【正文】 現(xiàn)階段通信系統(tǒng)概況。 衛(wèi)星移動通信是衛(wèi)星固定通信與地面移動通信結(jié)合的產(chǎn)物，是指利用衛(wèi)星代替地面基站作為中繼站進(jìn)行信號轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)固定用戶與移動用戶之間以及移動用戶之間通信的一種通信方式 [1]。如果從軌道的形狀上劃分 ： 衛(wèi)星可分為圓形軌道衛(wèi)星和橢圓形軌道衛(wèi)星 ； 如果從軌道面傾角的度數(shù)劃分，衛(wèi)星可以分為赤道軌道衛(wèi)星、極地軌道衛(wèi)星以及傾斜軌道衛(wèi)星 ； 如果從軌道的高度來劃分，衛(wèi)星可以分為低軌道 (LEO: Low Earth Orbit) 衛(wèi)星、中軌道 (MEO: Middle Earth Orbit)衛(wèi)星 、地球同步軌道 (GEO: Geostationary Orbit) 衛(wèi)星和高橢圓軌道 (HEO: High Elliptical Orbit)衛(wèi)星 [2]。 GEO 衛(wèi)星 GEO 衛(wèi)星坐落于地球赤道表面上空高為 35786 公里的軌道上，與地面相對靜止（即與地球有相同的旋轉(zhuǎn)角速度）。甚小口徑終端 (VSAT: Very Small Aperture Terminal) 網(wǎng)絡(luò)、 Spaceway、 Astrolink、Euroskyway、 Kastar、 Inmarsat 等是使用 GEO 衛(wèi)星進(jìn)行通信的典型民用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。使用 一定數(shù)量的 MEO 衛(wèi)星組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)真正意義上的全球覆蓋持續(xù)通信。我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)也屬 于 MEO 衛(wèi)星系統(tǒng) [7]。與 GEO 衛(wèi)星和 MEO 衛(wèi)星相比 ， 由于低軌道，短距離，有較低的星地星地往返時延（平均往返時延在 30ms 以下 [11]）使 LEO 衛(wèi)星非常適用于實(shí)時多媒體通信業(yè)務(wù)，同時地面用戶使用手持終端設(shè)備就可以接入 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) [10]。 ，主要使用于針對指定地區(qū)（高緯度地區(qū)）進(jìn)行覆蓋的星座 [13]，如俄羅斯 的 Molniya 系統(tǒng)和 Tundra 系統(tǒng)等。中軌衛(wèi)星 (MEO)、低軌衛(wèi)星 (LEO)系統(tǒng)相對同步靜止軌道 (GEO)衛(wèi)星，至少有以下幾個好處： （ 1） 由于非同步衛(wèi)星軌道高度較低，信號需要傳輸?shù)穆窂骄捅容^短，從而傳播損耗和延遲就比較小，這樣不僅能大大減小衛(wèi)星和地球站天 線的尺寸和發(fā)射功 率，還能更好的解決傳輸實(shí)時性業(yè)務(wù)時的時延問題等； （ 2） 多顆中、低軌衛(wèi)星組成的通信系統(tǒng)比對地靜止軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)能更好的進(jìn)行頻率復(fù)用，這樣也能同時緩解靜止軌道衛(wèi)星 上業(yè)務(wù)量過分擁擠 情況 的發(fā)生 ； （ 3） 對于全球個人通信，由于想使用對地靜止衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)高緯度地區(qū)的通信是比較困難的。 衛(wèi)星系統(tǒng)按星座中的衛(wèi)星是否具有星際鏈路（即衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的通信鏈路ISL）可分為有星際鏈路衛(wèi)星星座（ Iridium 系統(tǒng)、類 Courier 系統(tǒng)）和無星際鏈路衛(wèi)星星座（ Globalstar 系統(tǒng)、 Teledesic 系統(tǒng)）兩種。而建立網(wǎng)絡(luò)化的衛(wèi)星系統(tǒng)，首先要解決的問題就是星上路由技術(shù) [15]。從系統(tǒng)管理者角度出發(fā) ， 需要根據(jù)鏈路長短和負(fù)載狀況進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源分配和調(diào)度 ， 以保證不同的 GoS 和 QoS 要求。然而， 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)也與節(jié)點(diǎn)完全隨機(jī)運(yùn)動的地面移動自組網(wǎng)不同，衛(wèi)星總是沿著 預(yù)定的軌道飛行，某一時刻衛(wèi)星處于空間 的 某個位置是固定的，因 此衛(wèi)星與衛(wèi)星之間的連接關(guān)系是可以預(yù)測出來的，具有可預(yù)測性；同時整個衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有周期性，在經(jīng)過有限的時間后，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可以回到周期開始的初始狀態(tài)，且相鄰兩次衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貜?fù)的時間間隔稱為一個星座周期，星座周期的有限性使得星座路由可以由有限個靜態(tài)路由表組成 ， 來代替階段性動態(tài)路由；另外衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個數(shù)固定，除非衛(wèi)星發(fā)生故障，在一段時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星數(shù)目不會發(fā)生變化。其次考慮軍事因素需要，星座網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該避免過度依賴地面站，提高自主運(yùn)行能力，這樣才能保證即使地面站中斷服務(wù)衛(wèi)星系統(tǒng)仍然可以運(yùn)行一段時間，提供一些服務(wù)維持直到備份站建立?；谟邢迿C(jī)的路由算法是典型的靜態(tài)路由算法，本文的 節(jié)中也有簡要介紹。在這種算法中， LEO 層的衛(wèi)星按照位置劃分成多個組， 每組 LEO 衛(wèi)星向鄰近的 MEO 衛(wèi)星報(bào)告鏈路延遲狀態(tài)信息。 為了解決路由信息量過大的這個問題， Tsai 和 Ma 提出了 Darting 算法 [19]， 著著眼于減少衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓瘞淼耐負(fù)涓虏僮鳌?朱軍和饒?jiān)?[20]提出了一種引入移動代理技術(shù)的輕量級按按需 QoS 源路 由算法。 隨著不斷的發(fā)展， 在 傳統(tǒng)的基于位置的數(shù)據(jù)報(bào)路由的基礎(chǔ)上 提出一種新算法[21]，保持了數(shù)據(jù)報(bào)路由不需要建立存 儲路由的優(yōu)點(diǎn)，還改善了由于時變的拓?fù)浣Y(jié)基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 8 結(jié)構(gòu)給算法健壯性帶來的影響， 與之前的算法不同，這個算法中動態(tài)改變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對上層用戶來說不再是透明的。靜態(tài)路由算法的實(shí)現(xiàn)中主要考慮離散后的靜態(tài)拓?fù)?的路由算法，雖然算法簡單，但是沒有考慮切換帶來的影響，而在算法中考慮重路由的方法雖然可以解決切換帶來的不良影響 ，但是勢必要增加算法的復(fù)雜度。 第 1 章首先介紹了課題背景及研究目的，特別是路由算法研究的意義；然后介紹了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，說明了本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。算法采用平滑路由表切換策略消除由于切換前后網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息不一致而產(chǎn)生環(huán)路的可能性 ,保證 分組在任何時刻都能夠沿?zé)o環(huán)最短時延路徑被轉(zhuǎn)發(fā)。總結(jié)了已經(jīng)完成的主要工作以及該課題存在的不基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 9 足和下一步應(yīng)當(dāng)開展的后續(xù)工作等。 LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)通常包括多個衛(wèi)星軌道平面，且每個軌道平面上運(yùn)行多顆衛(wèi)星。 表 幾個 LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)的主要參數(shù) LEO 衛(wèi)星 網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星之間可能存在星間鏈路。不同類型的星間鏈路有其獨(dú)特的特征，同軌道面內(nèi)的 ISL 是衛(wèi)星與軌道上相鄰的 2 顆 /4 顆衛(wèi)星之 間的鏈路連接，在整個衛(wèi)星運(yùn)行 衛(wèi)星 個數(shù) 高度 (km) 軌道 平面 傾角 軌道 平面 數(shù) 星上 處理 能力 每顆星 最多 ISL 反向 縫 ISL 用戶同 時可見 衛(wèi)星 星座 銥星 (Iridium) 66+6(備用 ) 780 6 有 2 (軌內(nèi) ) +2 (軌間 ) 無 13 極地 Teledesic 系統(tǒng) 288 1375 24 有 2 (軌內(nèi) ) +6 (軌間 ) 有 24 極地 Globalstar 系統(tǒng) 48+4(備用 ) 1414 52 8 無 無 無 24 非極地 基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 10 周期內(nèi)保持不變；不同軌道間的 ISL 是衛(wèi)星與相鄰軌道面上的衛(wèi)星的鏈路連接，軌道間的星間鏈路在衛(wèi)星運(yùn)行周期內(nèi)是變化的，主要產(chǎn)生這種差異的原因是：不同緯度讀取，相鄰軌道 衛(wèi)星 間的距離不同， 尤其在極地地區(qū)衛(wèi)星快速運(yùn)行，出現(xiàn)交叉運(yùn)行的狀況，衛(wèi)星上的天線不能快速跟蹤衛(wèi)星交叉后的衛(wèi)星，所以 Interplane ISL 需要斷開后的重連接過程；極地軌道星座系統(tǒng)中存在南北反向運(yùn)轉(zhuǎn)的相鄰軌道平面，在這個兩個反向運(yùn)行的軌道面上的衛(wèi)星之間的星間鏈路就是 Cross_seam ISL，若存在反向縫鏈路，由于衛(wèi)星 反向運(yùn)行，相對速度更快必然導(dǎo)致 Cross_seam ISL 頻繁的切換，如果不存在反向縫鏈路， 那么反向運(yùn)行軌道上的衛(wèi)星之間的通信必須經(jīng)過其他所有軌道上的衛(wèi)星繞行才能進(jìn)行通信。 幾種典型的低軌衛(wèi)星系統(tǒng) Iridium 系統(tǒng) 銥系統(tǒng)是美國摩托羅拉公司 1990 年提出的低軌全球衛(wèi)星移動個人通信系統(tǒng)[27]。每顆衛(wèi)星重量為 386kg。 銥系統(tǒng)衛(wèi)星由美國、俄羅斯、中國的火箭發(fā)射。銥系基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 11 統(tǒng)星座網(wǎng)提供手持 機(jī)到關(guān)口站的接入信令鏈路、關(guān)口站到關(guān)口站的網(wǎng)路信令鏈路、關(guān)口站到系統(tǒng)控制段的 管理鏈路。銥系統(tǒng)用戶看到一顆衛(wèi)星的時間約為 10min。銥系統(tǒng)饋線鏈路使用 Ka 頻段，關(guān)口站到衛(wèi)星上行鏈路使用～ ，衛(wèi)星到關(guān)口站下行鏈路使用 ～ 。 美國 FCC 也于 1995 年向銥系統(tǒng)頒發(fā)了頻率使用許可證 [27]27]。 Teledesic 主要業(yè)務(wù)方向是地面寬帶光纖網(wǎng)絡(luò)無縫隙兼容，通過較小基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 12 的時延（是靜止衛(wèi)星無法比較的），適應(yīng)寬帶業(yè)務(wù)的應(yīng)用需要與數(shù)據(jù)通信協(xié)議規(guī)程要求。 Teledesic 系統(tǒng)的業(yè)務(wù)類型為全數(shù)字雙向交換業(yè)務(wù)，可傳輸語音、數(shù)據(jù)、視像、交互式多媒體及廣域網(wǎng)絡(luò)信息等各種寬帶綜合業(yè)務(wù)。樞紐終端速率高達(dá) 155Mbit/s～ ，即STM1 至 STM8，每一衛(wèi)星可連接 16 個樞紐終端站，星際鏈路傳輸速率為，每一衛(wèi)星連接 8 條星際鏈路 。即使對高質(zhì)量 16kbit/s 語音，其成本亦僅為每路 美元。衛(wèi)星采用透明轉(zhuǎn)發(fā)器、多波束天線，用戶鏈路和饋線鏈路同為 VHF頻段 。 與銥星系統(tǒng)相比全球星系統(tǒng)容量相對小一些 。 圖 Globalstar 系統(tǒng)示意圖 基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 14 現(xiàn)有的典型 LEO 衛(wèi) 星路由算法分析 (1) 基于 ATM 的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法 ， Werner 在有 星間鏈路的低軌衛(wèi)星系統(tǒng) 上研究了一種 基于 ATM 的路由算法 [30]。 提出考慮在確定時間差之間的拓?fù)?，（相?dāng)于分 時 獨(dú)立的固定拓?fù)渲械娜我庖粋€ ）在呼叫建立階段路徑選擇方面的優(yōu)化問題的分析，并對結(jié)合一個具體優(yōu)化過程的路徑選擇的性能進(jìn)行評估。這種基于 FSA的框架使得解決 LEO網(wǎng)絡(luò)中的鏈路分配問題可 以等價(jià)于解決一系列固定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)的鏈路分配問題。衛(wèi)星切換導(dǎo)致接入 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的呼叫不得不周期性的重路由。 根據(jù)每個路由 域的流量分布 決定啟用自適應(yīng)路由過程 。概率路由協(xié)議 (PRP)[33]正是針對上述問問題提出來的 ，其基本思想是在一個新呼叫請求建立連接時， 刪除一部分呼叫生存期內(nèi)可能被關(guān) 閉或發(fā)生鏈路切換的星間鏈路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)概率高達(dá) 時， PRP 算法比 Dijkstra 算法減少了鏈路中 80%的重路由次數(shù)。本文利用 OPNET 搭建銥星系統(tǒng)的仿真場景。 STK 是一種先進(jìn)的分析和可視化工具，它支持航天任務(wù)周期的全過程，包括概念、需求、設(shè)計(jì)、制造、測試、發(fā)射、運(yùn)行和應(yīng)用等。 因此本文選用STK 作為仿真工具來搭建銥星系統(tǒng) 并 加以分析 ， 同時利用生成的軌道文件導(dǎo)入到OPNET 中完成對衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)空間位 置的控制。 圖 銥星系統(tǒng)三維圖 衛(wèi)星的星間鏈路以及覆蓋范圍在二維平面圖上表現(xiàn)得更為清晰， 如圖 為銥星系統(tǒng)二維系統(tǒng)圖，直接給出各個不同衛(wèi)星的覆蓋范圍。為了實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，相鄰衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域必須要有一定的重疊部分，因此，每顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)域的最大有效范圍是這個圓形覆蓋區(qū)域的內(nèi)接六邊形。仿真模型庫有：標(biāo)準(zhǔn)模型庫和特殊模型庫。 (2) 提供了一個比較齊全的基本模型庫，包括： Inter 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、公用電話網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、 Adhoc 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、有線及無線局域網(wǎng)設(shè)備等等。它可以直接收集常用的各個網(wǎng)絡(luò)層層次的性能統(tǒng)計(jì)參數(shù)，能夠方便地編制和輸出仿真報(bào)告。 (2) 軟件所提供的模型庫是有限的，因此某些特殊網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建模必須依靠 Node和 Process層次的編程方能實(shí)現(xiàn)。這些涉及到底層編程的網(wǎng)絡(luò)單元建模，技術(shù)難度高，需要掌握網(wǎng)絡(luò)仿真軟件復(fù)雜的建模機(jī)理。 采用離散事件驅(qū)動仿真的機(jī)制 [36]是 OPNET 仿 真的一大特點(diǎn)。在存儲在事件列表中的事件中斷的控制下，依照事件到來的前后順序以及重要程度，合理地安排執(zhí)行調(diào)度事件。可以根據(jù)實(shí)際需要在包的構(gòu)建構(gòu)成中生成各種形式的包來實(shí)現(xiàn)仿真過程。 如 圖 所示 為本文使用的仿真場景示意圖 基于分時的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 22 應(yīng) 用 層T C P / U D PI P網(wǎng) 絡(luò) 接 入物 理 層I P網(wǎng) 絡(luò) 接 入物 理 層切 換 管 理網(wǎng) 絡(luò) 層L L C / M A C上 行 鏈 路網(wǎng) 絡(luò) 層L L C / M A C下 行 鏈 路衛(wèi) 星 網(wǎng) 絡(luò) 層L L C / S a t _ M A CI S L 衛(wèi) 星 網(wǎng) 絡(luò) 層L L C / S a t _ M A CI S L 網(wǎng) 絡(luò) 層L L C / M A C下 行 鏈 路切 換 管 理網(wǎng) 絡(luò) 層L L C / M A C上 行 鏈 路I P網(wǎng) 絡(luò) 接 入物 理 層應(yīng) 用 層T C P / U D PI P網(wǎng) 絡(luò) 接 入物 理 層 網(wǎng) 關(guān) 可 達(dá) 網(wǎng) 絡(luò) 列表 ， 網(wǎng) 關(guān) 與 衛(wèi) 星 映射 關(guān) 系 列 表G l o b a l N o d e： P P P 鏈 路 ： 無 線 鏈 路： 用 標(biāo) 準(zhǔn) 路 由 器 代 替 ： 簡 化 掉 的 協(xié) 議I n t e r n e tI n t e r n e tU s e r G a t e w a y S a t e l l i t e S a t e l l i t e G a t e w a y U s e r 圖 仿真場景示意圖 層次化建模 OPNET 是基于離散時間驅(qū)動機(jī)制，面向?qū)ο蟮木W(wǎng)絡(luò)仿真工具，它最突出的特點(diǎn)是層次化建模， OPNET 模型的層次架構(gòu)如圖 所示 ，分為三層，從高到低依次為：網(wǎng)絡(luò)模型層 (Network)，節(jié)點(diǎn)鏈路模型層 (Node and Link)，進(jìn)程模型層(Process)，層次化建模為不同層 次 建模的再利用提