一種具有導(dǎo)向功能的LEO網(wǎng)絡(luò)源路由改進算法

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)的周期性和準確預(yù)知等特點，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?shù)拿つ啃?。通過OPNET建模仿真，結(jié)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(guān)鍵詞：LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)；導(dǎo)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(xiàn)廣播的特點，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，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)拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化，在靜態(tài)拓撲結(jié)構(gòu)下設(shè)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(jù)鏈路的狀態(tài)實時地選擇路由，適應(yīng)性差，并且由于分割的拓撲快照太多，導(dǎo)致星上需要大量的存儲空間。
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)路由策略和鏈路負載、故障、擁塞等情況實時計算路由，具有適應(yīng)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(wǎng)絡(luò)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由機制中，每顆衛(wèi)星保存整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲圖，實時地根據(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，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分組獨立地選擇最小傳輸時延路徑。由于利用了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)周期性和預(yù)知性的特點，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(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)點廣播路由請求分組到目的節(jié)點，目的節(jié)點根據(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，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(wǎng)絡(luò)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(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)有著其獨有的特點。
衛(wèi)星快速移動的影響 主要體現(xiàn)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(guān)閉，導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)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(wù)地域分布不均勻，導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)拓撲的變化具有周期性、預(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，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(yīng)用的技術(shù)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(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)點數(shù)目通常是固定不變的；對星座網(wǎng)絡(luò)來說，其拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。雖然網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)變化為星上路由算法增加了設(shè)計難度，但也有簡便的一面。可以充分利用衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的周期性和準確預(yù)測性、規(guī)則性和均衡性、以及節(jié)點數(shù)目少且固定的特點，來簡化路由算法。

2 具有導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)廣播傳輸?shù)侥康墓?jié)點。在星間鏈路上傳輸?shù)耐瑫r，路由請求分組收集傳輸路徑上經(jīng)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(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)特點可知，衛(wèi)星的移動性會增大路由算法設(shè)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(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)目不變且非常少，所以衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化是確定的，能夠進行準確地預(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(shù)過多，傳輸時延過長而被淘汰，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。
2．3 改進算法i-SRA
衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有周期性和預(yù)知性，源節(jié)點衛(wèi)星根據(jù)自己覆蓋區(qū)域的邏輯編號(例如由軌道號和軌內(nèi)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(shù)。源節(jié)點根據(jù)這些先驗信息，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。