【導(dǎo)讀】不受地理環(huán)境的影響以及用戶終端實(shí)現(xiàn)簡單等優(yōu)點(diǎn)，且能提供多媒體通信服務(wù)。移動(dòng)通信系統(tǒng)不可替代的重要組成部分。綜合這些優(yōu)點(diǎn)使得LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)成為衛(wèi)。星際網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵問題之一。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。然后研究了如何利用OPNET和STK對LEO. 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。最后針對衛(wèi)星在各時(shí)間。到端的時(shí)延問題。同時(shí)采用簡化路由表節(jié)省衛(wèi)星資源，減少衛(wèi)星有限存儲(chǔ)空間的

　　

【正文】 數(shù)和目標(biāo)概率值。 對呼叫阻塞率和重路由次數(shù)進(jìn)行折衷處理是該算法的關(guān)鍵。 PRP 算法對呼叫剛建立的時(shí)間段和短呼叫有較好的表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)目標(biāo)概率高達(dá) 時(shí)， PRP 算法比 Dijkstra 算法減少了鏈路中 80%的重路由次數(shù)。 表 為一些主要 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法的比較 表 主要 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法比較表 算法名稱 DT DVTR AR FSA DDR IRSN 路由類型 ATM 鏈路交換 鏈路交換 IP IP 鏈路分配 離散化，周期 單跳 離散化，周期 未限定 未限定 切 換 需要，較少 需要，較多 需要，較多 不需要 需要，較多 路由特性 源節(jié)點(diǎn) 本地節(jié)點(diǎn) 源節(jié)點(diǎn) 本地節(jié)點(diǎn) 本地節(jié)點(diǎn) 優(yōu)化目標(biāo) 切換率 ISL 利用率 網(wǎng)絡(luò)流量 時(shí)延 利用率 網(wǎng)絡(luò)機(jī)制 連接 連接 連接 非連接 非連接 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 16 本章小 結(jié) 本章主要 首先概述 LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)的 發(fā)展、現(xiàn)狀及 特點(diǎn)，介紹了幾種典型的 LEO 衛(wèi)星通信系統(tǒng)，著重介紹了銥星系統(tǒng)，在銥星系統(tǒng)的基礎(chǔ)上介紹了現(xiàn)有的 、典型的 LEO 衛(wèi)星路由算法， 分析了 LEO 衛(wèi)星路由算法的特點(diǎn)， 這些特點(diǎn)為本文后續(xù) 研究的 LEO 無環(huán)路由算法的展開坐了理論鋪墊。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 17 第 3 章 LEO 衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)仿真場景設(shè)計(jì) 網(wǎng)絡(luò)仿真技術(shù)是利用數(shù)學(xué)建模和統(tǒng)計(jì)分析方法模擬網(wǎng)絡(luò)行為的一門技術(shù)，同時(shí)建立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)鏈路的模型，從而獲得可以優(yōu)化 網(wǎng)絡(luò)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)。 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。本文利用 OPNET 搭建銥星系統(tǒng)的仿真場景。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。 LEO 衛(wèi)星星座覆蓋特性分析 STK (Satellite Tool Kit)是一款專門用于衛(wèi)星仿真的工具包，由美國 AGI (Analytical Graphics Incorporation)公司開發(fā)，是航天工業(yè)領(lǐng)域中領(lǐng)先的衛(wèi)星分析軟件，能夠支持對航天任務(wù)全周期的分析及可視化應(yīng)用。 STK 可以實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星覆蓋特性、鏈路特性、姿態(tài)控制、通信干擾等進(jìn)行全面的分析，此外它還提供了二維和三維顯示模塊，可以對太空環(huán)境、衛(wèi)星軌道、運(yùn)行過程、覆蓋區(qū)域等進(jìn)行直觀顯示。 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。利用 STK 可以快速方便地分析復(fù)雜的陸、海、空、天任務(wù)，獲得易于理解的圖表和文本形式的分析結(jié) 果，以供人們確定最佳解決方案。 STK 的核心能力是生成位置和姿態(tài)數(shù)據(jù)、可見性及遙控器覆蓋分析，對于特定的分析任務(wù) ， STK 在進(jìn)行軌道仿真、通信分析、可視化覆蓋性 能分析、鏈路性能分析等方面有很大的優(yōu)勢。 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。 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(shí)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。與 OPNET 搭檔共同為算法的研究提供仿真場景。 如 圖 為 STK 工作界面截圖。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 18 圖 STK 工作界面 STK 可以模擬仿真星座三維系統(tǒng)圖，使研究者更為直觀清晰 地 觀察星座組網(wǎng)情況，了解系統(tǒng)特性， 如圖 所示為銥星系統(tǒng)三維系統(tǒng)圖。 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(gè)不同衛(wèi)星的覆蓋范圍。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 19 圖 銥星系統(tǒng)平面圖 在銥星系統(tǒng)中，共有 66 顆小衛(wèi)星均勻且有規(guī)律的分布在 6 個(gè)極軌道上，軌道面 距離地面高度為 765km。銥星系統(tǒng)中的衛(wèi)星相對于地面的運(yùn)動(dòng)速度是 v= 26600 km/h=7389m/s，較慢的用戶移動(dòng)速度可以忽略不計(jì)。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。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(gè)圓形覆蓋區(qū)域的內(nèi)接六邊形。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。 OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真原理分析 OPNET 的功能組成 OPNET可以分析網(wǎng)絡(luò)的性能、行為，在網(wǎng)絡(luò)模型的任意位置采集仿真數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，仿真分析結(jié)果可以是數(shù)字、圖形、動(dòng)畫的形式表現(xiàn)，也可以將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)傳送到其他軟件中分析。 OPNET主要由三個(gè)嵌套的模塊（核心網(wǎng)絡(luò)仿真模塊、建庫功能模塊和移動(dòng)通信衛(wèi)星模塊）和仿真模型庫組成，兩者之間相互獨(dú)立，這樣可以方便模型的修改和升級。仿真模型庫有：標(biāo)準(zhǔn)模型庫和特殊模型庫。仿真模型庫提供一系列的仿真模型供用戶使用。 OPNET 的優(yōu)缺點(diǎn) OPNET 優(yōu)點(diǎn)分 析 ： (1) 提供三層建模機(jī)制，最底層為 Process 模型，以狀態(tài)機(jī)來描述協(xié)議；其次為 Node 模型，由相應(yīng)的協(xié)議模型構(gòu)成，反映設(shè)備特性；最上層為網(wǎng)絡(luò)模型。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。 (2) 提供了一個(gè)比較齊全的基本模型庫，包括： Inter 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、移動(dòng)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。 (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。 (4) 采用混合 建模機(jī)制，把基于包的分析方法和基于統(tǒng)計(jì)的數(shù)學(xué)建模方法結(jié)合起來，既可得到非常細(xì)節(jié)的模擬結(jié)果，也大大提高了仿真效率 [35]。 (5) 具有豐富的統(tǒng)計(jì)量收集和分析功能。它可以直接收集常用的各個(gè)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。 (6) 提供了和網(wǎng)管系統(tǒng)、流量監(jiān)測系統(tǒng)的接口，能夠方便的利用現(xiàn)有的拓?fù)浜土髁繑?shù)據(jù)建立仿真模型，同時(shí)還可對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。 OPNET的缺點(diǎn)分析 ： (1) 仿真網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和流量很大時(shí)，仿真的 效率會(huì)降低。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。 (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)。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)。 b）需要使用新協(xié)議、新標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，需要通過編程設(shè)計(jì)新的協(xié)議模型。 c）對于大型網(wǎng)絡(luò) 的仿真，有時(shí)需要改變模型的某些特性來提高仿真效率時(shí)就需要依靠編程實(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。 (3) OPNET對網(wǎng)絡(luò)層（如路由協(xié)議）的仿真比較適合，鏈路層的仿真 Matlab比較合適。 OPNET 仿真步驟 OPNET 網(wǎng)絡(luò)仿真由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑渲?、業(yè)務(wù)配置、統(tǒng)計(jì)量結(jié)果收集、運(yùn)行仿真、調(diào)試再仿真、結(jié)果發(fā)布等六個(gè)步驟構(gòu)成，如圖 ： 用 戶修 改 業(yè) 務(wù)結(jié) 果 發(fā) 布統(tǒng) 計(jì) 量 結(jié) 果 收 集業(yè) 務(wù) 配 置網(wǎng) 絡(luò) 拓 撲 配 置 運(yùn) 行 仿 真修 改 拓 撲 圖 OPNET 仿真過程 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 21 仿真機(jī) 制 OPNET 的建 模思路是以事件調(diào)度為基礎(chǔ)的 ， 并與進(jìn)程交互相結(jié)合以便于處理 。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。 采用離散事件驅(qū)動(dòng)仿真的機(jī)制 [36]是 OPNET 仿 真的一大特點(diǎn)。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)。 OPNET 仿真的各個(gè)模塊之間的事件信息也是通過事件中斷方式來進(jìn)行傳遞的。一個(gè)事件中斷的出現(xiàn)就意味著一個(gè)進(jìn)程模型（用于對通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)行為的描述或做系統(tǒng)處理）將被觸發(fā) 運(yùn)行。在存儲(chǔ)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。 通信機(jī)制 ONPET 主要應(yīng)用基于包的通信機(jī)制。以在仿真模型中傳遞仿真包的形式來 模擬 實(shí)際網(wǎng)絡(luò)物理層面上的數(shù)據(jù)包傳輸和節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的處理過程。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?？梢愿鶕?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。 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。根據(jù) LEO 衛(wèi)星通信當(dāng)前發(fā)展的趨勢以及空天地一體化信息系統(tǒng)的要求，本文主要研究具有 星上處理能力 /星上交換(OBP/OBS)以及星間鏈路 (ISL)支持的低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。由于本文的研究方向是網(wǎng)絡(luò)層的路由算法，所以相對 網(wǎng)絡(luò)層 其它層做簡化處理。 如 圖 所示 為本文使用的仿真場景示意圖 基于分時(shí)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(shí)間驅(qū)動(dòng)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 建模的再利用提供了條件。 N e t w o r kN o d e a n d L i n kP r o c e s s 圖 層次化建模構(gòu)架圖 三層模型 [37]中最底層為進(jìn)程 (Process)模型，它主要由強(qiáng)迫 /非強(qiáng)迫狀態(tài)和有條條件 /無條件轉(zhuǎn)移線組成，通過編程實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)模型里的處理機(jī)模塊、隊(duì)列模型、天線模型等，使用以由有限狀態(tài)機(jī) (Finite State Machine)的狀態(tài) 轉(zhuǎn)移圖 (STD)、標(biāo)準(zhǔn)的 C/C++語言以及 OPNET提供的核心函數(shù) (Kernel Procedure)共同組成 ProtoC語言作為建模語言。 基于分時(shí)的 LEO 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)無環(huán)路由算法 23 節(jié)點(diǎn)模型建立在進(jìn)程模型的基礎(chǔ)上，主要由各種模塊如：處理器、隊(duì)列、各種類型的接收機(jī)、發(fā)送機(jī)（點(diǎn)對點(diǎn)，無線，總線型），以及數(shù)據(jù)包流線、統(tǒng)計(jì)數(shù)值線和邏輯關(guān)聯(lián)線組成。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)