极轨星座分布式数据报路由链路失效影响研究①

赵 扬，方 海，孙 召，陶孝锋

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

随着通信技术的发展，卫星网络在全球通信、导航定位、气象预测、环境与灾害监测、资源探测和军事应用等方面发挥出越来越重要的作用。近几年各国提出大量低轨星座为当前无法接入互联网或特殊环境下的用户提供服务。由于低轨卫星的网络拓扑实时变化，卫星平台能力约束强，卫星节点间通信代价高，因此需要针对这些特性进行数据路由算法研究及网络性能分析。

IP已经成为事实上的互联网网络层标准，以数据报(datagram)形式进行路由。低轨星座路由如能符合或支持数据报形式的路由，则可保证与地面互联网的低成本衔接。星间通信链路宝贵，卫星载荷计算能力有限，需注意低轨星座路由算法的额外通信及计算开销。分布式数据报路由算法以局部信息进行低开销选路得到了研究人员的关注：低轨星座卫星节点可以自身获知的信息进行选路，逐跳将数据报文传递至目标节点。其优势在于分布式选路，不需要集中进行路径规划，且链路失效只影响数据路由中的某一跳，不需要重新计算整条通信链路，灵活度及适应性高。文献[1]将极轨星座抽象为2维mesh网格，考虑星座轨道面间水平方向及轨内垂直方向的路径规划，结合星间链路长度优先最短传播时延路径，几乎无额外开销的实现了数据报式的分布式路由算法(distributed datagram routing algorithm，DDRA)。文献[2]在2维mesh低轨星座网络中，通过边界扩散方法，提出了自适应无死锁容错路由。文献[3]与DDRA思路相同，在选择下一跳时考虑了链路排队及传播时延，在局部避免数据拥塞。为了保证网络的健壮性，分析节点或链路失效对网络的影响也是一个重要研究方向。文献[4]分析了2维mesh网格中全网点对点流量均匀通信时低轨星座星间链路的容量下限，并分析为防止单链路/节点失效引起网络拥塞所需要的链路容量下限。文献[5]通过将距离节点不同路径长度的邻居分层，考虑各个层面间的节点个数及相互路径数，以可靠性传递乘积方式，提出基于跳面节点的网络抗毁性评价指标。其他如基于2-连通度[6]、基于介-度熵度量[7]、基于节点中心介数、节点聚集度等等的网络抗毁性评价方法也被提出。

目前DDRA路由算法及其衍生算法优先选择短距离轨间链路，存在业务流量部分失衡隐患[8]，当星间链路被干扰[9]或数据拥塞时会导致某些通信链路失效，在流量分布不均的网络中业务量重的链路失效会引起较大的网络性能下降，甚至引起级联失效[10]。由于极轨道星座拓扑呈现循环对称特性，现有的节点/链路重要性评价指标区分度不足，对通信路由缺少指导意义。本文针对极轨道星座，分析极轨星座任意两卫星节点间存在的最少跳数路径个数及单链路失效对最少跳数路径个数的影响；为平衡各链路业务量，降低链路失效对网络通信的影响，提出基于逻辑距离的概率分布式数据报路由算法DDRA-ldp(logical distance based probabilistic distributed datagram routing algorithm)，对比DDRA最短传播延迟路径算法，所提算法在增加极少传播延迟下实现业务流量均衡分布，能保证传输路径在最少跳数条件下为后续节点路由留下尽量多的选择，均衡业务流量，对单链路失效具有较强抵抗能力。

1 极轨道星座及二维mesh拓扑

作为低轨移动通信系统的最著名代表之一，Iridium铱星系统通过星上处理及星间链路实现全球用户无缝话音及数据通信。铱星星座有66颗低轨卫星分布在6个平面的轨道上，每个平面轨道包含11颗卫星[11]。

铱星采用的极轨道星座中包含两类星间链路ISL(Inter-Satellite Links)：轨道内相邻卫星构成的轨内链路，相邻轨道相邻卫星构成的轨间链路。极轨道卫星网络存在两个相邻的轨道，其卫星运动方向相反，形成一个所谓的缝隙(seam)，由于在缝隙两侧的卫星反方向运行，相对速度快，通信时间短，因此一般情况下不考虑极轨道卫星网络的跨缝链路。

由于低轨卫星高速飞行，研究人员提出采用逻辑地理位置(LGL，Logical Geographic Location)的概念来屏蔽卫星的移动性，以简化卫星网络的即时变化性[12]。将地球表面划分为多个等间距的矩形区域，根据卫星覆盖范围确定区域的大小，此区域的逻辑地理位置为矩形区域的中心点的经纬度。逻辑地理区域的管理者为距离中心点最近的卫星，该卫星为此区域中的终端提供服务，以此区域的逻辑位置作为其位置。在卫星网络中，卫星的逻辑位置可以用二元数组表示，其中x代表轨道编号，y代表同一轨道上的卫星编号。当卫星离开其逻辑位置区域的时候，就由后续的卫星接替当前卫星的位置。在屏蔽掉卫星移动性后，极轨星座可抽象为2维mesh网络[2]，如图1所示，链路方向分为轨间正反向及轨内正反向。对于极轨道星座，同一轨道面上相邻卫星间的星间链路长度是恒定的[1]：

图1 极轨道星座及2维mesh拓扑

(1)

其中R为轨道半径，M为同一轨道面上的卫星数量。

不同轨道面的相邻卫星间的星间链路长度随着卫星的飞行纬度而发生变化，如不考虑不同轨道面邻居卫星间的相位差，根据余弦定理可得轨间链路距离近似为：

Lh=a×cos(lat)

(2)

2 最少跳数路径数及单链路失效影响

在2维mesh网络拓扑中，记轨间链路为x轴方向，轨内为y轴方向。对某此通信，数据通信源节点为s(xs，ys)，目的节点为d(xd，yd)，两者间的x与y方向通信逻辑距离差为：

(3)

图2 可行最少跳数路径区域

在各节点根据自身逻辑地址及目标逻辑地址分布式逐跳转发数据报时，选择的下一跳路由链路或是x方向或是y方向。结合可选链路的物理距离，优先选择将数据路由到高纬度地区以降低轨间路由的链路长度，这是DDRA路由的核心思想。

如果网络中出现某链路失效时，记失效链路上靠近源s的节点为A(xa，ya)，靠近目标d 的节点为B(xb，yb)，则根据式(3)有源s到A的逻辑跳数距离为：

B到d的逻辑跳数距离为：

若AB为x方向链路，则

若AB为y方向链路，则

故经过链路AB从s到d的最少跳数路径中有n条受到影响：

(4)

而经过A从s到d的最少跳数路径共有：

(5)

那么经过A剩余可用最少跳数路径数量为N剩余=N-n。

(6)

时，剩余可用最少跳数路径个数N剩余有极大值。

图3 链路失效时剩余的可用最少跳数路径数(AB为x方向，Δx=5，Δy=3)

3 基于逻辑距离的概率分布式数据报路由算法

4 仿真实验

为对比DDRA-ldp和最小传播延迟DDRA路由，基于铱星所采用的星座进行仿真，验证二者性能，即M=11，N=6，R=6378+780=7158km。利用式(1)可算得lv；铱星1～5轨道面升交点赤经相差31.6度，轨道面1与6反向，夹角为22度，设1号卫星在赤道面上，由式(2)可得轨内1～11号卫星的 分别为1315.7 km、1106.9 km、546.6 km、187.3 km、861.6 km、1262.4 km、1262.4 km、861.6 km、187.3 km、546.6 km、1106.9 km。在仿真中，随机产生10000个业务流量，因为关注于业务量分布，简单起见假设所有业务流量大小都为1单位，实际的某次流量可以看做是多个单位流量的和。

图4和图5为流量仿真结果，可以看出DDRA算法引起高纬度短距离轨间链路业务量远高于低纬度轨间链路，轨间链路两个方向各条链路流量标准差分别为187.1，187.7，业务分布极为不均，易造成链路拥塞。而DDRA-ldp路由业务分布较为平均，轨间链路两个方向各链路流量标准差为78.1，79.4。此外统计平均业务通信链路长度，DDRA最短传输时延算法比DDRA-ldp算法为少4.04%。

图4 DDRA流量统计

图5 DDRA-ldp流量统计

图6和图7为单链路失效后的网络业务分布。对于DDRA路由，因为失效链路是轨间链路，其失效导致大量数据业务需要重新通过轨内链路分流，可以看到图7中链路(3，4)->(3，5)与(3，4)->(3，3)两条轨内链路业务量激增(分别为平均流量的3.85倍和3.67倍)，极易导致这两条链路产生拥塞，引发级联失效现象，从而产生更大规模的业务通信影响；而DDRA-ldp路由算法业务分布相对平均。对于平均通信链路长度，DDRA路由为比DDRA-ldp路由少0.124%，相比无链路失效平均路径长度相差4.04%，差距减小的原因在于DDRA最短传输时延路由算法将大量业务路由至高纬度轨间链路，而该链路失效引起较多数据报进行重路由绕行，增加了路径长度，因此平均路径长度增加。

图6 单链路失效时DDRA流量统计((3，4)->(4，4)路径失效)

图7 单链路失效时DDRA-ldp流量统计((3，4)->(4，4)路径失效)

5 结论

本文针对极轨道星座，分析了单链路失效对最少跳数路径数的影响，结果表明在可行的最短跳数路径区域内，越靠近边缘的链路失效对经过其的业务流量影响越大。为解决基于最短时延的分布式数据报路由算法会造成网络业务分布不均，易产生拥塞及级联失效问题。提出了基于逻辑距离的概率分布式数据报路由算法，使数据报沿最少跳数路径的可行区域中心路由，仿真结果表明该算法能在增加极少传输路径长度的条件下均衡网络业务，并对单链路失效有较强的抵抗力。