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1、中国科学E辑信息科学2005,35(8):850~874850低轨道(LEO)宽带卫星网络*最短路由优化算法1,2**22王凯东易克初田斌(1.西安电子科技大学计算机学院;2.综合业务网国家重点实验室,西安710071)摘要宽带卫星网络不仅能提供全球范围内的覆盖而且能提供广泛多样的不同种类和服务质量的数据通信业务.由低轨道(LEO)卫星簇组成的星座网络由于具有较短的端到端的时延以及更宽的带宽的优点,越来越为人们所重视.但针对LEO卫星星座网络而特别设计的简单有效的路由算法却是急待解决的问题.从LEO卫星星座网络抽象出一种新颖的三维球面网格拓扑结构,即蜘蛛型拓扑网络(
2、SWTN),并提出了基于SWTN的分布式分组路由算法.本算法具有非常低的星上计算复杂度以及不需要星上路由表的特点,非常适合星上处理.通过仿真可以得到本路由算法的性能.关键词分组路由低轨道卫星星座宽带卫星网络蜘蛛型网络拓扑星上交换卫星通信已经在我们生活的地球上获得了广泛的应用.这是由于卫星能覆盖非常广泛的地理区域(包括陆地、空中、海洋,以及条件恶劣的区域像高山、河流、森林、沙漠以及南北极区域等等),并且能提供不同种类和服务质量的宽带业务,因此卫星网络可以为政府、军队、企业和我们每一个人提供广泛多样的不同种类的数据通信业务.无论是发达国家还是发展中国家,卫星通信网络都是
3、非常有吸引力的,是能改变整个国家和社会的信息技术之一.在下一代将因特网(NGI)的发展中,卫星网络(包括LEO和GEO卫星)都将扮演非常重要的角色.这是[1]因为:(a)卫星可以覆盖地球大部分的区域,包括城市、乡村以及偏远或者难以到达的地区;(b)卫星通信可以具有灵活的按需分配带宽的能力;(c)为了达到最大的2004-04-08收稿,2005-04-18收修改稿*国家自然科学基金(批准号:60172029),空间微波技术国防科技重点实验室基金(514730201)**E-mail:wkd@mail.xidian.edu.cnSCIENCEINCHINASer.EIn
4、formationSciences第8期王凯东等:低轨道(LEO)宽带卫星网络最短路由优化算法851资源利用率目的,对于不可预测带宽的业务需求,卫星可以作为备用信道;(d)卫星可以使新用户方便快捷地接入到因特网中,将网络的扩充变得十分容易;(e)卫星可以成为下一代因特网的安全阀.当地面网络出现拥塞或者某段光纤链路出现故障等问题时,通过接入卫星信道可以很容易得到解决.(f)对于某些新的应用领域,例如数字地球、远程教育、远程医疗、远程娱乐等等,通过卫星都可以变成现实.但是要将宽带卫星通信网络系统和基于IP分组的因特网非常好地融合在一起,即能在宽带卫星网络上路由IP分组包
5、,还需要解决一些技术难题.由于LEO卫星簇围绕地球高速公转,因此LEO卫星之间相互链接的拓扑形状是随时间不断动态变化的,并不是静止不动的,需要特别针对LEO卫星星座网络,设计出一种简单的、高效的分组路由算法.通过此路由算法,使分组能从发送方开始,一跳一跳地穿过LEO卫星星座,然后顺利到达接收方,这是解决LEO宽带卫星网和因特网能很好融合在一起的关键技术之一.近年来,已有文献[2~15]研究有关LEO卫星网络路由算法,但大多是基于面[2~7]向连接的网络结构,例如基于ATM的星上交换网络.这些文献中的路由算法大多是在路由建立初始阶段计算的.即路由的计算是在地面交换中心
6、集中按照路由请求消息计算得到相应的路由表,然后配置到每一颗卫星中去,星上的交换机仅仅按照路由表来转发分组.由于卫星公转和地球自转引起的网络拓扑的变化,并不能保证其初始最优路由以后也是最优的.为了解决这个问题文献[8]提出了所谓的“路径切换(pathhandover)”的方法.但这些面向连接的路由算法通过使用路径切换来得到最短路由的方法却因为需要大量的路由表信息在卫星之间更新数据而变得不太可行.目前,因特网使用已经是大众所必需的工具之一,并且下一代因特网也在紧锣密鼓的研制之中,因此不管是公共商业领域还是军事领域都要求将IP技术和卫星网络紧密结合,即在卫星上能够进行路由
7、面向无连接的IP分组.由于LEO卫星簇围绕地球公转,而且地球本身也在自转,所以其卫星网络拓扑结构是随时间变化的,因此必须针对这种随时间变化的特殊的网络拓扑研究设计出相应的路由算法来.面向无连接的分组路由算法问题又分为集中式和分布式算法两类.对于集中式算法方面,文献[9]中的Darting算法用于解决卫星网络中非常繁重的拓扑[10]消息更新问题,但是与扩展的Bellman-Ford算法(这是一种距离向量协议修订版本)比较,Darting算法有相同的端到端的时延,却带来了很多倍的时间开销代价.前面提过,集中式计算路由表然后更新到卫星中去的算法会带来非常大的时间开销和
