geo衛(wèi)星組網(wǎng)星間鏈路仿真與控制

0多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型衛(wèi)星通信的發(fā)展趨勢表明，衛(wèi)星通信通信逐步從單段衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喽涡l(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。由相同軌道高度的衛(wèi)星組成的星座為單層衛(wèi)星組網(wǎng)方式,由兩個或多個不同軌道高度上的衛(wèi)星組成的星座稱為多層衛(wèi)星組網(wǎng)方式。文獻最早提出構(gòu)建雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)(doublelayeredsatelliteconstellation,DLSC)的設(shè)想,DLSC由雙層的低軌道衛(wèi)星/中軌道衛(wèi)星(lowEarthorbit/mediumEarthorbit,LEO/MEO)共同組建。在此組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,MEO衛(wèi)星間具有星間鏈路(inter-satellite-link,ISL),LEO衛(wèi)星間沒有ISL相連,MEO衛(wèi)星可以通過層間ISL和在自己“視距”內(nèi)的所有LEO衛(wèi)星相連。文獻通過對雙層星座空間幾何覆蓋性能的分析,指出DLSC結(jié)構(gòu)能提供比LEO網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)更好的覆蓋特性,包括更高覆蓋重數(shù)、更好仰角和更加靈活的星座類型選擇性。文獻提出了兩層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議(two-layeredsatelliterouting,TLSR),系統(tǒng)星座由16顆MEO衛(wèi)星和63顆LEO衛(wèi)星組成,與DLSC結(jié)構(gòu)類似。文獻提出了可以靈活配置網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的多層星座網(wǎng)絡(luò)(satelliteoversatellite,SoS)結(jié)構(gòu),SoS網(wǎng)絡(luò)由一個基本的LEO星座作為基礎(chǔ),可以基于對網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)業(yè)務(wù)的需求,靈活地調(diào)整其所包含的軌道層數(shù)和軌道高度。在SoS網(wǎng)絡(luò)中,低層LEO衛(wèi)星通過ISL與相鄰的LEO衛(wèi)星建立鏈路,同時與上層衛(wèi)星通過層間鏈路(inter-layerlink,IIL)進行通信,并且具有上下行鏈路(upanddownlink,UDL)與用戶通信,而上層星座中的衛(wèi)星除了具有ISL和IIL之外,根據(jù)需要也可以維持UDL。對于短距離業(yè)務(wù)(shortdistancedependent,SDD),由LEO衛(wèi)星通過LEO層的ISL進行傳輸;而對于長距離業(yè)務(wù)(longdistancedependent,LDD),則由LEO衛(wèi)星經(jīng)過ISL,由MEO衛(wèi)星或靜止地球軌道(geo-synchronousEarthorbit,GEO)衛(wèi)星進行中繼。在文章中沒有對SoS系統(tǒng)的覆蓋特性進行分析,也沒有對ISL進行具體描述。文獻提出比雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜的3層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MLSN(multi-layeredsatellitenetwork)。MLSN結(jié)構(gòu)由GEO、MEO和LEO組成,其中同層衛(wèi)星之間和不同層衛(wèi)星之間均具有ISL。網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的完備性和高抗毀性造成系統(tǒng)的復(fù)雜性比較高,使衛(wèi)星實現(xiàn)難度增加。在多層衛(wèi)星組網(wǎng)結(jié)構(gòu)中,按照網(wǎng)絡(luò)的層次劃分,可以分為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括:GEO/LEO、MEO/LEO、GEO/MEO,3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括:GEO/MEO/LEO。GEO/MEO/LEO。3層星座網(wǎng)絡(luò)建設(shè)復(fù)雜、成本較高、實現(xiàn)難度大,MEO/LEO雙層星座網(wǎng)絡(luò)較3層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單,但為了達到全球覆蓋,所需要的MEO衛(wèi)星數(shù)目較多,并且MEO衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星之間存在高速相對運動關(guān)系,導(dǎo)致層間星間鏈路建立和維護非常困難,帶來了系統(tǒng)成本的增加和系統(tǒng)實施難度的加大;相比較而言,結(jié)合了GEO衛(wèi)星廣域覆蓋的特點以及LEO衛(wèi)星優(yōu)點(傳輸時延短、可以支持手持終端業(yè)務(wù))的GEO/LEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)受到了更多關(guān)注,成為構(gòu)建多層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一種新思路。衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的一個關(guān)鍵是構(gòu)建衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法,以適應(yīng)動態(tài)的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。在文獻中均提出了面向連接的路由協(xié)議,在文獻中提出了雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由(twolayeredsatelliterouting,TLSR)協(xié)議,在SoS結(jié)構(gòu)中提出了多層基于服務(wù)質(zhì)量(qualityofservice,QoS)保證的路由協(xié)議(hierarchicalqualityofserviceroutingprotocol,HQRP)。這兩種路由協(xié)議在通信建立前先建立一條虛路徑,在通信結(jié)束時拆除,路徑的建立需要大量的信令信息的支持,網(wǎng)絡(luò)拓撲的動態(tài)變化導(dǎo)致算法頻繁進行切換處理,從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的路由信息更新頻繁,使衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差。基于此,基于因特網(wǎng)協(xié)議(Internetprotocol,IP)路由的包交換路由策略逐漸應(yīng)用到衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中。但是因為衛(wèi)星與地面用戶不斷地相對運動、業(yè)務(wù)分布的不均勻和通信時段的突發(fā)性,導(dǎo)致衛(wèi)星網(wǎng)的流量負載不均衡并且具有時變特性,不論從保證用戶QoS角度,還是從系統(tǒng)維護優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源角度,都需要對系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)考慮負載均衡,采用自適應(yīng)的路由策略[13,14,15,16,17,18]對于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)來說是必須考慮的。其中文獻[16-18]著重介紹了如何對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的流量進行統(tǒng)一調(diào)度,實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)負載的均衡傳輸。文獻對單層LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的負載均衡問題進行了研究,提出了網(wǎng)絡(luò)擁塞的預(yù)測機制,在人口多、經(jīng)濟發(fā)達的地區(qū)意味著網(wǎng)絡(luò)負載業(yè)務(wù)就比較多,相反地,人口稀少、經(jīng)濟落后的地區(qū)則意味著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負載量就比較少?；诖?可以對網(wǎng)絡(luò)中的負載業(yè)務(wù)進行提前預(yù)測并進行規(guī)劃,從而達到對網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)進行負載均衡傳輸?shù)哪康?。文獻[17-18]在文獻的基礎(chǔ)上,對雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的負載均衡算法進行了研究,在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)擁塞時,不僅要考慮把業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到相鄰的LEO衛(wèi)星進行傳輸,而且根據(jù)業(yè)務(wù)類型,可以把業(yè)務(wù)中轉(zhuǎn)到上層的GEO衛(wèi)星進行傳輸。盡管上述文獻已經(jīng)對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的路由控制以及負載均衡機制有所研究,但是綜合考慮衛(wèi)星業(yè)務(wù)分布的不均勻性以及LEO/GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不同延遲特點對不同業(yè)務(wù)實現(xiàn)其QoS特性并沒有被重點考慮,本文采用由GEO衛(wèi)星和LEO衛(wèi)星組成的混合軌道星座作為研究對象,對其網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和組網(wǎng)特性進行分析,提出一種基于負載均衡的動態(tài)路由算法,并對其進行了仿真分析。1星網(wǎng)和低軌瞳在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中,采用3顆靜止衛(wèi)星和低軌星座組成系統(tǒng)空間段。系統(tǒng)星座參數(shù)如表1所示。在此系統(tǒng)組網(wǎng)模式下,高軌星分別位于東經(jīng)0°、120°、240°,可以覆蓋全球,低軌星座支持用戶接入,高軌衛(wèi)星作為中繼星在對低軌衛(wèi)星可見時,為用戶提供數(shù)據(jù)中繼服務(wù),低軌星座每顆衛(wèi)星具有4條ISL,兩條軌內(nèi)ISL,兩條軌道間ISL,低軌衛(wèi)星與靜止星之間有層間鏈路。低軌星在即將進入“中繼區(qū)”時,可及時調(diào)整自身天線的方位角和仰角,以對準靜止星。2網(wǎng)絡(luò)特征分析2.1覆蓋特性分析(1)改性前后愛情區(qū)域覆蓋率的變化24星低軌方案地面站仰角為10°的情況下的通信時間、覆蓋性能和多重覆蓋性隨緯度變化的情況,如圖1~圖3所示。圖4仿真了在疊加3顆GEO衛(wèi)星后雙層星座的覆蓋率隨地理緯度的變化情況。通過圖2與圖4的對比可以發(fā)現(xiàn),單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)僅能覆蓋的區(qū)域范圍為-66°~66°,通過疊加GEO衛(wèi)星,可以達到對-84°~84°區(qū)域的覆蓋,可以實現(xiàn)除南北極小部分區(qū)域外的全球覆蓋。雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)不僅可以擴大網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍,而且可以增大網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)容量,在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較大的情況下,通過選用上層衛(wèi)星來減輕LEO層衛(wèi)星的負擔(dān),路徑選擇更加靈活,替換鏈路多,網(wǎng)絡(luò)抗毀性強,業(yè)務(wù)QoS可以得到保證。2.2星間通信系統(tǒng)仿真在此LEO&GEO雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中,ISL有3種,分別是同一個軌道面內(nèi)的軌道內(nèi)鏈路和軌道間鏈路以及不同層之間的層間鏈路。對于ISL特性的分析,通常用ISL的俯仰角、方位角以及ISL長度來表征。俯仰角和方位角的變化情況反映了衛(wèi)星之間衛(wèi)星相對關(guān)系的變化情況,表明在衛(wèi)星間實現(xiàn)星際通信的難易程度。ISL長度反映了衛(wèi)星之間長度的變化情況,通常作為星間路由選路的依據(jù)之一,因為星間長度直接決定了星間傳輸時延的變化。通過預(yù)先計算出鄰近衛(wèi)星的空間幾何特性,可以加快衛(wèi)星之間的瞄準捕獲和跟蹤,事先優(yōu)化建立星間通信系統(tǒng)。下面對ISL的方位角、俯仰角以及星間鏈路的變化情況進行了仿真。低軌道同層間ISL在同軌面和異軌面之間建立ISL,其連接關(guān)系是固定的,同軌ISL距離為5991km,異軌ISL距離在4900~6800km變化。近似認為各ISL傳播時延相等,約為20ms,方位角在0°~360°跳變。在不同層間的ISL的變化情況如圖5所示,星間距離在30000~50000km變化,其通信時延為100~167ms。如此遠的通信距離造成了很長的延遲,給ISL建鏈也帶來了一定難度。圖6仿真了GEO衛(wèi)星與下層LEO衛(wèi)星之間的連接變化情況。以GEO1與LEO11為例進行仿真,GEO1與LEO11的連接時間為:最短連接時間為4573s,最長連接時間為5101s,平均連接時間為4871s。GEO1與LEO15的連接時間為:最短連接時間為778s,最長連接時間為5091s,平均連接時間為4305s。經(jīng)過一天的仿真可以看出:GEO1與低軌軌道面1上的衛(wèi)星LEO11在不能通信期間,可以由LEO15接續(xù)進行服務(wù)?；诖朔抡?可以為動態(tài)路由算法的提出作為支撐。3基于層次分布的動態(tài)路由算法3.1geo衛(wèi)星衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型傳統(tǒng)的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)通常要求下層每顆衛(wèi)星均與上層衛(wèi)星保持連接,即一直維持強連接模型,本文為了降低GEO/LEO衛(wèi)星之間互聯(lián)關(guān)系的復(fù)雜性,采取分層分簇的分布式管理方法。首先按照軌道平面對衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)劃分為3個簇,即在同一個軌道平面的衛(wèi)星構(gòu)成一個簇,在每一個簇內(nèi)定義一個簇頭對簇內(nèi)的衛(wèi)星進行管理。在每一個簇內(nèi),由于GEO衛(wèi)星與LEO衛(wèi)星之間俯仰角、方位角變化率比較大,并且層間星間距離較遠,因此,對于上下層之間ISL,GEO衛(wèi)星只與每一簇的簇頭進行通信,這樣簡化了衛(wèi)星管理和路由。由仿真可知,GEO衛(wèi)星對LEO衛(wèi)星的覆蓋是不連續(xù)的,但是在一個回歸周期內(nèi),每個簇內(nèi)只需要選取兩顆LEO衛(wèi)星即可實現(xiàn)與GEO衛(wèi)星的接續(xù)傳輸,因此,為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸,在一個簇內(nèi)設(shè)定兩個簇頭:主簇頭和備份簇頭,當主簇頭與GEO衛(wèi)星無法建立連接時,由備份簇頭接續(xù)進行服務(wù)。簇頭在一個LEO衛(wèi)星簇內(nèi),定義與GEO衛(wèi)星具有最長連接時間的LEO衛(wèi)星為本簇的主簇頭,具有次長連接時間的LEO衛(wèi)星為備份簇頭,這樣可以減少網(wǎng)絡(luò)中簇頭與GEO衛(wèi)星切換的次數(shù)。針對本文所提出的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)模型,由于GEO衛(wèi)星為3顆,LEO軌道面也為3個,因此考慮每個軌道面對應(yīng)一個簇,每個簇分別對應(yīng)上層的一顆GEO衛(wèi)星,如GEO衛(wèi)星G1,對應(yīng)所管理的簇為低層LEO星座中的軌道面1的所有衛(wèi)星,依次類推,GEO衛(wèi)星G2對應(yīng)管理軌道面2的所有低層LEO衛(wèi)星,GEO衛(wèi)星G3對應(yīng)管理軌道面3的所有LEO衛(wèi)星。那么,與之相對應(yīng),在簇頭的選取時,應(yīng)選取與相對應(yīng)的GEO衛(wèi)星覆蓋時間最長的LEO衛(wèi)星。3.2分群分簇的雙向衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法在介紹本文所提出的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法之前,首先對本網(wǎng)絡(luò)模型下的用戶接入控制和相關(guān)協(xié)議進行約定:(1)地面用戶只與LEO衛(wèi)星建立直接鏈路,與GEO衛(wèi)星之間無直接鏈路;(2)地面信關(guān)站與GEO衛(wèi)星之間有直接鏈路;本文所提出的路由算法的基本原則:對于源目的用戶衛(wèi)星處于同一個LEO衛(wèi)星簇內(nèi)的衛(wèi)星,采用在單層衛(wèi)星內(nèi)傳輸,即通過簇內(nèi)衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)即可完成傳輸;而對于遠距離的用戶,即源目的用戶衛(wèi)星處于不同LEO衛(wèi)星分簇的衛(wèi)星,若是語音業(yè)務(wù),則通過LEO層衛(wèi)星進行傳輸,如果為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或?qū)r延不敏感的業(yè)務(wù),則選擇在LEO層或通過上層GEO衛(wèi)星的中轉(zhuǎn)進行傳輸。即語音業(yè)務(wù)只通過LEO層衛(wèi)星完成,而短距通信數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)只在LEO單層同簇衛(wèi)星內(nèi)完成,而對于長距數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)包則由LEO衛(wèi)星負責(zé)接入,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)負載的變化情況和路由跳數(shù)是否超過門限值來決定中間的多余轉(zhuǎn)發(fā)在GEO層傳輸還是在LEO層傳輸。本文根據(jù)已有的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由算法提出了一種分群分簇的基于負載均衡的雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)動態(tài)路由算法。本路由算法首先要完成原始路由表的計算。由于LEO層衛(wèi)星的星間連接關(guān)系是固定的,重點是LEO層衛(wèi)星的分簇簇頭與GEO衛(wèi)星之間的連接關(guān)系是可變的,但是根據(jù)衛(wèi)星運行的規(guī)律性,在某個時間段內(nèi),GEO衛(wèi)星與每一簇內(nèi)根據(jù)最長連接時間原則選擇的LEO衛(wèi)星簇頭的連接關(guān)系是固定的,可以事先計算。因此,我們可以根據(jù)3顆GEO衛(wèi)星對下層LEO衛(wèi)星的連接關(guān)系,將衛(wèi)星運行的周期離散化為N個時間間隔,在每個時間間隔內(nèi)衛(wèi)星的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是固定的,然后在每個時間間隔內(nèi)計算出最佳的LEO&GEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)路由,實現(xiàn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)原始路由表的計算。時間間隔的劃分根據(jù)每個簇簇頭與上層GEO衛(wèi)星的連接時間所決定。其計算步驟如下所示:星的路由表和衛(wèi)星的路由表由于LEO同簇衛(wèi)星之間的連接關(guān)系是固定的,因此簇內(nèi)衛(wèi)星的路由表可以事先計算,根據(jù)最小跳數(shù)規(guī)則,由LEO衛(wèi)星簇頭計算每顆衛(wèi)星的路由表,基于冗余備份規(guī)則,簇頭為每顆衛(wèi)星計算兩條到所有其他端衛(wèi)星的無環(huán)最短跳數(shù)路徑。步驟2的衛(wèi)星集群內(nèi)道路的內(nèi)外道路的傳輸簇頭將路由表計算好之后,通過洪泛技術(shù),將路由表分發(fā)到各顆衛(wèi)星。表3中l(wèi)eo簇中間道路的計算簇間路由表根據(jù)簡化設(shè)計的準則、最小跳數(shù)準則計算出LEO衛(wèi)星簇間路由表,然后發(fā)給給各衛(wèi)星。步驟4ue與leo衛(wèi)星簇頭連接的關(guān)系建設(shè)GEO衛(wèi)星根據(jù)在每個時間間隔內(nèi)與下面LEO層衛(wèi)星之間的連接關(guān)系,建立LEO&GEO衛(wèi)星層間拓撲表。步驟1、5geo衛(wèi)星層之間的勘探數(shù)據(jù)傳輸時,分為3種情況:簇內(nèi)路由、簇間路由和層間路由。源目的用戶衛(wèi)星接入在一個簇內(nèi),若是源目的用戶所接入的源目的用戶衛(wèi)星位于同一個LEO衛(wèi)星簇內(nèi),則接入后源衛(wèi)星通過查找簇內(nèi)路由表可以快速將數(shù)據(jù)送達目的衛(wèi)星。時變時的時延影響對于簇間路由表的計算,由于不同簇之間是通過異軌ISL連接的,而異軌ISL的連接關(guān)系是時變的,ISL的切換會導(dǎo)致分組到達目的端的路徑引起切換,進而引起時延抖動,因此,為了避免切換帶來的時延抖動的影響,在簇間路由過程中應(yīng)盡量減少異軌ISL的使用,以減少分組業(yè)務(wù)的時延抖動,因此在簇間路由選路時,按照盡量少異軌鏈路的原則計算傳輸路徑?；谧R別函數(shù)的層間互通若源用戶衛(wèi)星和目的用戶衛(wèi)星分屬于不同的簇,并且由于網(wǎng)絡(luò)擁塞導(dǎo)致在同層衛(wèi)星之間傳輸時時延增加,對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或者對時延不敏感的業(yè)務(wù),則首先在LEO層簇內(nèi)將數(shù)據(jù)包傳遞到簇頭衛(wèi)星,然后通過層間路由將數(shù)據(jù)包傳遞到GEO衛(wèi)星,然后通過GEO衛(wèi)星層間拓撲表的查找,找到需要中繼的下層衛(wèi)星的簇頭,將數(shù)據(jù)傳遞到另一顆GEO衛(wèi)星,然后通過層間鏈路將數(shù)據(jù)下傳到目的衛(wèi)星所在的簇頭。其路由策略示意圖如圖8所示。3.3動態(tài)配置能量由于ISL流量負載的動態(tài)變化,原始路由表計算之后,可能導(dǎo)致LEO衛(wèi)星的ISL鏈路或LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間的層間ISL擁塞,因此需要采用一定的策略避免擁塞,達到業(yè)務(wù)均衡傳輸。事先定義鏈路的擁塞門限為鏈路容量的λ%,如果鏈路緩沖占用情況超過擁塞門限,則認為該鏈路即將發(fā)生擁塞。對于層內(nèi)ISL和不同層間ISL,擁塞門限的取值不同,根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的流量負載情況進行動態(tài)配置。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時,如果衛(wèi)星監(jiān)測到某條鏈路隊列的分組數(shù)超過擁塞門限,就查找路由表,將分組轉(zhuǎn)發(fā)至備選下一跳方向。對備選路徑的下一跳出口緩沖隊列進行判定,如果也超過了設(shè)置的擁塞門限,則進行路由表的觸發(fā)更新。3.4geo層geo層綜上所述,雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由策略計算步驟如圖9所示。此路由策略具有如下特征:對網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)進行區(qū)分處理,根據(jù)QoS需要和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),選擇傳輸該業(yè)務(wù)的衛(wèi)星層,對于對時延要求高的語音業(yè)務(wù)通過低層LEO衛(wèi)星傳輸,對于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),如果不在同一個LEO簇范圍或LEO層網(wǎng)絡(luò)資源(即出現(xiàn)鏈路擁塞或節(jié)點失效時)不能滿足該業(yè)務(wù)要求或LEO層路由跳數(shù)大于門限值時,就將該業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)到GEO層傳輸。該策略根據(jù)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)特點對業(yè)務(wù)進行區(qū)分處理,綜合考慮了業(yè)務(wù)QoS特性和ISL帶寬占用狀況,選擇的最優(yōu)路徑靈活可靠。4傳輸時延及性能分析在進行路由算法的仿真時,需要設(shè)定的參數(shù)如表2所示。如圖10所示,對雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的平均傳輸時延進行了仿真對比,通過仿真可以看到:在網(wǎng)絡(luò)總通信量較低時,雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸時延明顯大于單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò),在鏈路利用率大于一定閾值情況下,雙層星座的平均傳輸延遲性能比較好,其高帶寬、多通路、處理能力強和可靠性高的優(yōu)勢開始顯示,使得其性能優(yōu)于單層結(jié)構(gòu)。假設(shè)單層LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延定義為Ttotal,通過雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳輸時的時延定義為T′total,下面通過一定的論證分析,試圖得出鏈路利用率以及低層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)ISL跳數(shù)的閾值。路徑中的總的時延Ttotal由4部分組成:上下行鏈路時延DUDL、路徑上每個ISL的傳輸時延DISL、排隊時延DQ、處理時延DP。式中,N表示路徑中經(jīng)歷的衛(wèi)星節(jié)點總數(shù)。DUDL和DISL的計算比較簡單,可以通過計算UDL長度和ISL長度,再除以傳輸速度即可。下面通過一定的推導(dǎo)得出平均星上處理和排隊時延。根據(jù)Jackson原理,每條ISL的數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)排隊模型為M/M/1/m單服務(wù)窗混合制排隊模型,其中,M表示服從負指數(shù)分布,m表示每條ISL的數(shù)據(jù)包排隊容量。數(shù)據(jù)包到來的間隔時間和服務(wù)時間均服從負指數(shù)分布,參數(shù)分別為μ和v。當系統(tǒng)中已有超過λ%的分組等待處理數(shù)據(jù)包時,認為網(wǎng)絡(luò)鏈路即將擁塞,不再接收新的數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包被轉(zhuǎn)移到備選路徑的下一跳鏈路。有數(shù)據(jù)包的平均處理和交換時延為根據(jù)上述的計算以及文獻中的推導(dǎo)和分析,我們粗略估計在一個衛(wèi)星節(jié)點平均的排隊和處理時延約為25ms左右,相當于在衛(wèi)星與衛(wèi)星之間一跳的時延值。雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延T′total由5部分組成:上下行鏈路時延DUDL、路徑上每個ISL的傳輸時延DISL、排隊時延DQ、處理時延DP以及LEO衛(wèi)星與GEO衛(wèi)星之間的IIL時延DIIL。式中,DIIL為高軌衛(wèi)星的往返時延,根據(jù)第2.2節(jié)的分析,LEO衛(wèi)星到高軌衛(wèi)星的單程通信時延為100~167ms,因此,此處取往返時延近似為260ms。當LEO單層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)容量過大導(dǎo)致ISL鏈路擁塞時,可以考慮將業(yè)務(wù)中轉(zhuǎn)到GEO層衛(wèi)星進行傳輸,擁塞的判決條件如第3.3節(jié)所述,鏈路出口隊列的分組數(shù)超出了一定的門限值即認為擁塞,而此時將式(1)和式(4)分別代入式(5),并近似認為ISL傳輸時延為25ms,排隊和等待時延也為一條IST的時延,即25ms,不同層間的IIL傳輸時延近似認為130ms左右,通過計算可以得出,N>6時式(5)成立。當?shù)蛯覮EO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中的業(yè)務(wù)過載,或者低層LEO衛(wèi)星的路徑跳數(shù)超過6跳時,通過GEO衛(wèi)星進行中轉(zhuǎn)傳輸,可以緩解鏈路擁塞,并顯現(xiàn)出雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢。原因在于:在鏈路利用率大于一定閾值情況下,鏈路可能造成擁塞,這樣排隊和等待的延時成為決定鏈路延遲性能的關(guān)鍵因素,會造成鏈路延遲大大增加,而如果此時有GEO衛(wèi)星進行中轉(zhuǎn),雖然LEO到GEO衛(wèi)星路徑距離比較遠,但可能兩跳IIL即可完成數(shù)據(jù)傳輸,這時雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢開始顯現(xiàn)。圖11和圖12仿真了丟包率性能在單層LEO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與雙層衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下的性能對