【正文】 Key words: LEO work。具有星間鏈路的 LEO 衛(wèi)星星座通信系統(tǒng)能夠在真正意義上實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)不可替代的重要組成部分。 然后研究了如何利用 OPNET 和 STK 對 LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行仿真場景設(shè)計(jì) ， 從而為模擬驗(yàn)證衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)在傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層等層次上的數(shù)據(jù)傳輸以及路由的性能提供一個(gè)有效的研究平臺(tái)。移動(dòng)通信發(fā)展的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)任何人在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)與其它任何人以任意方式進(jìn)行通信。它 具有傳輸容量大，通信頻帶寬，覆蓋范圍廣，通通信終端體積小的優(yōu)點(diǎn)，且組網(wǎng)靈活，可滿足多種業(yè)務(wù)傳輸?shù)膫鬏斠?，建站成本和通信成本與距離無關(guān)，可以在大地域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)手持、車載、機(jī)載平臺(tái)移動(dòng)通信。單顆 GEO 衛(wèi)星覆蓋面積大（約占地球總面積的 1/3）。與 GEO 衛(wèi)星相比，因?yàn)槠渚哂休^低的軌道高度從而飛行周期相較于同步衛(wèi)星較短， MEO 衛(wèi)星圍繞地球高速飛行。典型的 LEO 衛(wèi)星星座：銥星系統(tǒng)、 Globalstar 系統(tǒng) Celestri 系統(tǒng)、和 Teledesic 系統(tǒng)等[12]。相比于靜止衛(wèi)星，非靜止衛(wèi)星中的中、低軌衛(wèi)星容易實(shí)現(xiàn)區(qū)域覆蓋、間斷覆蓋，以及包括兩極區(qū)域在內(nèi)的真正意義上的全球覆蓋。 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由技術(shù)是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的關(guān)鍵部分，影響著整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的丟包率 、傳播時(shí)延、吞吐量、 阻塞概率等 GoS (Grade of Service)和 QoS (Quality of Service)指標(biāo)，從而決定了衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)性能。以上提到的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的 3 個(gè)特點(diǎn)使得路由的研究有據(jù)可循，路由算法更為簡化 [17]。這兩種算法主要都是利用離散時(shí)間虛擬拓?fù)渌惴?(DiscreteTime Dynamic Virtual Topology Routing)。 Darting 算法的基本思想是延遲拓?fù)涓滦畔⒌膫鬏?， 直到需要更新時(shí)再傳輸更新信息。 國內(nèi)外發(fā)展綜述 綜上所述，目前研究的路由算法主要可分為動(dòng)態(tài)路由算法和靜態(tài)路由 算法，動(dòng)態(tài)路由算法算法很好的解決了拓?fù)鋵?shí)時(shí)變化的特點(diǎn)， 動(dòng)態(tài)路由算法是 節(jié)點(diǎn) 的 路由選擇 ， 要依靠網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的狀態(tài)信息來決定。 第 2 章 首先對 LEO 通信系統(tǒng)進(jìn)行分析 ， 在此基礎(chǔ)上 提出 了 3 個(gè)典型的 LEO 低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，以及幾種典型的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 9 第 2 章 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)典型路由算法分析 LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)概述 NGEO 衛(wèi)星系統(tǒng)目前 是衛(wèi)星系統(tǒng)的主要研究對象， NGEO 系統(tǒng)有利于手持機(jī)實(shí)現(xiàn)全球無縫隙覆蓋通信， 擴(kuò)展業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)通信和多媒體業(yè)務(wù)通信 ， LEO (Low earth orbit)網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星軌道相較于其他 NGEO 系統(tǒng)的軌道更低， 衛(wèi)星與地面用戶之間的傳輸 時(shí) 延和地面上鏈路的傳輸 時(shí) 延 具有可比性，地面終端有功率 耗低，頻率復(fù)用率高的 優(yōu) 勢，且如果衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)之間存在星間鏈路，那么這兩顆衛(wèi)星之間的通信不再 需要依靠地面網(wǎng)絡(luò)提供的資源 [22]–[24]。由于衛(wèi)星處理能力 有限及一些其他條件 的限制， 目前衛(wèi)星之間的星間鏈路設(shè)計(jì)為 4–8 條。它與現(xiàn)有通信網(wǎng)結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)全球數(shù)字化個(gè)人通信。自 1997 年 5 月 5 日美國 Delta II 火箭成功地進(jìn)行銥系統(tǒng)衛(wèi)星首次發(fā)射以來，到 1998 年 5 月止， 已經(jīng)全部成功發(fā)射完畢 72 顆衛(wèi)星， 其中有 5 顆星有問題，但在軌運(yùn)行所需的 66 顆星已毫無問題。銥系統(tǒng)的衛(wèi)星設(shè)計(jì)采用 3 軸穩(wěn)定， 壽命在 5 年左右 。 如圖 為銥星系統(tǒng)示意圖。標(biāo)準(zhǔn)終端的連接速率為 16kbit/s～ 2Mbit/s， 1Gbit/s 線路的高容量樞紐終端連接速率高達(dá) 155Mbit/s～ 。 Teledesic 系統(tǒng)不能說技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)很小，而且如此龐大 的星座格局導(dǎo)致的系統(tǒng)可靠性與衛(wèi)星發(fā)射處理問題還需進(jìn)一步驗(yàn)證。 全球星系統(tǒng) 采 用 CDMA 技術(shù)，因此頻段可以與其它系統(tǒng)共享。優(yōu)化過程表現(xiàn)在星座周期內(nèi)最小化 VPC 切換 (VPCHO)發(fā)生的次數(shù)，整個(gè)過程如圖所示，其中 VPC 路徑選擇過程中使用MDSPA 時(shí)考慮鏈路權(quán)重 LW 和鏈路總權(quán)重 TLW， TLW 的計(jì)算和評(píng)估是 MDPSA算法的核心內(nèi)容 ， 其中 LW 是提前計(jì)算出來的 。 Yun Sik Kim 提出一種適用于 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)路由協(xié)議 [32]，不論網(wǎng)絡(luò)絡(luò)業(yè)務(wù)分布如何都能提供更好的 服務(wù) 質(zhì)量 。選擇適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)概率函數(shù)和目標(biāo)概率值。其中銥星系統(tǒng)的衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)軌道由 STK 生成并導(dǎo)入。與 OPNET 搭檔共同為算法的研究提供仿真場景。銥星系統(tǒng)每顆衛(wèi)星覆蓋用戶的時(shí)間約為 10 分鐘 ，每個(gè)點(diǎn)波束對用戶的覆蓋時(shí)間一般是 1~2 分鐘。 (3) 采用離散事件驅(qū)動(dòng)的模擬機(jī)理 (discrete event driven)，與時(shí)間驅(qū)動(dòng)相比，計(jì)算效率得到很大提高。例如： a）網(wǎng)絡(luò)仿真軟件提供的標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果參數(shù)，往往不能滿足用戶的實(shí)際需要，用戶如果需要收集模型庫中不提供的特殊參數(shù)時(shí)，必須通過 Process層次上的編程來實(shí)現(xiàn)收集需要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。只有當(dāng)網(wǎng)絡(luò)模型型狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，事件發(fā)生 —— 仿真才能繼續(xù)進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不發(fā)生變化的時(shí)間段內(nèi)任何仿真計(jì)算都不能被執(zhí)行，仿真被“事件發(fā)生”推進(jìn)。 基于 OPNET 結(jié)合 STK 的 LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)仿真場景 協(xié)議結(jié)構(gòu)及仿真場景 根據(jù)衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同，例如軌道類型，是否具有星上處理能力， ISL的設(shè)計(jì)方式等，采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有許多種。這些模塊大致可分為兩類：（ 1）具有內(nèi)建參數(shù)的模塊，例如各種類型的接受機(jī)、發(fā)送機(jī)，（ 2）高度可編程模塊，例如處理器和隊(duì)列模塊，這種模塊可使用用戶自定義的進(jìn)程模型來。這里說的包，并不一定是真正意義上的數(shù)據(jù)包，包可以看作一種對象，可進(jìn)行創(chuàng)建、查找、復(fù)制、修改、發(fā)送接收及銷毀等操作。這樣既保留了事件調(diào)度中存放事件的事件列表、時(shí)間控制成分，保留了靈活、適用面廣的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于活動(dòng)持續(xù)時(shí)間確定性強(qiáng)的系統(tǒng) ； 進(jìn)程概念比較直觀，又保留了進(jìn)程模型與實(shí)際系統(tǒng)接近的特點(diǎn)（例如進(jìn)程是事件按時(shí)間先后順序的組合），特別適用活動(dòng)可預(yù)測、順序比較確定的系統(tǒng)，這使得 OPNET 中的建模方式既靈活又直觀。目前解決方法：采用分層的建模方法，匯聚網(wǎng)絡(luò)流量，簡化網(wǎng)絡(luò)模型；流量比例壓縮方法；優(yōu)化調(diào)整仿真參數(shù)設(shè)計(jì)；路由流量的簡化等。三層模型和實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備、協(xié)議層次完全對應(yīng)，反映了網(wǎng)絡(luò)的基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 20 相關(guān)特性。銥星系統(tǒng)每顆衛(wèi)星可以向地面投射 48 個(gè)點(diǎn)波束，每個(gè)點(diǎn)波束形成一個(gè)直徑約為 689km 的小區(qū)， 48 個(gè)點(diǎn)波束組合起來形成覆蓋直徑約為 4700km 的區(qū)域。 本文主要研究 在 銥系統(tǒng)上的路由算法 ， 因?yàn)?STK 中 可以實(shí)現(xiàn)對銥星系統(tǒng)的搭建，并能夠 完成 對銥星系統(tǒng)的 細(xì)致 分析 ，且在 STK 中可以清楚地觀察到銥星系統(tǒng)的運(yùn)行情況，星間鏈路的連接，以及各種參數(shù)改變帶來的影響等。 OPNET 是一款功能強(qiáng)大的專業(yè)網(wǎng)絡(luò)仿真軟件，具有優(yōu)良的性能 [34]，能夠夠?qū)W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、設(shè)備以及應(yīng)用進(jìn)行設(shè)計(jì)、建模、分析和管理，能夠滿足大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的仿真需求。 (4) 概率路由算方法：在極地或星座接縫 (Seam)區(qū)域，不同軌道上兩顆衛(wèi)星間的鏈路會(huì)斷開，這意味著衛(wèi) 星離開和進(jìn)入接縫區(qū)域時(shí)各條鏈路必須重新建立，這必然會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)效率 降低和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延 增長 。 (3) 自 適應(yīng)路由算法： 低軌衛(wèi)星 LEO 網(wǎng)絡(luò) 的特點(diǎn)之一是不均勻的業(yè)務(wù)分布，除此之外由于每一個(gè)獨(dú)立衛(wèi)星沿其軌道平面移動(dòng)和地球繞軸自 轉(zhuǎn)是同時(shí)的，業(yè)務(wù)分布情況是時(shí)變的。路由表中終端 到終端的路徑選擇依據(jù)于改進(jìn)的 Dijkstra 最短路徑路由算法 (MDPSA)， 處理時(shí)變的拓?fù)?。 進(jìn)入 21 世紀(jì)之后， Globalstar 的業(yè)務(wù)發(fā)展不太理想，不過 2020 年， Globalstar成功獲得法國出口信貸機(jī)構(gòu) Coface 的融資， 這將對其以后業(yè)務(wù)發(fā)展提供充足的資金動(dòng)力。 據(jù) Teledesic 提供的資料預(yù)測，其單位容量成本很低，即1bit/s 美元，約為 Iridium 系統(tǒng)成本的 1/111，約為 Globalstar 系統(tǒng)成本的 1/46，約為 GEO 型 Spaceway 系統(tǒng)成本的 1/。它具有很低的 時(shí)延 性能一般為 40ms～ 120ms（平均 80ms），衛(wèi)星發(fā)射質(zhì)量約 795kg，衛(wèi)星初期功率為 ，其壽命末期功率為，壽命約為 10 年。銥系統(tǒng)于 1992 年向國際電聯(lián)申請了所需使用的頻率 ， 銥系統(tǒng)申請的頻率符合 WARC92 會(huì)議給衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)所劃分的頻譜規(guī)定 。銥系統(tǒng)衛(wèi)星可向地面投射 48 個(gè)點(diǎn)波束，以形成 48 個(gè)相同小區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)小區(qū)的直徑為 689km， 48 個(gè)點(diǎn)波束組合起來 ， 可以構(gòu)成直徑為 4700km 的覆蓋區(qū)。 這兩項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上具有不依賴于現(xiàn)有地面通信網(wǎng)絡(luò)的支持，就可建立全球移動(dòng)個(gè)人通信系統(tǒng)的能力。如在銥系統(tǒng)中， 衛(wèi)星相對地面的運(yùn)動(dòng)速度為 26676km/h，而用戶移動(dòng)的平均運(yùn)動(dòng)速度為 90km/h， 因此，在 LEO 系統(tǒng)中通信用戶的移動(dòng)速度相對于移動(dòng)的 LEO 衛(wèi)星來說可以基本忽略 不計(jì)。表 Iridium、 Teledesic和 Globalstar 三個(gè) LEO 衛(wèi)星系統(tǒng)的主要參數(shù) [26]。 最后給出了本課題的結(jié)論。 LEO 衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖賱?dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)導(dǎo)致路由算法設(shè)計(jì)成為 LEO 星際網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題，本文結(jié)合 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn) ， 通過對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中路由問題及其難點(diǎn)進(jìn)行深入的研 究，主要針對靜態(tài)路由算法研究環(huán)路 消除的問題，分析了靜態(tài)路由算法中環(huán)路產(chǎn)生的原因、現(xiàn)象，根據(jù)無環(huán)條件以及算法的改進(jìn)排除路由中的兩種環(huán)路。因此路由重 建策略的設(shè)計(jì)必須綜合考慮兩方面因素：一是必須減少路由重建過程對已中斷業(yè)務(wù)性能的影響 —— 即保證最小切換等待時(shí)間，以減少對中斷業(yè)務(wù)性能指標(biāo)的影響； 二是必須減少路由重建對其它未中斷業(yè)務(wù)的影響 —— 即路由重建不能消耗太多的星際鏈路資源和信令開 銷，這樣雖然解決了重路由的問題，但增加了算法的復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)開銷，同時(shí)使得業(yè)務(wù)傳輸 時(shí)延 變長。動(dòng)態(tài)路由方法應(yīng)用到節(jié)點(diǎn)較多的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中時(shí)， 存在路由信息量過大的問題。典型的面向連接算法主要是基于 ATM 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò) 路由 算法，在本文 節(jié)中有簡要介紹。衛(wèi)星一直圍繞地球不停地運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)變化的，因因此雖然地面網(wǎng)絡(luò)路由的發(fā)展已經(jīng)很完備，在拓?fù)涫庆o止不動(dòng)的地面網(wǎng)絡(luò)中使用的傳統(tǒng)路由協(xié)議不能直接應(yīng)用到衛(wèi)星網(wǎng)路中。 研究目的及意義 衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)是地面網(wǎng)絡(luò)在太空的延伸，作為重要的補(bǔ)充和備份通信方式，更具意義的是使地面網(wǎng)絡(luò)難以或無法到達(dá)的地區(qū)實(shí) 現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化覆蓋。 L E OM E OL E OG E OG E OG E OH E OM E O地 球基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 5 中、低軌道衛(wèi)星是非同步衛(wèi)星，作為地面移動(dòng)通信的補(bǔ)充和擴(kuò)展，可以與地面公眾網(wǎng)有機(jī)結(jié)合 ， 實(shí)現(xiàn)全球個(gè)人移動(dòng)通信。同時(shí) ， 為了實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋持續(xù)通信，需要大量的 LEO 衛(wèi)星組網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)通信 [8]–[11]。 MEO 衛(wèi)星 MEO 衛(wèi)星的高度通常為 10000～ 20200km 之間，軌道為圓形軌道。如下針對不同軌道高度的衛(wèi)星分析各類型衛(wèi)星的特點(diǎn)，各類軌道衛(wèi)星如圖 所示。這也加速肯定了衛(wèi)星移動(dòng)通信的可行性和重要性。Routing without loop。 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由必須針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)，且適合于 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)獨(dú)有的特點(diǎn)。 在 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中 ， 每顆衛(wèi)星可同時(shí)與多顆其它相鄰衛(wèi)星通過 星間鏈路 (ISL)相連接 ， 信息可以通過多種不同的路徑傳輸 ， 并且由于 LEO 衛(wèi)星的高速運(yùn)動(dòng)以及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目焖賱?dòng)態(tài)變化，傳輸路徑中斷頻繁 ， 因此路由算法設(shè)計(jì)成為 LEO 星際網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題之一 。ISL。還有地理?xiàng)l件（如 山區(qū)、沙漠、湖泊、海洋、天空等地理環(huán)境）對地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋范圍的限制：在這些特殊的地理環(huán)境中，考慮到通信系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟(jì)性和可維護(hù)性等各方面的原因，僅依靠地面蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋。低軌道意味著衛(wèi)星與地球之間的距離短，進(jìn)而 時(shí)延 小，但同時(shí)單顆衛(wèi)星下的覆蓋面積也相對小，如果使用低軌道衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，則就意味著必須使用大量數(shù)目的 LEO 衛(wèi)星來滿足全球覆蓋的條件，但這種全覆蓋可以是真正意義上的無縫隙全覆蓋。我國于 2020 年發(fā)射的 “ 天鏈一號(hào) ” 數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星就是一顆 GEO 衛(wèi)星，可以為中、低軌道衛(wèi)星提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù)，節(jié)省衛(wèi)星資源，為航天器發(fā)射提供測P S TNM S CM S C信 關(guān) 站M S C基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 3 控支持。由于軌道高度低，比 MEO 還低 ， LEO 衛(wèi)星必須以極快的速度繞地球飛行，才能保持運(yùn)行軌道不變。 靜止軌道衛(wèi)星系統(tǒng)（一般 3 顆可覆蓋全球），盡管其能以少量的衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)全球覆蓋， 而且有星 間切換次 數(shù)少的優(yōu) 點(diǎn)，但是目 前 來看 GEO衛(wèi)星 無法為高 緯度地區(qū)， 特別是兩 極地區(qū)提 供服務(wù)，再 加上衛(wèi)星GEO通信 中的鏈路損耗大和通信 時(shí)延 長等不足，對用戶終端的有效全向輻射功率 (EIRP)和 G/T的要求比較高。 因此，在未來的寬帶衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)中有星際鏈路的中、低軌衛(wèi)星更具有發(fā)展前景，是未來衛(wèi)星發(fā)展的指向。