié)點數目不變且非常少，所以衛(wèi)星網絡拓撲的變化是確定的，能夠進行準確地預測。
但是采用全網廣播路由請求分組來建立最優(yōu)路徑的方式，未能結合衛(wèi)星網絡這些有利條件來優(yōu)化算法，仍向遠離目的地址的衛(wèi)星節(jié)點發(fā)送大量的路由請求分組。然而這些請求分組因為路由跳數過多，傳輸時延過長而被淘汰，結果該方向未形成最終的傳輸路徑。由于星上功率和處理能力有限且十分寶貴，采用全網廣播路由方式產生了過多無用的請求分組，導致網絡資源的浪費。
2．3 改進算法i-SRA
衛(wèi)星網絡具有周期性和預知性，源節(jié)點衛(wèi)星根據自己覆蓋區(qū)域的邏輯編號(例如由軌道號和軌內衛(wèi)星編號組成)以及傳輸分組包含的目的邏輯區(qū)域的邏輯編號，就可以得到目的節(jié)點的當前方位，估計傳輸路徑所需的最小路由跳數。源節(jié)點根據這些先驗信息，來定向地路由或直接轉發(fā)分組。這一特性就是方向性指導策略，可以用來簡化路由算法的復雜性以及減小路由開銷。
i-SRA算法就是采用方向性指導策略，對LEO網絡源路由SRA算法進行改進，以期降低路由算法的網絡開銷，提高資源利用率。
具有導向功能的源路由改進算法i-SRA的基本思想是：基于源路由SRA算法，根據方向性指導策略，對每次呼叫連接的路由請求分組以部分廣播的形式傳輸。所謂的部分廣播，就是在預知目的節(jié)點具體方位后，只將請求分組傳播到那些與目的節(jié)點方向一致的星間鏈路上。也就是說，如果目的節(jié)點在東南方向，請求分組就不會被發(fā)送到通向西北方向的星間鏈路上。
具體算法描述如下：
Step 1：需要與遠程目的用戶D通信的源用戶S向覆蓋域內過頂間最長的衛(wèi)星sat-S發(fā)送呼叫請求；
Step 2：源衛(wèi)星節(jié)點Sat-S根據接收的呼叫請求，判斷目的用戶所在的邏輯覆蓋區(qū)域以及具體方位，并依據呼叫請求的業(yè)務類型產生具有特定要求的路由連接請求；
Step 3：根據目的節(jié)點的方位，按照導向策略，選擇同方向能夠滿足設定要求的星間鏈路；
Step 4：源衛(wèi)星節(jié)點Sat—S將路由請求分組在已選鏈路ISL上傳輸，轉發(fā)給相鄰衛(wèi)星節(jié)點，然后這些衛(wèi)星節(jié)點以相同的方式將請求分組轉發(fā)到其他相鄰衛(wèi)星，直至到達目的用戶所在邏輯區(qū)域上空的目的衛(wèi)星節(jié)點Sat-D；
Step 5：目的節(jié)點衛(wèi)星Sat-D通知目的用戶D有呼叫到達，并且在到達的多條候選鏈路中，選擇滿足呼叫業(yè)務要求(比如最小跳數)且最長壽命時間的鏈路作為最終的傳輸路徑；
Step 6：Sat-D衛(wèi)星沿著選擇的路徑，向Sat-S衛(wèi)星反饋路由信息分組，同時獲得通信資源的預留。當源衛(wèi)星節(jié)點Sat-S獲得該路由信息分組時，該通信鏈路就成功建立了。源用戶S開始向目的用戶D傳輸數據；
Step 7：已建立通信鏈路的壽命時間到達時，如果通信業(yè)務還未結束，回到Step 3，提前重新路由，并進行鏈路的切換。
2．4 i-SRA算法性能分析
改進算法i-SRA采用部分廣播的方式，只將路由請求分組傳播到與目的節(jié)點方向一致的星間鏈路上，沒有在全網上傳輸。雖然與目的節(jié)點方向相反鏈路上傳輸的請求分組最終也可能到達目的節(jié)點，但是由于星間鏈路延時本身就比較大，其經歷的衛(wèi)星節(jié)點又很多，結果獲得傳輸路徑的延時非常大，在眾多候選路徑中最終也會被淘汰。
所以，i-SRA算法利用了網絡拓撲結構的可預知性，減少請求分組傳播的盲目性，不產生這些易被淘汰的路徑，從源頭上減少網絡中路由請求分組的傳輸數量，節(jié)約了處理這些分組所耗費的星上功率，提高了網絡資源的利用率。
3 仿真驗證
使用STK軟件構建了參數T／P／F為30／5／O(其中表示衛(wèi)星數目為30顆，軌道數目為5，相位因子為0)的LEO圓形極軌walker星座，如圖1所示。網絡中衛(wèi)星軌道高度為l 375 km，軌道傾角為84．7°。并且采用0PNET網絡分析工具仿真了LEO衛(wèi)星網絡運行12 h期間路由負載的情況。
如圖2所示為LEO網絡源路由SRA算法和改進算法i—SRA的平均路由負載結果。源路由算法SRA每次路由的平均負載大約為11個路由請求分組，而i-SRA算法大約為8個路由請求分組。相比之下，i-SRA算法將路由選擇的請求分組數量降低了近27．3%，減少了多余的無用分組。
通過仿真表明，采用方向指導策略后的i-SRA算法相比源路由SRA算法確實能夠降低建立傳輸路徑所需要的路由開銷，提高網絡資源利用率。
4 結 語
根據衛(wèi)星網絡周期性和預知性的特點，針對LEO網絡源路由算法SRA采用全網廣播路由方式導致系統(tǒng)開銷大的缺陷，結合方向性指導策略，提出了具有導向功能的星上源路由改進算法i-SRA。由于減小了路由請求分組傳輸的盲目性，i-SRA算法從源頭上降低了衛(wèi)星網絡中建立通信路徑所需的請求分組傳播數量，節(jié)約了星上處理資源。
在OPNET平臺上建立了Walker圓形極軌衛(wèi)星網絡，并對改進算法的性能進行了分析驗證。仿真結果表明，改進的i—SRA算法相比源路由SRA算法能夠在很大程度上減少路由開銷，提高衛(wèi)星網絡資源的利用率。
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