一種具有導(dǎo)向功能的LEO網(wǎng)絡(luò)源路由改進(jìn)算法

摘 要：針對全網(wǎng)廣播路由導(dǎo)致系統(tǒng)利用率低的問題，結(jié)合衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)的周期性和準(zhǔn)確預(yù)知等特點(diǎn)，在源路由算法(SRA)的基礎(chǔ)上，引入方向性指導(dǎo)策略，提出了具有導(dǎo)向功能的源路由改進(jìn)算法(i—SRA)。由于采用部分廣播方式，僅向靠近目的節(jié)點(diǎn)的相鄰衛(wèi)星發(fā)送路由請求分組，降低了請求分組傳輸?shù)拿つ啃浴Ｍㄟ^OPNET建模仿真，結(jié)果表明改進(jìn)算法減少了路由負(fù)載開銷，提高了資源利用率。
關(guān)鍵詞：LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；導(dǎo)向策略；源路由；路由負(fù)載

0 引 言
    衛(wèi)星通信具有覆蓋地域廣、長距離傳輸和易實(shí)現(xiàn)廣播的特點(diǎn)，并且能夠支持多媒體通信業(yè)務(wù)，成為軍用和民用領(lǐng)域一種重要的通信手段。隨著星上處理能力的增強(qiáng)，在衛(wèi)星上采用路由交換技術(shù)已成為現(xiàn)代衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變化，在靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下設(shè)計(jì)星上路由算法。
    系統(tǒng)周期分割方法雖然離線計(jì)算星上路由，衛(wèi)星僅在時(shí)間分割點(diǎn)更新，對星上處理能力要求較低，但是不能根據(jù)鏈路的狀態(tài)實(shí)時(shí)地選擇路由，適應(yīng)性差，并且由于分割的拓?fù)淇煺仗?，?dǎo)致星上需要大量的存儲(chǔ)空間。
    而覆蓋域分割方法卻根據(jù)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(jié)構(gòu)上，依據(jù)路由策略和鏈路負(fù)載、故障、擁塞等情況實(shí)時(shí)計(jì)算路由，具有適應(yīng)能力強(qiáng)，所需存儲(chǔ)空間小，同時(shí)提供QoS保證的優(yōu)點(diǎn)，因而，覆蓋域分割類型的路由算法具有較強(qiáng)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(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制中，每顆衛(wèi)星保存整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，實(shí)時(shí)地根據(jù)星間鏈路狀態(tài)，將地面網(wǎng)關(guān)發(fā)送來的封裝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，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(jù)自身鏈路狀態(tài)局部信息，按照邏輯地址為每個(gè)分組獨(dú)立地選擇最小傳輸時(shí)延路徑。由于利用了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)周期性和預(yù)知性的特點(diǎn)，路由開銷非常小，但是每個(gè)分組采用相同的操作獨(dú)立地路由轉(zhuǎn)發(fā)，不區(qū)分對待不同業(yè)務(wù)類型，因而不能提供不同的服務(wù)質(zhì)量。Admela J等設(shè)計(jì)的具有QoS保證的LEO網(wǎng)絡(luò)源路由算法(Source Routing Algorithm，SRA)，源節(jié)點(diǎn)廣播路由請求分組到目的節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)根據(jù)不同傳輸業(yè)務(wù)的不同服務(wù)要求，反饋相應(yīng)的最優(yōu)路徑。雖然能夠反映網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的變化，但是采用全網(wǎng)廣播路由致使開銷巨大。
    本文結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在LEO網(wǎng)絡(luò)SRA算法的基礎(chǔ)上，引入方向性指導(dǎo)策略，提出具有導(dǎo)向功能的源路由改進(jìn)算法(improved Source Routing Algo—rithm，i-SRA)，并對其進(jìn)行性能分析與仿真驗(yàn)證。

l 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)
    由于衛(wèi)星快速移動(dòng)，星間鏈路頻繁地切換，致使依靠不斷交換拓?fù)湫畔砭S護(hù)網(wǎng)絡(luò)路由的地面路由技術(shù)不能適用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。與地面網(wǎng)絡(luò)相比，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)有著其獨(dú)有的特點(diǎn)。
    衛(wèi)星快速移動(dòng)的影響 主要體現(xiàn)在：隨著衛(wèi)星的移動(dòng)，軌道間的ISL長度不斷變化，越過極區(qū)時(shí)需要不斷開啟或關(guān)閉，導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)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(jìn)行鏈路切換；星下點(diǎn)覆蓋域變化時(shí)，由于用戶業(yè)務(wù)地域分布不均勻，導(dǎo)致衛(wèi)星的通信量動(dòng)態(tài)變化，極不均衡；由于衛(wèi)星的軌道是固定的，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓哂兄芷谛浴㈩A(yù)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(shè)備的體積、功耗等都受到限制。路由選擇的處理過程越復(fù)雜，所需的星上處理能力就越強(qiáng)，消耗的功率越多，衛(wèi)星的壽命可能就會(huì)縮短。另外，一旦衛(wèi)星發(fā)射，所應(yīng)用的技術(shù)不能改進(jìn)升級(jí)，存儲(chǔ)和處理能力不能擴(kuò)展。
    其他特點(diǎn) 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，星間鏈路傳輸距離較遠(yuǎn)，衛(wèi)星軌道較高，衛(wèi)星通信具有非常大的延時(shí)，對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)、高性能QoS服務(wù)等方面影響很大；衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目通常是固定不變的；對星座網(wǎng)絡(luò)來說，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有很高的規(guī)則性和均衡性，使得衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)。雖然網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)變化為星上路由算法增加了設(shè)計(jì)難度，但也有簡便的一面?？梢猿浞掷眯l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的周期性和準(zhǔn)確預(yù)測性、規(guī)則性和均衡性、以及節(jié)點(diǎn)數(shù)目少且固定的特點(diǎn)，來簡化路由算法。

2 具有導(dǎo)向功能的源路由改進(jìn)算法i-SRA
2．1 源路由SRA算法
    源路由SRA算法是由源節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星發(fā)起的，目的節(jié)點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的動(dòng)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(wǎng)廣播傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。在星間鏈路上傳輸?shù)耐瑫r(shí)，路由請求分組收集傳輸路徑上經(jīng)過衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)信息。目的節(jié)點(diǎn)收到請求分組后，依據(jù)這些信息來決定最合適的路由。
2．2 全網(wǎng)廣播路由的局限性
    由衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)可知，衛(wèi)星的移動(dòng)性會(huì)增大路由算法設(shè)計(jì)的難度，但由于衛(wèi)星運(yùn)行的軌道和地球自傳速度是固定的，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目不變且非常少，所以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓谴_定的，能夠進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測。
    但是采用全網(wǎng)廣播路由請求分組來建立最優(yōu)路徑的方式，未能結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)這些有利條件來優(yōu)化算法，仍向遠(yuǎn)離目的地址的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)發(fā)送大量的路由請求分組。然而這些請求分組因?yàn)槁酚商鴶?shù)過多，傳輸時(shí)延過長而被淘汰，結(jié)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(wǎng)廣播路由方式產(chǎn)生了過多無用的請求分組，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的浪費(fèi)。
2．3 改進(jìn)算法i-SRA
    衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有周期性和預(yù)知性，源節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星根據(jù)自己覆蓋區(qū)域的邏輯編號(hào)(例如由軌道號(hào)和軌內(nèi)衛(wèi)星編號(hào)組成)以及傳輸分組包含的目的邏輯區(qū)域的邏輯編號(hào)，就可以得到目的節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前方位，估計(jì)傳輸路徑所需的最小路由跳數(shù)。源節(jié)點(diǎn)根據(jù)這些先驗(yàn)信息，來定向地路由或直接轉(zhuǎn)發(fā)分組。這一特性就是方向性指導(dǎo)策略，可以用來簡化路由算法的復(fù)雜性以及減小路由開銷。
    i-SRA算法就是采用方向性指導(dǎo)策略，對LEO網(wǎng)絡(luò)源路由SRA算法進(jìn)行改進(jìn)，以期降低路由算法的網(wǎng)絡(luò)開銷，提高資源利用率。
    具有導(dǎo)向功能的源路由改進(jìn)算法i-SRA的基本思想是：基于源路由SRA算法，根據(jù)方向性指導(dǎo)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(yù)知目的節(jié)點(diǎn)具體方位后，只將請求分組傳播到那些與目的節(jié)點(diǎn)方向一致的星間鏈路上。也就是說，如果目的節(jié)點(diǎn)在東南方向，請求分組就不會(huì)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(yuǎn)程目的用戶D通信的源用戶S向覆蓋域內(nèi)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(diǎn)Sat-S根據(jù)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(jù)呼叫請求的業(yè)務(wù)類型產(chǎn)生具有特定要求的路由連接請求；
    Step 3：根據(jù)目的節(jié)點(diǎn)的方位，按照導(dǎo)向策略，選擇同方向能夠滿足設(shè)定要求的星間鏈路；
    Step 4：源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Sat—S將路由請求分組在已選鏈路ISL上傳輸，轉(zhuǎn)發(fā)給相鄰衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)，然后這些衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)以相同的方式將請求分組轉(zhuǎn)發(fā)到其他相鄰衛(wèi)星，直至到達(dá)目的用戶所在邏輯區(qū)域上空的目的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Sat-D；
    Step 5：目的節(jié)點(diǎn)衛(wèi)星Sat-D通知目的用戶D有呼叫到達(dá)，并且在到達(dá)的多條候選鏈路中，選擇滿足呼叫業(yè)務(wù)要求(比如最小跳數(shù))且最長壽命時(shí)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(shí)獲得通信資源的預(yù)留。當(dāng)源衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)Sat-S獲得該路由信息分組時(shí)，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(shù)據(jù)；
    Step 7：已建立通信鏈路的壽命時(shí)間到達(dá)時(shí)，如果通信業(yè)務(wù)還未結(jié)束，回到Step 3，提前重新路由，并進(jìn)行鏈路的切換。
2．4 i-SRA算法性能分析
    改進(jìn)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(diǎn)方向一致的星間鏈路上，沒有在全網(wǎng)上傳輸。雖然與目的節(jié)點(diǎn)方向相反鏈路上傳輸?shù)恼埱蠓纸M最終也可能到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)，但是由于星間鏈路延時(shí)本身就比較大，其經(jīng)歷的衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)又很多，結(jié)果獲得傳輸路徑的延時(shí)非常大，在眾多候選路徑中最終也會(huì)被淘汰。
    所以，i-SRA算法利用了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可預(yù)知性，減少請求分組傳播的盲目性，不產(chǎn)生這些易被淘汰的路徑，從源頭上減少網(wǎng)絡(luò)中路由請求分組的傳輸數(shù)量，節(jié)約了處理這些分組所耗費(fèi)的星上功率，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。

3 仿真驗(yàn)證
    使用STK軟件構(gòu)建了參數(shù)T／P／F為30／5／O(其中表示衛(wèi)星數(shù)目為30顆，軌道數(shù)目為5，相位因子為0)的LEO圓形極軌walker星座，如圖1所示。網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)分析工具仿真了LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行12 h期間路由負(fù)載的情況。

    如圖2所示為LEO網(wǎng)絡(luò)源路由SRA算法和改進(jìn)算法i—SRA的平均路由負(fù)載結(jié)果。源路由算法SRA每次路由的平均負(fù)載大約為11個(gè)路由請求分組，而i-SRA算法大約為8個(gè)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(shù)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(dǎo)策略后的i-SRA算法相比源路由SRA算法確實(shí)能夠降低建立傳輸路徑所需要的路由開銷，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

4 結(jié) 語
    根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)周期性和預(yù)知性的特點(diǎn)，針對LEO網(wǎng)絡(luò)源路由算法SRA采用全網(wǎng)廣播路由方式導(dǎo)致系統(tǒng)開銷大的缺陷，結(jié)合方向性指導(dǎo)策略，提出了具有導(dǎo)向功能的星上源路由改進(jìn)算法i-SRA。由于減小了路由請求分組傳輸?shù)拿つ啃裕琲-SRA算法從源頭上降低了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中建立通信路徑所需的請求分組傳播數(shù)量，節(jié)約了星上處理資源。
    在OPNET平臺(tái)上建立了Walker圓形極軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，并對改進(jìn)算法的性能進(jìn)行了分析驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)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(wǎng)絡(luò)資源的利用率。