低轨卫星概念(低轨道卫星特点)

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文|吴曙光、、王宇、钱、、(航天工程大学等。)
摘要:
低轨卫星由于轨道高度低，在与地面节点通信时，具有双向时延低、星地链路损耗低、数据传输速率高等优点。然而，由于其轨道周期短，网络拓扑变化快，传统的地面网络路由无法适应高动态的低轨卫星网络。为了适应动态的网络拓扑结构，保证低轨卫星的通信质量，各种路由技术相继被提出。根据卫星网络路由技术的发展，对目前主要的路由技术进行了分类，总结了各种路由技术的功能、机制和特点，然后从开销和性能两个方面比较了各种技术的优缺点。最后，结合低轨卫星网络的发展趋势，提出了设计卫星网络路由技术时应强调的一些原则。
1.介绍
天地一体化网络是以地面网络为基础，以卫星网络为延伸，实现空、天基和陆基信息网络相互融合的基础设施，为天基、空、陆基和海基信息网络提供信息和通信保障。是国家信息网络实现全球覆盖、宽带传输、三军联合作战的必由之路。低轨卫星网络是天地一体化网络的重要组成部分，其应用和发展正在加速。以Starlink和铱星为代表的低轨卫星业务正逐渐渗透到军用和民用的各个领域，如计算机互联、医疗数据、应急服务、交通信息等。低地球轨道资源正逐渐成为各国争夺的另一个新领域。
低轨卫星由于轨道高度低，通信时具有双向时延低、星地链路损耗低、数据传输速率高等优点。但由于其轨道周期短，网络拓扑变化快，需要保证通信质量，适应动态的网络拓扑。因此，路由问题一直是低轨卫星网络研究的重点和难点。
2.LEO卫星网络路由
根据卫星网络路由技术的发展和相应特点，LEO卫星网络路由技术通常可以分为面向连接和非面向连接的卫星网络路由图1低轨卫星网络路由算法分类图。具体分类如图1所示。我们将系统地描述各种路由技术的主要功能、机制和特点。
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2.1面向连接的路由技术
以ATM为代表的面向连接的网络技术在20世纪90年代得到了广泛的研究和应用，当时人们将其视为构建未来宽带综合业务网的基本网络机制[1]。LEO卫星网络路由技术最早的研究是从ATM机制开始的，很多算法都采用了面向连接的机制[2，3]。针对面向连接的单层LEO卫星网络提出的路由算法主要包括以下两类:
(1)基于虚拟拓扑的路由算法
Werner [6 ~ 8]提出的基于ATM机制的DT-DVTR路由算法、Chang[21]提出的FSA路由算法、Gounder[22]提出的基于快照的路由算法、路由算法、[23，24]路由算法、PAR[25]路由算法都属于系统周期划分机制。为了保证吞吐率能够满足不同的业务需求，保证网络的良好性能，李楠这种算法不能有效地解决链路切换带来的重路由问题，而链路切换对于面向连接的卫星网络非常重要。等人提出了基于拥塞控制的复合分组调度策略和备份路由方法相结合的算法，能够满足不同业务的QoS需求，同时保证网络节点在负载发生时能够实现业务分流。
基于虚拟拓扑的路由算法利用卫星星座运行的周期性和可预测性，将星座周期分成若干时间片。如图2所示，将系统的网络结构在时间轴上划分为若干个离散的快照，将每个时间片中的网络拓扑视为固定的，从而根据网络结构的可预测性，为每个网络节点预先建立不同时间片中的连接关系。
图2拓扑快照示意图
DT-DVTR算法[4 ~ 6]是基于虚拟拓扑的路由算法的典型代表。该算法将卫星网络的系统周期分成N个时间片，每个时间片中的网络拓扑被认为是固定的。我们只需要计算N个静态虚拟拓扑中的VP路由。该算法首先根据星间链路的拓扑数据和最小路径延迟的要求，在每个时间片内为每对卫星计算多条路径，形成一组备选VP路径。然后，从这些备选VP路径集中，选择相邻时间片之间具有最小VP路径变化的路径作为最佳路径。优化后的路由需要在地面预先计算好并发送给卫星，卫星在时间片划分点修改路由表。
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(2)基于覆盖域划分的路由算法
基于覆盖区域划分的路由算法主要是解决链路切换引起的重路由问题。该算法假设由于卫星的移动而发生切换，然后地面终端选择切换后新的源卫星和目的卫星。空段不再执行完全重路由，而是根据卫星覆盖区域的邻接度计算最优路径。如图3所示，由于卫星的轨道运动，用户B的接入卫星从卫星2转移到卫星3。此时，需要建立卫星2和卫星3之间的路由。
图3用户终端接入卫星传输示意图
覆盖交换重路由协议(FHRP)[9]是基于覆盖划分的路由算法的典型代表。该协议可分为路径增量更新算法和路径重建算法。在路径增量更新阶段，利用卫星网络拓扑的规律性和周期性，计算新增加的卫星与原路径上的卫星之间的增量，并与原路径合并形成新路径。该算法假设在路径更新之前，从源到目的地的初始路由是优化的，并且在路径更新之后，新卫星形成的路由也是优化的。
经过反复的路径增量更新，路径增量更新阶段形成的路径可能会由于通信流量和链路特性的变化而偏离最优路径，因此需要在一定时间内进行重路由，这就是路径重建阶段。在此阶段，源节点确定重建时间，向目的节点发送路由建立请求并初始化。新路径的网络资源满足后，各节点开始更新路由信息，最后删除原路径。
与基于虚拟拓扑的路由算法相比，该算法的优点是可以根据切换后卫星覆盖区域的特点计算出新的最优路径，算法操作相对简单。但是，由于该算法是切换控制协议，终端用户需要参与协议的计算，这将增加终端用户设计的复杂度和计算量。此外，定期更新路由会导致严重的性能冲击。
2.2非面向连接的路由技术
IP技术在地面网络中的应用促进了其在卫星网络中的快速发展。在卫星IP网络中，我们可以把每个卫星节点看作一个独立的交换机或路由器，在卫星上实现数据包转发。与面向连接的卫星网络相比，无连接卫星网络可以将星间链路路由与星地链路路由分开，无需考虑切换引起的重路由问题[10，11]。由于基于IP的网络机制广泛应用于地面网络，因此面对无连接的卫星网络，在考虑与地面网络的融合，促进天地一体化方面具有很大的优势。
无连接单层卫星网络的路由算法主要分为以下三类:
(1)基于数据驱动的路由算法
Darting算法[26]和Karapantazis等人[13]提出的LAOR算法属于数据驱动的路由算法。董绍金[29]介绍了多路径技术和基于多路径的负载均衡技术，并提出了MBR算法。毕梦戈[20]引入了继承合作卫星，以最大服务时间作为路由选择的度量，并对AODV算法进行了优化。
这种算法旨在减少频繁的网络拓扑更新带来的通信开销。它只在有数据传输时驱动路由查询，没有数据传输时不更新路由。数据驱动的路由策略只需要维护到网络中部分卫星的路由，节省了卫星上的存储空，降低了路由开销。
图4 AODV航线建立流程
按需路由是一种数据驱动的路由策略。由于LEO卫星网络的拓扑结构变化迅速，这一特点与AdHoc网络相似，因此我们引入了应用于无线ad hoc网络的反应式按需路由(AODV)的思想[12]。AODV主要包括三类消息，即RouteRequest (RREQ)、RouteReply (RREP)和RouteError (RERR)。
该协议可以分为路由发现过程和维护过程。在运行过程中，通过链路检测进行路由维护。当一个节点向目的节点传输数据时，如果没有可用的路由，它会驱动路由协议运行，并计算源-目的节点对的路由。图4显示了AODV路由建立过程[20]。文献[13]提出了位置辅助的按需路由协议LAOR。当一个通信请求到达时，为了减少额外的信号负载，算法根据源卫星和目的卫星的相对位置来限定洪泛区域，避免消息在全网洪泛，并通过调用路径发现过程来搜索有延迟的最短路径。
按需路由协议只需要周期性地探测链路连通性，不需要交换网络拓扑信息，能够适应节点失效、临时接入和退出的情况。与其他路由算法相比，它减少了路由的收敛时间，提高了路由对拓扑变化的响应速度，有效地节省了卫星网络中有限的资源，更有效地保证了自组织LEO卫星网络中的数据传输质量。但是，由于路由请求区域的限制，它不能达到从全网均衡流量的目的。
(2)基于覆盖域划分的路由算法
Hashimoto[15]提出的基于IP的路由和Mauger[27]提出的基于TDMA的路由都属于区域分割机制。在卫星网络运行的不同时间，每颗卫星的覆盖区域是动态变化的，地面用户也在不同的服务卫星之间切换。卫星可以在网络的动态拓扑结构中存储卫星的相对位置，地面用户的位置相对随机。如果将地面用户的地理位置封装在数据包中，则有利于地面用户通过卫星网络进行路由。该算法将地球表面划分为不同的区域，并给出不同的逻辑地址。在固定的时间，该区域的逻辑地址被给予最接近该区域中心的卫星。卫星根据其运行状态动态地改变其逻辑地址。卫星覆盖区域划分如图5 [14]所示。
图5卫星覆盖区域划分示意图
Y.Hashimoto等人提出了基于IP的卫星网络路由框架(SIPR)[15]，根据卫星的覆盖区域将地球表面划分为一定数量的小区和宏小区，并对其进行编号。地面终端根据其所属超级小区的数量确定在卫星网络中的地址，从而确定地面终端位置与卫星位置的对应关系。卫星包的报头格式定义为:，分别代表:。其中，SID、CID和TerminalID共同构成了目的节点的虚拟地址(VID，Virtual ID)，其中包含了目的节点的地理位置。DatagramID用于区分不同的消息，序列号用于区分一个消息被分成的卫星分组。
在这种方法中，卫星包头由地面网关系统生成，卫星保持网络系统的拓扑结构，从而随时知道自己与邻居卫星的相邻关系。在数据包转发过程中，每个卫星节点根据包头的目的终端位置信息确定下一跳转发方向，直至转发到目的卫星。分布式地理位置路由算法(DGRA)[16]是一种基于覆盖划分的路由算法，是在SIPR路由框架的基础上提出的。该算法在两种情况下转发数据包。当数据包远离目的卫星时，根据当前卫星与目的卫星的位置关系进行转发。当它接近目的卫星时，它根据收集到的本地拓扑信息计算到目的卫星的最短路径，并沿着这条路径转发。
基于覆盖划分的路由算法利用了卫星星座运行的规律性，易于实现。这类算法的缺点是，如果网络拓扑的规律性被打破，就会出现路由失败，比如“槽”两边的路由失败，极地的路由失败，卫星出现故障时的路由失败，鲁棒性较差。
(3)基于虚拟节点的路由算法。
E .埃基齐[17，18]提出的分布式路由算法DRA和T.H.Chan[28]提出的基于局域的LZDR算法都是基于虚拟节点的路由算法。刘等[34]提出了一种基于地理位置的多业务LEO卫星网络路由算法，通过地理位置确定数据的下一跳转发方向，并针对不同的数据类型实时计算路由，有效地提高了业务的服务质量。何武[35]等人提出了一种基于地理位置的路由算法———LA-ISTN算法，通过卫星之间的位置关系确定转发接口。它没有路由更新包交换开销，不依赖于预测的链路连接关系，稳定性强，存储开销低。
这种算法是在基于覆盖区域划分的路由算法的基础上改进的。首先，建立由虚拟节点组成的卫星网络模型，并为每个虚拟节点分配一个固定的地理坐标。在卫星运行过程中，根据当前位置与虚拟节点地理位置的距离关系，将距离卫星最近的虚拟节点的位置视为卫星的位置。卫星切换时，路由表、链路队列等状态信息从当前卫星转移到后续卫星。通过上述地理位置变换，我们在计算路径时不必考虑卫星星座的动态，只需要计算虚拟节点组成的逻辑平面内的最短路径即可。
图6 DRA算法路由框图
分布式路由算法(Distributed routing algorithm，DRA)是基于虚拟节点的路由算法的典型代表，它以全球卫星通信网络(Teledesic)为参考模型，以最小化分组传输延迟为优化目标，对星座中每颗卫星的地理坐标使用逻辑地址。
，其中P表示卫星在星座中的轨道平面号，S表示该轨道上的卫星号。该逻辑地址在卫星运行期间动态变化。DRA算法主要包括三个阶段:方向估计、方向修正和拥塞处理。在方向估计阶段，该算法假设所有ISL的长度相等。根据当前卫星和目的卫星的逻辑地址，以逻辑平面上两点间的最短路径作为测量代价，确定下一跳转发方向。
当卫星接收到分组时，它根据其当前逻辑地址和目的卫星的逻辑地址来决定下一跳卫星的候选方向。图中源卫星节点的候选方向是北(上)或东(右)。在方向校正阶段，该算法区分轨道中的星间链路和轨道之间的星间链路的长度。根据源卫星和目的卫星的逻辑地址之间的相对位置关系，将方向估计阶段计算的方向标记为主方向和次方向，并在卫星处于极区和“缝隙”两侧时提供解。
为了解决卫星间网络状态信息和控制信息不交换导致的网络拥塞问题，算法引入了拥塞处理阶段，算法实时监控链路出口队列的缓冲区占用情况。一旦发现缓冲区可能溢出，就通过反向传输拥塞信息来消除拥塞。其他学者也提出了一些基于IP的分布式路由算法[30 ~ 32]。算法的基本策略与DRA相同，在一定程度上降低了路由计算和存储的成本，在一定程度上消除了卫星失效和流量拥塞的影响，但无法从全局角度消除这些问题。
基于虚拟节点的路由策略将实际卫星与虚拟节点绑定在一起，弱化了卫星网络拓扑动态变化对路由协议的影响，简化了路由计算的复杂度，卫星不需要维护大量路由表。但是，它只能用于规则拓扑的卫星网络。当网络中的节点或链路出现故障时，路由协议无法快速更新，数据转发无法正常进行。根据地球的地理特征，高纬度地区的轨间链路距离较短，其传播延迟远低于赤道附近的轨间链路。这种算法容易造成高纬度地区链路的拥塞。
3.各种路由算法的性能比较。
在分析上述各种路由算法的主要功能、特点和性能的基础上，我们进一步整理和分析了各种算法的开销和性能，如下表所示:
表1主要低轨卫星网络路由协议的开销和性能比较
由于卫星网络拓扑的高度动态变化，面向连接的路由技术存在以下缺点:(1)无法从根本上避免链路切换和连接切换以及由此引发的一系列切换控制和重路由计算问题。(2)计算成本比较大，难以星上实现，一般需要地面系统辅助计算。(3)实现与地面IP网络的融合，需要协议转换、数据格式转换等一系列中间过程，会带来额外的时间和处理开销，使系统实现更加复杂。因此，目前对低轨卫星路由协议的研究主要集中在非连通路由算法上。
4.结束语
低轨卫星网络系统的发展方向是宽带数据通信，能够提供实时多媒体通信服务，支持宽带星间链路，形成卫星自治域系统，减少对地面网络资源的依赖，具有更强的星上处理能力和更多的数据处理存储能力。低轨卫星网络系统是一项非常复杂的系统工程，涉及卫星研制、生产、发射、测控、网络通信、数据处理和存储等。在设计初始网络系统时，需要考虑方方面面。
随着网络规模的不断扩大和网络应用的不断丰富，网络路由算法不断发展，路由选择的本质是路径优化。根据卫星网络系统的特点，设计路由算法时应遵循以下原则:
(1)简单性。卫星资源的利用效率将直接影响卫星的使用寿命和效率，因此在设计路由算法时，应尽量降低算法设计的复杂度，避免开销和存储开销，节省宝贵的卫星资源。
(2)鲁棒性。随着低轨卫星技术的快速发展，其网络规模不断扩大，新的卫星节点、故障和拥塞时有发生。路由算法应具有灵活适应各种网络条件的能力，并保证在各种意外和异常情况下的正确运行。
(3)趋同。路由算法收敛太慢会导致路由循环或网络丢失。算法要适应节点失效、临时接入和退出的情况，尽量减少收敛时间，保证数据传输的有效性。
(4)适用性。随着卫星网络的不断发展，大型卫星网络系统往往包含各种类型的轨道和地面网络。路由算法应能很好地适应各种网络系统，并能与地面网络集成。
参考
[1] W .斯塔林斯。isdn和宽带isdn与帧中继和ATM(第四版，影印版)，机械工业出版社，2002，ISBN:7-111-09163-9。
[2]I.F.Akyildiz，S.Jeong .卫星通信网络:一项调查，IEEE通信
杂志，1997年7月:30~44
[3]孔庆东，0。刘建华，卫星通信网络体系结构:一个综述，IEEE
网络9月/Oetobor，1998年:61~71
[4]沃纳、德卢奇、沃格尔、马拉尔和德里