1、LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法研究摘要：本文通過分析低軌道衛(wèi)星路由的特點、目標，結(jié)合衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)和運行規(guī)律，分別對有無星際鏈路（ISL）的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提出相應(yīng)的路由策略：最小延時路由算法、通信量和拓撲自適應(yīng)的路由算法。關(guān)鍵詞：低軌道（LEO）,衛(wèi)星通信，路由（Route）,星際鏈路（ISL）1緒論1.1 衛(wèi)星通信的低軌道化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢信息，主導(dǎo)著當今的社會，從工業(yè)時代進入信息時代，作為這個時代的主要資源，信息資源，正處在其邊際效用的最大值。與此同時，作為信息資源的載體和交換平臺的通信網(wǎng)絡(luò)也在無聲無息的進化著，而如今人們的目光，更多的投向太空。衛(wèi)星通信系統(tǒng)正是在這種形勢下應(yīng)運而生。以INMA

2、RSAT為代表的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)代表了二十世紀中期以前衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主流，然而山于軌道高度帶來的延遲較大以及發(fā)射費用較高等缺點大大限制了其業(yè)務(wù)范圍與綜合能力。進入90年代中期，隨著同步軌道資源限制與擁塞矛盾的白熱化及其高緯度區(qū)域覆蓋的局限性，人們寄希望與非同步軌道運而開發(fā)出克服上述缺陷的新一代MEO/LEO系統(tǒng)。LEO小衛(wèi)星通信系統(tǒng)是在二十世紀80年代末期國際上興起的一種全新概念的通信系統(tǒng)。它強調(diào)采用體化”的設(shè)計思想，盡量提高衛(wèi)星功能密集度從而增加系統(tǒng)的性價比。相比傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星通信系統(tǒng)，由于軌道高度的差別LEO系統(tǒng)的信號傳輸延遲將大大減少從而具有更好的實時性；由于體積，重量及應(yīng)用定位的差

3、別，LEO小衛(wèi)星所需的研制成本遠小于GEO衛(wèi)星系統(tǒng)。總的看來，LEO小衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景。雖然LEO和MEO等非靜止軌道衛(wèi)星具有上述優(yōu)點，但單顆LEO或MEO衛(wèi)星很難滿足全球或區(qū)域性通信系統(tǒng)的要求。為滿足通信全球化需求，必須采用星座方式將衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)化，形成衛(wèi)星移動通信網(wǎng)，利用網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢彌補單顆衛(wèi)星覆蓋特性的缺點。如Iridium,Globalstar和Teledesic等系統(tǒng)都是以星座運行模式來實現(xiàn)的。1.2LEO衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)化中的關(guān)鍵技術(shù)：路由算法衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星數(shù)目的多少不同，拓撲結(jié)構(gòu)也不同。當衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星數(shù)目較少的情況下，衛(wèi)星間可以通過地面信關(guān)站問連接，這種連接方式是合理的，

4、因為其可靠性高。當網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星數(shù)目增多的時候，如果單純利用地面信關(guān)站作為衛(wèi)星問信息溝通的橋梁，可能需要幾十個或者更多的地面站，費用高，而且在海洋和荒蕪的地區(qū)以及敵對國家建立信關(guān)站也是不可能的，因此單純利用地面站完成網(wǎng)絡(luò)中不同衛(wèi)星間的信息溝通是不現(xiàn)實的。因此可以采用星間鏈路（ISL:Inter-Satellite-Links）連接不同衛(wèi)星就可以彌補地面信關(guān)站連接方式的不足。無論是具有ISL還是不具有ISL,都需要考慮衛(wèi)星間的路由問題。因為路由問題在通信網(wǎng)中一直是一個核心問題，路由算法的優(yōu)劣將直接影響到整個通信網(wǎng)絡(luò)的性能以及通信的質(zhì)量。由于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)具有的拓撲結(jié)構(gòu)的動態(tài)變化等獨有的特點，使得適用于地

5、面網(wǎng)絡(luò)的一些路由算法不能直接應(yīng)用于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上，因此必須針對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的特點設(shè)計適合于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的路由算法。1.3 路由算法設(shè)計的目標路由算法是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的擴大而發(fā)展起來的。路由選擇的問題，本質(zhì)上是個路徑優(yōu)化的問題，也就是選擇哪條路由更好。優(yōu)化的標準一般稱之為度量值（Metric）,根據(jù)轉(zhuǎn)接次數(shù)、距離、時延、誤碼率、安全性等指標來制定，優(yōu)化基本方法主要有最短路徑算法、最大流算法及最小費用。最優(yōu)化指路由算法有選擇最佳路徑位置的能力。Metrics其權(quán)值決定最佳路由。例如，路由算法可能考慮節(jié)點數(shù)和延遲，但計算時延遲更重要。自然地，路由協(xié)議必須嚴格地定義它們的Metric計算算法。簡單性路由算

6、法應(yīng)被設(shè)計的盡可能的簡單。換句話說，路由算法必須以最少的軟件和使用費用獲得高效的功能。當路由算法由軟件實現(xiàn)，并在物理資源受限制的計算機上運行時，效率是特別重要的。健壯性路由算法必須是健壯的。換句話說，在異常的或者無法預(yù)料的情況面前（諸如硬件失效，高負載條件和不正確的安裝和使用），它們也能正確運行。因為路由器定位在網(wǎng)絡(luò)連接點，故障時它們能導(dǎo)致嚴重的問題。最好的路由算法應(yīng)該經(jīng)得住時間的考驗，并被證明在各種網(wǎng)絡(luò)條件之下能保證穩(wěn)定工作。迅速收斂路由算法必須快速收斂。收斂指所有的路由器關(guān)于最佳的路由取得一致的過程。當一個網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生改變時，路由器發(fā)送路由更新消息。路由更新消息彌漫網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致重新計算最佳路

7、由，并最終使所有的路由器一致同意這些路由，路由算法收斂過慢會產(chǎn)生路由循環(huán)或網(wǎng)絡(luò)損耗。靈活性路由算法也應(yīng)該具有靈活性。換句話說，路由算法應(yīng)迅速和準確地適應(yīng)各種各樣的網(wǎng)絡(luò)情況。例如，假定網(wǎng)絡(luò)的一部分失靈，多數(shù)路由算法在監(jiān)測到這個問題時，要很快地為使用該段網(wǎng)絡(luò)的路由選擇次優(yōu)的路徑。路由算法應(yīng)被設(shè)計成能夠適應(yīng)變化，不論網(wǎng)絡(luò)帶寬、路由器隊列大小、網(wǎng)絡(luò)延遲，或是其它的變量。這些設(shè)計目標是路由算法的衡量標準，因此在設(shè)計衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)上的路由算法時也應(yīng)遵循這些原則。1.4 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的路由特點前而講過，因為衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中數(shù)目的不同，少的時候，衛(wèi)星間的連接可以通過地面信關(guān)站；但是數(shù)目多的時候，就需要通過星際鏈路來連接。

8、因此，不同的連接方式，有不同的路由算法。無ISL（星際鏈路）的路由設(shè)計，根據(jù)系統(tǒng)的實際情況，提出了一種比較適用的路由算法最小延時路由算法。具有ISL（星際鏈路）的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，因其具有的某些特征使得地面無線移動網(wǎng)絡(luò)的各種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議不能直接應(yīng)用到ISL環(huán)境中，必須根據(jù)其特征進行適當?shù)母脑臁SL的特點可以歸結(jié)為以下幾點：1 、拓撲結(jié)構(gòu)持續(xù)變動，衛(wèi)星相對于網(wǎng)絡(luò)中其他衛(wèi)星處于不斷的運動過程中，例如Iridium系統(tǒng)中LEO問ISL持續(xù)時間平均為10分鐘。ISL傳輸時延長，相鄰LEO衛(wèi)星間傳輸時延在20ms左右，MEO問傳輸時延在50ms左右。ISL信道誤碼率高，通常只能在0.001到0.0001之間

9、，ISL傳輸速率高，當采用激光ISL時，ISL傳輸速率可以在50M到5G之間。2 、網(wǎng)絡(luò)拓撲的頻繁變化，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點問關(guān)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更新信息的大量增加ISL傳輸時延長，將使得網(wǎng)絡(luò)節(jié)點大量使用錯誤的網(wǎng)絡(luò)拓撲信息，直接導(dǎo)致路由計算困難和傳輸效率降低；此外ISL傳輸時延和高誤碼率將共同影響網(wǎng)絡(luò)阻塞控制和流量控制功能，可能導(dǎo)致大量反饋信息延誤和數(shù)據(jù)包大量重傳。在帶有ISL的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中，每顆衛(wèi)星可能同時與多顆其他衛(wèi)星通過ISL相連接，即信息可以通過多種不同路由傳遞，因此路由算法是帶有ISL的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵問題。但ISL規(guī)律性同時也為解決路由問題提供有利條件。ISL中衛(wèi)星必須在星座和軌道參數(shù)限制下運動，因此

10、衛(wèi)星運行以及因衛(wèi)星運動引起的ISL變化都是有規(guī)律性的。規(guī)律性主要表現(xiàn)為可預(yù)見性，周期性和固定性。可預(yù)見性指衛(wèi)星位置和衛(wèi)星間可見性關(guān)系可以通過預(yù)先計算得到，基于可遇見性特征，路由算法能夠更好解決路由重建和優(yōu)化問題；周期性指變化過程周期重現(xiàn)，而且其變化周期與衛(wèi)星軌道周期存在關(guān)聯(lián)，路由算法能夠更好減少路由算法狀態(tài)集個數(shù)；固定性指衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的固定性，固定性可以明顯降低路由規(guī)模。因此，基于上述規(guī)律性，為降低ISL時延限制路由算法的復(fù)雜性，提供了依據(jù)一一通過近似化因子和壓縮因子，來降低復(fù)雜性。2LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的路由策略2.1 LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)基本特征Iridium系統(tǒng)擁有星際鏈路（ISL）

11、、復(fù)雜的星上處理（OBP）以及星上交換（OBS）,形成一個獨立的空間網(wǎng)絡(luò)平臺，不需要地面網(wǎng)支持就能夠為全球用戶提供實時的移動通信業(yè)務(wù)，支持語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，真正實現(xiàn)了任何人隨時隨地通信的能力。而Globalstar系統(tǒng)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星，更確切的說，它是作為地面移動通信系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)的延伸和補充，與地面系統(tǒng)兼容，沒有星際鏈路和星上處理，依靠高速廉價的地面骨十網(wǎng)，形成一個彎管式”通信網(wǎng)絡(luò)，也能夠為全球用戶提供通信業(yè)務(wù)，其系統(tǒng)成本低于Iridium系統(tǒng)，技術(shù)難度也小一些。一般說來，由于數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以充分利用小衛(wèi)星技術(shù)，形體結(jié)構(gòu)簡單，所需的投資要比語音系統(tǒng)小得多。無論是從政治上，還是從經(jīng)濟發(fā)展上考

12、慮，各國都迫切需要解決全球通信問題，而首先需要解決的是全球數(shù)據(jù)通信，LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)就是一種很好的選擇。但是該系統(tǒng)是一個腕管式”通信網(wǎng)絡(luò)，需要地面站的強大支持，如果能在全球均勻的布置一定數(shù)量的信關(guān)站，信關(guān)站之間通過地面網(wǎng)相連，很好地解決了全球通信問題。但是，從政治、安全和現(xiàn)實出發(fā)，各國的LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)不可能在全球布置足夠數(shù)量目且分布均勻的地面站，故只能將信關(guān)站設(shè)置在各國自主控制的區(qū)域內(nèi)。那么，在該區(qū)域內(nèi)選取若十信關(guān)站（通過地面通信網(wǎng)連接），就可為各國用戶之間提供實時數(shù)據(jù)通信；而對于該地區(qū)以外的用戶，由于沒有自主控制的信關(guān)站和地面網(wǎng)的支持，一般只能以存儲/轉(zhuǎn)發(fā)的通信方式進行通信。綜

13、上所述，適用于各國的LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)應(yīng)具有以下一些基本特征：空間段由若十LEO（?。┬l(wèi)星組成，衛(wèi)星采用帶存儲/轉(zhuǎn)發(fā)功能的廉價衛(wèi)星，不具有一復(fù)雜的星上處理能力，衛(wèi)星之間沒有星際鏈路；（2）系統(tǒng)的正常運行需要地面網(wǎng)和地面信關(guān)站的支持；（3）信關(guān)站的設(shè)置局限于各國自主控制的區(qū)域，信關(guān)站之間通過地面網(wǎng)實時相連；（4）通信方式與Iridium等系統(tǒng)不同，實時通信和存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信同時存在，如果通信雙方都在國內(nèi)，一般都能米用實時通信方式。如果通信雙方之一處于國外，則通常大多只能采用存儲/轉(zhuǎn)發(fā)方式進行通信；（5）存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信的延時大小以及路由選擇隨著采用的路由算法不同而呈現(xiàn)巨大差異。2.2 信關(guān)站的選

14、擇信關(guān)站數(shù)目與位置直接關(guān)系到整個網(wǎng)絡(luò)運行效率、所能提供服務(wù)的性能以及系統(tǒng)可靠性等多個方而內(nèi)容，成為了系統(tǒng)設(shè)計的一個重要方面。信關(guān)站的選擇不僅要求節(jié)約投資，減少系統(tǒng)復(fù)雜度，還希望能夠保證系統(tǒng)安全性和提高系統(tǒng)的健壯性等。信關(guān)站的選擇及要求如下：(1) 在滿足系統(tǒng)性能要求的前提下，信關(guān)站的數(shù)目要盡可能少，信關(guān)站過多不僅增大系統(tǒng)投資，而且會增加系統(tǒng)的復(fù)雜度；(2) 信關(guān)站之間要求始終保持連接，進而保證位丁不同衛(wèi)星覆蓋區(qū)的用戶之間能夠?qū)崟r通信。因為在該系統(tǒng)中，衛(wèi)星之間沒有星際鏈路，用戶之間通過衛(wèi)星和信關(guān)站進行通信，需要信關(guān)站之間的協(xié)同工作；(3) 信關(guān)站站址要求在各國自主控制的范圍內(nèi)，而且希望能夠通過信

15、關(guān)站與其他地面網(wǎng)(固定網(wǎng)與無線網(wǎng))相連；(4) 在星座給定的條件下，要求信關(guān)站站址合理，使得實時覆蓋區(qū)的面積盡可能大，所以一部分信關(guān)站要求盡量靠近邊境；(5) 信關(guān)站的選擇還應(yīng)盡可能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、健壯性的要求，在某些信關(guān)站失效時，系統(tǒng)能夠降級運行；(6) 從系統(tǒng)的可靠性、抗毀性要求看，需要選擇較多的信關(guān)站，以便在部分信關(guān)站發(fā)生故障或其通信鏈路故障時，能夠使得系統(tǒng)正常工作，且其性能受到的影響相對較小，這就要求進行折中考慮。在衛(wèi)星星座給定的情況下，如何找出實現(xiàn)最大實時覆蓋區(qū)的信關(guān)站布局是一個最優(yōu)化的問題，可用最優(yōu)化理論來解決。但是，這樣的最優(yōu)化結(jié)果在實際中未必可行，因為信關(guān)站的位置和數(shù)目的選擇都

16、要受到一些實際條件的限制，如地理條件、信關(guān)站數(shù)目、地面設(shè)施。因此，按照上述信關(guān)站的選擇原則，可大致確定信關(guān)站的布局。2.3 最小延時路由算法根據(jù)存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信的特點，提出了一種適用丁LEO衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的最小延時路山算法。在通信連接建立時，該算法可以判斷出此次通信是實時通信還是存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信：若是存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信，就計算出本次通信所需要的最小延時，同時確定最優(yōu)的通信路由，具有一定的現(xiàn)實意義，在具體討論最小延時路山算法前先簡單說明算法將要用到的一些基本公式。主要用丁計算一顆衛(wèi)星是否能夠覆蓋到某個特定的位置點。2.3.1 相關(guān)計算公式星下點經(jīng)、緯度坐標公式：星下點定義為衛(wèi)星與地心連線與地球表面的交

17、點。衛(wèi)星沿著軌道繞地球運行，地球本身也在自轉(zhuǎn)，星下點軌跡在一般情況下不會再重復(fù)前一圈運行軌跡。假定當t=0時，衛(wèi)星經(jīng)過右升交點，則星下點經(jīng)、緯度坐標公式如下：-180”(-180°<0<-90°)2=4+八rctg(cos(i)*±<0w(-90w<90八(2-1)180°(90°<0<180°)9=arcsin(sin(O*sni(八)(2-2)其中：么、Ws是衛(wèi)星星下點的地理經(jīng)、緯度；布升交點赤經(jīng)；0是t時刻衛(wèi)星在軌道平面內(nèi)與右升交點之間的角距；好是地球自轉(zhuǎn)角速度；t是飛行時間；毋別用丁順行信道

18、和逆行信道；i軌道傾角。球面上任意兩點之間的距離公式：d=&?)sin(供)+-(2-3)單顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)半徑計算公式：r=R,arccos(-cos八)e(2-4)R+hL/J其中：為為兩點的地理經(jīng)度；W1,W2為兩點地理緯度；Re是地球半徑；h是軌道高度；e是終端對衛(wèi)星的仰角。根據(jù)公式(2-1)、(2-2)可以計算出任意時刻t,衛(wèi)星星下點的經(jīng)緯度坐標；根據(jù)公式(2-3)、(2-4)可以計算出任意時刻t,任意給定點是否在某顆衛(wèi)星的覆蓋區(qū)內(nèi)。由丁地面用戶和信關(guān)站的地理位置是已知的，因此，只要求出其到衛(wèi)星星下點的距離是否小丁衛(wèi)星的覆蓋區(qū)半徑，便可判斷其是否位丁該星的覆蓋范圍內(nèi)。2.3.2

19、最小延時路由算法假定A表小系統(tǒng)中全體衛(wèi)星的集合：S表小在時刻t可以接收來自主叫用戶數(shù)據(jù)信息的所有衛(wèi)星集合；/S是S的補集，表示系統(tǒng)中其他衛(wèi)星的集合，則有A=/S+S；用t0表示主叫用戶發(fā)起呼叫的時刻；T表示計算通信延時的當前時刻；成示采樣時間問隔。At的值越小，延時計算精度越高，但其計算量會相應(yīng)成比例增加，可根據(jù)實際需要，選取秒級或者分鐘級精度的采樣時間問隔；用R記錄最小延時路由(一個字符申)。需要說明的是，在描述最小延時路由算法時，假設(shè)主叫用戶擁有系統(tǒng)星座的星歷知識和主被叫雙方的位置信息，并忽略信息在通信過程中的傳播延時等，如衛(wèi)星與用戶(或信關(guān)站)之間的信息傳播延時和信息在地面網(wǎng)中的傳播延時

20、。本算法對實時通信和存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信兩種通信方式是統(tǒng)一的，實時通信等效丁延時為零的存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信，該算法的具體步驟如下：（1） 當主叫用戶在to時刻發(fā)起呼叫時，初始化各項參數(shù)，S=直集)，/S=A,t=t0,R="”室字符申，表明主叫信息還不能到達信關(guān)站)；（2） 根據(jù)公式（2-1,2-2,2-3,2-4）,遍歷S中的每一顆衛(wèi)星并計算該星是否能夠以一定仰角覆蓋主叫用戶（假定通信所需的最小仰角為10?,以下同），即判斷該星是否能夠在此刻接收主叫發(fā)出的信息，如果是，則把該星從/S中刪除，加入到S中；（3）如果R不等丁空字符申，貝U表示主叫發(fā)出的信息己經(jīng)可以傳到國內(nèi)的信關(guān)站，則轉(zhuǎn)入執(zhí)行（5）

21、;否則，繼續(xù)執(zhí)行（4）;（4）根據(jù)公式（2-1,2-2,2-3,2-4），遍歷S中的每一顆衛(wèi)星并計算該星是否能夠以一定仰角覆蓋某個信關(guān)站，如果是，則記錄下該星和該信關(guān)站的標識，即R='衛(wèi)星1+信關(guān)站1”，轉(zhuǎn)入執(zhí)行（5）;否則繼續(xù)遍歷下一顆衛(wèi)星，直到遍歷完S中的所有衛(wèi)星，轉(zhuǎn)入執(zhí)行（6）;（5）遍歷S中的每一顆衛(wèi)星，如果該星能夠覆蓋某一信關(guān)站，則把該星從中刪除，加入到S中，并標記該星通過某信關(guān)站轉(zhuǎn)，表明該星在t時刻可以通過該信關(guān)站接收來自主叫的信息；（6）遍歷S中的每一顆衛(wèi)星，計算該星是否能夠覆蓋被叫用戶，如果是，貝U把該星的標識記為衛(wèi)星2,如果衛(wèi)星2被標記為通過信關(guān)站轉(zhuǎn)，則把相應(yīng)信關(guān)站的

22、標識記為信關(guān)站2,轉(zhuǎn)入執(zhí)行（8）;否則，繼續(xù)遍歷S中的剩余衛(wèi)星，直到S中衛(wèi)星被遍歷；（7） 7）T=t+4裁入執(zhí)行（2）,進入下一輪循環(huán)；（8） 本次存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信的最小延時大小為tT0；如果衛(wèi)星2沒有被標識為通過信關(guān)站轉(zhuǎn)，貝康小延時路由即為R='主叫一衛(wèi)星2一被叫”，否則最小延時路由為R二生叫一衛(wèi)星1一信關(guān)站1一地面網(wǎng)一信關(guān)站2一衛(wèi)星2一被叫”，其中衛(wèi)星1（或信關(guān)站1）等表示記錄的衛(wèi)星（或信關(guān)站）的標識。最后，對算法作一點補充說明，可以在步驟（6）加上一個通信延時大小的上限，當（T-t0）大于這個上限時，就跳出循環(huán)，認為本次通信無法建立。可以看出，當星座不能提供全球無縫覆蓋（即有部分

23、地區(qū)始終不能被衛(wèi)星覆蓋時），或存儲/轉(zhuǎn)發(fā)通信雖然可以建立，但其延時超過了上限時，該算法仍能正確判斷，并給予報告，從而保證了該算法的健壯性和有效性。最小延時路由算法不僅僅適用于由相同軌道高度的衛(wèi)星組成的星座系統(tǒng)，還適用于由不同軌道高度、不同傾角以及不同軌道形式的異種衛(wèi)星組成的系統(tǒng)：既可以是全球覆蓋的系統(tǒng)，也可以是只對某個緯度帶進行覆蓋的系統(tǒng)，甚至于可以是各種不同用途的衛(wèi)星的隨意組合，只要衛(wèi)星具有最基本的存儲/轉(zhuǎn)發(fā)功能。3具有星際鏈路（ISL）的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)路由策略具有星際鏈路的低軌衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)利用星座中星與星之間的星際鏈路構(gòu)成空間網(wǎng)絡(luò)，降低了對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴，能以更為靈活和迅捷的方式為全

24、球用戶提供服務(wù)，增加了系統(tǒng)的靈活性和自治性，具有廣闊的應(yīng)用前景，也得到了越來越多的重視。3.1 星際鏈路星際鏈路，是連接衛(wèi)星星座內(nèi)的相鄰衛(wèi)星之間的通信鏈路。星座網(wǎng)絡(luò)中的衛(wèi)星通過星際鏈路（ISL）彼此連接。它將星座中的各衛(wèi)星有機地聯(lián)結(jié)為一體，使得系統(tǒng)內(nèi)的任何用戶通信鏈路建立都不需要地面通信網(wǎng)的支持。不同LEO系統(tǒng)，一顆衛(wèi)星可分別有4,6或8條ISL。星際鏈路ISL乂分為不同軌道平面間星際鏈路（InterlSL）和同一軌道平面內(nèi)星際鏈路（IntralSL）。用有星際鏈路的衛(wèi)星通信，信息可以由地面站通過上行鏈路發(fā)往衛(wèi)星，然后通過星際鏈路發(fā)往目的衛(wèi)星，最后由目的衛(wèi)星通過下行鏈路發(fā)往地面站，到達最終用戶

25、。（見圖3-1）整個通信經(jīng)歷了三個過程：信息在地面網(wǎng)段的傳輸；信息在衛(wèi)星上、下行鏈路上傳輸；衛(wèi)星在星際鏈路的傳輸。由丁衛(wèi)星和地面終端具有相對運動，整個通信鏈路并不是一成不變的，大致可分為三種變化(如圖3-2):(1) 通信過程中鏈路維持不變；(2) 通信過程中星際鏈路發(fā)生變化，而上、下行鏈路未發(fā)生變化，這時通信服務(wù)中的始、末端的衛(wèi)星未變，但是出丁系統(tǒng)的整體考慮，在通信過程中改變了星際鏈路的聯(lián)接；(3) 上、下行鏈路和星際鏈路均發(fā)生變化，這時主要的原因可能是起始端的衛(wèi)星發(fā)生了變化，從而引起相應(yīng)變化。在低軌道衛(wèi)星通信中，衛(wèi)星組成一個網(wǎng)，星際鏈路的選定也要采用一定的路由算法來選取最佳路由，也就是選取

26、效率最高的路由。由丁衛(wèi)星在不斷地移動，星上路由計算不會和常規(guī)的路由計算完全一致。如地面網(wǎng)常用的RIP和OSPF路由協(xié)議，在建立連接和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)改變時需要交換網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，而對LEO星座網(wǎng)絡(luò)而言，拓撲結(jié)構(gòu)的頻繁變化會導(dǎo)致傳播的更新信息量很大，會引起通信過程中切換的頻繁發(fā)生，從而還會引起系統(tǒng)開銷過大。3.2星座網(wǎng)絡(luò)拓撲衛(wèi)星之間通過一定的星座關(guān)系構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖稱為ISL網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。星座網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有其獨特的拓撲特點，由丁星座節(jié)點數(shù)固定、空間段運動周期性和星座運動的規(guī)律性和可預(yù)見性，使得其路由策略有簡化和變通的可能。本系統(tǒng)采用的軌道采用Walker星座，有8個軌道平面，每個平面有6顆衛(wèi)星，軌道傾角為5

27、2?,每顆衛(wèi)星相對丁鄰近軌道面上衛(wèi)星的相移為7.5?,相位因子f=1。每顆衛(wèi)星與同一軌道面的2顆相鄰星之間、以及與相鄰軌道面最近2顆衛(wèi)星之間具有星際鏈路。3.2.1 衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲變化規(guī)律衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)拓撲在衛(wèi)星的運行周期內(nèi)，并不是一成不變的，它隨時間動態(tài)變化。然而，它乂呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性：衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點總數(shù)不變、周期性、規(guī)則性、可預(yù)見性等。如果忽略星際鏈路長度的影響，其網(wǎng)絡(luò)拓撲在每一個時間間隔內(nèi)是保持不變的，只有當星際鏈路關(guān)閉（或重新連接）或者衛(wèi)星從其相鄰軌道的左邊運行至右邊（或從其相鄰軌道的右邊運行至左邊）時，網(wǎng)絡(luò)拓撲才發(fā)生變化。在圖3-3中，黑點表示衛(wèi)星節(jié)點，下方的數(shù)字表示衛(wèi)星的編號，比如編號5

28、4表示第5軌道平面上的第4顆星。圖中把上升衛(wèi)星和下降衛(wèi)星分成兩組，分別用實虛線表示上升、下降衛(wèi)星間的星際鏈路。3-3圖表示的是當前時刻的網(wǎng)絡(luò)拓撲快照，從圖可以看到23,62星將最先越過北極地區(qū)，由上升的衛(wèi)星變成下降的衛(wèi)星，星座網(wǎng)絡(luò)拓撲變化；與此同時下降衛(wèi)星86、47越過南極，并由下降衛(wèi)星變?yōu)樯仙l(wèi)星。變化后的網(wǎng)絡(luò)拓撲快照如圖3-4所示。比較圖3-3和圖3-4,可以看出發(fā)生變化前后，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是一樣的，只是每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的衛(wèi)星編號不同。所以可以根據(jù)Walker星座的這種特性，簡化衛(wèi)星星際路由算法的實現(xiàn)。在實現(xiàn)中，可以把網(wǎng)絡(luò)拓撲模型化為一個邏輯網(wǎng)絡(luò)，將初始時刻的圖3-3設(shè)為邏輯拓撲，圖3-3中的編

29、號既為衛(wèi)星的邏輯編號，也為它的物理編號。當網(wǎng)絡(luò)拓撲發(fā)生變化時，衛(wèi)星節(jié)點76就成為邏輯節(jié)點86,衛(wèi)星節(jié)點86就成為邏輯節(jié)點18,衛(wèi)星節(jié)點21變成邏輯節(jié)點31,衛(wèi)星節(jié)點24變成邏輯節(jié)點34,其他節(jié)點類似。在初始時，建立邏輯拓撲中每個邏輯節(jié)點的狀態(tài)信息和ISL鏈路信息，計算出每個邏輯節(jié)點對之間的最短路徑，并保存在每個節(jié)點的路由表中。那么，在衛(wèi)星運動過程中，路由表項或信道分配信息等狀態(tài)信息只需要持續(xù)地從一顆衛(wèi)星傳遞到下一顆衛(wèi)星.就可以隱藏衛(wèi)星的移動性，完成整個的通信功能。3.2.2 路由算法模型及說明具體路由算法模型如圖3-5所示。1 、t=0時，建立衛(wèi)星的星間鏈路邏輯網(wǎng)絡(luò)拓撲圖。為簡便起見，星問鏈路

30、的權(quán)重均標為1。然后依據(jù)Dijkstra算法計算出每個衛(wèi)星節(jié)點到所有其他節(jié)點的最短路徑。此處加以改進，為每對衛(wèi)星除了計算出第一最短路徑外，還可以計算出第二、第三甚至是第四最佳路徑，且各路徑相互獨立。即每一個后續(xù)路徑都是在前面已經(jīng)選出的路徑完全排除在外之后選出的。2 、在衛(wèi)星的運行周期內(nèi)，共有72張網(wǎng)絡(luò)拓撲快照，即共有72個時間間隔。假定衛(wèi)星的運動、網(wǎng)絡(luò)拓撲的變化以及切換都是在時間間隔的開始和結(jié)束發(fā)生。在第一個時間間隔開始的時候，根據(jù)邏輯網(wǎng)絡(luò)拓撲的結(jié)構(gòu)計算出每個節(jié)點的邏輯路由表，此時，邏輯節(jié)點就是物理節(jié)點所以邏輯路由表即為每個節(jié)點的物理路由表。當后續(xù)時間間隔到來的時候，根據(jù)邏輯節(jié)點到物理節(jié)點的映

31、射表，重新計算出每個衛(wèi)星節(jié)點的物理路由表。3 、當呼叫到達源衛(wèi)星節(jié)點時，并不是每次都選用第一最佳路徑進行通信，而是按照一定的準則從多個最佳路徑中選取的。此準則即是對路由的優(yōu)化。本準則考慮的因素有：呼叫的優(yōu)先級、一個路徑中最擁塞的ISL,它是由路徑的“熱點”所決定的。 呼叫分為兩種.新呼叫和切換呼叫。對用戶來說，通話過程中被迫中斷比新呼叫阻塞更加讓人不能忍受。所以，對這兩種呼叫，要分優(yōu)先級來進行處理。呼叫阻塞的原因有多種：用戶和衛(wèi)星之間的信道剩余資源不足，星問鏈路信道資源隨時間的變化出現(xiàn)阻塞，呼叫進而出現(xiàn)阻塞等。本文主要考慮由于星間鏈路信道資源不足而出現(xiàn)的阻塞。基于此，本文采用的切換優(yōu)先策略是動態(tài)星問鏈路保護信道預(yù)留策略，即新呼叫和切換呼叫共享常規(guī)的星問鏈路信道，星問鏈路保護信道為切換預(yù)留，但是新呼叫也可以在允許概率下，使用保護信道。此