LEO卫星网络路由算法研究

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1、LEO卫星网络路由算法研究摘要：本文通过分析低轨道卫星路由的特点、目标，结合卫星网络的拓扑结构和运行规律，分别对有无星际链路（ISL）的卫星通信系统，提出相应的路由策略：最小延时路由算法、通信量和拓扑自适应的路由算法。关键词：低轨道（LEO），卫星通信，路由（Route），星际链路（ISL）1绪论1.1卫星通信的低轨道化、网络化发展趋势信息，主导着当今的社会，从工业时代进入信息时代，作为这个时代的主要资源，信息资源，正处在其边际效用的最大值。与此同时，作为信息资源的载体和交换平台的通信网络也在无声无息的进化着，而如今人们的

2、目光，更多的投向太空。卫星通信系统正是在这种形势下应运而生。以INMARSAT为代表的GEO卫星通信系统代表了二十世纪中期以前卫星通信系统的主流，然而山于轨道高度带来的延迟较大以及发射费用较高等缺点大大限制了其业务范围与综合能力。进入90年代中期，随着同步轨道资源限制与拥塞矛盾的白热化及其高纬度区域覆盖的局限性，人们寄希望与非同步轨道运而开发出克服上述缺陷的新一代MEO/LEO系统。LEO小卫星通信系统是在二十世纪80年代末期国际上兴起的一种全新概念的通信系统。它强调采用“一体化”的设计思想，尽量提高卫星功能密集度从而增加

3、系统的性价比。相比传统的GEO卫星通信系统，由于轨道高度的差别LEO系统的信号传输延迟将大大减少从而具有更好的实时性；由于体积，重量及应用定位的差别，LEO小卫星所需的研制成本远小于GEO卫星系统。总的看来，LEO小卫星通信系统具有良好的发展前景。虽然LEO和MEO等非静止轨道卫星具有上述优点，但单颗LEO或MEO卫星很难满足全球或区域性通信系统的要求。为满足通信全球化需求，必须采用星座方式将卫星网络化，形成卫星移动通信网，利用网络优势弥补单颗卫星覆盖特性的缺点。如Iridium，Globalstar和Teledesic等

4、系统都是以星座运行模式来实现的。1.2LEO卫星通信网络化中的关键技术：路由算法卫星网络中的卫星数目的多少不同，拓扑结构也不同。当卫星网络中的卫星数目较少的情况下，卫星间可以通过地面信关站间连接，这种连接方式是合理的，因为其可靠性高。当网络中的卫星数目增多的时候，如果单纯利用地面信关站作为卫星间信息沟通的桥梁，可能需要几十个或者更多的地面站，费用高，而且在海洋和荒芜的地区以及敌对国家建立信关站也是不可能的，因此单纯利用地面站完成网络中不同卫星间的信息沟通是不现实的。因此可以采用星间链路(ISL：Inter-Satellit

5、e-Links)连接不同卫星就可以弥补地面信关站连接方式的不足。无论是具有ISL还是不具有ISL，都需要考虑卫星间的路由问题。因为路由问题在通信网中一直是一个核心问题，路由算法的优劣将直接影响到整个通信网络的性能以及通信的质量。由于卫星网络具有的拓扑结构的动态变化等独有的特点，使得适用于地面网络的一些路由算法不能直接应用于卫星网络上，因此必须针对卫星网络的特点设计适合于卫星网络的路由算法。1.3路由算法设计的目标路由算法是随着网络规模、网络应用的扩大而发展起来的。路由选择的问题，本质上是个路径优化的问题，也就是选择哪条路由

6、更好。优化的标准一般称之为度量值(Metric)，根据转接次数、距离、时延、误码率、安全性等指标来制定，优化基本方法主要有最短路径算法、最大流算法及最小费用。最优化指路由算法有选择最佳路径位置的能力。Metrics其权值决定最佳路由。例如，路由算法可能考虑节点数和延迟，但计算时延迟更重要。自然地，路由协议必须严格地定义它们的Metric计算算法。l简单性路由算法应被设计的尽可能的简单。换句话说，路由算法必须以最少的软件和使用费用获得高效的功能。当路由算法由软件实现，并在物理资源受限制的计算机上运行时，效率是特别重要的。l健

7、壮性路由算法必须是健壮的。换句话说，在异常的或者无法预料的情况面前(诸如硬件失效，高负载条件和不正确的安装和使用)，它们也能正确运行。因为路由器定位在网络连接点，故障时它们能导致严重的问题。最好的路由算法应该经得住时间的考验，并被证明在各种网络条件之下能保证稳定工作。l迅速收敛路由算法必须快速收敛。收敛指所有的路由器关于最佳的路由取得一致的过程。当一个网络拓扑发生改变时，路由器发送路由更新消息。路由更新消息弥漫网络，导致重新计算最佳路由，并最终使所有的路由器一致同意这些路由，路由算法收敛过慢会产生路由循环或网络损耗。l灵活

8、性路由算法也应该具有灵活性。换句话说，路由算法应迅速和准确地适应各种各样的网络情况。例如，假定网络的一部分失灵，多数路由算法在监测到这个问题时，要很快地为使用该段网络的路由选择次优的路径。路由算法应被设计成能够适应变化，不论网络带宽、路由器队列大小、网络延迟，或是其它的变量。这些设计目标是路由算法的衡量