低軌衛星網絡路由技術研究分析(低軌道衛星技術)
低軌衛星由于其軌道高度較低，在與地面節點進行通信時，存在雙程時延低、星地鏈路損耗小、數據傳輸速率高等優點，但由于其軌道運行周期短，網絡拓撲變化比較快，傳統的地面網絡路由無法適應高動態的低軌衛星網絡。為適應動態變化的網絡拓撲，保證低軌衛星通信質量，各類路由技術相繼被提出。本文根據衛星網絡路由技術的發展脈絡，對當前主要的路由技術進行分類，綜述各類路由技術的功能、機制及特點，然后從開銷和性能兩個方面對各類技術的優缺點進行對比，最后結合低軌衛星網絡發展趨勢，提出了在設計衛星網絡路由技術時應當重點把握的幾點原則。
1、引言
天地一體化網絡是以地面網絡為基礎、以衛星網絡為延伸，實現空、天、地信息網絡的相互融合，為天基、空基、陸基、海基等提供信息通信保障的基礎設施，是國家信息網絡實現全球覆蓋、寬帶傳輸、軍隊聯合作戰等的必經之路。低軌衛星網絡作為天地一體化網絡的重要組成部分，其應用與發展正在加速推進，以Starlink、銥星等為代表的低軌衛星服務正在逐漸滲透到計算機互聯、醫療數據、應急業務、交通信息等軍民各類領域，低軌資源也逐漸成為各國爭奪的又一新領域。
低軌衛星由于其軌道高度比較低，在進行通信時，存在雙程時延低、星地鏈路損耗小、數據傳輸速率高等優點，但由于軌道運行周期短，網絡拓撲變化比較快，在通信時既要保證通信質量，又要適應動態變化的網絡拓撲。所以，路由問題一直是低軌衛星網絡研究的重點和難點。
2、LEO衛星網絡路由
根據衛星網絡路由技術的發展脈絡和相應特點，通常可以把低軌衛星網絡路由技術分為面向連接和面向非連接的衛星網絡路由[17]，具體分類如圖1所示。我們將系統地闡述各類路由技術的主要功能、機制及特點。
圖1 低軌衛星網絡路由算法分類圖
2．1面向連接的路由技術
以ATM為代表的面向連接網絡技術在上世紀90年代得到了非常廣泛的研究與應用,當時的人們將其看作構建未來寬帶綜合業務網的基本網絡機制[1]。最早的對于LEO衛星網絡路由技術的研究都是從ATM機制開始的,很多算法都采用面向連接的機制[2，3]。已經提出的面向連接的單層LEO衛星網絡路由算法主要有以下2類:
（1）基于虛擬拓撲的路由算法
Werner[6～8]提出的基于ATM 機制的DT-DVTR 路由算法、Chang[21]提出的基于FSA的路由算法、Gounder[22]提出的基于快照的路由算法、CEMR路由算法、ELB[23，24]路由算法、PAR[25]路由算法都屬于系統周期分割機制。為保證吞吐率能夠滿足不同的業務需求，確保網絡的性能良好，李楠[33]等人提出了一種復合分組調度策略和基于擁塞控制的備份路由方法相結合的算法，能夠滿足不同業務的服務質量需求，同時也保證網絡節點在發生負載時實現業務分流。
基于虛擬拓撲的路由算法，是通過利用衛星星座運轉的周期性和可預測性,將星座周期劃分成若干個時間片,如圖2所示，將系統的網絡結構在時間軸上劃分為多個離散的快照，每個時間片內網絡拓撲被看作是固定不變的,從而依據網絡結構的可預測性提前為各網絡節點建立不同時間片內的連接關系。
圖2 拓撲快照示意圖
DT-DVTR算法[4～6]是基于虛擬拓撲路由算法的典型代表。該算法將衛星網絡的系統周期劃分為N個時間片,每個時間片內的網絡拓撲被認為是固定不變的,我們只需要計算N個靜態虛擬拓撲下的VP路由。算法首先根據星間鏈路拓撲數據以及路徑時延最小的要求,在每個時間片內，為每對衛星間計算出多條路徑,形成備選VP路徑集合;然后從這些備選的VP路徑集合中選擇相鄰時間片之間VP路徑變化最小的路徑作為最優路徑。優化過的路由需要在地面預先計算后發送給衛星,衛星在時間片分割點處修改路由表。
此類算法不能有效解決鏈路切換引起的重路由問題,該問題對于面向連接的衛星網絡而言是非常重要的。
（2）基于覆蓋域劃分的路由算法
基于覆蓋域劃分的路由算法主要是為了解決因鏈路切換而引起的重路由問題,該算法假設是衛星的移動引起了切換的發生,然后由地面終端來選擇切換后新的源端衛星和目的端衛星,空間段不再執行完全重路由，面是按照衛星覆蓋區域的鄰接關系計算最優路徑。如圖3所示，由于衛星的軌道運動，用戶B的接入衛星由衛星2轉移到衛星3，此時需要建立衛星2和衛星3間的路由。
圖3 用戶終端接入衛星轉移示意圖
覆蓋域切換重路由協議(FHRP)[9]是基于覆蓋域劃分路由算法的典型代表。該協議可以分為路徑增量更新算法和路徑重建算法。在路徑增量更新階段,利用衛星網絡拓撲結構的規則性和周期性,計算切換后新加入衛星到原來路徑上的衛星之間的增量，并與原路徑合并形成新的路徑。該算法假設在路徑更新前從源到目的的初始路由是優化的，路徑更新后新的衛星接替而形成的路由也是優化的。
在多次的路徑增量更新后，由于通信流量和鏈路特性等情況發生變化，路徑增量更新階段形成的路徑可能會偏離最優路徑，那么在一定時間段內需要進行重路由，這就是路徑重建階段，該階段由源節點確定重建時間,向目的節點發送路由建立請求并進行初始化,新路徑的網絡資源滿足后,各節點開始更新路由信息,最后刪除原來的路徑。
與基于虛擬拓撲的路由算法相比，該算法優點是發生切換發生后根據衛星的覆蓋域特性計算出新的最優路徑，算法操作比較簡單。但由于該算法是一個切換控制協議,端用戶需要參與協議的計算,這將增加端用戶設計的復雜性和計算量。以固定的間隔更新路由會導致性能的劇烈震蕩。
2．2面向非連接的路由技術
IP技術的地面網絡中的應用促使其在衛星網絡中得到快速發展。在衛星IP網絡中,我們可以把每一個衛星節點可以看作獨立的交換機或路由器,可在星上實現數據分組轉發。相比于面向連接的衛星網絡,面向無連接的衛星網絡可以把星間鏈路路由與星地鏈路路由分開討論,不必要考慮因切換而引起的重路由問題[10，11]。由于基于IP的網絡機制在地面網絡中廣泛應用,在考慮與地面網絡結合融合,促進天地一體化建設方面，面向無連接的衛星網絡具有較大優勢。
面向無連接的單層衛星網絡路由算法主要分為以下3類:
（1）基于數據驅動的路由算法
Darting 算法[26]和Karapantazis等人[13]提出的LAOR算法都屬于基于數據驅動的路由算法，董紹進[29]引入了多路徑技術和基于多路徑的負載均衡技術，提出了MBR算法，畢夢格[20]引入了繼承協作衛星，將服務時間最大化作為路由選擇的度量標準，對AODV算法進行優化。
該類算法以降低網絡拓撲結構更新頻繁而引起的通信開銷為設計目標,只有在進行數據傳輸時才驅動路由查詢，沒有數據傳輸時不進行路由更新。基于數據驅動的路由策略只需維護到達網絡中部分衛星的路由，節省了星上的存儲空間，降低了路由開銷。
圖4 AODV路由建立過程
按需路由是基于數據驅動的路由策略的一種，由于低軌衛星網絡拓撲結構變化比較快，這個特點與AdHoc網絡具有一定的相似性，于是我們引入了應用于無線自組織網絡中的反應式按需路由（AODV）[12]的思想。AODV主要包括三類報文，分別是路由請求（RouteRequest，RREQ）、路由回復（RouteReply，RREP）與路由錯誤（RouteError，RERR）。
協議可分為路由發現過程與維護過程，在運行過程中通過鏈路探測進行路由維護。當節點向目的節點傳輸數據而不存在可用路由時驅動路由協議的運行，為源目的節點對計算路由，圖4為AODV路由建立過程[20]。文獻[13]提出了輔助定位按需路由協議LAOR,當通信請求到達時,為了降低額外的信號負載,算法根據源衛星與目的衛星的相對位置,限制了泛洪區，避免消息在整個網絡中的泛洪,通過調用路徑發現過程尋找時延最短路徑。
按需路由協議只需要周期性地探測鏈路連通性，無需交換網絡拓撲信息，能夠很好的適應節點失效、臨時入網與退網的情況，相比于其它路由算法，降低了路由的收斂時間，增加了路由響應拓撲變化的速度，有效地節省了衛星網絡中有限的資源，對保證自組織低軌衛星網絡中的數據傳輸質量顯得更加有效，但由于其對路由請求區域進行了限制,不能從全網角度實現平衡流量的目的。
（2）基于覆蓋域劃分的路由算法
Hashimoto[15]提出的基于IP的路由、Mauger[27]提出的基于TDMA的路由，都屬于區域分割機制。在不同的衛星網絡運行時刻,每顆衛星的覆蓋區域動態變化,地面用戶也在不同的服務衛星間切換。衛星可保存網絡的動態拓撲結構的衛星間的相對位置，地面用戶位置相對隨機，如果將地面用戶的地理位置封裝在數據分組中，有利于地面用戶間通過衛星網絡進行路由。該算法將地球表面劃分為不同的區域，并給定不同的邏輯地址，在固定時刻，該區域的邏輯地址賦予最靠近區域中心的衛星。衛星根據其運行狀態動態改變其邏輯地址。衛星覆蓋域劃分如圖5所示[14]。
圖5 衛星覆蓋域劃分示意圖
Y.Hashimoto等提出一種基于IP的衛星網絡路由框架(SIPR)[15],該框架根據衛星的覆蓋域將地球表面劃分為一定數量的蜂窩(Cell)和宏蜂窩(SuperCell)并對其進行編號,地面終端按照其所屬蜂窩的編號確定在衛星網絡中的地址,以此確定地面終端位置和衛星位置的對應關系。將衛星分組的頭部格式定義為:
該方法由地面網關系統生成衛星分組頭，衛星保存網絡系統的拓撲結構，在任何時候都知道自己與鄰居衛星的鄰接關系，在進行分組轉發時，各衛星節點根據數據包頭部的目的終端位置信息來確定下一跳轉發方向，直到轉發到目的衛星。分布式地理位置路由算法（DGRA）[16]就是在在SIPR路由框架的基礎上提出來的一種基于覆蓋域劃分的路由算法。該算法分兩種情況進行分組轉發，當分組與目的衛星距離較遠時,依據當前衛星和目的衛星的位置關系進行轉發，當接近目的衛星時,則根據收集到的本地拓撲信息計算到目的衛星的最短路徑,并沿此轉發。
基于覆蓋域劃分的路由算法利用了衛星星座運轉的規律性,實現較為簡單。這類算法的缺陷在于如果網絡拓撲的規則性被打破,就會出現路由失敗的問題,如在“縫”兩側、極地區域和某衛星失效等情況下會出現路由失敗,健壯性較差。
（3）基于虛擬節點的路由算法
E.Ekici[17,18]提出的分布式路由算法DRA，T.H.Chan[28]提出的基于局部區域LZDR算法都是基于虛擬節點的路由算法。劉慶利[34]等人提出的基于地理位置的多業務LEO衛星網絡路由算法，通過地理位置來確定數據的下一跳轉發方向，并為不同數據類型實時計算路由，業務的服務質量得到了有效的提升。李賀武[35]等人提出了一種基于地理位置的路由算法—LA-ISTN算法，該算法通過衛星間的位置關系來確定轉發接口，沒有路由更新包交換開銷，不依賴預測的鏈路連接關系，穩定性強，存儲開銷小。
該類算法是在基于覆蓋域劃分路由算法的基礎上進行改進。首先建立一下由虛擬節點組成的衛星網絡模型,為每個虛擬節點分配一個固定的地理坐標。衛星在運行過程中，根據當前位置與虛擬節點地理位置的距離關系，將距離衛星最近的虛擬節點位置被認為是該衛星的位置。在衛星發生切換時,路由表和鏈路隊列等狀態信息從當前衛星轉移到后續衛星上。通過以上地理位置轉化，我們在計算路由時，不必考慮衛星星座的動態性，只需要計算由虛擬節點構成的邏輯平面內最短路由。
圖6 DRA算法路由示意圖
分布式路由算法（DRA）是基于虛擬節點路由算法的典型代表,該算法以全球衛星通信網絡（Teledesic）為參考模型，將分組傳輸時延最小化作為優化目標,星座中的每顆衛星的地理坐標用邏輯地址
來表示,其中P表示衛星所處的軌道面在星座中的編號,S表示衛星在本軌道內的編號，該邏輯地址在衛星的運行過程中動態變化。DRA算法主要包括方向估計、方向修正和擁塞處理三個階段。在方向估計階段,該算法假設所有星間鏈路（ISL）的長度相等,依據當前衛星與目的衛星的邏輯地址,將邏輯平面上兩點的最短路徑作為度量代價，來確定下一跳轉發方向。
衛星收到該分組時，根據自己當前的邏輯地址及目的衛星邏輯地址,來決定下一跳衛星的候選方向,圖中源衛星節點的候選方向是北(上)或者東(右)。在方向修正階段,算法對軌內ISL和軌間ISL的長度進行區分，根據源衛星和目的衛星邏輯地址的相對位置關系，將方向估計階段計算的方向標記為主要方向和次要方向，并提供了衛星在極地地區及“縫”兩側時的解決方案。
為了解決各衛星之間不交換網絡狀態信息和控制信息而引起網絡擁塞的問題，算法引入擁塞處理階段,算法實時監控鏈路出口隊列緩沖區占用情況,一旦發現緩沖區可能溢出,則通過反向傳輸擁塞信息來消除擁塞。其它學者也提出了一些基于IP的分布式路由算法[30～32],算法的基本策略與DRA相同，在一定程度上降低了路由的計算與存儲開銷,一定程度上消除了衛星失效與流量擁塞等情況造成的影響,但不能從全局角度消除這些問題。
基于虛擬節點的路由策略將實際衛星與虛擬節點進行綁定，削弱了衛星網絡拓撲動態變化對路由協議的影響，簡化了路由計算的復雜性，衛星無需維護大量的路由表；但是通常只能應用在拓撲規則的衛星網絡中，當網絡中的節點或鏈路失效時，路由協議不能快速更新，數據轉發無法正常進行。根據地球地理特征，高緯度地區的軌間鏈路距離更短,其傳播時延大大低于赤道附近軌間鏈路,該算法容易造成高緯度地區的鏈路發生擁塞。
3、各類路由算法性能比較
基于對以上各類路由算法的主要功能、特點及性能進行分析，我們進一步對各類算法的開銷和性能進行整理分析，如下表所示：
表1主要的LEO衛星網絡路由協議開銷及性能比較
由于衛星網絡拓撲結構的高度動態變化，面向連接的路由技術存在以下缺點：（1）無法從根本上避免鏈路切換和連接切換以及由此引起的一系列切換控制和重路由計算問題。（2）計算開銷比較大而且星上實現困難，一般都需要地面系統的輔助計算。（3）要實現與地面IP網絡的融合,需要經過協議轉換、數據格式轉換等一系列中間過程,這將帶來額外的時間開銷與處理開銷,使系統實現更加復雜。因此，現在的低軌衛星路由協議研究主要集中在非連接的路由算法上。
4、結束語
低軌衛星網絡系統的發展方向是寬帶數據通信,能夠提供實時的多媒體通信服務,支持衛星間的寬帶的星際鏈路,形成衛星自治域系統,減少對地面網絡資源的依賴,星上處理能力更強,具備更多的數據處理與存儲能力。低軌衛星網絡系統是一個非常復雜的系統工程,涉及衛星研制、生產、發射和測控以及網絡通信、數據處理和存儲等,在設計最初的網絡系統時,就要進行全方位的考慮。
網絡路由算法是隨著網絡規模的不斷擴大和網絡應用的不斷豐富發展起來的，路由選擇的本質是路徑優化問題。根據衛星網絡系統的特點,在設計路由算法時應當遵循以下幾點原則:
(1)簡單性。衛星資源的使用效率將直接影響衛星壽命及效能發揮，所以我們在設計路由算法時，盡量最少算法設計的復雜性，避免開銷和存儲開銷，節省衛星的寶貴資源。
(2)健壯性。隨著低軌衛星技術的快速發展，其網絡規模在不斷擴大，衛星節點新增、失效以及擁塞等情況時有發生，路由算法應當具備靈活適應各種網絡情況的能力，在各類突發情況和異常情況下，也能夠保證正確運行。
(3)收斂性。路由算法收斂過慢將會導致路由循環或網絡損耗，算法應當很好的適應節點失效、臨時入網與退網的情況，盡量減小收斂時間，保證數據傳輸的有效性。
(4)適用性。隨著衛星網絡不斷發展，大的衛星網絡系統往往包含各種軌道類型以及地面網絡，路由算法應當很好地適用于各類網絡系統，能夠實現與地面網絡的融合。
