一种基于等长时隙划分双层卫星网络路由算法

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1、2015年6月第3期中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology一种基于等长时隙划分双层卫星网络路由算法张景斌h2刘炯1申普兵1(1西安通信学院，西安710106)(273132部队，漳州363111)摘要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(I．EO)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

2、一1engthIntervalSnapshotsandOn-boardDistributedRoutingAlgorithm，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(VirtualizedTimeandI。ayeredManagementRoutingAlgorithm，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。关键词地球静止轨

3、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DOI：10．3780／i．issn．1000一758X．2015．03．0031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

4、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∞]。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

5、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walkerDelta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，国内外已陕西省科学技术研究发展计划(2013JM8007)；全军军事学研究生课题(201lJY002—253)资助项目收稿日期：201

6、4—1l28。收修改稿日期：2015—02—2718中国空间科学技术2015年6月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阻“’-。2GEO／I。EO双层卫星网络体系架构介绍本文研究的GE()／I。E()双层卫星网络体系架构如图l所示，该体系架构由GE()星座、LEO星座以及地面系统组成。戈EO层妒而系统．j}llLJLLj，LL【J从坛卫丛』tq：占烨乐架陶Fig．1StructureofGE()／1．E()double—layeredsaIellitec

7、onstellationnelwork为克服多层卫星网络中互联关系复杂、设计难度高等问题，GE()／I。EO双层卫星网络体系架构采用“骨干／接人”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，GE0／I。E()双层卫星网络层间链路设计采用“弱连接”思想u2I，即某一时刻，每颗I。E()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。GE()星座作为骨干层，由均匀分布在赤道上空的N。颗GE()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

8、、状态监控、LEO卫星管理等任务；当管理组内I。EO卫星负荷较重时，为其分担部分非实时数据业务，以缓解I．E()层流量负载